DE69933424T2

DE69933424T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Entfernung von Stickoxiden aus der Abgasleitung einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE69933424T2
Application number: DE69933424T
Authority: DE
Inventors: Mathias Bouchez; Gil Mabilon; Brigitte Martin; Patrick Bourges
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1998-12-09
Filing date: 1999-11-19
Publication date: 2007-08-16
Anticipated expiration: 2019-11-20
Also published as: EP1008379A1; US6508057B1; JP2000170523A; FR2787037A1; DE69933424D1; FR2787037B1; EP1008379B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Behandlung von Gasen, welche in der Abgasleitung von Motoren mit gesteuerter Zündung bei magerem Gemisch und von Dieselmotoren ausgestoßen werden.
Derartige Motoren emittieren effektiv eine bestimmte Anzahl von Schadstoffen, welche es zu beseitigen gilt und dieses in dem Maße wirksamer, wie die Grenzwerte sich insbesondere in den Industrieländern verschärfen.
Unter den häufigsten und für die Umwelt schädlichsten Schadstoffen kann man Stickoxide nennen.
Es ist bekannt, diese Art von Schadstoffen zu beseitigen, indem man die Abgase durch Katalysatoren (genannt Ent-NOX) leitet, welche dazu dienen, die Stickoxide umzuwandeln. Dieser Vorgang erfordert eine Nachinjektion von Reduktionsmitteln wie z. B. Kohlenwasserstoffen. Da die bekannten Katalysatoren in einem gegebenen Temperaturintervall wirksam sind, kann man dazu angeregt werden, in dem Katalysatorkopf mehrere Katalysatoren mit unterschiedlichen Zusammensetzungen, d. h. unterschiedlichen aktiven Intervallen zu verwenden. Man vergrößert auf diese Weise den wirksamen Bereich dieser katalytischen Elemente.
Z. B. sind für niedrige Temperaturen verwendete Zusammensetzungen vom Typ Platin-Tonerde oder Platin-Zeolith. Die Temperaturen, bei welchen diese Katalysatoren am aktivsten sind, liegen von 200°C bis 250°C.
Die Katalysatoren, welche „Hochtemperatur" genannt werden, sind im allgemeinen zwischen 300°C und 500°C aktiv. Dies sind z. B. Katalysatoren vom Typ Kupfer-Zeolith.
Jedoch stellt sich in diesem Zusammenhang ein Problem, wenn die Abgase auf Höhe des Katalysators oder der Katalysatoren nicht in einem Temperaturintervall sind, für welches die Umwandlung der Stickoxide ausreichend ist.
Die Gesamtwirksamkeit derartiger Systeme mit einer Nachbehandlung bleibt daher begrenzt. Z. B. zeigt ein Platin-Tonerde Katalysator mit einer Nachinjektion von Treibstoff zur Zeit eine Wirksamkeit für Stickoxide unterhalb von 50 % auf.
Es gibt im übrigen Katalysatoren, auf welchen Stickoxide sich in unterschiedlichen Formen adsorbieren. Z. B. können NOX in Form von Nitraten gespeichert werden oder können sich in eine Oxydstruktur einfügen. Diese Katalysatoren werden im Allgemeinen „NOX-Fallen" genannt. Die NOX-Falle vom Typ „Nitrat" ist ein Katalysator, welcher es ermöglicht, an dessen Oberfläche in oxidierendem Milieu Stickoxide zu speichern. Im Allgemeinen ist er aufgebaut aus einem Edelmetall, welches auf oder in der Nähe einer Basismasse abgelagert ist, welche im Allgemeinen ein Oxid oder ein Gemisch von Alkalioxiden, Erdalkalioxiden oder seltenen Erdenoxiden ist. Bei magerem Gemisch (Sauerstoffüberschuss) wird das NO (NOX = NO + NO₂), welches sich überwiegend in den Abgasen befindet, durch das Edelmetall oxidiert, um NO₂ zu bilden. Dieses NO₂ wandert zur Oberfläche des Katalysators, um sich als nächstes auf dem Oxid zu adsorbieren und ein Nitrat zu bilden. Diese Nitrate sind stabil in oxidierendem Milieu über ein sehr breites Temperaturintervall. Um diese Nitrate von der Oberfläche des Katalysators zu desorbieren, ist es erforderlich, auf hohe Temperatur bei oxidierendem Milieu gehen zu geheen oder ein reduzierendes Gemisch zu erzeugen.
Da also die Regenerierung der NOX-Falle auf ausschließlich thermischem Wege es nicht ermöglicht, die in der Abgasleitung erneut ausgestoßenen Stickoxide zu behandeln, ist folglich ein zweiter Katalysator (Beispielsweise vom Typ kontinuierliche Ent-NOX) erforderlich, um diese zu reduzieren.
Die Patentanmeldung EP-A1-0540280 beschreibt eine Regenerierung auf thermischem Wege dieses Typs mit einer NOX-Falle, versehen mit einem Aufheizsystem für Gase, gefolgt von einem Katalysator zum Reduzieren der Stickstoffoxide. Die beiden Katalysatoren sind abzweigend von der Hauptabgasleitung angeordnet, ein Ventilsystem erlaubt es, in Phasen der Entleerung der Falle, das WH (Verhältnis zwischen dem Gasdurchfluss und dem Katalysatorvolumen, welches die Kontaktzeiten der Gase mit dem Katalysator angibt) zu vermindern. Auf diese Weise wird die Umwandlungsquote der NOX auf den Katalysatoren für die Reduktion von Stickstoffoxiden verbessert. Dennoch durchströmt bei dieser Konfiguration der Teil des Gasflusses, welcher durch die Hauptleitung strömt, nicht den Katalysator für die Reduktion der NOX.
Eine Regeneration durch den Gehalt ermöglicht es, die durch einen Katalysator vom Dreiwegetyp desorbierten NOX zu reduzieren, in dem man auf dem Katalysator ein geeignetes Edelmetall (z. B. Rhodium) ablagert.
Mit einem Benzinmotor, welcher bei magerem Gemisch läuft, ist der Übergang von mager nach fett mit dessen Betriebsweise in Einklang zu bringen, im Gegensatz dazu ist das Erhalten eines Gehalts oberhalb von 1 bei einem Dieselmotor schwieriger zu erreichen.
Eine bekannte Ausführung besteht darin, Kohlenwasserstoffe in die Abgasleitung stromaufwärts des Katalysators einzuspritzen, wenn die Nitrate aus der NOX-Falle desorbiert werden müssen. Das Patent US 5,201,802 veranschaulicht eine Ausführungsform von diesem Typ. Obwohl dieses Verfahren es ermöglicht, Gehalte zu erhalten, welche temporär oberhalb von 1 liegen, enthält das erhaltene Gasgemisch jedoch Sauerstoff in hoher Konzentration, was für die Regeneration hinderlich ist.
Ein anderes bekanntes Verfahren besteht darin, Verbrennungsgase am Eintritt wieder einzuspritzen, dieses in sehr hohen Raten und den Gehalt am Motoreintritt zu steuern. Das Dokument EP-A1-0829623 offenbart ein Verfahren dieser Art.
Ein bekanntes Verfahren ( US 5,771,685 ) besteht darin, den Gehalt des Kraftstoffgemisches zu erhöhen, um den Gehalt des Abgases zu erhöhen.
Diese letztgenannten Strategien haben den Nachteil, dass sie den Betrieb des Motors stören und dass sie die Motorsteuerung komplexer machen.
Die vorliegende Erfindung umfasst eine Regeneration einer NOX-Falle, basierend im Wesentlichen auf der Variierung des Gehalts der Abgase; und welche den Motorbetrieb nicht stört.
Die Regeneration einer NOX-Falle umfasst hier sowohl die Entladung von NOX und deren Reduzierung, wobei die Reduzierung durch die NOX-Falle sichergestellt ist.
Es handelt sich genauer darum, die Regeneration der NOX-Falle zu ermöglichen, indem man die Sauerstoffkonzentration vermindert und indem man die Konzentrationen an Kohlenmonoxid CO und an Wasserstoff H2 in diesen Abgasen stromaufwärts der NOX-Falle erhöht. CO und H2 sind per definitionem gute Reduktionsmittel, welche aus der partiellen Oxidierung von nacheingespritzten Kohlenwasserstoffen stammen. Das Kohlenmonoxid wirkt sowohl auf die Entladung als auch auf die Reduktion.
Auf diese Weise betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Beseitigung von Stickoxiden in einer Abgasleitung für Verbrennungsmotoren, welche mit magerem Gemisch laufen, umfassend ein Mittel zum Einfangen von Stickoxiden, ein Mittel zum Regenerieren der besagten Stickoxide, wenn das Mittel zum Eintreiben gesättigt ist, ein Mittel zur Behandlung von Kohlenwasserstoffen, welches stromaufwärts des Mittels zum Einfangen der Stickoxide vorgesehen ist, ein Mittel zum Einspritzen von zusätzlichen Kohlenwasserstoffen, welches stromaufwärts des Mittels zur Behandlung der Kohlenwasserstoffe angeordnet ist, ein Mittel zum Messen des Gehalts der Gase. Gemäß der Erfindung ist das Mittel zur Behandlung von Kohlenwasserstoffen ein Katalysator mit partieller (oder schonender) Oxidierung der Kohlenwasserstoffe, welcher mit dem besagten Mittel zum Einfangen der Stickoxide zusammenwirkt, welches es ermöglicht, an dessen Ausgang Gase zu erhalten, welche eine niedrige Sauerstoffkonzentration (O₂) und hohe Konzentrationen an Kohlenmonoxid (CO) sowie an Wasserstoff (H₂) haben; die Vorrichtung nach der Erfindung umfasst außerdem ein Mittel zum Aufzeichnen und zum Verarbeiten der aus den verschiedenen Aufnehmern stammenden und/oder gespeicherten Daten, damit man eine effiziente Regeneration der NOX-Falle erhält, ohne den Betrieb des Rotors zu stören.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind das Mittel zum Einspritzen von Kohlenwasserstoffen, das Mittel zur Behandlung von Kohlenwasserstoffen und das Mittel zum Einfangen von NOX in der Abgasleitung in Bezug auf die Strömungsrichtung der Gase in dieser Reihenfolge und in Serie vorgesehen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind das Mittel zum Einspritzen von Kohlenwasserstoffen, das Mittel zur Behandlung von Kohlenwasserstoffen und das Mittel zum Einfangen von NOX in der Hauptabgasleitung selber vorgesehen. In Einklang mit einer anderen Möglichkeit sind das Mittel zum Einspritzen von Kohlenwasserstoffen, das Mittel zur Behandlung von Kohlenwasserstoffen und das Mittel zum Einfangen von NOX in einer Abzweigleitung der Hauptabgasleitung vorgesehen, wobei die Vorrichtung gemäß der Erfindung zusätzlich ein Mittel zum Modulieren der Durchflussmenge der Gase zwischen der besagten Abzweigleitung und der Hauptleitung umfasst.
Ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen, können ein Mittel zum Einspritzen von Kohlenwasserstoffen, ein Mittel zur Behandlung von Kohlenwasserstoffen und ein Mittel zum Einfangen von Stickoxiden gleichermaßen sowohl in der Abzweigung als auch in der Hauptleitung vorgesehen sein, mit einem Mittel zum Modulieren des Gasdurchflusses zwischen der besagten Abzweigung und der Hauptleitung.
Außerdem kann die Vorrichtung gemäß der Erfindung mindestens einen Temperaturaufnehmer umfassen, welcher stromaufwärts der besagten Mittel zur Behandlung der Kohlenwasserstoffe vorgesehen sein kann.
Im übrigen kann die Vorrichtung gemäß der Erfindung ein Mittel zur Messung der in dem Mittel zum Einfangen eingefangenen NOX-Menge umfassen, welches stromabwärts der Mittel zum Einfangen des NOX angeordnet ist.
Außerdem kann ein zweiter Temperaturaufnehmer in der Abgasleitung angeordnet sein, stromabwärts des Mittels zur Behandlung der Kohlenwasserstoffe.
Speziell kann das Mittel zum Messen des Gehaltes der Abgase stromabwärts von dem Mittel zum Einfangen des NOX vorgesehen sein.
Ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, kann das Mittel zum Messen des Gehaltes der Abgase zwischen dem Mittel zur Behandlung der Kohlenwasserstoffe und dem Mittel zum Einfangen der NOX vorgesehen sein.
Im übrigen kann die Abgasleitung ein Mittel zum Vorheizen der Gase umfassen, welches stromaufwärts der Mittel zur Behandlung der Kohlenwasserstoffe angeordnet ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Beseitigung von Stickoxiden in einer Abgasleitung für Verbrennungsmotoren, welche mit magerem Gemisch laufen, dadurch gekennzeichnet, dass es besteht aus:

– Einfangen der NOX in einem geeigneten Mittel;
– Einspritzen der zusätzlichen Kohlenwasserstoffe in die Abgasleitung durch ein Mittel zum Einspritzen, welches in der Abgasleitung vorgesehen ist, in Abhängigkeit von den verschiedenen Betriebsparameter des Rotors und des Sättigungszustands des besagten Mittels zum Einfangen der NOX;
– partielles Oxidieren der Kohlenwasserstoffe in einem speziellen Mittel, um das Maximum an CO und H₂ zu erhalten;
– Regenerieren des besagten Mittels zum Einfangen von NOX mittels der Produkte der Oxidierungen der eingespritzten Kohlenwasserstoffe, insbesondere von CO und H₂;

Gemäß einem Aspekt der Erfindung überwacht man die in dem Mittel zum Einfangen der NOX gespeicherte NOX-Menge.
In Einklang mit einem anderen Aspekt der Erfindung überwacht man die Temperatur der Gase stromaufwärts oder stromabwärts der Mittel zur Behandlung der Kohlenwasserstoffe.
Im übrigen überwacht man den Gehalt der Gase stromaufwärts und/oder stromabwärts des Mittels zum Einfangen der NOX.
In vorteilhafter Weise spritzt man die besagten zusätzlichen Kohlenwasserstoffe ein, wenn das Mittel zum Einfangen der NOX gesättigt ist, die Temperatur (T1) der Abgase oberhalb eines Schwellwertes (TR), für welchen das Mittel zur Behandlung der Kohlenwasserstroffe aktiv ist, liegt, damit der Gehalt (Lambda) der Abgase größer oder gleich ist einem vorgegebenen Gehalt (LambdaR), welcher die Regenerierung des Mittels zum Einfangen auslöst.
Genauer spritzt man die besagten Kohlenwasserstoffe während einer Zeitdauer (dR)ein, welche unterhalb einer abgespeicherten, vorbestimmten Zeitdauer (dRMax) liegt.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung moduliert man die Durchflussmenge der Abgase zwischen einem Hauptweg und einer Abzweigleitung von dem besagten Weg.
Auf diese Weise heizt man außerdem die Abgase vor deren partieller Oxidierung in der besagten Abzweigleitung auf.
Auf spezielle Weise bricht man die Regenerierung in Abhängigkeit von der von einem Aufnehmer, wie z. B. einer Gehaltssonde, welche stromabwärts der Mittel zum Einfangen der NOX angeordnet ist, bereitgestellten Daten ab.
Weitere Vorteile, Eigenschaften, Einzelheiten der Erfindung werden besser erscheinen bei der Lektüre der nachfolgenden Beschreibung, welche zum Zwecke der Veranschaulichung und keinesfalls einschränkend erstellt wurde, unter Bezugnahme auf angehängte Zeichnungen, auf welchen:
Die 1 eine schematische Darstellung einer Abgasleitung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist;
Die 2 eine schematische Darstellung der Organisation der für das Verfahren gemäß der Erfindung erforderlichen Daten ist,
Die 3 ein Organigramm zu einem Verfahren zur Regeneration einer NOX-Falle gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung ist;
Die 4 eine schematische Darstellung einer Abgasleitung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist;
Die 5 eine Veranschaulichung der Organisation der Daten gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung ist; und
die 6 ein Organigramm zu dem Verfahren zur Regeneration einer NOX-Falle gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung ist.
Gemäß der Ausführungsform der Erfindung, welche anhand der 1 veranschaulicht ist, umfasst die Abgasleitung des Motors 1 im wesentlichen:
Einen ersten Katalysator 2 mit schonender Oxidierung genannt, welcher es ermöglicht, eine partielle Oxidierung der Kohlenwasserstoffe mit Kohlenmonoxid (CO) mit Wasserstoff (H₂) durchzuführen.
Ein zweiter Katalysator 3 ist in der Hauptabgasleitung stromabwärts des ersten Katalysators 2 bezüglich der Ausbreitungsrichtung der Gase in der Abgasleitung angeordnet. Dieser zweite Katalysator 3 ist eine „NOX-Falle", dessen Regenerationsmodus (Endspeicherung und Reduzierung) durch Anreicherung erfolgt.
Im übrigen ist ein Mittel 4 zur Einspritzung von Kohlenwasserstoffen für eine Nacheinspitzung vorgesehen; das Mittel 4 ist stromaufwärts der beiden Katalysatoren 2, 3 angeordnet. Diese Nacheinspritzung kann durch das Einspritzsystem des Motors sichergestellt werden, wenn dies nötig ist: Ein Einspritzsystem vom Typ common rail, dem Fachmann wohlbekannt, kann auf diese Weise eine derartige Nacheinspritzung in das Abgas sicherstellen. Ein spezifisches Einspritzsystem, der Einspritzung in den Motor selbst nachgestaltet, kann ebenfalls vorgesehen sein, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Außerdem kann mindestens ein Temperaturaufnehmer für die Ausführung der Erfindung erforderlich sein.
Gemäß der Ausführungsform der 1 sind zwei Temperaturaufnehmer 5, 6 vorgesehen: Einer 5 stromaufwärts des Katalysators für schonende Oxidierung 2 plaziert, der zweite Temperaturaufnehmer 6 ist zwischen dem Katalysator 2 und der NOX-Falle 3 angeordnet.
Der Aufnehmer 5 ermöglichtes zu wissen, ob die Temperatur der Gase ausreichend ist, um die während der Regenerationsphase der NOX-Falle 3 eingespritzten Kohlenwasserstoffe zu oxidieren.
Der Temperaturaufnehmer 6 gibt die Temperatur an, bei welcher die NOX bei magerem Gemisch eingelagert werden und ermöglicht es, während der Regeneration die Temperaturvariation aufgrund der Nacheinspritzung von Kohlenwasserstoffen zu erkennen.
Stromabwärts der NOX-Falle 3 kann eine NOX-Sonde 8 eingebaut sein, um die in der NOX-Falle 3 eingelagerte NOX-Menge zu einem gegebenen Zeitpunkt auszuwerten.
Schließlich kann eine Gehaltssonde 7 zwischen dem ersten und zweiten Katalysator angeordnet sein; diese Gehaltssonde 7 ist vorzugsweise stromabwärts der NOX-Falle 3 vorgesehen.
Die Wirkungsweise einer Abgasleitung, wie sie soeben bezüglich des Aufbaus beschrieben worden ist, ist allgemein die folgende:
Wenn der Motor bei magerem Gemisch betrieben wird, lagert der Katalysator oder die NOX-Falle 3 alles oder einen Teil des durch den Motor 1 ausgestoßenen NOX ein. Der in dem Katalysator zum Zeitpunkt t eingelagerte NOX-Anteil hängt sowohl von dem Sättigungszustand, in welchem sich die NOX-Falle 3 befindet (d. h., was diese bis zum Zeitpunkt t hat einlagern können) und von den Temperaturbedingungen, dem Durchfluss, der NOX-Konzentration, des Abgasgehalts ab. Die in dem Katalysator eingelagerte NOX-Menge kann abgeschätzt werden, beispielsweise aus den Daten der Motorkartografie und aus einem mathematischen Modell oder möglicherweise mit Hilfe der NOX-Sonde 8, welche stromabwärts der NOX-Falle 3 platziert ist. Wenn die in dem Katalysator 3 eingelagerte NOX-Menge einen Schwellwert S erreicht, wird der Regenerationsvorgang aktiviert. Man ermittelt in Abhängigkeit der Parameter aus der Motorkartografie, wie dem Gehalt und dem Abgasdurchfluss, die Kohlenwasserstoffmenge, welche nacheingespritzt werden muss, um augenblicklich einen Gehalt oberhalb von 1 in der Abgasleitung zu erhalten. Man kann zu diesem Zweck die proportionale Gehaltssonde 7 verwenden, welche beispielsweise stromabwärts des Katalysators für die schonende Oxidierung 2 platziert ist, um den Einstellwert der Nacheinspritzung festzusetzen. Außerdem zeigt der Temperaturaufnehmer 5, welcher stromaufwärts des ersten Katalysators 2 platziert ist, an, ob die Temperatur der Gase, welche bei dem Katalysator für schonende Oxidierung 2 eintreffen, ausreichend ist und dementsprechend, ob es nötig ist, die Nacheinspritzung zu aktivieren. Der Katalysator für schonende Oxidierung 2 verbraucht daher den in den Abgasen enthaltenen Sauerstoff, um insbesondere Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) zu bilden, zwei Elemente, welche die Regeneration der NOX-Falle 3 begünstigen.
Die 2 ist eine Zusammenstellung der gemäß der Erfindung verwendeten Parameter. Man sieht, dass der Motor 1 zwei Arten von Daten liefert: Die Motordrehzahl (N) und die Stellung des Gaspedals (einfach). Ausgehend von diesen Daten ermöglicht eine Kartografie C, welche beispielsweise in einer elektronischen Steuereinheit gespeichert ist, weitere Parameter, wie den Gehalt R am Motorausgang, den NOX-Anteil am Motorausgang und den Durchfluss im Abgassystem zu ermitteln.
Weitere Daten, gemessen durch den oder die Temperaturaufnehmer 5, 6 oder die NOX-Sonde 8, ermöglichen es, während der Phase der Einlagerung der NOX, die eingelagerte Menge NOX (QNOX) zu einem gegebenen Zeitpunkt (t = n) zu ermitteln, wenn diese mit den ersten Daten verknüpft werden.
Ein mathematisches Modell wird an Stelle von oder zusätzlich zu einer NOX-Sonde 8 verwendet, um die Konstellation der NOX in den Gasen zu ermitteln.
Wenn eine Sonde 8 zusätzlich zu dem mathematischen Modell verwendet wird, ist es außerdem möglich, die Parameter des Modells ständig anzupassen, um dem tatsächlichen Verhalten der Katalysatoren in der Abgasleitung zu folgen; auf diese Weise kann man z. B. die Alterung der Katalysatoren berücksichtigen.
In der Regenerationsphase liefert die Kartografie C dieselben Daten wie in der Einlagerungsphase, welche, verknüpft mit den Messungen der Temperatur und des Gehalts es ermöglichen, die Durchflussmenge von in das Abgassystem einzuspritzenden Kohlenwasserstoffen zu ermitteln.
Die 3 ist ein Organigramm der unterschiedlichen Schritte, welche zu der Regeneration der NOX-Falle 3 führen oder nicht.
Wie zu erkennen, überwacht man ständig die in der NOX-Falle eingelagerte NOX-Menge (QNOX); wenn dieser Wert eine bestimmte Schwelle S, welche in einer elektronischen Steuereinheit gespeichert ist, erreicht, überprüft man anschließend die Temperatur T1 der Gase stromaufwärts des ersten Katalysators 2; wenn diese Temperatur oberhalb einer Schwelle TR ist, welche der Mindesttemperatur entspricht, bei welcher der erste Katalysator 2 aktiv ist, interessiert man sich anschließend für den Gehalt Lambda der Gase stromabwärts von dem Erstkatalysator 2.
Die Menge an nacheingespritzten Kohlenwasserstoffen ist verknüpft mit der Differenz zwischen dem Gehalt R der Gase am Motorausgang und des Schwellgehalts LambdaR, welcher für die Regeneration erforderlich ist.
Am Ende der Regeneration hält man die Einspritzung von Kohlenwasserstoffen an, anschließend beginnt man den Vorgang der Einlagerung der NOX erneut.
Die 4 betrifft eine zweite Ausführungsform der Erfindung, welche sich von der ersten darin unterscheidet, dass das Einspritzmittel 4, die Katalysatoren 2, 3 sowie die verschiedenen Temperaturaufnehmer 6, Gehaltsaufnehmer 7 und NOX-Sonden 8 nicht in der Hauptabgasleitung 10 sondern in einer Abzweigung 9 eingeordnet sind. Ein Ventil oder jedes andere Mittel zum Modulieren der Hauptdurchflussmenge der Abgase aus dem Motor 1 ist an der Abzweigung des Bypass 9 vorgesehen.
Diese Anordnung ermöglicht es im Vergleich zu der ersten, die Durchflussmenge der Gase, welche die Katalysatoren während der Regeneration der Falle durchströmen, zu begrenzen. Man vermindert auf diese Weise die nacheinzuspritzende Kohlenwasserstoffmenge, um einen Gehalt oberhalb von 1 zu überschreiten.
Während der Phase der Einlagerung der NOX in der NOX-Falle strömt die Gesamtheit der Abgase durch die Leitung, welche die Katalysatoren umfasst. Die Nacheinspritzung von Kohlenwasserstoff ist nicht aktiviert worden.
Die Abschätzung der in dem Katalysator eingelagerten NOX-Menge ist identisch zu dem, was weiter oben beschrieben worden ist. Wenn die Regenerationsphase aktiviert ist, wird ein Teil der Gase aufgrund der Wirkung des Ventilmittels abgezweigt. Man begrenzt auf diese Weise die Durchflussmenge, welche die Katalysatoren durchströmt, was es ermöglicht, die WH (stündliche Volumengeschwindigkeit = Durchflussmenge an Gas/Volumen des Katalysators) zu vermindern. Die Menge an nacheingespritzten Kohlenwasserstoffen ist abhängig von dem Gehalt der Abgase (geliefert durch die Motorkartografien) und von dem Anteil des abgezweigten Durchflusses. Der Anteil der Durchflussmenge X in der Abzweigung 9 ist abhängig von der Gesamtdurchflussmenge der Gase und von der Stellung des Ventils 11 am Kopf der Abzweigung 9. Wie zuvor kann man eine proportionale Gehaltssonde verwenden, welche stromabwärts des Katalysators für schonende Oxidierung oder der NOX-Falle 3 angeordnet ist, um die nacheingespritzte Kohlenwasserstoffmenge festzusetzen.
Gemäß noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann die Abgasleitung außerdem ein Mittel 2 zum Erwärmen der Abgase umfassen, angeordnet gemäß der 4 in der Abzweigung 9, unmittelbar stromaufwärts von dem Katalysator für schonende Oxidierung 2.
Das Funktionsprinzip dieser Ausführungsform der Erfindung ist im wesentlichen das gleiche wie jenes, welches gerade beschrieben worden ist.
Die Vorteile der dritten Ausführungsform der Erfindung können wie folgt zusammengefasst werden:
Wie zuvor gesagt worden ist, wird die Nacheinspritzung von Kohlenwasserstoffen und dementsprechend die Regeneration der NOX-Falle 3 gekoppelt an das Temperaturniveau der Gase, welche die Katalysatoren 2 und 3 durchströmen. Auf diese Weise kann die Regeneration der Falle 3 nicht aktiviert werden, wenn dieses Niveau nicht ausreichend ist, zum Schaden der allgemeinen Wirksamkeit des Systems. Es kann daher wichtig sein, dem obigen System die Vorrichtung 12 hinzuzufügen, welche es ermöglicht, die Gase aufzuhalten, um das Temperaturniveau während der Regenerationen anzuheben, wenn dieses zu niedrig ist. Die Temperaturaufnehmer 5, 6, welche jeweils stromaufwärts und stromabwärts des Katalysators für schonende Oxidierung 2 angeordnet sind, ermöglichen es, das Aufheizsystem der Gase zu steuern. Der Zweck des Bypass 9 ist daher zweifaltig: Vermindern der Kohlenwasserstoffmenge für die Nacheinspritzung, um einen Gehalt oberhalb von 1 zu überschreiten, und Begrenzen der für die Aufheizung des Anteils der Gase, welche den Katalysator 2 durchströmen, aufzubringenden Energie.
Allgemein besteht der Zweck der Erfindung darin, während der Regeneration der NOX-Falle den im den Abgasen enthaltenen Sauerstoff mit dem nacheingespritzten Kohlenwasserstoffen in dem Katalysator für schonende Oxidierung 2 zu verbrauchen, und Kohlenmonoxid CO und Wasserstoff H2 stromaufwärts der NOX-Falle 3 zu bilden. Man erhält auf diese Weise bei einer Nacheinspritzung von Kohlenwasserstoffen ein Gemisch stromaufwärts der NOX-Falle, welches einen Gehalt oberhalb von 1 aufweist, mager an Sauerstoff und reich an CO und H2, was günstig ist sowohl für die Desorbtion von Nitraten und für die Reduktion des Mittels (3) der desorbierten NOX. Eine deutliche Verbesserung der Regenerationsphase der NOX-Falle 3 wird auf diese Weise erhalten.

Claims

Vorrichtung zur Beseitigung von Stickoxiden in einer Abgasleitung (1) für Verbrennungsmotoren, welche mit magerem Gemisch laufen, umfassend ein Mittel (3) zum Einfangen von Stickoxiden, ein Mittel zum Regenerieren der besagten Stickoxide, wenn das Mittel zum Einfangen gesättigt ist, ein Mittel (2) zur Behandlung von Kohlenwasserstoffen, welches stromaufwärts des Mittels (3) zum Einfangen der Stickoxide vorgesehen ist, ein Mittel (4) zum Einspritzen von zusätzlichen Kohlenwasserstoffen, welches stromaufwärts des Mittels (2) zur Behandlung der Kohlenwasserstoffe angeordnet ist, ein Mittel (7) zum Messen des Gehalts der Gase, dadurch gekennzeichnet, dass das besagte Mittel (4) zum Einspritzen von zusätzlichen Kohlenwasserstoffen in der Abgasleitung vorgesehen ist und dass das Mittel (2) zur Behandlung von Kohlenwasserstoffen ein Katalysator mit partieller (oder schonender) Oxidierung der eingespritzten Kohlenwasserstoffe ist, welcher es ermöglicht, an dessen Ausgang Gase zu erhalten, welche eine niedrige Sauerstoffkonzentration (O₂) und hohe Konzentrationen an Kohlenmonoxid (CO) sowie an Wasserstoff (H₂) haben, und dass sie außerdem ein Mittel zum Aufzeichnen und zum Verarbeiten der aus den verschiedenen Aufnehmern stammenden und/oder gespeicherten Daten umfasst, damit man eine effiziente Regenierung der NO_x-Falle (3) erhält, ohne den Betrieb des Motors zu stören.
Vorrichtung gemäß dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (4) zum Einspritzen von Kohlenwasserstoffen, dass Mittel (2) zur Behandlung von Kohlenwasserstoffen und das Mittel (3) zum Einfangen der NO_x in der Abgasleitung in Bezug auf die Strömungsrichtung der Gase in dieser Reihenfolge und in Serie vorgesehen sind.
Vorrichtung gemäß dem Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (4) zum Einspritzen von Kohlenwasserstoffen, das Mittel (2) zur Behandlung von Kohlenwasserstoffen und das Mittel (3) zum Einfangen von NO_x in der Hauptabgasleitung selber vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (4) zum Einspritzen von Kohlenwasserstoffen, das Mittel (2) zur Behandlung von Kohlenwasserstoffen und das Mittel (3) zum Einfangen von NO_x in einer Abzweigleitung (9) der Hauptabgasleitung vorgesehen sind, und daß sie zusätzlich ein Mittel (11) zum Modulieren der Durchflussmenge der Gase zwischen der besagten Abzweigleitung (9) und der Hauptleitung (10) umfasst.
Vorrichtung gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie zusätzlich mindestens einen Temperaturaufnehmer (5) umfasst.
Vorrichtung gemäß dem Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der besagte Temperaturaufnehmer (5) stromaufwärts der besagten Mittel (2) zur Behandlung der Kohlenwasserstoffe vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie zusätzlich ein Mittel (8) zur Messung der in dem Mittel zum Einfangen (3) eingefangenen NO_x -Menge umfasst, welches stromabwärts der Mittel (3) zum Einfangen des NO_x angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen zweiten Temperaturaufnehmer (6) umfasst, welcher stromabwärts der besagten Mittel (2) zur Behandlung der Kohlenwasserstoffe angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (7) zum Messen des Gehaltes der Abgase stromabwärts von dem Mittel (3) zum Einfangen des NO_x vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (7) zum Messen des Gehaltes der Abgase zwischen dem Mittel (2) zur Behandlung der Kohlenwasserstoffe und dem Mittel (3) zum Einfangen der NO_x vorgesehen ist.
Vorrichtung gemäß dem Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (7) zum Messen des Gehaltes der Abgase stromaufwärts des zweiten Temperaturaufnehmers (6) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie zusätzlich ein Mittel (12) zum Vorheizen der Gase umfasst, welches stromaufwärts der Mittel (2) zur Behandlung der Kohlenwasserstoffe angeordnet ist.
Verfahren zur Beseitigung von Stickoxiden in einer Abgasleitung (1) für Verbrennungsmotoren, welche mit magerem Gemisch laufen, dadurch gekennzeichnet, dass es besteht aus: – Einfangen der NO_x in einem geeigneten Mittel (3); – Einspritzen der zusätzlichen Kohlenwasserstoffe in die Abgasleitung durch ein Mittel zum Einspritzen (4), welches in der Abgasleitung vorgesehen ist, in Abhängigkeit der verschiedenen Betriebsparameter des Motors und des Sättigungszustands des besagten Mittels (3) zum Einfangen der NO_x; – partielles Oxidieren der Kohlenwasserstoffe in einem speziellen Mittel (2); – Regenerierung des besagten Mittels zum Einfangen von NO_x (3) mittels der Produkte der Oxidierungen der eingespritzten Kohlenwasserstoffe.
Verfahren gemäß dem Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass man die in dem Mittel (3) zum Einfangen der NO_x gespeicherte NO_x-Menge überwacht.
Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass man die Temperatur der Gase stromaufwärts und/oder stromabwärts der Mittel (2) zur Behandlung der Kohlenwasserstoffe überwacht.
Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass man den Gehalt der Gase stromaufwärts und/oder stromabwärts des mittels (3) zum Einfangen der NO_x überwacht.
Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass man die besagten zusätzlichen Kohlenwasserstoffe, wenn das Mittel (3) zum Einfangen der NO_x gesättigt ist, die Temperatur (T1) der Abgase oberhalb eines Schwellwertes (TR), für welchen das Mittel (2) zur Behandlung der Kohlenwasserstoffe aktiv ist, liegt, damit der Gehalt (λ) der Abgase größer oder gleich ist einem vorgegebenen Gehalt (λR), welcher die Regenerierung des Mittels zum Einfangen (3) auslöst.
Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass man die besagten Kohlenwasserstoffe während einer Zeitdauer (dR) einspritzt, welche unterhalb einer abgespeicherten, vorbestimmten Zeitdauer (dRMAX) liegt.
Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass man die Durchflussmenge der Abgase zwischen einem Hauptweg (10) und einer Abzweigleitung (9) von dem besagten Weg (10) moduliert.
Verfahren nach dem Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass man die Abgase vor deren partieller Oxidierung in der besagten Abzweigleitung (9) aufheizt.
Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass man die Regenerierung in Abhängigkeit von der von einem Aufnehmer, wie zum Beispiel einer Gehaltssonde, welcher stromabwärts der Mittel (3) zum Einfangen der NO_x angeordnet ist, bereitgestellten Daten abbricht.