Otto-Motor mit im Abgasstrang angeordnetem SCR-Katalysator zur Ammoniak-Konvertierung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen als Otto-Motor ausgebildeten Verbrennungsmotor mit einem Abgasstrang, mit dem NH ₃ -Emissionen enthaltendes Abgas in die Atmosphäre abgegeben wird.

Um die NO _x -Emissionen von Dieselmotoren zu reduzieren, ist es bekannt, eine sogenannte selektive katalytische Reduktion (SCR) durchzuführen. Hierbei wird kontinuierlich eine wässrige Harnstofflösung beispielsweise mit einer Dosierpumpe in den Abgasstrom eingespritzt, aus welcher durch Hydrolyse Kohlenstoffdioxid und Ammoniak entstehen. Das so entstandene Ammoniak reagiert mit den Stickoxiden im Abgas zu elementarem Stickstoff (N ₂ ) und Wasser. Hierbei kann nicht ausgeschlossen werden, dass auch geringe Emissionen von Ammoniak (NH ₃ ) in die Atmosphäre gelangen.

Auch bei Otto-Motoren sind NH ₃ -Emissionen im Abgas vorhanden, die insbesondere auf im Abgasstrang angeordnete Katalysatoren oder Partikelfilter zurückgehen. Derartige Emissionen sind schädlich, und es ist allgemeine Zielsetzung, diese so niedrig wie möglich zu halten bzw. (noch einzuführende) Grenzwerte einzuhalten.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Otto-Motor zur Verfügung zu stellen, der sich durch einen besonders geringen Anteil an NH ₃ -Emissionen im Abgas auszeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Otto-Motor der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, dass im Abgasstrang ein SCR-Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion der NH ₃ -Emissionen in N ₂ und H ₂ O vorgesehen ist.

Die Erfindung setzt somit gezielt einen SCR-Katalysator ein, um das im Abgas enthaltene Ammoniak, das aus diversen Quellen stammen kann, beispielsweise aus bestimmten Betriebszuständen des Verbrennungsmotors, Katalysatoren, Partikelfiltern etc., in N ₂ und H ₂ O zu konvertieren. Dabei werden keine Maßnahmen wie bei Dieselmotoren getroffen, um durch Zuführung von Substanzen (wässrige Harnstofflösung) gezielt Ammoniak zu erzeugen und dadurch NO _x zu konvertieren, sondern ein derartiger SCR-Katalysator wird gezielt zur Konvertierung des bereits im Abgas enthaltenen Ammoniaks eingesetzt.

NH3-Emissionen entstehen daher nicht nur durch den bekannten Ammoniakschlupf bei SCR-Systemen (Dieselmotoren), sondern auch bei Otto-Motoren durch Motorzustände und den daraus resultierenden Zuständen in Katalysatoren und/oder Partikelfiltern. Der erfindungsgemäß vorgesehene SCR-Katalysator speichert das NH3 ein und konvertiert dieses in N2 und H2O.

Der Unterschied dieser Erfindung zu den bekannten passiven SCR-Systemen liegt in der Anwendung. So wird bei den passiven SCR-Systemen explizit der Zustand für eine NH3-Erzeugung herbeigeführt (beispielsweise durch Zugabe einer wässrigen Harnstofflösung), um anschließend NO _x zu reduzieren. Demgegenüber zielt die Erfindung ohne Zufuhr von Zusätzen explizit auf eine Konvertierung des bereits im Abgas enthaltenen NH3, wobei als Nebeneffekt eine NO _x -Reduzierung erreichbar ist.

Grundsätzlich kann der SCR-Katalysator an diversen Positionen im Abgasstrang eingesetzt werden. Es können hierbei auch mehrere SCR-Katalysatoren Verwendung finden. Die Positionierung des SCR-Katalysators wird im Wesentlichen dadurch festgelegt, ob stromauf des SCR-Katalysators eine Quelle zur Erzeugung von NH3-Emissionen im Abgas vorhanden ist, die beispielsweise durch diverse Katalysatoren und/oder Partikelfilter realisiert sein kann.

Bei einer einfachen Lösung der Erfindung ist im Abgasstrang ein 3-Wege-Katalysator (TWC) vorgesehen, dem der SCR-Katalysator nachgeschaltet ist. Es wird hierbei davon ausgegangen, dass im Betrieb eines derartigen 3-Wege-Katalysators Ammoniak-Emissionen anfallen.

Bei einer anderen Lösung ist im Abgasstrang ein unbeschichteter oder beschichteter Partikelfilter (Ottopartikelfilter, OPF) angeordnet, dem der SCR-Katalysator nachgeschaltet ist. Hierbei wird davon ausgegangen, dass im Betrieb eines derartigen Partikelfilters ebenfalls Ammoniak-Emissionen anfallen. Bei noch einer anderen Lösung ist zwischen 3-Weg-Katalysator (TWC) und SCR-Katalysator ein unbeschichteter oder beschichteter Partikelfilter (OPF) angeordnet.

Der erfindungsgemäß vorgesehene SCR-Katalysator kann als einzelner Katalysator, Katalysatorscheibe oder als Beschichtung ausgebildet sein. Eine bevorzugte Lösung zeichnet sich hierbei dadurch aus, dass mehrere Katalysatorscheiben in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, wobei sich die einzelnen Katalysatorscheiben aus mindestens einem 3-Wege-Katalysator und mindestens einem SCR-Katalysator zusammensetzen können.

Zur Ausbildung von mehreren Katalysatoren in einem gemeinsamen Gehäuse kann auch ein einziges Trägermaterial mit verschiedenen nacheinander oder parallel angeordneten Beschichtungen vorgesehen sein. Die Beschichtungen können dabei beispielsweise einen 3-Wege-Katalysator und einen SCR-Katalysator nachbilden.

Jedenfalls sind beliebige Kombinationen möglich, wenn nur ein SCR-Katalysator einer entsprechenden NFh-Quelle nachgeschaltet ist.

Es versteht sich, dass auch NFh-neutrale Filter oder Katalysatoren im Abgasstrang angeordnet sein können.

Vorzugsweise sieht die Erfindung ferner eine Möglichkeit vor, um den Anteil der noch im Abgas befindlichen NFh-Emissionen stromab des vorgesehenen SCR-Katalysators zu erfassen, um eine entsprechende Diagnose durchführen zu können. Hierzu ist stromab des SCR-Katalysators ein NH3-Sensor (NH3-empfind- licher Sensor) am Abgasstrang für Diagnosezwecke angeordnet. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Ausfall eines SCR-Katalysators festgestellt werden, wenn der Sensor ein Überschreiten von bestimmten NH3-Grenzwerten im Abgas anzeigt.

Was die Positionierung der einzelnen Elemente der erfindungsgemäßen Lösung anbetrifft, so können diese möglichst nahe am Verbrennungsmotor vorgesehen sein. Bevorzugt wird eine Lösung, bei der ein Katalysator (3-Wege-Katalysator) nahe am Verbrennungsmotor angeordnet ist, um die Abwärme des Motors für die Funktion des Katalysators zu nutzen, während sich der erfindungsgemäß vorgesehene SCR-Katalysator im Unterboden eines den Verbrennungsmotor aufweisenden Fahrzeugs befindet. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein vereinfachtes Blockschaubild eines Abgassystems eines Otto-Motors; und

Figur 2 in schematischer Darstellung diverse Kombinationsmöglichkeiten von Katalysatoren und Partikelfiltern im Abgassystem des Ottomotors.

Der in Figur 1 schematisch dargestellte Otto-Motor 1 hat einen Abgasstrang 2, in dem in Abgasströmungsrichtung hintereinander ein geregelter 3-Wege-Katalysator 3, ein Partikelfilter 4 für einen Ottomotor und ein SCR-Katalysator angeordnet sind. Stromab des SCR-Katalysators 5 befindet sich ein NFh-Sensor 6, der den Restgehalt an Ammoniak im Abgas misst und diesen Wert an eine geeignete Steuereinrichtung weitergibt, welche prüft, ob sich der NFh-Anteil noch im zulässigen Bereich befindet.

Durch den Betrieb des 3-Wege-Katalysators 3 und des Partikelfilters 4, der zur Durchführung von weiteren katalytischen Reaktionen mit geeigneten Materialien beschichtet sein kann, und/oder durch bestimmte Motorzustände entsteht Ammoniak im Abgas, das durch den vorgesehenen SCR-Katalysator 5 reduziert wird. Hierbei erfolgt eine Konvertierung des erzeugten Ammoniaks in N2 und FI2O mit dem Nebeneffekt einer NOx-Reduzierung.

Figur 2 zeigt auf schematische Weise untereinander verschiedene beispielhafte Anordnungen von Katalysatoren und Partikelfiltern im Abgasstrang eines Otto-Motors. In der obersten Darstellung sind ein einzelner 3-Wege-Katalysator (TWC) 3 mit einem nachfolgenden einzelnen SCR-Katalysator 5 in einem Abgasstrang 3 angeordnet, wobei ein NFh-Sensor 6 hinter dem SCR-Katalysator vorgesehen ist. In der darunter befindlichen Darstellung befinden sich ein TWC-Katalysator und ein SCR-Katalysator in einem gemeinsamen Gehäuse, wobei der gemeinsame Katalysator 7 aus einzelnen Katalysatorscheiben oder Beschichtungen ausgebildet sein kann. Die dritte Darstellung von oben zeigt einen einzelnen 3-Wege-Katalysator (TWC) 3, einen einzelnen Ottopartikelfilter (OPF, hier mit GPF bezeichnet) 4 und einen einzelnen SCR-Katalysator 5, die nacheinander in dieser Reihenfolge im Abgasstrang angeordnet sind. Die vierte Darstellung von oben zeigt ebenfalls drei Einzelelemente, wobei hier der SCR-Katalysator 5 zwischen einem 3-Wege-Katalysator 3 und einem Partikelfilter 4 angeordnet ist.

Darstellung fünf von oben zeigt drei Einzelkatalysatoren in der Reihenfolge GPF, TWC und SCR.

Bei der sechsten Darstellung ist hinter einem gemeinsamen Katalysator (TWC und SCR) 7 ein Partikelfilter 4 angeordnet. Die darunter befindliche Darstellung zeigt die umgekehrte Reihenfolge: Zuerst GPF und dann gemeinsamer Katalysator 7.

In der nachfolgenden Darstellung befinden sich ein 3-Wege-Katalysator und ein Partikelfilter in einem gemeinsamen Gehäuse unter Ausbildung eines kombinierten Katalysator-Filter-Elementes 8, was beispielsweise durch unterschiedliche Beschichtungen realisiert sein kann. Danach ist ein SCR-Katalysator 5 angeordnet.

Die weiteren vier Darstellungen zeigen kombinierte Katalysator-Filter-Elemente 9, 10, 11 und 12, wobei die Elemente 10, 11 , 12 als Dreierkombinationen ausgebildet sind. Die Vielzahl der vorstehend beschriebenen Kombinationsmöglichkeiten zeigt, dass der erfindungsgemäß vorgesehene SCR-Katalysator an verschiedenen Positionen im Abgasstrang und in Kombination mit verschiedenen Katalysatoren und Filtern Verwendung finden kann. Auch können verschiedene Ausgestaltungen des SCR-Katalysators möglich sein, wie vorstehend beschrieben.