WO1999020876A1 - VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR REGELUNG DES TEMPERATURBEREICHES EINES NOx-SPEICHERS IN EINER ABGASANLAGE EINES VERBRENNUNGSMOTORS - Google Patents

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR REGELUNG DES TEMPERATURBEREICHES EINES NOx-SPEICHERS IN EINER ABGASANLAGE EINES VERBRENNUNGSMOTORS Download PDF

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Rolf BRÜCK
Bernhard Pfalzgraf
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Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for regulating the temperature range of a NOx accumulator in an exhaust system for cleaning an exhaust gas flow of an internal combustion engine.
  • the invention can be used in particular in the cleaning of an exhaust gas stream of a diesel or a lean-burn engine for cleaning off substances present in the exhaust gas, such as unburned hydrocarbons, carbon monoxide and nitrogen oxides.
  • a three-way catalytic converter is usually used in current motor vehicles, by means of which carbon monoxide (CO), unburned hydrocarbons (HC) and nitrogen oxides (NOx) are converted into harmless components.
  • CO carbon monoxide
  • HC unburned hydrocarbons
  • NOx nitrogen oxides
  • EP 0 298 240 B1 describes that, in the known exhaust gas catalytic converter systems, the determination of the residual oxygen content in the exhaust gas by means of an oxygen probe, the determination of the temperature profile on the catalytic converter and the determination of the amount of heat released in the catalytic reaction to the exhaust gas behavior
  • Internal combustion engine can be closed. During operation and especially during the cold start phase, pollutants are generated in an internal combustion engine. It is therefore necessary to provide catalysts in the exhaust line of an internal combustion engine. This is known for example from EP 0 628 134 B1. Furthermore, it is known from EP 0 485 179 to use adsorbers for storing unburned hydrocarbons which occur during the cold start phase and which are released again when the downstream catalytic converter is ready for operation.
  • TA-Luft applies to stationary internal combustion engines in Germany.
  • the reduction of nitrogen oxide emissions from the exhaust gas of internal combustion engines is often achieved with urea in stationary systems.
  • the normal operating temperature range, within which such NOx stores work reliably, is currently around 150 ° C to 500 ° C, with an increase in the upper temperature to, for example, 700 ° C by new coatings. Above a maximum temperature of currently 800 ° C, NOx stores are damaged, so that such temperatures must be avoided in any case.
  • NOx stores are in Exhaust system usually arranged behind a first catalytic converter. The reaction taking place in the first catalyst, in particular of the hydrocarbons with oxygen, is exothermic, so that a heat flow is supplied to the exhaust gas when the exhaust gas is cleaned in the catalyst. Since the NOx accumulator only reaches its minimum operating temperature at a temperature of approx.
  • the method according to the invention serves to clean an exhaust gas flow from an internal combustion engine.
  • a heat flow is removed from the internal combustion engine by means of a heat exchanger from the exhaust gas flow upstream of a NOx storage device, which is also referred to as a NOx adsorber.
  • the heat exchanger is not in operation during the cold start phase in order to support a quick reaching of the operating temperature of the NOx storage device by at least approx. 150 ° C.
  • the method according to the invention for cleaning an exhaust gas flow of an internal combustion engine thus serves for operational safety or also for increasing the service life of the NOx accumulator. This ensures reliable cleaning of the exhaust gas flow over the entire load range of the internal combustion engine.
  • the heat exchanger can be designed in such a way that, due to its design alone, it dissipates little heat at low temperatures and a lot of heat at high temperatures (for example heat dissipation based essentially on heat radiation). Alternatively or in addition, it is also possible to control or regulate the heat dissipation by means of additional measures.
  • Exhaust gas flow before or after a first catalytic converter dissipates at least part of the thermal energy contained in the exhaust gas flow as a heat flow.
  • the proportion of energy that is dissipated as heat flow in front of the NOx storage leads, depends on the temperature limits of approx. 150 ° C to 500 ° C of the normal function or the maximum temperature of 800 ° C of the NOx storage.
  • the exhaust gas flow is discharged in two stages.
  • the two-stage removal of the heat flow can take place by two heat exchangers arranged one behind the other in front of the NOx store or by one heat exchanger in front of the first catalytic converter and between the first catalytic converter and the NOx store.
  • the outlet temperature of the exhaust gas can also be lowered in a targeted manner behind the first catalytic converter, which is arranged upstream of the NOx accumulator.
  • NOx is adsorbed in the NOx store and a catalytic oxidation is carried out.
  • a catalytic oxidation is carried out.
  • initially only NOx is adsorbed in the NOx store and the unburned hydrocarbons required, for example, for the regeneration of the NOx store, which may also be introduced into the exhaust gas line, are oxidized in a second catalytic converter outside downstream of the NOx store.
  • the heat flow to be dissipated by the heat exchanger is preferably in the range from 5 kW to 50 kW.
  • the heat flow is discharged in a controlled manner as a function of the load of the internal combustion engine.
  • the temperature range of the NOx storage serves as a control variable, in which it not only reliably adsorbs NOx but also works without damage, i.e. is not thermally overloaded.
  • the regulation of the amount of heat to be dissipated in the operating temperature range of the NOx store from approximately 150 ° C. to approximately 500 ° C. can be regulated in a manner known per se by determining the respective operating temperature by means of appropriate thermocouples, on the basis of which, for. B. the amount of coolant is controlled by means of which the heat flow is removed. In any case, the maximum temperature of 800 ° C should not be exceeded by increasing the heat dissipation.
  • the internal combustion engine is operated at an air / fuel ratio of lambda ⁇ 1 during the cold start until the NOx storage has reached its minimum operating temperature of approx. 150 ° C.
  • the internal combustion engine By operating the internal combustion engine in the rich, or at least in the stoichiometric operating range, there will be sufficient unburned hydrocarbons in the exhaust gas, which will serve to rapidly increase the operating temperature of the first catalytic converter upstream of the NOx accumulator.
  • the operating temperature of the NOx accumulator of at least approximately 150 ° C. is reached relatively quickly.
  • the NOx storage device preferably stores NOx and oxidizes unburned hydrocarbons.
  • the exhaust gas catalytic converter system for carrying out the method which is used in particular for diesel or lean-burn engines, has at least one first catalytic converter arranged in an exhaust gas line and one NOx accumulator.
  • at least one heat exchanger is arranged in the exhaust line in front of the NOx store, a heat flow depending on the respective operating state of the internal combustion engine being removed by means of the heat exchanger.
  • the NOx accumulator is preferably arranged between a first catalytic converter and a second catalytic converter and the heat exchanger between the first catalytic converter and the NOx accumulator.
  • an additional heat exchanger is arranged between the internal combustion engine and the first catalytic converter.
  • the removal of a heat flow from the exhaust system in front of the NOx storage can thus be carried out more flexibly.
  • the flexibility is somewhat less if only one heat exchanger is arranged in front of the NOx store between the internal combustion engine and the catalytic converter.
  • the temperature of the catalyst can be reduced so that the NOx storage is not thermally overloaded, ie its temperature is kept below 800 ° C.
  • not all of them can burned hydrocarbons are oxidized sufficiently so that it may be necessary to provide a correspondingly effective further three-way catalyst downstream of the NOx storage.
  • both the first catalytic converter and the second catalytic converter are each designed as three-way catalytic converters.
  • the NOx storage device and the second catalytic converter can be integrated in one unit. This can be achieved, for example, in that the NOx storage has a three-way coating.
  • the NOx accumulator on the one hand adsorbs NOx and on the other hand acts as an oxidation catalyst, with adsorbed NOx being directly reacted with hydrocarbons.
  • the cooling capacity of the heat exchangers provided in the exhaust line is in the range from 5 kW to 50 kW.
  • the heat exchanger is designed as a countercurrent heat exchanger.
  • This countercurrent heat exchanger is preferably designed as a double-walled tube or as a finned tube. Exhaust gas flows through it inside, and the coolant flows in the shell, which is formed by the double-wall structure, against the flow direction of the exhaust gas.
  • the coolant is preferably water or air, which flows as a forced flow through the heat exchanger.
  • the NOx storage can be regenerated by briefly adding hydrocarbons to the exhaust gas.
  • the NOx store again has its original adsorption capacity for NOx supplied by the internal combustion engine in the exhaust gas. So that a quantity of hydrocarbons intended for regeneration also reaches the NOx store, it is favorable if the first catalytic converter has only a low storage capacity for oxygen, so that the hydrocarbons are not already oxidized there and are therefore virtually wasted.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of an exhaust gas cleaning system according to the invention.
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of an exhaust gas cleaning system according to the invention.
  • the oxidation of unburned takes place in an exothermic reaction after the first catalytic converter 2 has reached its operating temperature, which can be done, for example, by an additional heating device (not shown) Hydrocarbons as well as carbon monoxide instead. Due to the exothermic reaction taking place in the first catalyst 2, energy is supplied to the exhaust gas stream so that its temperature rises.
  • a heat exchanger 3 is provided between the first catalytic converter 2 and the NOx accumulator 4, by means of which a load-dependent removal of the heat flow W can be implemented, in particular when the internal combustion engine is under high load.
  • a heat exchanger can also be located before the first catalytic converter 2, provided that this does not have any disadvantages for the cold start behavior.
  • the one from the Exhaust gas heat energy extracted can be used in the vehicle for heating purposes or the like. Since, at correspondingly high operating temperatures, the first catalyst 2 already oxidizes the unburned hydrocarbons contained in the exhaust gas stream and the carbon monoxide contained therein with a relatively high percentage, there are generally no longer sufficient quantities of unburned hydrocarbons for reaction with the one in the NOx store 4 stored NOx.
  • a second catalytic converter 6 is also provided behind the NOx store 4, which also oxidizes the additionally introduced unburned hydrocarbons and thus delivers an essentially cleaned exhaust gas.
  • FIG. 2 shows a further exemplary embodiment of an exhaust gas catalytic converter system according to the invention.
  • the exhaust gas stream is conducted from the internal combustion engine 1 into the exhaust pipe 5, in which two heat exchangers 3, 8, a first catalytic converter 2 and a NOx accumulator 7 provided with a three-way catalytic converter coating are arranged.
  • a first heat exchanger 3 is again arranged between the catalytic converter 2 and the NOx store 7. With this heat exchanger 3 it is possible to remove a defined heat flow W2 from the exhaust gas flow in accordance with the respective operating load or the respective operating state of the internal combustion engine 1.
  • a further heat exchanger 8 is provided between the internal combustion engine 1 and the catalytic converter 2, by means of which an additional heat flow W1 can be removed from the exhaust gas flow.
  • this leads to a decrease in the inlet temperature of the catalytic converter 2, which means that the temperature there too Exothermic reaction is slowed down.
  • its temperature at the outlet from the catalytic converter 2 is lower than in the case of the exemplary embodiment shown in FIG Figure 1.
  • the heat exchangers 3, 8 serve to reduce the maximum temperature of the exhaust gas flow when entering the NOx store 7, in order to ensure that its predeterminable temperature range is maintained.
  • the NOx store 7 is an integral unit with a three-way catalytic converter coating Mistake.
  • This three-way catalytic converter coating acts like a main catalytic converter 6 according to FIG. 1, but with the advantage that fewer separate parts of the exhaust gas cleaning system are required.
  • the exhaust line 5 can also contain an exhaust gas turbocharger 9 behind the internal combustion engine 1.
  • the exhaust gas drives this turbocharger 9, so that ambient air is compressed there and led to the internal combustion engine 1. Excess air is usually blown off, so that it is advantageous according to the invention for forced cooling of the exhaust line 5, z. B. can be used in countercurrent in the additional heat exchanger 8.
  • the present invention allows simple and effective compliance with a predeterminable temperature range in the NOx accumulator of an exhaust gas system, as a result of which the quality of the exhaust gas purification can be ensured under different operating conditions.

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung der Temperatur eines NOx-Speichers (7) zum Reinigen eines Abgasstromes einer Verbrennungskraftmaschine (1) beschrieben, welches bzw. welche insbesondere für Diesel- oder Magermotoren einsetzbar ist und bei welchem bzw. bei welcher aus dem Abgasstrom in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine (1) vor dem in dem Abgasstrang (5) vorgesehenen NOx-Speicher (7) ein solcher Wärmestrom (W1, W2) abgeführt wird, daß eine maximale Temperatur des NOx-Speichers nicht überschritten wird und insbesondere ein vorgebbarer Temperaturbereich eingehalten wird. Zum Erreichen einer minimalen Betriebstemperatur des NOx-Speichers wird die Verbrennungskraftmaschine (1) zumindest so lange bei einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis μ ≤ 1 betrieben, bis diese minimale Betriebstemperatur erreicht ist.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Regelung des Temperaturbereiches eines NOx-Speichers in einer Abgasanlage eines Verbrennungsmotors
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung des Temperaturbereiches eines NOx-Speichers in einer Abgasanlage zum Reinigen eines Abgasstromes einer Verbrennungskraftmaschine. Die Erfindung ist insbesondere bei der Reinigung eines Abgasstromes eines Diesel- oder eines Magermotors zum Abreinigen von im Abgas vorhandenen Stoffen wie unverbrannten Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid und Stickoxiden einsetzbar.
Ein zunehmendes Umweltbewußtsein und eine dieses Umweltbewußtsein reflektierende strenger werdende Abgasgesetzgebung erfordern eine noch stärkere Reduzierung von Abgaskomponenten, welche im Abgas einer Ver- brennungskraftmaschine enthalten und als schädlich eingestuft sind. Üblicher- weise wird in gegenwärtigen Kraftfahrzeugen ein Dreiwege-Katalysator eingesetzt, mittels welchem Kohlenmonoxid (CO), unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) und Stickstoffoxide (NOx) in unschädliche Bestandteile umgesetzt werden.
In der EP 0 298 240 Bl ist beschrieben, daß bei den bekannten Abgaskatalysatoranlagen über die Ermittlung des Restsauerstoffgehaltes im Abgas mittels einer Sauerstoff-Sonde, über die Ermittlung des Temperaturprofils am Katalysator und über die Ermittlung der bei der katalytischen Reaktion freiwerdenden Wärmemenge auf das Abgasverhalten der Verbrennungskraft- maschine geschlossen werden kann. Beim Betrieb und vor allem während der Kaltstartphase fallen bei einer Verbrennungskraftmaschine Schadstoffe an. Daher ist es erforderlich, Katalysatoren im Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine vorzusehen. Dies ist beispielsweise aus der EP 0 628 134 Bl bekannt. Des weiteren ist aus der EP 0 485 179 bekannt, Adsorber zur Speicherung von während der Kaltstartphase anfallenden unverbrannten Kohlenwasserstoffen zu verwenden, die bei betriebsbereitem nachgeschaltetem Katalysator wieder abgegeben werden.
Bei stationären Verbrennungskraftmaschinen gilt in Deutschland die TA-Luft. Die Verringerung der Stickoxidemissionen aus dem Abgas von Verbrennungskraftmaschinen wird bei stationären Anlagen häufig mittels Harnstoff realisiert.
Bei Verbrennungskraftmaschinen für Kraftfahrzeuge ist dies nicht möglich, und zwar unter anderem wegen des dafür mitzuführenden Tanks und wegen dessen Gewichts. Insbesondere bei Nutzfahrzeugen ist es bekannt, eine Abgasrückführung mit rückgekühlten Abgasen durchzuführen. Auch ist es bekannt, durch Wassereinspritzung die NOx-Emissionen zu reduzieren. Des weiteren ist es bekannt, die NOx-Emissionen dadurch zu verringern, daß diese zunächst in einem NOx-Speicher zwischengespeichert werden, aus welchem diese dann durch gezielte Reaktionen mit unverbrannten Kohlenwasserstoffen zu Stickstoff reduziert werden, d.h. daß dadurch den NOx- Bestandteilen der Sauerstoff entzogen wird.
Der normale Betriebstemperaturbereich, innerhalb dessen derartige NOx- Speicher zuverlässig arbeiten, liegt zur Zeit bei ca. 150 °C bis 500 °C, wobei eine Erhöhung der oberen Temperatur auf z.B. 700 °C durch neue Beschichtungen angestrebt werden. Oberhalb eine Maximaltemperatur von zur Zeit 800 °C werden NOx-Speicher geschädigt, so daß solche Temperaturen in jedem Falle vermieden werden müssen. Derartige NOx-Speicher sind im Abgassystem in der Regel hinter einem ersten Katalysator angeordnet. Die im ersten Katalysator ablaufende Reaktion insbesondere der Kohlenwasserstoffe mit Sauerstoff ist exotherm, so daß bei der im Katalysator stattfindenden Reinigung des Abgases dem Abgas ein Wärmestrom zugeführt wird. Da der NOx-Speicher erst bei einer Temperatur von ca. 150°C seine minimale Betriebstemperatur erreicht, ist es wünschenswert, vor allen Dingen im Hinblick auf das Kaltstartverhalten einer derartigen Abgasreinigungsanlage, den NOx-Speicher so dicht wie möglich hinter dem ersten Katalysator anzuordnen. Im Vollastbetrieb der Verbrennungskraftmaschine werden bei der im ersten Katalysator stattfindenden exothermen Reaktion Abgastemperaturen nach dem Katalysator erreicht, welche im Bereich von oder über 1.000°C liegen können. Bei diesen Vollastbedingungen ist es daher wünschenswert, den NOx-Speicher möglichst weit hinter dem ersten Katalysator anzuordnen, um zu gewährleisten, daß die Temperatur des NOx-Speichers auch unter diesen Vollastbedingungen nicht über ca. 800°C steigt. Beide Bedingungen widersprechen sich.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zu schaffen, welche insbesondere bei Diesel- und Mager- motoren im Abgas vorhandene Stoffe wie unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Stickoxide während aller Lastbedingungen der Verbrennungskraftmaschine möglichst weitgehend entfernen, eine thermisch bedingte Schädigung eines im Abgassystem angeordneten NOx-Speichers vermeiden und eine rasche Betriebsbereitschaft nach Kaltstart gewährleisten.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1. bzw. 11 sowie durch eine Abgaskatalysatoranlage mit den Merkmalen gemäß Anspruch 14. gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben. Das erfindungsgemäße Verfahren dient dem Reinigen eines Abgasstromes einer Verbrennungskraftmaschine. Erfindungsgemäß wird bei dem Verfahren aus dem Abgasstrom vor einem NOx-Speicher, welcher auch als NOx- Adsorber bezeichnet wird, ein Wärmestrom mittels eines Wärmeübertragers in Abhängigkeit vom Betriebszustand von der Verbrennungskraftmaschine abgeführt. Der Wärmeübertrager ist vor allen Dingen während der Kaltstartphase nicht in Betrieb um ein rasches Erreichen der Betriebstemperatur des NOx-Speichers in Höhe von mindestens ca. 150°C zu unterstützen. Je stärker bei ansteigender Last der Verbrennungskraftmaschine die exotherme Reaktion des im Abgasstrang angeordneten ersten Katalysators wirksam wird, desto stärker wird die Kühlleistung des zum Abführen des Wärmestroms erforderlichen Wärmeübertragers vor dem NOx-Speicher, so daß zuverlässig während des gesamten Betriebs der Verbrennungskraftmaschine gewährleistet wird, daß die Temperatur des NOx-Speichers 800 °C nicht übersteigt und/- oder sich in einem vorgebbaren Temperaturbereich befindet. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Reinigen eines Abgasstromes einer Verbrennungskraftmaschine dient somit der Betriebssicherheit oder auch der Erhöhung der Lebensdauer des NOx-Speichers. Damit wird über den gesamten Lastbereich der Verbrennungskraftmaschine ein zuverlässiges Reinigen des Abgasstromes realisiert. Generell kann der Wärmeübertrager so gestaltet sein, daß er allein aufgrund seiner Bauart bei niedrigen Temperaturen wenig Wärme abführt und bei hohen Temperaturen viel Wärme (z.B. eine im wesentlichen Wärmestrahlung basierende Wärmeabfuhr) . Möglich ist aber auch alternativ oder additiv, die Wärmeabfuhr durch zusätzliche Maßnahmen zu steuern oder zu regeln.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird aus dem
Abgasstrom vor oder nach einem ersten Katalysator zumindest ein Teil der im Abgasstrom enthaltenen Wärmeenergie als Wärmestrom abgeführt. Der Anteil der Energie, welcher als Wärmestrom vor dem NOx-Speicher abge- führt wird, richtet sich dabei nach den Temperaturgrenzen von ca. 150°C bis 500 °C der üblichen Funktion bzw. der maximalen Temperatur von 800°C des NOx-Speichers.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Beispiel wird der Abgasstrom zweistufig abgeführt. Das zweistufige Abführen des Wärmestromes kann dabei durch zwei hintereinander vor dem NOx-Speicher angeordnete Wärmeübertrager oder durch jeweils einen Wärmeübertrager vor dem ersten Katalysator und zwischen dem ersten Katalysator und dem NOx-Speicher erfolgen. Insbeson- dere bei Abführen eines Wärmestroms unmittelbar hinter der Verbrennungskraftmaschine kann insbesondere bei hoher Last der Verbrennungskraftmaschine die Austrittstemperatur des Abgases auch hinter dem ersten Katalysator, welcher vor dem NOx-Speicher angeordnet ist, zielgerichtet abgesenkt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung werden im NOx- Speicher sowohl NOx adsorbiert, als auch eine katalytische Oxidation durchgeführt. Es ist jedoch auch möglich, daß im NOx-Speicher zunächst lediglich NOx adsorbiert wird und die beispielsweise zur Regenerierung des NOx- Speichers erforderlichen, unter Umständen zusätzlich in den Abgasstrang eingebrachten unverbrannten Kohlenwasserstoffe außerhalb stromabwärts von dem NOx-Speicher in einem zweiten Katalysator oxidiert werden.
Vorzugsweise liegt der durch den Wärmeübertrager abzuführende Wärme- ström im Bereich von 5 kW bis 50 kW.
Bei einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasturbolader wird im allgemeinen ohnehin überschüssige Luft aus dem Turbolader abgeblasen. Daher kann diese Luft besonders vorteilhaft zur Zwangskühlung des Abgasstranges eingesetzt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird der Wärmestrom in Ab- hängigkeit von der Last der Verbrennungskraftmaschine geregelt abgeführt. Als Regelgröße dient dabei der Temperaturbereich des NOx-Speichers, in welchem dieser nicht nur zuverlässig NOx adsorbiert sondern auch schadensfrei arbeitet, d.h. thermisch nicht überlastet wird. Die Regelung der abzuführenden Wärmemenge im Betriebstemperaturbereich des NOx-Speichers von ca. 150°C bis ca. 500°C kann dabei in an sich bekannter Weise durch Ermittlung der jeweiligen Betriebstemperatur mittels entsprechender Thermoelemente geregelt werden, auf deren Basis z. B. die Menge an Kühlmittel geregelt wird, mittels welchem der Wärmestrom abgeführt wird. In jedem Fall soll die Überschreitung der Maximaltemperatur von 800 °C durch Erhöhung der Wärmeabfuhr vermieden werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung, der auch unabhängig von der im späteren Betrieb erfolgenden Regelung der Temperatur des NOx-Speichers zum Tragen kommen kann, wird die Verbrennungskraftmaschine beim Kaltstart so lange bei einem Luft-Kraftstoff- Verhältnis von Lamda < 1 betrieben, bis der NOx-Speicher seine minimale Betriebstemperatur von ca. 150°C erreicht hat. Indem nämlich die Verbrennungskraftmaschine im fetten, zumindest jedoch im stöchiometrischen Betriebsbereich betrieben wird, werden im Abgas ausreichend unverbrannte Kohlenwasserstoffe vorhanden sein, welche der raschen Erhöhung der Betriebstemperatur des dem NOx- Speicher vorgeschalteten ersten Katalysators dienen. Durch das rasche Hochfahren der Betriebstemperatur des ersten Katalysators wird wiederum die Betriebstemperatur des NOx-Speichers von zumindest ca. 150°C relativ rasch erreicht. Vorzugsweise speichert der NOx-Speicher NOx und oxidiert unver- brannte Kohlenwasserstoffe. Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung weist die Abgaskatalysatoranlage zur Durchführung des Verfahrens, welche insbesondere für Diesel- oder Magermotoren eingesetzt wird, zumindest jeweils einen in einem Abgasstrang angeordneten ersten Katalysator und einen NOx-Speicher auf. Gemäß der Erfindung ist vor dem NOx-Speicher zumindest ein Wärmeübertrager im Abgasstrang angeordnet, wobei mittels des Wärmeübertragers ein Wärmestrom in Abhängigkeit von dem jeweiligen Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine abgeführt wird.
Vorzugsweise sind der NOx-Speicher zwischen einem ersten Katalysator und einem zweiten Katalysator und der Wärmeübertrager zwischen dem ersten Katalysator und dem NOx-Speicher angeordnet. Mittels eines zwischen dem ersten Katalysator und dem NOx-Speicher angeordneten Wärmeübertragers kann insbesondere vermieden werden, daß der NOx-Speicher eine über die Grenztemperatur von ca. 800°C hinausgehende thermische Belastung erfährt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist zwischen der Verbrennungskraftmaschine und dem ersten Katalysator ein zusätzlicher Wärmeübertrager angedordnet. Das Abführen eines Wärmestroms aus dem Abgassystem vor dem NOx-Speicher kann damit flexibler durchgeführt werden. Dadurch wird eine zweistufige Wärmeabfuhr realisiert, wenn sowohl zwischen der Verbrennungskraftmaschine und dem Katalysator als auch zwischen dem Katalysator und dem NOx-Speicher jeweils ein Wärmeübertrager angeordnet ist. Die Flexibilität ist etwas geringer, wenn lediglich ein Wärmeübertrager vor dem NOx-Speicher zwischen der Verbrennungskraftmaschine und dem Katalysator angeordnet ist. In jedem Falle einer solchen Konfiguration kann die Temperatur des Katalysators jedoch so reduziert werden, daß der NOx- Speicher thermisch nicht überlastet wird, d.h. seine Temperatur unterhalb von 800°C gehalten wird. Dabei können jedoch unter Umständen, insbeson- dere bei höherer Last der Verbrennungskraftmaschine, nicht mehr alle unver- brannten Kohlenwasserstoffe ausreichend oxidiert werden, so daß es erforderlich sein kann, einen entsprechend wirksamen weiteren Dreiwege-Katalysator in Strömungsrichtung hinter dem NOx-Speicher vorzusehen.
Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel sind sowohl der ersten Katalysator als auch der zweite Katalysator jeweils als Dreiwege-Katalysatoren ausgebildet. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist es jedoch auch möglich, daß der NOx-Speicher und der zweite Katalysator in einer Einheit integriert sind. Dies ist beispielsweise dadurch realisierbar, daß der NOx-Speicher eine Dreiwege-Beschichtung aufweist. In einem solchen Fall adsorbiert der NOx-Speicher einerseits NOx und wirkt andererseits als Oxidationskatalysator, wobei adsorbiertes NOx direkt mit Kohlenwasserstoffen umgesetzt wird.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel liegt die Kühlleistung der im Abgasstrang vorgesehenen Wärmeübertrager im Bereich von 5 kW bis 50 kW. Um vor allen Dingen höhere Kühlleistungen zu erreichen, sind hocheffektive Wärmeübertrager erforderlich. Beispielsweise ist gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung der Wärmeübertrager als Gegen- Stromwärmeübertrager ausgebildet. Vorzugsweise ist dieser Gegenstromwärme- übertrager als doppelwandiges Rohr oder als Rippenrohr ausgebildet. In seinem Innern ist er von Abgas durchströmt, und in der Hülle, welche durch die Doppelwandstruktur gebildet ist, strömt entgegen der Strömungsrichtung des Abgases das Kühlmittel. Vorzugsweise ist das Kühlmittel Wasser oder Luft, welches als Zwangsströmung durch den Wärmeübertrager strömt. Es sei aber darauf hingewiesen, daß auch schon einfache Rippenrohre zwischen den einzelnen Komponenten oder sogar gut im Luftstrom eines fahrenden Fahrzeuges gekühlte geeignet dimensionierte Leitungen als erfindungsgemäße Wärmeübertrager dienen können. Besonders vorteilhaft ist es auch, abgeblasene Luft eines Abgasturboladers zur Zwangskühlung des Abgasstranges einzusetzen.
Bei typischen Anwendungen ist der NOx-Speicher durch kurzzeitige Zugaben von Kohlenwasserstoffen in das Abgas regenerierbar. Das bedeutet, daß das gespeicherte NOx durch im NOx-Speicher stattfindende Oxidation unverbrannter Kohlenwasserstoffe als Sauerstofflieferant dient und somit aus dem NOx- Speicher Stickstoff, Wasser und CO2 austreten. Nachdem auf diese Weise das NOx aus dem NOx-Speicher "ausgetrieben" worden ist, weist der NOx- Speicher wieder seine ursprüngliche Adsorbtionskapazität für im Abgas von der Verbrennungskraftmaschine zugeführtes NOx auf. Damit eine zur Regeneration vorgesehene Menge an Kohlenwasserstoffen auch den NOx-Speicher erreicht ist es günstig, wenn der erste Katalysator nur eine geringe Speicherfähigkeit für Sauerstoff aufweist, damit nicht schon dort die Kohlen- Wasserstoffe oxidiert und damit quasi verschwendet werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert erläutert, wobei:
Fig. l ein erstes Ausführungsbeispiel einer Abgasreinigungsanlage gemäß der Erfindung zeigt; und
Fig.2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Abgasreinigungsanlage gemäß der Erfindung zeigt.
In Figur 1 ist in prinzipieller Darstellung eine Abgasreinigungsanlage gemäß der Erfindung dargestellt. Von der Verbrennungskraftmaschine 1 gelangt das
Abgas in einen Abgasstrang 5, in welcher ein ersten Katalysator 2 und ein zweiter Katalysator 6 angeordnet sind. Zwischen beiden Katalysatoren 2, 6 ist ein NOx-Speicher 4 angeordnet. Zwischen dem ersten Katalysator 2 und dem NOx-Speicher 4 ist ein Wärmeübertrager 3 im Abgasstrang 5 angeordnet. Bei dem von der Verbrennungskraftmaschine 1 über den Abgasstrang 5 zu dem ersten Katalysator 2 gelangenden Abgas findet, nachdem der ersten Katalysator 2 seine Betriebstemperatur erreicht hat, was beispielsweise durch eine zusätzlich angebrachte (nicht dargestellte) Heizeinrichtung erfolgen kann, in einer exothermen Reaktion die Oxidation unverbrannter Kohlenwasserstoffe sowie von Kohlenmonoxid statt. Durch die in dem ersten Katalysator 2 ablaufende exotherme Reaktion wird dem Abgastrom Energie zugeführt, so daß dessen Temperatur ansteigt. Bei hoher Last der Verbrennungskraftmaschine treten am stromabwärtigen Ausgang des ersten Katalysators 2 Betriebstemperaturen von ca. 1.000°C oder mehr auf. Da die maximale Temperatur des nach dem ersten Katalysator 2 in der Abgasleitung angeordneten NOx-Speichers 4 bei ca. 800 °C liegt und seine Funktionsfähigkeit im Bereich von ca. 150°C bis ca. 500 °C liegt, würde ein Abgasstrom mit einer derartig hohen Temperatur zu einer frühzeitigen Zerstörung des NOx- Speichers 4 bzw. zu mangelhafte Funktion fuhren mit der Folge, daß der Abgasstrom nicht von dem umweltschädlichen NOx befreit werden könnte. Aus diesem Grunde ist zwischen dem ersten Katalysator 2 und dem NOx- Speicher 4 ein Wärmeübertrager 3 vorgesehen, mittels welchem insbesondere bei hoher Last der Verbrennungskraftmaschine eine lastabhängige Abfuhr des Wärmestromes W realisierbar ist. Grundsätzlich kann ein solcher Wärmeübertrager auch schon vor dem ersten Katalysator 2 liegen, sofern dies für das Kaltstartverhalten keine Nachteile bringt.
Je nach im ersten Katalysator 2 durch die exotherme Reaktion freigesetzter und im Abgasstrom enthaltener Wärmeenergie und damit je nach Temperatur des den ersten Katalysator 2 verlassenden Abgasstromes erfolgt eine geregelte Abfuhr des Wärmestromes W, damit gewährleistet ist, daß die Tempe- ratur des NOx-Speichers im gewünschten Bereich bleibt. Die aus dem Abgasstrom entnommene Wärmeenergie kann im Fahrzeug für Heizzwecke oder ähnliches eingesetzt werden. Da bei entsprechend hohen Betriebstemperaturen der erste Katalysator 2 bereits mit einem relativ hohen Prozentsatz die im Abgasstrom enthaltenen unverbrannten Kohlenwasserstoffe sowie das darin enthaltene Kohlenmonoxid oxidiert, liegen in der Regel nicht mehr ausreichende Mengen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen vor zur Reaktion mit dem in dem NOx-Speicher 4 gespeicherten NOx. Daher ist es, und zwar je nach Betriebsbedingungen, erforderlich, in Intervallen zusätzlich unverbrannte Kohlenwasserstoffe in den Abgasstrang 5 vor dem NOx-Spei- eher 4 einzuspritzen. Um zu gewährleisten, daß bei allen Betriebsbedingungen eine möglichst vollständige Reinigung des Abgases erfolgt, ist hinter dem NOx-Speicher 4 noch ein zweiter Katalysator 6 vorgesehen, welcher auch die zusätzlich eingebrachten unverbrannten Kohlenwasserstoffe oxidiert und damit ein im wesentlichen gereinigtes Abgas liefert.
In Figur 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Abgaskatalysatoranlage gemäß der Erfindung dargestellt. Bei dieser Abgaskatalysatoranlage wird der Abgasstrom von der Verbrennungkraftmaschine 1 in die Abgasleitung 5 geleitet, in welcher zwei Wärmeübertrager 3, 8, ein erster Katalysator 2 und ein mit einer Dreiwege-Katalysator-Beschichtung versehener NOx-Speicher 7 angeordnet sind. Entsprechend dem Ausführungsbeispiel von Figur 1 ist wiederum ein erster Wärmeübertrager 3 zwischen dem Katalysator 2 und dem NOx-Speicher 7 angeordnet. Mit diesem Wärmeübertrager 3 ist es möglich, entsprechend der jeweiligen Betriebslast bzw. dem jeweiligen Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine 1 einen definierten Wärmestrom W2 aus dem Abgasstrom abzuführen. Zusätzlich ist zwischen der Verbrennungskraftmaschine 1 und dem Katalysator 2 ein weiterer Wärmeübertrager 8 vorgesehen, mittels welchem ein zusätzlicher Wärmestrom Wl aus dem Abgasstrom abführbar ist. Das führt jedoch dazu, das die Ein- gangstemperatur des Katalysators 2 zurückgeht, wodurch ggf. auch die dort ablaufende exotherme Reaktion verlangsamt wird. Dadurch ist dessen Temperatur am Austritt aus dem Katalysator 2 geringer als im Fall des Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1. Bei einem Betriebsfall, bei welchem beide Wärmeübertrager 3, 8 in Betrieb sind, ist daher der im Wärmeübertrager 3 abzuführende Wärmestrom W2 geringer als bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1. In jedem Fall dienen die Wärmeübertrager 3, 8 der Reduzierung der maximalen Temperatur des Abgasstromes beim Eintritt in den NOx-Speicher 7, um zu gewährleisten, daß dessen vorgebbarer Temperaturbereich eingehalten wird.
Da bei reduzierter exothermer Reaktion im Katalysator 2 unverbrannte Kohlenwasserstoffe unter Umständen nicht vollständig mit im NOx-Speicher 7 gespeichertem NOx reagieren und den NOx-Speicher 7 unverbrannt verlassen können, ist der NOx-Speicher 7 als eine integrale Einheit mit einer Dreiwege-Katalysator-Beschichtung versehen. Diese Dreiwege-Katalysator- Beschichtung wirkt wie ein Hauptkatalysator 6 gemäß Figur 1, jedoch mit dem Vorteil, daß weniger separate Teile der Abgasreinigungsanlage erforderlich sind.
Bei Vorsehen von zwei Wärmeübertragern 3, 8 ist die Flexibilität bzgl. der Anpassung des abzuführenden Wärmestroms entsprechend des Betriebszustandes der Verbrennungskraftmaschine im Vergleich zu einem Ausführungsbeispiel mit nur einem Wärmeübertrager 3 gemäß Figur 1 deutlich verbessert.
Wie in Fig. 2 angedeutet, kann der Abgasstrang 5 auch einen Abgasturbolader 9 hinter der Verbrennungskraftmaschine 1 enthalten. Das Abgas treibt diesen Turbolader 9 an, so daß dort Umgebungsluft komprimiert und zur Verbrennungskraftmaschine 1 geführt wird. Überschüssige Luft wird dabei üblicherweise abgeblasen, so daß diese erfindungsgemäß vorteilhafterweise zur Zwangskühlung des Abgasstranges 5, z. B. im Gegenstrom im zusätzlichen Wärmetauscher 8 genutzt werden kann.
Insgesamt erlaubt die vorliegende Erfindung eine einfache und effektive Einhaltung eines vorgebbaren Temperaturbereichs im NOx-Speicher einer Abgasanlage, wodurch die Qualität der Abgasreinigung unter unterschiedlichen Betreibsbedingungen sichergestellt werden kann.
Bezugszeichenliste
1 Verbrennungskraftmaschine
2 Erster Katalysator
3 Wärmeübertrager
4 NOx-Speicher 5 Abgasstrang
6 Zweiter Katalysator
7 NOx-Speicher mit katalytisch aktiver Beschichtung
8 Wärmeübertrager
9 Abgasturbolader
W Wärmestrom
Wl erster Wärmestrom
W2 zweiter Wäremestrom

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Regelung des Temperaturbereiches eines NOx-Speichers (4; 7) zum Reinigen eines in einem Abgasstrang (5) geführten Abgasstromes einer Verbrennungskraftmaschine (1), bei welchem aus dem Abgasstrom vor dem NOx-Speicher (4) in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine (1) ein solcher Wärmestrom (W; Wl , W2) abgeführt wird, daß eine maximale Belastungstemperatur des NOx-Speichers (4; 7) sicher nicht überschritten und/oder ein vorgebbarer Temperaturbereich im wesentlichen eingehalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem aus dem Abgasstrom vor und/oder nach einem ersten Katalysator (2) zumindest ein Teil der im Abgas enthaltenen Wärmeenergie als Wärmestrom (W) abgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem aus dem Abgasstrom der Wärmestrom (W1,W2) zweistufig abgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem aus dem Abgasstrom vor und nach dem ersten Katalysator (2) der Wärmestrom (Wl , W2) abgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der NOx-Speicher (4; 7) NOx speichert und als Oxidationkatalysator wirkt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem der abgeführte Wärmestrom (W; Wl, W2) 5 kW bis 50 kW beträgt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem abgeblasene Luft eines der Verbrennungskraftmaschine (1) zugeordneten Abgasturboladers (9) zur Zwangskühlung des Abgasstranges (5) vor dem NOx-Speicher genutzt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Wärmestrom (W; Wl, W2) geregelt abgeführt wird, wobei als Regelgröße in Abhängigkeit von der Last der Verbrennungskraftmaschine (1) ein vorgebbarer Bereich der Temperatur des NOx-Speichers (4; 7) ver- wendet wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem ein vorgebbarer Bereich der Temperatur des NOx-Speichers (4; 7) durch eine untere Temperatur von etwa 150 °C und eine obere Temperatur von 700 °C, vorzugsweise 500 °C, gebildet ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei welchem die Verbrennungskraftmaschine (1) bei einem Luft-Kraftstoff- Verhältnis Lamda < 1 betrieben wird, bis der NOx-Speicher (4; 7) seine minimale Betriebstemperatur von etwa 150 °C erreicht hat.
11. Verfahren zur Regelung des Temperaturbereiches eines NOx-Speichers (4; 7) zum Reinigen eines Abgasstromes einer Verbrennungskraftmaschine (1), bei welchem die Verbrennungskraftmaschine (1) zumindest so lange bei einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis Lamda < 1 betrieben wird, bis der NOx-Speicher (4; 7) seine minimale Betriebstemperatur erreicht hat.
12. Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem die minimale Betriebstempe- ratur 150 °C beträgt.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei welchem der NOx-Speicher (4; 7) NOx speichert und als Oxidationskatalysator wirkt.
14. Abgaskatalysatoranlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, insbesondere für Diesel- oder Magermotoren, mit zumindest jeweils einem in einem Abgasstrang (5) angeordneten ersten Katalysator (2) und NOx-Speicher (4; 7), dadurch gekennzeichnet, daß vor dem NOx-Speicher (4; 7) zumindest ein Wärmeübertrager (3; 8) im Abgasstrang angeordnet ist.
15. Abgaskatalysatoranlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der NOx-Speicher (4; 7) zwischen einem ersten Katalysator (2) und einem zweiten Katalysator (6) und der Wärmeübertrager (3) vor dem ersten Katalysator (2) oder zwischen dem ersten Katalysator (2) und dem NOx-Speicher (4; 7) angeordnet ist.
16. Abgaskatalysatoranlage nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher Wärmeübertrager (8) zwischen der Verbrennungskraftmaschine (1) und dem ersten Katalysator (2) angeordnet ist.
17. Abgaskatalysatoranlage nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Katalysator (2) und der zweite Katalysator (6) jeweils als Drei-Wege-Katalysatoren ausgebildet sind, wobei der erste Katalysator (2) vorzugsweise eine sehr geringe Sauerstoffspeicherfä- higkeit aufweist.
18. Abgaskatalysatoranlage nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der NOx-Speicher (4; 7) und der zweite Katalysator (6) in einer Einheit integriert sind.
19. Abgaskatalysatoranlage nach einem der Ansprüche 14 - 18, dadurch gekennzeichnet, daß der NOx-Speicher (4; 7) eine katalytische Drei- Wege-Beschichtung aufweist.
20. Abgaskatalysatoranlage nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeübertrager (3; 8) eine Kühlleistung von 5 kW bis 50 kW aufweist.
21. Abgaskatalysatoranlage nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeübertrager (3; 8) als Gegenstromwärme- übertrager ausgebildet ist.
22. Abgaskatalysatoranlage nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeübertrager (3; 8) als doppelwandiges Rohr ausgebildet ist, welches in seinem Inneren von Abgas und in der durch die Doppelwand gebildeten Hülle von Kühlmittel durchströmt ist.
23. Abgaskatalysatoranlage nach einem der Ansprüche 14 - 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeübertrager (3; 8) ein als Rippenrohr ausgebildetes Stück des Abgasstranges (5) ist, welches von Kühlmittel umströmt ist.
24. Abgaskatalysatoranlage nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel Wasser oder Luft ist und als Zwangs- Strömung durch den Wärmeübertrager (3; 8) strömt.
25. Abgaskatalysatoranlage nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß abgeblasene Luft eines der Verbrennungskraftmaschine (1) zugeordneten Abgasturboladers (9) durch den Wärmeübertrager (3; 8) strömt.
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