Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:

1 ein Blockdiagramm einer Abgasreinigungsanlage mit zugehörigen Schadstoff- und Ammoniakdiagrammen für eine Betriebsphase mit fetter Abgaszusammensetzung und

2 ein Blockdiagramm der Anlage von 1 mit zugehörigen Schadstoffdiagrammen für eine Betriebsphase mit magerer Abgaszusammensetzung.

Die in den 1 und 2 schematisch dargestellte Abgasreinigungsanlage beinhaltet drei seriell hintereinander geschaltete Katalystoreinheiten, und zwar in Abgasströmungsrichtung zuerst einen Ammoniakerzeugungskatalysator 1, gefolgt von einem Sauerstoffspeicherkatalysator 2, dem ein Ammoniakspeicher- und Stickoxidreduktionskatalysator 3 nachgeschaltet ist. Die drei Katalysatoreinheiten 1, 2, 3 befinden sich in einem unverzweigten Abgasstrangabschnitt 4 eines z.B. in einem Kraftfahrzeug eingebauten Verbrennungsmotors 5. Bei letzterem kann es sich insbesondere um einen Dieselmotor oder um einen nach dem Magermix- und/oder Direkteinspritzprinzip arbeitenden Otto-Motor handeln, die aus Kraftstoffverbrauchsgründen möglichst viel mit magerem Luft/Kraftstoff-Gemisch und folglich magerer Abgaszusammensetzung betrieben werden. Alternativ ist die Abgasreinigungsanlage auch für andere mobile oder stationäre Verbrennungsquellen geeignet, deren Abgas von enthaltenen Schadstoffen gereinigt werden soll, insbesondere von Stickoxiden, unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid. Je nach Anwendungsfall können dazu neben den drei erwähnten Katalysatoreinheiten 1, 2, 3 eine oder mehrere weitere Katalysatoreinheiten vorgesehen sein.

Der Ammoniakerzeugungskatalysator 1 dient dazu, in Betriebsphasen mit fetter Abgaszusammensetzung aus Wasserstoff und Stickstoffmonoxid, die in fettem Abgas vorliegen, Ammoniak unter Bildung von Wasser als Nebenprodukt zu synthetisieren. Um diese Ammoniaksynthese zu katalysieren, enthält der Ammoniakerzeugungskatalysator 1 ein geeignetes Katalysatormaterial, insbesondere ein einziges Edelmetall, wie Platin, oder eine Kombination mehrerer Edelmetalle, z.B. Platin, Rhodium und/oder Palladium. Dieses Edelmetall-Katalysatormaterial kann z.B. wie üblich als aktive Beschichtung auf einer Washcoat-Trägerstruktur aufgebracht sein. Der Ammoniakerzeugungskatalysator 1 ist so ausgelegt, daß seine Speicherfähigkeit für Sauerstoff sehr gering ist, wozu er z.B. nur einen vergleichsweise niedrigen Gehalt an CeO₂ im Washcoat enthält. Dadurch ist er in der Lage, beim Wechsel vom Magerbetrieb auf Fettbetrieb sehr rasch Ammoniak zu bilden.

Der Sauerstoffspeicherkatalysator 2 dient dazu, in Betriebsphasen mit magerer Abgaszusammensetzung den dann im Abgas enthaltenen Sauerstoff wenigstens teilweise aufzunehmen und zwischenzuspeichern, um mit ihm in Betriebsphasen mit fetter Abgaszusammensetzung die im fetten Abgas enthaltenen, oxidierbaren Schadstoffe, insbesondere Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe, zu oxidieren. Dazu enthält der Sauerstoffspeicherkatalysator 2 ebenfalls ein Edelmetall-Katalysatormaterial aus einem einzigen oder einer Kombination mehrerer Edelmetalle, wie Platin, Rhodium und/oder Palladium. Im Gegensatz zum Ammoniakerzeugungskatalysator 1 enthält der Sauerstoffspeicherkatalysator 2 darüber hinaus eine sauerstoffspeichernde Substanz, z.B. einen relativ hohen Gehalt an CeO₂ in einer das Edelmetall-Katalysatormaterial tragenden Washcoat-Struktur. Ein hoher CeO₂-Gehalt ermöglicht eine entsprechend hohe Speicherfähigkeit für Sauerstoff.

Der Ammoniakspeicher- und Stickoxidreduktionskatalysator 3 bildet einen sogenannten SCR(Selective Catalytic Reduction)-Katalysator und beinhaltet als aktives Katalysatormaterial beispielsweise eine Mischung aus TiO₂, WO₃ und V₂O₅. Andere für diesen Zweck wirksame, herkömmliche Katalysatormaterialien sind ebenfalls verwendbar. Derartige SCR-Katalysatoren sind an sich bekannt und ermöglichen einerseits eine Ammoniakzwischenspeicherung und andererseits eine selektive katalytische Reduktion von im zugeführten Abgas enthaltenen Stickoxiden unter der Wirkung des zwischengespeicherten Ammoniaks als Reduktionsmittel unter Bildung von Stickstoff und Wasser.

Mit dem geschilderten Aufbau ist die Abgasreinigungsanlage in der Lage, eine unerwünschte Emission von Stickoxiden, Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen sowohl im Magerbetrieb als auch im Fettbetrieb des Verbrennungsmotors 5 zu verhindern. Dazu wird für das zu reinigende, im Abgasstrang 4 durch die drei hintereinandergeschalteten Katalysatoreinheiten 1, 2, 3 hindurchgeführte Abgas alternierend für einen jeweils längeren Zeitraum eine magere Abgaszusammensetzung und für einen jeweils kürzeren Zeitraum eine fette Abgaszusammensetzung eingestellt, vorzugsweise durch entsprechenden alternierenden Mager- und Fettbetrieb des Verbrennungsmotors 5, alternativ durch andere, hierzu bekannte Maßnahmen.

In 1 ist unterhalb des Blockdiagramms der Abgasreinigungsanlage deren Betriebsweise in den Betriebsphasen mit fetter Abgaszusammensetzung in Form von drei untereinanderliegenden Diagrammen veranschaulicht, welche schematisch den Gehalt des Abgases an Stickoxiden (NO_x), Ammoniak (NH₃) sowie den oxidierbaren Schadstoffen, d.h. insbesondere an unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) und Kohlenmonoxid (CO), im zu reinigenden Abgas entlang des Abgasströmungsweges x im Abgasstrang 4 wiedergeben. Der Abgasströmungsweg x ist dabei als Abszisse der Diagramme positionsrichtig zu den drei Katalysatoreinheiten 1, 2, 3 ausgerichtet, wie durch die gepunkteten vertikalen Linien angedeutet.

Wie aus den Diagrammen von 1 ersichtlich, erzeugt der Ammoniakerzeugungskatalysator 1 während einer derartigen Betriebsphase mit fetter Abgaszusammensetzung Ammoniak, und zwar aus im Abgas enthaltenem Wasserstoff und Stickstoffmonoxid, und entfernt dabei gleichzeitig im Abgas enthaltene Stickoxide praktisch vollständig. Das aus dem Ammoniakerzeugungskatalysator 1 austretende Abgas ist somit praktisch frei von Stickoxiden und enthält den synthetisierten Ammoniak. Der Gehalt an Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen nimmt über den Ammoniakerzeugungskatalysator 1 hinweg nur geringfügig ab, da der Ammoniakerzeugungskatalysator 1 nur eine allenfalls geringe Sauerstoffspeicherfähigkeit besitzt und im fetten Abgas keine nennenswerte Sauerstoffmenge zur Oxidation dieser Schadstoffe vorhanden ist.

Das aus dem Ammoniakerzeugungskatalysator 1 austretende, die oxidierbaren Schadstoffe und den Ammoniak enthaltende. Abgas gelangt dann in den Sauerstoffspeicherkatalysator 2, wo die oxidierbaren Schadstoffe, d.h. insbesondere die unverbrannten Kohlenwasserstoffe und das Kohlenmonoxid, unter Freisetzung des zwischengespeicherten Sauerstoffs vollständig oxidiert und damit konvertiert werden, d.h. ihr Anteil am durchströmenden Abgas nimmt über den Sauerstoffspeicherkatalysator 2 hinweg bis praktisch auf null ab.

Das aus dem Sauerstoffspeicherkatalysator 2 austretende Abgas gelangt in den Ammoniakspeicher- und Stickoxidreduktionskatalysator 3, wo der im Abgas enthaltene, im vorgeschalteten Ammoniakerzeugungskatalysator 1 synthetisierte Ammoniak aufgenommen und zwischengespeichert wird, so daß letztlich ein im wesentlichen von Ammoniak, Stickoxiden und oxidierbaren Schadstoffen, wie unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid, freies Abgas abgegeben wird.

2 veranschaulicht mit zwei wiederum positionsrichtig unterhalb des Blockdiagramms der Abgasreinigungsanlage angeordneten Schadstoffdiagrammen die Betriebsweise der Anlage in Betriebsphasen mit magerer Abgaszusammensetzung. Dabei sind in Diagrammform schematisch die Gehalte an Stickoxiden (NO_x) einerseits und an oxidierbaren Schadstoffen, insbesondere unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) und Kohlenmonoxid (CO), andererseits im durch den Abgasstrang 4 geführten Abgas in Abhängigkeit vom Abgasströmungsweg x wiedergegeben.

Wie aus den Diagrammen von 2 deutlich wird, enthält in diesen Betriebsphasen das magere Abgas ausreichend Sauerstoff, um die oxidierbaren Schadstoffe, d.h. die unverbrannten Kohlenwasserstoffe und das Kohlenmonoxid, vollständig mit diesem zu oxidieren, wobei die oxidierbaren Schadstoffe im mageren Abgas ohnehin nur in deutlich niedrigerer Konzentration vorliegen als im fetten Abgas. Die Oxidation der oxidierbaren Schadstoffe erfolgt hierbei zunächst wenigstens teilweise im Ammoniakerzeugungskatalysator 1, dessen Edelmetall-Katalysatormaterial hierfür ebenso wie dasjenige des Sauerstoffspeicherkatalysators 2 geeignet ist, wobei der Ammoniakerzeugungskatalysator 1 in dieser Betriebsphase den benötigten Sauerstoff dem Abgas selbst entnehmen kann. Soweit die oxidierbaren Schadstoffe im Ammoniakerzeugungskatalysator 1 noch nicht umgesetzt wurden, vervollständigt dies der nachgeschaltete Sauerstoffspeicherkatalysator 2. Gleichzeitig nimmt der Sauerstoffspeicherkatalysator 2 in dieser Betriebsphase mit magerer Abgaszusammensetzung nicht benötigten Sauerstoff aus dem Abgas zwecks Zwischenspeicherung auf, um damit die oxidierbaren Schadstoffe in einer anschließenden Betriebsphase mit fetter Abgaszusammensetzung oxidieren zu können.

Die im mageren Abgas enthaltenen Stickoxide können vom Ammoniakerzeugungskatalysator 1 und vom Sauerstoffspeicherkatalysator 2 in der sauerstoffreichen Abgasatmoshäre des mageren Abgases nicht umgesetzt werden und gelangen in den Ammoniakspeicher- und Stickoxidreduktionskatalysator. Dort werden sie unter Freisetzung des zuvor zwischengespeicherten Ammoniaks praktisch vollständig zu Stickstoff und Wasser reduziert. Insgesamt verläßt damit wiederum ein sowohl von Stickoxiden als auch von den oxidierbaren Schadstoffen, wie Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen, freies Abgas die Abgasreinigungsanlage mit den drei seriell hintereinandergeschalteten Katalysatoreinheiten 1, 2, 3.

Zur Steuerung des Betriebs der Abgasreinigungsanlage und des Verbrennungsmotors 5, insbesondere zur Durchführung der alternierenden Betriebsphasen mit fetter und magerer Abgaszusammensetzung, dient eine Anlagensteuereinheit 6, die z.B. von einem geeignet ausgelegten Motorsteuergerät gebildet sein kann.

Die Anlagensteuerung durch die Steuereinheit 6 erfolgt hierbei entsprechend dem Wunsch, den Verbrennungsmotor 5 möglichst lange im Magerbetrieb zu fahren und diesen nur durch verhältnismäßig kurze Fettbetriebsphasen zu unterbrechen. Die Dauer einer Betriebsphase mit fetter Abgaszusammensetzung ist bei der vorliegenden Systemauslegung im allgemeinen durch den Verbrauch an zwischengespeichertem Sauerstoff im Sauerstoffspeicherkatalysator 2 zur Oxidation der oxidierbaren Schadstoffe bestimmt. Mit anderen Worten wird eine jeweilige Betriebsphase mit fetter Abgaszusammensetzung so lange beibehalten, bis der im Sauerstoffspeicherkatalysator 2 zwischengespeicherte Sauerstoff aufgebraucht ist. Um diesen Zeitpunkt zu erkennen, ist stromabwärts des Sauerstoffspeicherkatalysators 2 eine Lambdasonde 7 angeordnet, deren Ausgangssignal der Steuereinheit 6 zugeführt ist. Sobald gegen Ende einer Fettbetriebsphase der zwischengespeicherte Sauerstoff im Sauerstoffspeicher zur Neige geht, tritt ein Durchbruch von oxidierbaren Schadstoffen an der Austrittsseite des Sauerstoffspeicherkatalysators 2 auf, der von der Lambdasonde 7 erfaßt wird und sich in einer entsprechenden Änderung ihrer Ausgangsspannung äußert. Alternativ kann der Zeitpunkt, zu dem der zwischengespeicherte Sauerstoff aufgebraucht ist, von der Steuereinheit 6 auch rechnerisch anhand eines Modells der Emissionen des Verbrennungsmotors 5 und der Funktion der einzelnen Katalysatoreinheiten, insbesondere des Sauerstoffspeicherkatalysators 2, ermittelt werden.

Um den geeigneten Zeitpunkt zur Umschaltung von einer momentanen Betriebsphase mit magerer Abgaszusammensetzung auf eine anschließende Betriebsphase mit fetter Abgaszusammensetzung zu bestimmen, werden von der Steuereinheit 6 die während einer jeweiligen vorausgegangenen Fettbetriebsphase erzeugte Ammoniakmenge und die in der momentanen Magerbetriebsphase emittierte Stickoxidmenge durch entsprechende Sensoren meßtechnisch erfaßt oder durch eine entsprechende Systemmodellierung rechentechnisch ermittelt. Die Steuereinheit 6 summiert die in der Fettbetriebsphase erzeugte Ammoniakmenge auf und zieht von dieser erzeugten und zwischengespeicherten Ammoniakmenge die zur Stickoxidreduktion in der momentanen Magerbetriebsphase laufend benötigte Ammoniakmenge ab, d.h. die Ammoniakmenge zur Reduktion von Stickstoffdioxid zuzüglich der Ammoniakmenge zur Reduktion von Stickstoffmonoxid unter Sauerstoffeinwirkung, jeweils unter Bildung von Stickstoff und Wasser. Sobald die auf diese Weise ermittelte Restmenge an im SCR-Katalysator 3 verbliebenem Ammoniak einen unteren Schwellwert unterschreitet, wird auf eine neuerliche Fettbetriebsphase umgeschaltet, um wieder Ammoniak zu erzeugen. Die Umschaltung zwischen Mager- und Fettbetrieb erfolgt vorzugsweise durch entsprechende Umstellung des Betriebs des Verbrennungsmotors 5 durch die Steuereinheit 6.

Die Menge an Ammoniak, die im SCR-Katalysator 3 zwischengespeichert werden kann, ohne daß ein Durchbruch von Ammoniak auftritt, ist im wesentlichen von der Größe dieser Katalysatoreinheit 3 und von der momentanen Katalysatortemperatur abhängig. Mit steigender Katalysatorgröße nimmt die speicherbare Ammoniakmenge zu, während sie mit steigender Temperatur abnimmt. Durch ein entsprechendes Modell kann das Ammoniak-Speicherverhalten des SCR-Katalysators 3 in der Steuereinheit 6 ermittelt werden. Als Eingangsgröße dieses Modells für das Ammoniak-Speicherverhalten dient die Temperatur des SCR-Katalysators 3, die wiederum sensorisch oder rechentechnisch durch Modellierung bestimmt werden kann. Als Ausgangsgröße liefert das Modell des Ammoniak-Speicherverhaltens einen oberen Schwellwert für die im SCR-Katalysator 3 einspeicherbare Ammoniakmenge. Überschreitet die erzeugte Ammoniakmenge während einer Fettbetriebsphase diesen oberen Schwellwert, bevor der im Sauerstoffspeicherkatalysator 2 enthaltene Sauerstoff aufgebraucht ist, wird schon vor dem vollständigen Verbrauch des zwischengespeicherten Sauerstoffs wieder auf Magerbetrieb umgeschaltet, oder es wird durch eine nachgeschaltete Ammoniak-Abgasreinigungsstufe dafür gesorgt, daß überschüssiger, nicht mehr im SCR-Katalysator 3 einspeicherbarer Ammoniak konvertiert wird und nicht mit dem Abgas in die Umgebung gelangt.

Es versteht sich, daß die erfindungsgemäße Abgasreinigungsanlage zusätzlich zum gezeigten und oben beschriebenen Ausführungsbeispiel bei Bedarf eine unterstützende externe Reduktionsmittelzudosierung und/oder eine unterstützende Sekundärluftzuführung beinhalten kann, so daß dann nur ein Teil des für die Stickoxidreduktion benötigten Ammoniaks intern erzeugt bzw. nur ein Teil des für die Oxidation von oxidierbaren Schadstoffen benötigten Sauerstoffs vom Magerbetrieb der Verbrennungsquelle geliefert werden braucht.

Während im gezeigten Ausführungsbeispiel die drei Katalysatoreinheiten 1, 2, 3 als separate Katalysatorkörper mit jeweils eigenem Katalysatorgehäuse realisiert sind, können alternativ zwei von ihnen oder alle drei in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein. Des weiteren kann das jeweilige Katalysatormaterial als Beschichtung auf einem einzelnen oder auf mehreren Trägern aufgebracht sein. Außerdem können für den Fall, daß die Verbrennungsquelle von einem mehrzylindrigen Verbrennungsmotor gebildet ist, die Abgasrohre der einzelnen Motorzylinder wie gezeigt in einen gemeinsamen Abgasstrang einmünden, in welchem die drei Katalysatoreinheiten 1, 2, 3 in Reihe geschaltet sind, sie können alternativ aber auch einzeln verlegt oder in Zylindergruppen zusammengefaßt sein. Dabei können zur Realisierung des Fett- bzw. Magerbetriebs alle Zylinder gleichzeitig periodisch fett bzw. mager betrieben werden, oder einzelne Zylinder oder Zylindergruppen getrennt. Weiter alternativ kann der Ammoniakspeicher- und Stickoxidreduktionskatalysator 3 nicht nur wie gezeigt in einer kombinierten Einheit integriert sein, sondern meinen Ammoniakspeicherkatalysator und einen nachgeschalteten Stickoxidreduktionskatalysator als getrennte Einheiten umfassen.

Als weitere Alternative zum gezeigten Ausführungsbeispiel kann der Sauerstoffspeicherkatalysator 2 stromabwärts statt stromaufwärts des Ammoniakspeicher- und Stickoxidreduktionskatalysators 3 im Abgasstrang 4 angeordnet sein. Die Funktion der Abgasreinigungsanlage bleibt dadurch erhalten oder kann sich sogar noch dadurch verbessern, daß auch der SCR-Katalysator 3 zur Verringerung der oxidierbaren Schadstoffe geeignet ist und beitragen kann, so daß das im nachgeschalteten Sauerstoffspeicherkatalysator 2 gespeicherte Sauerstoffvolumen länger erhalten bleibt. Zudem kann in diesem Fall der nachgeschaltete Sauerstoffspeicherkatalysator 3 einen Durchbruch bzw. Schlupf von Ammoniak im aus dem SCR-Katalysator 3 austretenden Abgas bei einer Ammoniaküberdosierung durch Oxidation eliminieren. Die Lambdasonde 7 wird, wenn sie in diesem modifizierten Ausführungsbeispiel vorgesehen ist, wiederum stromabwärts des Sauerstoffspeicherkatalysators 2 positioniert.

Wesentlich ist jeweils, daß im Fettbetrieb das Abgas, welches den im Ammoniakerzeugungskatalysator synthetisierten Ammoniak enthält, durch den Sauerstoffspeicherkatalysator und den Ammoniakspeicherkatalysator hindurchgeleitet wird und daß im Magerbetrieb das Abgas einerseits durch den Ammoniakerzeugungskatalysator und/oder den Sauerstoffspeicherkatalysator zwecks Oxidation der oxidierbaren Schadstoffe und andererseits durch den Ammoniakspeicher- und Stickoxidreduktionskatalysator zur Reduktion der in ihm enthaltenen Stickoxide hindurchgeleitet wird.