Verfahren zum Betreiben einer Abgasreinigungsanlage an einem mager betriebenen Ottomotor

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasreinigungsanlage an einem mager betriebenen Ottomotor, welche in Strömungsrichtung des Abgases zuerst einen Stickoxid-Speicherkatalysator und dann einen SCR-Katalysator enthält, wobei das Abgas Stickoxide enthält, die durch den Betrieb der Abgasreinigungsanlage zu unschädlichen Verbindungen umgesetzt werden sollen.

Abgasreinigungsanlagen, welche in Strömungsrichtung des Abgases einen Stickoxid- Speicherkatalysator und einen SCR-Katalysator enthalten, sind bekannt. Eine solche Anlage wird zum Beispiel in der US 6,182,443 für die Behandlung des Abgases eines Dieselmotors beschrieben. Der Dieselmotor wird mit konstant magerem Luft/Kraftstoff- Gemisch betrieben. Bei tiefen Abgastemperaturen werden die im Dieselabgas enthaltenen Stickoxide vom Stickoxid-Speicherkatalysator absorbiert. Bei höheren Abgastem- peraturen werden die gespeicherten Stickoxide thermisch desorbiert und am folgenden SCR-Katalysator zu Stickstoff reduziert. Zu diesem Zweck wird Ammoniak oder Harnstoff vor dem SCR-Katalysator dem Abgas zugefügt, wenn der SCR-Katalysator seine Anspringtemperatur erreicht hat.

Die Offenlegungsschrift US 2006/0010857 Al offenbart ebenfalls eine Abgasreini- gungsanlage für einen Dieselmotor aus einem Stickoxid-Speicherkatalysator und einem nachfolgenden SCR-Katalysator. Der Dieselmotor wird mit konstant magerem Luft/Kraftstoff-Gemisch betrieben. Zur Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators wird dem Abgas vor dem Speicherkatalysator ein Reduktionsmittel zugeführt. Während der Regeneration des Speicherkatalysators wird vom Speicherkatalysator Ammoniak erzeugt. Dieser wird vom SCR-Katalysator gespeichert und in einer Periode, die unmittelbar auf die Regeneration des Speicherkatalysators folgt, zur Reduktion von Stickoxiden verwendet, die vom Stickoxid-Speicherkatalysator nicht absorbiert werden.

Die Offenlegungsschrift US 2005/0129601 Al beschreibt ebenfalls eine Abgasreinigungsanlage, welche in Strömungsrichtung des Abgases einen Stickoxid-Speicherkata-

lysator und einen SCR-Katalysator enthält. Das Abgas wird periodisch abgemagert und angefettet. Während der Magerperiode werden die im Abgas enthaltenen Stickoxide vom Speicherkatalysator gespeichert. Während der Fettperiode werden die vom Speicherkatalysator gespeicherten Stickoxide zu Ammoniak reduziert. Die Mischung aus Ammoniak und nicht umgesetzten Stickoxiden wird am SCR-Katalysator zu Stickstoff und Wasser umgesetzt.

Die DE 100 11 612 Al beschreibt ein Abgasreinigungssystem für einen Verbrennungsmotor, das ebenfalls aus einem Stickoxid- Speicherkatalysator und einem SCR- Katalysator besteht. Bei Fahrzeuggeschwindigkeiten unterhalb 120 km/h wird der Mo- tor abwechselnd mit magerem und fettem Luft/Kraftstoff-Gemisch betrieben, um die im Abgas enthaltenen Stickoxide am Stickoxid-Speicherkatalysator umsetzen zu können. Bei einer Geschwindigkeit von 120 km/h oder mehr wird der Motor mit einem stöchio- metrischen Luft/Kraftstoff-Gemisch betrieben und im Vollastbetrieb wird dem Motor ein fettes Luft/Kraftstoff-Gemisch zugeführt.

JP 2002-188429 beschreibt ebenfalls ein Abgasreinigungssystem für einen Magermotor aus einem Stickoxid-Speicherkatalysator und einem SCR-Katalysator. Die Zugabe von Reduktionsmittel vor dem Stickoxid- Speicherkatalysator wird gestoppt, wenn die Menge des Reduktionsmittels einen Grenzwert überschreitet und wird dann dem SCR- Katalysator zugeführt. JP 2003-286827 beschreibt ein weiteres Abgasreinigungssystem aus einem Stickoxid-Speicherkatalysator und einem SCR-Katalysator. Der Stickoxid- Speicherkatalysator absorbiert die im Abgas enthaltenen Stickoxide unterhalb einer vorgegebenen Temperatur und desorbiert sie oberhalb dieser Temperatur. Die desor- bierten Stickoxide werden von dem nachgeschalteten SCR-Katalysator umgesetzt. Ein weiteres Abgasreinigungssystem für einen Magermotor beschreibt die JP 2004-218575. Es enthält ebenfalls einen Stickoxid-Speicherkatalysator und eine SCR-Katalysator. Im Gegensatz zu den bisher beschriebenen Systemen ist der SCR-Katalysator dem Stickoxid-Speicherkatalysator vorgeschaltet.

Die bekannten Verfahren zur Entfernung der Stickoxide mittels eines Stickoxid- Speicherkatalysators und eines nachgeschalteten SCR-Katalysators sind nicht geeignet, um das Abgas von mager betriebenen Ottomotoren über weite Bereiche der möglichen Betriebszustände effektiv zu reinigen. Das gilt insbesondere für moderne Benzin-

Magermotoren mit strahlgeführter Benzindirekteinspritzung. Während konventionelle Benzin-Magermotoren mit geschichteter Benzindirekteinspritzung ab einer bestimmten Fahrzeuggeschwindigkeit nicht mehr mit magerem Luft/Rraftstoff-Gemisch betrieben werden können und in den stöchiometrischen Betrieb umgeschaltet werden müssen, sind die modernen Benzin-Magermotoren mit strahlgeführter Benzindirekteinspritzung in der Lage, auch noch bei wesentlich höheren Geschwindigkeiten mit magerer Gemischaufbereitung zu arbeiten. Bei diesen Betriebszuständen erzeugt der Motor ein Abgas mit hohen Temperaturen über zum Beispiel 500 °C und mit hohen Abgasmassenströmen. Diesen Betriebszuständen sind die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren nicht gewachsen. Stickoxid-Speicherkatalysatoren haben üblicherweise ein Temperaturfenster für den optimalen Betrieb zwischen etwa 200 und 450 °C. Oberhalb von 450 °C sind Stickoxid-Speicherkatalysatoren nicht mehr in der Lage, die Stickoxide zu speichern. Daher kann zum Beispiel der Stickoxid- Speicherkatalysator in der US 2005/0129601 Al bei Temperaturen oberhalb von 450 °C in den Fettperioden kein Ammoniak mehr für die selektive Reduktion der Stickoxide am nachgeschalteten SCR- Katalysator bilden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasreinigungsanlage aus einem Stickoxid- Speicherkatalysator und einem SCR- Katalysator anzugeben, das über einen weiten Bereich der Betriebszustände, besonders solchen mit hohen Abgastemperaturen und hohen NOx-Massenströmen, die Stickoxide im Abgas von modernen Benzin-Magermotoren effektiv zu unschädlichen Produkten umsetzen kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasreinigungsanlage an einem Magermotor eines Fahrzeugs, welche in Strömungsrichtung des Abga- ses zuerst einen Stickoxid-Speicherkatalysator und dann einen SCR-Katalysator enthält, wobei das Abgas eine von dem augenblicklichen Betriebszustand des Motors abhängige Abgastemperatur aufweist und unter anderem Stickoxide als Schadstoffe enthält.

Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß

a) der Motor mit abwechselnd magerem und fettem Luft/Kraftstoff-Gemisch betrieben wird, wenn der Betriebszustand des Motors eine Abgastemperatur unterhalb einer vorgegebenen Temperatur erzeugt, und

b) der Motor mit konstant magerem Luft/Kraftstoff-Gemisch betrieben wird, wenn der Betriebszustand des Motors eine Abgastemperatur oberhalb der vorgegebenen Temperatur erzeugt, und während dieses Betriebszustandes vor dem SCR- Katalysator dem Abgas Ammoniak direkt oder in Form einer zu Ammoniak zer- setzlichen Verbindung zugeführt wird.

Erfindungsgemäß wird der Magermotor bei niedrigen Abgastemperaturen mit abwechselnd magerem und fettem Luft/Kraftstoff-Gemisch betrieben. Während des Magerbetriebs werden die im Abgas enthaltenen Stickoxide vom Speicherkatalysator gespeichert. Wenn die Speicherkapazität des Speicherkatalysators erschöpft ist, wird er durch Umschalten des Motors auf Fettbetrieb regeneriert. Dabei wird in diesem Temperatur- bereich ein Teil der gespeicherten Stickoxide zu Ammoniak reduziert, der von dem nachgeschalteten SCR-Katalysator zwischengespeichert wird. Während des nachfolgenden Magerbetriebs dient der gespeicherte Ammoniak zur Reduktion von nicht vom Speicherkatalysator absorbierten Stickoxiden.

Diese Betriebsweise der Abgasreinigungsanlage ist nur im unteren Temperaturbereich vorteilhaft. Bei höheren Temperaturen vermindert sich die Speicherkapazität des Speicherkatalysators und es werden nur noch geringe Mengen Ammoniak gebildet. Oberhalb von etwa 450 bis 500 °C findet keine wesentliche Speicherung der Stickoxide mehr statt, so daß keine ausreichenden Mengen an Ammoniak mehr gebildet werden. Bei den bekannten Verfahren wird daher bei höheren Temperaturen auf ein stöchiometrisches oder unterstöchiometrisches Luft/Kraftstoff-Gemisch umgestellt, um eine weiterhin effektive NOx-Nachbehandlung sicherzustellen. Bei stöchiometrischer oder unterstö- chiometrischer Betriebsweise ist allerdings der Vorteil der Kraftstoffeinsparung nicht mehr gegeben. Erfindungsgemäß wird deshalb bei Betriebszuständen des Motors mit höheren Abgastemperaturen der Motor konstant mit magerem Luft/Kraftstoff-Gemisch betrieben. Zur Reduktion der Stickoxide im Abgas wird vor dem SCR-Katalysator

Ammoniak oder eine zu Ammoniak zersetzliche Verbindung in das Abgas eingedüst, wodurch die Stickoxide kontinuierlich zu Stickstoff umgesetzt werden. Von Vorteil ist hierbei auch, daß in diesem Temperaturbereich das am Stickoxid- Speicherkatalysator aus Stickstoffmonoxid gebildet Stickstoffdioxid die Stickoxid-Umsetzung am SCR- Katalysator verbessert.

Die optimale Temperatur für die Umschaltung von der einen Betriebsweise in die andere hängt von der Art des Motors und den jeweiligen Betriebszuständen sowie dem Alterungsgrad des NOx-Speicherkatalysators ab und liegt gewöhnlich zwischen 300 und 500 °C

Das Verfahren ist besonders geeignet für Magermotoren mit strahlgeführter Benzindirekteinspritzung, die auch noch bei hohen Lastzuständen mit einem mageren Luft/Krafitstoff-Gemisch betrieben werden können.

Das Verfahren hat mehrere Vorteile gegenüber den Verfahren aus dem Stand der Technik. Im unteren Temperaturbereich wird es durch den am Speicherkatalysator bei der Regeneration gebildeten Ammoniak möglich, am SCR-Katalysator eine zusätzliche Stickoxidreduktion zu erzielen. Die Emission von Ammoniak wird durch Absorption am SCR-Katalysator vermieden.

Durch die Ammoniakbildung am Speicherkatalysator muß die Reduktionsmitteldosierung (z.B. Harnstoff als zu Ammoniak zersetzlicher Verbindung) für den SCR- Katalysator bei niedrigen Temperaturen noch nicht eingesetzt werden, wodurch der Harnstoffverbrauch vermindert wird. Erst ab ca. 350 °C ist es nötig, Reduktionsmittel einzudosieren.

Bei sehr hohen Stickoxid-Massenströmen trägt zusätzlich zum Speicherkatalysator der nachgeschaltete SCR-Katalysator zur Stickoxidreduktion bei.

Bei thermischer Schädigung oder Vergiftung des Speicherkatalysators z.B. durch Schwefel, bzw. bei Betrieb mit hochverschwefeltem Kraftstoff kann der SCR- Katalysator allein zur Stickoxidreduktion benutzt werden. Ferner gibt es Situationen, bei der eine Entschwefelung des Stickoxid-Speicherkatalysators nicht möglich ist, weil die zur Entschwefelung notwendigen hohen Temperaturen nicht erreicht werden kön-

nen, wie beim Betreiben des Fahrzeuges im Stadtverkehr oder im Stau. Auch hier kann dann der SCR-Katalysator allein zur Stickoxidreduktion herangezogen werden.

Bei Motorbetriebspunkten, die das Fettfahren zur Regeneration des Speicherkatalysators aus Komfort- oder anderen Gründen verbieten oder erschweren, kann das SCR-System mit Reduktionsmitteldosierung weiterhin zur NOx-Reduktion benutzt werden.

Abgasreinigungsanlagen mit NOx-Speicherkatalysator und in Strömungsrichtung nach- geordnetem SCR-Katalysator, für deren Betrieb sich das erfindungsgemäße Verfahren eignet, können außerdem vor dem NOx-Speicherkatalysator einen Dreiwegekatalysator, einen Oxidationskatalysator oder einen weiteren, gegebenenfalls hochtemperaturstabi- len NOx-Speicherkatalysator enthalten. Ein solcher ergänzender Katalysator kann die Kohlenwasserstoffkonvertierung verbessern und die Umsatzraten für Stickoxide weiter erhöhen.

Für die Durchführung des Verfahrens können die dem Fachmann bekannten Stickoxid- Speicherkatalysatoren und SCR-Katalysatoren eingesetzt werden. Stickoxid-Speicher- katalysatoren enthalten als Speichermaterial für die Stickoxide basische Verbindungen der Alkali- oder Erdalkalimetalle sowie wenigsten ein Edelmetall aus der Gruppe Platin, Palladium und Rhodium. SCR-Katalysatoren können auf der Basis von Zeolithen aufgebaut sein, die mit Edelmetallen oder Nebengruppenmetallen ausgetauscht sind. Alternativ sind SCR-Katalysatoren bekannt, die eine Mischung der Feststoffsäuren Vanadi- umoxid, Wolframoxid und Molybdänoxid enthalten.

Das Verfahren eignet sich besonders für Abgasreinigungsanlagen aus einem motornahen Stickoxid-Speicherkatalysator und einem im Unterbodenbereich des Fahrzeugs angeordneten SCR-Katalysator. Motornah bedeutet hier, daß die Entfernung des Katalysators zum Abgaskrümmer weniger als 0,8 m beträgt und die Unterbodenposition ist durch einen Abstand vom Katalysator zum Abgaskrümmer von mehr als 1 ,0 m gekennzeichnet. Der Wechselbetrieb mit magerem und fettem Luft/Kraftstoff-Gemisch führt hier schon kurz nach dem Kaltstart und auch während Betriebsphasen des Motors mit niedrigen Abgastemperaturen zu guten Stickoxid-Umsätzen. Betriebsphasen mit niedrigen Abgastemperaturen kommen zum Beispiel im Leerlaufbetrieb vor beziehungsweise

bei niedrigen Drehzahl/Last-Kollektiven des Motors oder allgemein bei der Verwendung von Motoren mit großem Hubraum und besonders bei Dieselmotoren.

Bei Abgastemperaturen oberhalb von 450 °C werden dagegen die Stickoxide vom motornahen Stickoxid-Speicherkatalysator nur im geringen Maße gespeichert. Er wirkt dann im wesentlichen als Oxidationskatalysator. Erfindungsgemäß werden bei diesen Betriebszuständen die im Abgas enthaltenen Stickoxide am SCR-Katalysator im Unterbodenbereich umgesetzt. Hierzu wird Ammoniak oder eine zu Ammoniak zersetzliche Verbindung dem Abgas vor Eintritt in den SCR-Katalysator zugeführt.

Vorteilhaft ist bei einer solchen Abgasreinigungsanlage, daß ein motornaher Stickoxid- Speicherkatalysator sich wesentlich leichter entschwefeln läßt als in entsprechender Unterbodenposition, da ein Aufheizen des Katalysators auf die Entschwefelungstemperatur von ca. 550 bis 800 °C in Motornähe wesentlich leichter möglich und mit geringerem Kraftstoffverbrauch verbunden ist.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Figuren 1 und 2 näher erläutert. Es zei- gen:

Figur 1: Abgasreinigungsanlage für die Durchführung des Verfahrens

Figur 2; Schematischer Vergleich des Stickoxidumsatzes verschiedener Abgasreinigungssysteme in Abhängigkeit von der Temperatur

Figur 1 zeigt den Aufbau der Abgasreinigungsanlage wie sie für das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden kann. Das vom Magermotor kommende Abgas wird zunächst über einen Stickoxid-Speicherkatalysator (NSC) geführt. Stromabwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators ist der SCR-Katalysator (SCR) in den Abgasstrang eingefügt. Zwischen Stickoxid-Speicherkatalysator und SCR-Katalysator ist eine Vorrichtung zur Eindüsung von zum Beispiel Harnstoff in den Abgasstrom vorgesehen.

Figur 2 zeigt vier Stickoxidumsatzkurven für drei verschiedene Abgasreinigungssysteme in Abhängigkeit von der Abgastemperatur für unterschiedliche Betriebsweisen. Die vier verschiedenen Umsatzkurven sind wie folgt bezeichnet:

NSC: Stickoxidumsatz eines NOx- Speicherkatalysators bei Fett/Mager-Betrieb über den gesamten Temperaturbereich des Diagramms

SCR: Stickoxidumsatz eines SCR-Katalysators bei konstantem Magerbetrieb über den gesamten Temperaturbereich mit externer Zugabe von Ammoniak als Re- duktionsmittel

NSC + SCR (ohne NH ₃ ):

Stickoxidumsatz eines Abgasreinigungssystems aus NOx-Speicherkatalysator und SCR-Katalysator bei Fett/Magerbetrieb über den gesamten Temperaturbereich ohne externe Einspeisung von Ammoniak als Reduktionsmittel

NSC + SCR (mit NH ₃ ):

Stickoxidumsatz eines Abgasreinigungssystems aus NOx-Speicherkatalysator und SCR-Katalysator bei Betrieb nach dem erfindungsgemäßen Verfahren: Fett/Mager-Betrieb unterhalb 350 °C und konstanter Magerbetrieb mit NH ₃ - Zugabe oberhalb von 350 °C

Die mit „NSC" bezeichnete Umsatzkurve zeigt einen schlechten NOx-Umsatz im Hochtemperaturbereich, während die mit „SCR" bezeichnete Umsatzkurve einen sehr guten NOx-Umsatz im Hochtemperaturbereich aufweist, aber Nachteile im Tieftemperaturbereich hat. Die mit „NSC + SCR (ohne NH ₃ )" bezeichnete Umsatzkurve für das Abgasreinigungssystem aus Stickoxid-Speicherkatalysator und SCR-Katalysator zeigt bei Fett/Mager-Betrieb ohne NH ₃ -Zugabe eine gute Tieftemperaturaktivität. Die Hochtemperaturaktivität ist dagegen unzureichend. Für die NOx-Nachbehandlung im Dieselabgas ist ein solches System insbesondere mit einem vorgeschalteten Dieseloxidationska- talysator in den meisten Fällen ausreichend, da kaum Temperaturen im Unterboden über 450-500 °C erreicht werden. Für die Abgasnachbehandlung an mager betriebenen Ottomotoren müssen jedoch auch oberhalb von 500 °C höhere NOx-Umsätze erzielt werden. Dies ist nur möglich, wenn das Abgasreinigungssystem aus Stickoxid- Speicherkatalysator und SCR-Katalysator nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird. Die zugehörige Umsatzkurve ist in Figur 2 mit „NSC + SCR (mit NH ₃ )" bezeichnet.