Stand der Technik Zur Minderung der Stickoxidanteile in sauerstoffreichem Abgas, wie es insbesondere von Dieselbrennkraftmaschinen und von Brennkraftmaschinen mit Benzin-Direkteinspritzung emittiert wird, ist es bekannt, ein Reduktionsmittel in einen Abgastrakt einzuführen. Als Reduktionsmittel eignet sich beispielsweise NH3, das als Gas in den Abgasstrom eingebracht werden kann. Bei dieser sogenannten selektiven katalytischen Reduktion (SCR,"selective catalytic reduction") wird das Ammoniak mit den im Abgas enthaltenen Stickoxiden selektiv zu molekularem Stickstoff und Wasser umgesetzt. Als problematisch ist die ungenügende Aktivität des bekannten SCR-Systems bei Abgastemperaturen unterhalb ca. 250°C anzusehen. Eine Vorschaltung eines Oxidationskatalysators sorgt einerseits für eine Minderung der Anteile an deaktivierend wirkenden Kohlenwasserstoffen und andererseits für eine Oxidation von NO zu NO2, was insgesamt zu einer deutlichen Steigerung des NOX-Umsatzes bei Abgastemperaturen oberhalb von ca. 150°C führt. Insbesondere beim Einsatz in Pkw treten allerdings Phasen mit noch niedrigeren Abgastemperaturen relativ häufig auf, was eine mittlere Katalysatorentemperatur von weniger als 180°C im bekannten MVEG-Testzyklus

(MVEG : Motor Vehicles Emissions Expert Group ; eine Expertengruppe der Europäischen Kommission) verdeutlicht.

Um eine gute Verteilung des Reduktionsmittels auf den SCR-Katalysator zu gewährleisten, kann eine Mischstrecke von ca. 40 cm vorgesehen sein, die ggf. mit einer Mischeinrichtung versehen ist. Eine derartige Mischeinrichtung für eine Abgasreinigungsanlage ist in der älteren deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 101 31 803.0 beschrieben. Hierbei weist ein im Abgasrohr angeordneter Mischkörper eine Gasaufprallfläche sowie eine Strahlaufprallfläche auf, so dass aus der Brennkraftmaschine strömendes Abgas auf die Gasaufprallfläche und quer zum Abgasstrom zuführbares Reduktionsmittel auf die Strahlaufprallfläche treffen kann.

Die DE 197 40 702 sieht vor, durch Vorschalten eines Adsorptionskatalysators vor einem Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion die Stickoxid-Emission insbesondere im Warmlauf der Brennkraftmaschine weiter zu vermindern, als es mit üblichen Systemen zur selektiven katalytischen Reduktion möglich ist. Der Adsorptionskatalysator wird durch nachmotorische Zufuhr von Kraftstoff regeneriert.

Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren haben demgegenüber den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln eine Entstickung des Abgases auch bei niedrigen Abgastemperaturen gewährleistet ist, wobei sich der Speicherkatalysator ohne zusätzliche Mittel selbst regelnd in Abhängigkeit von der Temperatur des Abgases regeneriert und die frei werdenden Stickoxide durch die ohnehin vorhandene Anordnung zur selektiven katalytischen Reduktion beseitigt werden. Der Speicherkatalysator puffert somit effektiv anfallende Stickoxide, solange die Anordnung zur selektiven katalytischen Reduktion noch nicht ihre Arbeitstemperatur erreicht hat.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Vorrichtungen bzw. Verfahren möglich.

Besonders vorteilhaft ist es, zusätzlich einen Oxidationskatalysator vorzusehen. Mit einer solchen Konfiguration des Oxidations-sowie des sogenannten SCR-Katalysators

(Anordnung zur selektiven katalytischen Reduktion) kann eine Reduzierung der NOX- Emissionsgrenzwerte unter eine Menge an emittierten NOX erreicht werden, die die Einhaltung der zulässigen Abgasnormen während des MVEG-Testzyklus gewährleistet.

Eine solche Reduzierung der NOX-Emission kann dadurch erreicht werden, dass der bereits vorhandene und zur Stickstoffoxidation verwendete temperaturbeständige Oxidationskatalysator während einer Kaltstartphase zusätzlich zur NOx-Reduktion herangezogen wird. Bei einer motornahen Einbaulage hat der Oxidationskatalysator bereits nach etwa 50 Sekunden eine Temperatur von mehr als 100°C erreicht, was für eine NOx-Reduktion mittels NH3 oder einem NH3 abspaltenden Reduktionsmittel ausreichend ist. Oxidationskatalysatoren weisen als Aktivkomponente hauptsächlich Edelmetalle wie Platin auf. Dadurch werden Oxidationsreaktionen von Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid und Stickstoffmonoxid bereits bei niedrigen Temperaturen begünstigt. Wird NH3 als Reduktionsmittel eingedüst, zeigen diese Katalysatoren bereits bei Temperaturen unterhalb von 100°C eine relativ starke De-NOx- Aktivität.

Wird eine Konfiguration mit einer Umschaltvorrichtung anstatt einer separaten Zuführvorrichtung für den Oxidationskatalysator gewählt, kann dies den Bauaufwand reduzieren. Die Erfindung umfasst jedoch in gleicher Weise eine Ausgestaltung mit separaten und getrennt ansteuerbaren Zuführeinrichtungen für Reduktionsmittel.

Die Umschaltvorrichtung zur wahlweisen Zuführung des Reduktionsmittels in den Abgasstrom vor bzw. in den Oxidationskatalysator bzw. in den SCR-Katalysator kann als Ventil, insbesondere als 3/2-Wege-Ventil, ausgebildet sein. Auf diese Weise kann das Reduktionsmittel wahlweise dem Oxidations-oder dem SCR-Katalysator zugeführt werden, je nachdem, welche Temperaturniveaus diese im Fahrbetrieb erreicht haben.

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Umschaltvorrichtung als Mischventil ausgebildet ist. Auf diese Weise kann während einer Übergangszeit eine gleichzeitige Beaufschlagung des Oxidations-und des SCR-Katalysators mit Reduktionsmittel erfolgen. Mit einem solchen Mischventil kann eine abrupte Umschaltung vermieden werden, so dass je nach erreichten Betriebstemperaturen der Katalysatoren eine optimale Reinigungswirkung erzielt werden kann.

Die Umschaltvorrichtung ist vorzugsweise temperaturgesteuert, sodass während einer Kaltstartphase mit noch niedrigen Abgastemperaturen der Oxidationskatalysator und nach einer Warmlaufphase der SCR-Katalysator mit Reduktionsmittel beaufschlagt werden kann.

Die Zuführeinrichtung umfasst vorzugsweise jeweils eine Dosiervorrichtung zur Mengendosierung sowie Düsen zur Verteilung bzw. Zerstäubung des Reduktionsmittels im Abgasstrom.

Vorzugsweise ist der wenigstens eine Oxidationskatalysator in unmittelbarer Nähe eines Abgasauslasses der Brennkraftmaschine angeordnet, so dass er bereits nach kurzer Zeit relativ hohe Temperaturen und somit eine hohe Reinigungswirkung erreicht.

Als Reduktionsmittel kommt beispielsweise eine ammoniakhaltige bzw. ammoniakfreisetzende Substanz in Frage, die eine NOx-Reduktion bewirken kann. Als solche Substanz kommt beispielsweise Harnstoff oder Ammoniumcarbamat in Frage.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Reinigung von Abgasen einer Brennkraftmaschine, bei den ein Abgasstrom durch wenigstens einen im Abgaskanal angeordneten Oxidationskatalysator und einer diesem nachgeschalten Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR-Katalysator) geleitet wird, wird dem Abgasstrom ein Reduktionsmittel zugeführt, welches gemäß der Erfindung dem Abgasstrom wahlweise vor dem bzw. innerhalb des wenigstens einen Oxidationskatalysators zugeführt wird. Wahlweise wird das Reduktionsmittel gleichzeitig beiden Katalysatoren oder jeweils nur einem der Katalysatoren zugeführt. Das Reduktionsmittel wird vorzugsweise mittels einer Düse verteilt bzw. zerstäubt.

Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht eine temperaturgesteuerte Zuführung des Reduktionsmittels in den Oxidationskatalysator und/oder in die Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion vor.

Wird der Oxidationskatalysator mit NH3 beaufschlagt, zeigt er bei Temperaturen oberhalb von 100°C eine relativ ausgeprägte De-NOx-Aktivität. Allerdings ist das nutzbare Temperaturfenster zur NOx-Reduzierung relativ eng begrenzt, da oberhalb con ca. 250°C bis 300°C keine Stickoxidreduktion mehr stattfindet, sondern eine zusätzliche

Stickoxidproduktion durch eine Oxidation von Ammoniak beobachtet wird. Daher ist sicherzustellen, dass der Oxidationskatalysator nur in einer Startphase (im MVEG-Test nur bis etwa 350 s) mit dem Reduktionsmittel beaufschlagt wird. Vorzugsweise wird das . Reduktionsmittel in den Oxidationskatalysator bei Abgastemperaturen von weniger als ca. 150°C bis 200°C im Oxidationskatalysator zugeführt.

Nach einer solchen Zeitspanne hat normalerweise auch der SCR-Katalysator seine Arbeitstemperatur erreicht und die Reduktionsmitteleindüsung wird auf den SCR- Katalysator umgeschaltet. Dies kann bei Temperaturen von ca. 150°C bis 200°C im SCR- Katalysator erfolgen. Die Reduktionsmitteldosierung auf den Oxidationskatalysator ist prinzipiell bei Betriebspunkten mit niedriger Abgastemperatur-also nicht nur beim Kaltstart-möglich und liefert hier ein sehr effektives NOx-Minderungspotential, wo mit dem SCR-Katalysator eine nur unzureichende Aktivität erreicht wird. Mit einer Eindüsung vor dem Oxidationskatalysator bis zu einer Zeit von etwa 600 s ist somit eine deutliche Umsatzsteigerung des Abgasreinigungssystems zu erzielen. Ein geeigneter, sinnvoller Umschaltpunkt des temperaturgesteuerten Umschaltventils kann bei 100 bis 200°C, vorzugsweise bei 130 bis 180°C liegen.

Eine praktische Ausführung des Systems kann beispielsweise ein 3/2-Wege- Umschaltventil vorsehen, welches in Abhängigkeit der Katalysatortemperaturen und des Motorbetriebspunktes betätigt wird. Eine solche Aufrüstung eines vorhandenen Systems ist relativ einfach und mit nur geringem Aufwand zu bewerkstelligen. Das Katalysatorsystem, die Temperatursensoren und das Dosiersystem sind bereits vorhanden, wobei diese Komponenten auch nicht modifiziert werden müssen. Lediglich das Umschaltventil und die Reduktionsmittelzuleitung vor dem Oxidationskatalysator muss nachgerüstet werden. Durch eine geeignete Dosierstrategie kann eine effektive Reduktion der Stickoxide über einen gesamten Testzyklus (MVEG-Zyklus) erreicht werden. Im MVEG-Test lässt sich eine NOX-Umsatzsteigerung von ca. 40 % erreichen, so dass bei verminderten Rohemissionen selbst eine Erfüllung der relativ strengen US- Normen möglich ist.

Der Oxidationskatalysator kann in einer bevorzugten Ausführungsform als katalytisch beschichteter Partikelfilter ausgebildet sein. Die katalytische Beschichtung des Partikelfilters wirkt hierbei ähnlich der Beschichtung eines bekannten Oxidationskatalysators. Weiterhin kann zwischen dem Oxidationskatalysator und dem

SCR-Katalysator ein separates Partikelfilter vorgesehen sein, der eine Filterung der Rußpartikel bewirkt.

Weiterhin kann der Oxidationskatalysator entfallen und die zusätzliche Eindüsposition sich vor dem Speicherkatalysator befinden. Der platinhaltige Speicherkatalysator übernimmt in dieser Anordnung die Funktion des Oxidationskatalysators.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnung näher erläutert.

Dabei zeigt die einzige Figur 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasnachbehandlungseinheit in einem Abgaskanal.

In einem Abgaskanal 28 einer Brennkraftmaschine 2 ist ein Oxidationskatalysator 4 und eine als SCR-Katalysator 6 bezeichnete Vorrichtung zur selektiven katalytischen Reduktion angeordnet. Die Brennkrafhnaschine 2 weist einen Einlasskanal 21 zur Zufuhr von Frischgas 22 sowie Auslasskanäle 26 auf, die in einem Sammler 27 zum Abgaskanal 28 zusammengeführt sind. Im Abgaskanal ist eine Abgasturbine 24 eines Abgasturboladers 23 angeordnet, die über eine Welle 25 mit einem hier nicht dargestellten Verdichter gekoppelt ist. Der Abgasturbolader 23 ist optional und dient zur Verbesserung des Leistungs-und Abgasverhaltens der Brennkraftmaschine 2.

Die Brennkraftmaschine 2 ist vorzugsweise eine Diesel-Brennkraftmaschine mit Selbstzündung oder ein Benzinmotor mit Kraftstoffdirekteinspritzung. Beide Motorentypen emittieren jeweils ein relativ sauerstoffreiches Abgas. Der Abgasstrom 29 durchläuft nacheinander einen Speicherkatalysator 111, den Oxidationskatalysator 4 sowie den SCR-Katalysator 6 und verlässt die Abgasreinigungsanlage als gereinigtes Abgas 14, das über einen Schalldämpfer (nicht dargestellt) ins Freie geleitet wird.

Die Abgasreinigungsanlage weist weiterhin eine Zuführeinrichtung 8 zur Zuführung eines Reduktionsmittels 81 in den Abgasstrom 29 auf. Die Zuführeinrichtung 8 umfasst eine Umschalteinrichtung 83 sowie eine mit einer ersten Düse 85 in Verbindung stehende erste Verbindungsleitung 84 und eine mit einer zweiten Düse 87 in Verbindung stehende zweite Verbindungsleitung 86. Die erste Düse 85 ist im Abgaskanal 28 stromaufwärts des Oxidationskatalysators 4 angeordnet und dient zur feinen Verteilung bzw. Zerstäubung des Reduktionsmittels 81 vor dem Oxidationskatalysator 4. Die zweite Düse 87 ist stromaufwärts des SCR-Katalysators 6 und stromabwärts des Oxidationskatalysators 4

angeordnet und dient zur Zuführung von Reduktionsmittel 81 in den Abgasstrom 29 vor den SCR-Katalysator 6.

Erste und zweite Verbindungsleitungen 84, 86 münden in der Umschalteinrichtung 83, die für eine wahlweise Verteilung des Reduktionsmittels auf die erste und/oder zweite Verbindungsleitung 84, 86 sorgen kann. Die Steuerung der Umschaltvorrichtung 83 erfolgt vorzugsweise temperaturabhängig, sodass in einer Kaltlaufphase der Oxidationskatalysator 4 und nach Erreichen einer bestimmten Temperatur der SCR- Katalysator 6 mit Reduktionsmittel 81 beaufschlagt werden kann.

Der zwischen dem Abgasturbolader 23 und der Düse 85, d. h. vor der Katalysatoranordnung 4 befindliche Speicherkatalysator kann insbesondere motornah angeordnet werden. Ein solchermaßen vorgesehener Speicherkatalysator speichert im Niedertemperaturbereich unterhalb von 100°C die Stickoxidemissionen des Motors. Nach einer gewissen Zeit ist die Speicherkapazität des Speicherkatalysators ausgeschöpft und dieser lässt die Stickoxidmoleküle passieren. Wenn der Speicherkatalysator weiter erwärmt wird, lässt seine Stickoxidspeicherfähigkeit nach und die vormals gespeicherte Menge an Stickoxiden wird wieder freigegeben. Der motornah angeordnete Speicherkatalysator bewirkt also eine zeitlich verzögerte Freigabe der Stickoxide. Die Zeitverzögerung beträgt hierbei bei entsprechender Dimensionierung des Speicherkatalysators vorzugsweise mindestens 300 Sekunden, so dass nach Ausschöpfen der Speicherkapazität des Speicherkatalysators das nachgeschaltete System zur selektiven katalytischen Reduktion seine Arbeitstemperatur erreicht hat und die Stickoxide zu Stickstoff und Wasser reduzieren kann. Der Speicherkatalysator sollte hierfür folgende Eigenschaften aufweisen : Stickoxidspeicherung bereits bei niedrigen Temperaturen ; Nachlassen der Speicherkapazität bereits beim Temperaturen von ca. 300°C, um sicherzustellen, dass der Speicherkatalysator bei üblichem Fahrbetrieb gegen Ende eines Fahrzyklus leer gefahren ist und zur Stickoxidspeicherung bei dem folgenden Kaltstart zur Verfügung steht ; gute Regenerierbarkeit allein aufgrund einer erfolgten Erwärmung, insbesondere auch gute Desulfatisierungseigenschaften. Für die Erfüllung der geforderten Eigenschaften kann insbesondere ein Speicherkatalysator verwenden der, der A1203, Ce02 und Zr02 aufweist sowie Platinanteile enthält in einer Konzentration von ca. 90 g pro Kubikfuss.

In einer Kaltlaufphase der Abgasreinigungsanlage wird lediglich die erste Düse 85 mit Reduktionsmittel beaufschlagt durch entsprechende Einstellung der Umschaltvorrichtung 83.

Nachfolgend wird, wenn die Katalysatoren bereits eine vorbestimmte Betriebstemperatur erreicht haben, die zweite Verbindungsleitung 86 und die zweite Düse 87 mit Reduktionsmittel 81 beaufschlagt.

Eine typische Übergangstemperatur kann bei ca. 100°C bis 200°C, vorzugsweise ungefähr bei 130 bis 180°C liegen, oberhalb derer eine Umschaltung auf die Beaufschlagung des SCR-Katalysators 6 mit Reduktionsmittel 81 erfolgen kann. Eine Umschaltung kann in vorteilhafter Weise auch mittels eines Mischventils erfolgen, das für eine gleichzeitige Beaufschlagung des Oxidationskatalysators 4 sowie des SCR- Katalysators 6 im Bereich der Übergangstemperatur sorgen kann. Die Wahl der Übergangstemperatur erklärt sich durch eine geschickte Ausnutzung der unterschiedlichen Betriebstemperaturen von Oxidationskatalysator und SCR-Katalysator.

Dieser Sachverhalt ist bereits in den Figuren 4 bis 6 der deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10162383. 6 beschrieben ; diese Beschreibung wird hiermit in die vorliegende Patentanmeldung einbezogen.

Von der Erfindung mit umfasst ist auch eine alternative Konfiguration, die zwei separate Zuführeinrichtungen für den Oxidationskatalysator sowie für den SCR-Katalysator vorsieht.

Der Oxidationskatalysator 4 kann in einer alternativen Ausgestaltung ein katalytisch beschichteter Partikelfilter sein, der aufgrund seiner katalytischen Beschichtung eine gleiche Wirkung aufweist wie ein bekannter Oxidationskatalysator. Zusätzlich zur gezeigten Konfiguration kann zwischen dem Oxidationskatalysator 4 und dem SCR- Katalysator 6 ein separater Partikelfilter angeordnet sein. Dieser bewirkt eine nochmalige Verbesserung der Reinigungswirkung der Abgase.

In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann der Speicherkatalysator und der Oxidationskatalysator bzw. der Speicherkatalysator und der katalytisch beschichtete Filter in einem einzigen Bauteil integriert sein, so dass die Düse 85 vor diesem einzigen Bauteil angeordnet ist. Dies kann durch die Verwendung eines Oxidationskatalysators mit

Stickoxid-Speichervermögen erfolgen. Die gleichzeitige Integration des Partikelfilters erfolgt über katalytische Beschichtung eines Partikelfilters.

In einer einfachen Ausführungsform kann der Oxidationskatalysator auch entfallen.