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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung von Schadstoffemissionen
eines Verbrennungsmotors.
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Üblicherweise
sind Selbstzündungsmotoren, wie zum Beispiel Dieselmotoren,
insbesondere in Teillastbereichen effizienter als fremd gezündete
Verbrennungsmotoren (Ottomotoren). Dies ist hauptsächlich
darauf zurückzuführen, dass z. B. Dieselmotoren
bei magereren Kraftstoff-Luft-Verhältnissen und höherer
Kompression als z. B. Ottomotoren betrieben werden. Dies kann erreicht
werden, wenn ein Dieselkraftstoff mit hohem Cetan-Gehalt verwendet wird,
der im Vergleich zum Ottokraftstoff (geringer Cetan-Gehalt, hoher
Oktan-Gehalt) eine hohe Selbstzündungstendenz aufweist.
Weist der Dieselmotor zudem noch einen Turbolader auf, führt
dieses magere Verbrennungskonzept bei Teillast zu geringen Abgastemperaturen
stromaufwärts des Turboladers, was zu im Übergang
von geringen Lasten zu hohen Lasten zu dem Phänomen des
so genannten Turbolochs führen kann. Dies könnte
eine zweistufige Aufladung notwendig machen, um einerseits die Saugfähigkeit
zu verbessern und andererseits einen höheren Betrag an
Abgas rückführen (AGR) zu können. Weiter
begrenzt die geringe Abgastemperatur die Effizienz von Abgasnachbehandlungseinrichtungen.
Um deren Effizienz insbesondere im geringen Lastbereich oder bei
einem Kaltstart des Verbrennungsmotors zu verbessern, wird die Abgastemperatur
entweder mittels Nacheinspritzungen in den Brennraum des Verbrennungsmotors
oder auch mittels externer Zufuhr von Brenngasen in die Abgasleitung
stromaufwärts des Turboladers und/oder der Abgasnachbehandlungseinrichtung
erhöht.
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Die
DE 694 106 08 (=
WO 94/24424 ) befasst sich
mit dem Problem der Reduzierung von Schadstoffemissionen aus Verbrennungsmotoren.
Der Motor weist eine Abgasleitung auf, in der eine Abgasnachbehandlungseinrichtung
angeordnet ist. Während der Kaltstartperiode wird ein spontan
brennbares, bzw. selbstentzündliches Verbrennungsgemisch stromaufwärts
der Abgasnachbehandlungseinrichtung in die Abgasleitung geführt.
Durch Verbrennen des Gemisches innerhalb der Abgasleitung wird die Abgastemperatur
erhöht.
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Die
WO 02/64954 A1 betrifft
eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zur nachmotorischen Einbringung eines
Kraftstoffs in den Abgasstrom einer Brennkraftmaschine, wobei eine
Gasentladung zur Unterstützung einer mindestens partiellen
Oxidation des Kraftstoffs vor dem Eintreten in eine Abgasnachbehandlungsanordnung
unterstützt wird.
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In
der
AT E 22 963 B (=
EP 0 132 166 ) wird ein leicht
entzündliches Gemisch erzeugt und in den Abgasstrom eines
Verbrennungsmotors eingeleitet, wobei das Gemisch mittels einer
Zündkerze bzw. einer Glühkerze entzündet
wird, um die Abgastemperatur zu erhöhen.
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Ebenfalls
mit der Erhöhung der Abgastemperatur beschäftigt
sich die
EP 1 369 557
A1 . Einer Katalysatoreinheit ist eine Kraftstoffverdampfungseinheit
vorgeschaltet, welche ein elektrisches Heizelement umfasst. Über
einen Kraftstoffdampfeinspeisekanal wird stromaufwärts
der Katalysatoreinheit Kraftstoffdampf in die Abgasleitung geleitet,
wobei der in der Kraftstoffverdampfungseinheit erzeugte Kraftstoffdampf
die Abgastemperatur erhöhen soll.
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Die
EP 1 637 706 A1 offenbart
auch ein verfahren zur Erhöhung der Abgastemperatur, wobei auch
hierbei ein entzündliches Gas stromabwärts des
Verbrennungsmotors in die Abgasleitung eingeleitet wird.
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Die
EP 1 171 697 B1 (=
US 2002/0179726 ) offenbart
ebenfalls die Möglichkeit, die Abgastemperatur mittels
externer Mittel zu erhöhen. Im Bereich eines Abgaskrümmers
ist eine Brennkammer angeordnet, welche über eine Abgasleitung
an den Abgaskrümmer angeschlossen ist. Bei Bedarf wird
die Brennkammer in Betrieb genommen, so dass deren heißen
Abgase die Abgasanlage des Verbrennungsmotors aufheizen.
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Bekannt
ist aber auch, Dieselkraftstoff insbesondere bei niedrigen Lastzuständen
des Dieselmotors in die Abgasanlage einzuspritzen, um so die Temperatur
des Abgases und damit der Abgasnachbehandlungseinrichtungen, welche üblicherweise
bei Dieselmotoren Verwendung finden, anzuheben. Der Dieselkraftstoff
kann über externe Glühelemente verdampft werden,
bevor dieser in die Abgasleitung eingeleitet wird. Sollten aber
keine externen Glühelemente vorhanden sein, müssen
andere Maßnahmen getroffen werden; Denn da Dieselkraftstoff
(hoher Cetan-Gehalt) einen Siedepunkt im Bereich von 180° bis
360°C aufweist, muss die Abgastemperatur über interne
Mittel innerhalb des Verbrennungsmotors (Nacheinspritzungen) mindestens
auf einen Betrag zwischen 300° bis 400°C angehoben
werden, so dass ein Verdampfen des flüssig eingespritzten
Kraftstoffs und ein Reduzieren des axialen Temperaturgradienten über
den Katalysator durch ein Begrenzen der exthermischen Reaktion auf
einen Betrag zwischen 200° bis 300°C erreicht
wird. Weiter ist es nicht immer sinnvoll den in die Abgasleitung
eingeleiteten bzw. eingespritzten Kraftstoff zu verbrennen, bevor dieser
den Katalysator erreicht hat, da die Temperaturbeträge
für eine Selbstentzündung nicht hoch genug sind.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Reduzierung
von Schadstoffemissionen eines Verbrennungsmotors anzugeben, bei welchem
mit einfachen Mitteln die Abgastemperatur in unterschiedlichen Lastzuständen
des Verbrennungsmotors angehoben wird.
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Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Reduzierung
von Schadstoffemissionen eines Verbrennungsmotors, der in seiner
Abgasleitung zumindest eine Abgasnachbehandlungseinrichtung aufweist,
wobei die Temperatur der in Brennkammern des Verbrennungsmotors
entstehenden Abgase über eine externe Zufuhr von Brenngasen
in die Abgasleitung stromaufwärts der zumindest einen Abgasnachbehandlungseinrichtung
erhöht wird, wobei die extern zugeführten Brenngase mittels
einer Zündquelle gezündet werden, wobei
die
Zündquelle deaktiviert wird, die Zufuhr von Brenngasen
aber für eine exotherme Reaktion der Abgasnachbehandlungseinrichtung
aufrechterhalten wird, und wobei
die Zündquelle unter
aufrechterhalten der Brenngaszufuhr abwechselnd deaktiviert und
aktiviert wird, so dass ein pulsierender Abgasstrom erzeugt wird.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Abgastemperatur
in zwei Phasen erhöht werden kann. In einer ersten Phase
wird in dem Verbrennungsmotor selbst z. B. Dieselkraftstoff mit
einem hohen Cetan-Gehalt verbrannt. In einer zweiten Phase werden
Brenngase z. B. hoch Oktanhaltiger Kraftstoff z. B. in flüssigem
oder gasförmigem Zustand in die Abgasleitung eingespritzt.
Denkbar ist auch, Brenngase flüssig in eine Verdampfungskammer
zu leiten, in welcher ein Glühelement ein Verdampfen bewirkt,
so dass gasförmige Brenngase in die Abgasleitung eingeleitet
werden. Die Brenngase können dann über externe
Zündquellen gezündet werden, welche als Glühkerzen öder
Zündkerzen ausgeführt sein können. Insofern
kann das externe Injektionssystem stromaufwärts der zumindest
einen Abgasnachbehandlungseinrichtung angeordnet sein, um die Abgastemperatur
zu erhöhen, so dass die Abgasnachbehandlungseinrichtung
beispielsweise nach einem Kaltstart schneller auf Betriebstemperatur
bzw. Zündtemperatur (light off) geführt werden kann.
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Möglich
ist aber auch, das Injektionssystem stromaufwärts eines
Turboladers bzw. seiner Turbine anzuordnen. In diesem Falle wird
die Abgastemperatur (typischer Weise hoher Sauerstoffgehalt) während
eines Übergangs eines niedrigen Lastzustandes zu einem
hohen Lastzustand des Verbrennungsmotors über hoch oktanhaltige
Brenngase erhöht, welche über die Zündquelle
entzündet werden können. Dieser abrupte Anstieg
der Abgastemperatur erhöht den Enthalpieeintrag in die
Turbine des Turboladers und somit ein Erhöhen des Betrages
der zugeleiteten frischen Luft in die Brennkammer (Kompressorseite
des Turboladers). Dies erlaubt dann entweder einen erhöhten
Betrag an Kraftstoff in die Brennkammer des Verbrennungsmotors einzuspritzen, oder
einen höheren Betrag an Abgasen zurückzuführen
(AGR, NOx-Reduktion).
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Sobald
die Abgastemperatur hoch genug ist, werden die externe Zündquelle
und auch das externe Zuführen von Brenngasen deaktiviert.
Insofern ist es durchaus sinnvoll das externe Zuleiten von Brenngasen
mit hohem Oktangehalt mit anschließendem Zünden
anzuwenden, wenn die Abgastemperatur insbesondere bei einem Kaltstart
erhöht werden soll, um die zumindest eine Abgasnachbehandlungseinrichtung
schneller auf deren Betriebstemperatur zu führen, so diese
alsbald Schadstoffemissionen des Verbrennungsmotors reduzieren kann.
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Verbrennungsmotoren
weisen einen innerhalb der Brennkammer ablaufenden Verbrennungsprozess
auf, wobei Kraftstoffe also intern verbrannt werden. Im Sinne der
Erfindung bezieht sich der Begriff extern dagegen auf eine außerhalb
des Verbrennungsmotors, eben z. B. in der Abgasleitung stattfindende
Verbrennung oder eine in die Abgasleitung mündende Zuleitung
von Brenngasen.
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In
bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die
Zündquelle deaktiviert wird, das externe Zuleiten von Brenngasen,
insbesondere von hoch oktanhaltigen Brenngasen aber aufrechterhalten
wird. Dies ist vorteilhaft, wenn die Betriebstemperatur der zumindest
einen Abgasnachbehandlungseinrichtung erreicht ist, wobei die Abgastemperatur
aus dem internen Verbrennungsprozess im Bereich zwischen mittleren
bis hohen Lastzuständen des Verbrennungsmotors hoch genug
ist. Ein Verbrennen der extern zugeführten Brenngase ist dann
nicht mehr erforderlich, jedoch wird die externe Brenngaszufuhr
für eine exotherme Reaktion der zumindest einen Abgasnachbehandlungseinrichtung aufrechterhalten.
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In
weiter bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die externe
Zündquelle alternierend bzw. abwechselnd aktiviert und
deaktiviert wird, so dass bei Aufrechterhalten der externen Brenngaszufuhr
ein pulsierender Abgasstrom bzw. eine pulsierende Verbrennung der
extern zugeführten Brenngase, insbesondere der extern zugeführten
hoch oktanhaltigen Brenngase erzeugt wird. Dieses vorgehen ist sinnvoll
bei Übergängen von niedrigen zu mittleren Lastzuständen
des Verbrennungsmotors, wobei der pulsierende Abgasstrom bzw. die
pulsierende Verbrennung des extern zugeführten Brenngases
stromaufwärts des zumindest einen Katalysators die effektive
exothermische Reaktion des zumindest einen Katalysators bei geringen
Abgastemperaturen des Verbrennungsmotors (interner Verbrennungsprozess)
reduzieren kann.
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Das
Brenngas ist bevorzugter Weise so gewählt, dass dieses
hoch oktanhaltig ist, und einen Siedepunkt im Bereich von 25° bis
215°C aufweist. Als Brenngas kann auch CNG (Compressed
Natural Gas, komprimiertes Erdgas) Verwendung finden.
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Über
die Betriebsdauer der zumindest einen Abgasnachbehandlungseinrichtung
bzw. eines Katalysators altert dieser, was bedeutet, dass seine
Konvertierungs leistung sinkt. Ein neuwertiger Katalysator kann als
frisches System bezeichnet werden, wobei das frische System mit
zunehmender Betriebsdauer altert. Insofern wird die Aktivierung
des Zündelementes vorteilhaft in Abhängigkeit
von der Katalysatortemperatur und dessen Alterung aktiviert. Die
Temperatur über den Katalysator wird bei einem frischen System
mittels aktivierter Zündquelle erzeugt, wobei die Temperatur
bei einem gealterten System erzeugt wird, indem die Zündquelle
deaktiviert, also ausgeschaltet ist.
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Hierbei
ist die Aktivierung der Zündquelle abhängig von:
der
Abgastemperatur vor dem Katalysator, wobei die Temperatur höher
sein sollte als der Siedepunkt des Brenngases, was besonders vorteilhaft
ist, wenn das Brenngas in der Gasphase ist;
der Katalysatortemperatur
und dem Alterungszustand, wobei der Exothermensollwert bestimmt
wird, wobei der Exothermensollwert abhängig ist von der Katalysatortemperatur,
dem Alterungszustand und dem Abgasmassenstrom, wobei der Sollwert
für die Temperatur vor dem Katalysator bestimmt wird, indem
der Exothermensollwert von dem Sollwert der Temperatur in dem Katalysator
abgezogen wird;
der Hydrocarbon (HC)-Konzentration im Abgassystem,
wobei die HC-Konzentration abhängig ist von Exothermensollwert
und von dem Sollwert der Sauerstoffkonzentration nach dem Katalysator.
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Das
Zündelement wird demnach aktiviert um den Sollwert der
Temperatur vor dem Katalysator zu erreichen, aber deaktiviert um
den Exothermensollwert zu erreichen. Hierbei werden können
folgende beispielhaften Fälle betrachtet werden:
| Fall 1: | Die Abgastemperatur vor
dem Katalysator ist kleiner als der Sollwert für |
| | die Temperatur vor dem
Katalysator, und die Differenztemperatur der |
| | Temperatur vor dem Katalysator
und der Temperatur nach dem |
| | Katalysator ist größer
als der Exothermensollwert, dann wird Brenngas |
| | extern zugeführt,
wobei das Zündelement aktiviert wird. |
| Fall 2: | Die Abgastemperatur vor
dem Katalysator ist kleiner als der Sollwert für |
| | die Temperatur vor dem
Katalysator, und die Differenztemperatur der |
| | Temperatur vor dem Katalysator
und der Temperatur nach dem |
| | Katalysator ist kleiner
als der Exothermensollwert, dann wird Brenngas |
| | extern zugeführt,
wobei das Zündelement pulsierend aktiviert/deaktiviert |
| | wird. |
| Fall 3: | Die Abgastemperatur vor
dem Katalysator ist größer als der Sollwert für |
| | die Temperatur vor dem
Katalysator, und die Differenztemperatur der |
| | Temperatur vor dem Katalysator
und der Temperatur nach dem |
| | Katalysator ist größer
als der Exothermensollwert, dann wird Brenngas |
| | extern zugeführt,
wobei das Zündelement deaktiviert wird. |
| Fall 4: | Die Abgastemperatur vor
dem Katalysator ist größer als der Sollwert für |
| | die Temperatur vor dem
Katalysator, und die Differenztemperatur der |
| | Temperatur vor dem Katalysator
und der Temperatur nach dem |
| | Katalysator ist kleiner
als der Exothermensollwert, dann wird Brenngas |
| | extern zugeführt,
wobei das Zündelement deaktiviert wird. |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 69410608 [0003]
- - WO 94/24424 [0003]
- - WO 02/64954 A1 [0004]
- - AT 22963 B [0005]
- - EP 0132166 [0005]
- - EP 1369557 A1 [0006]
- - EP 1637706 A1 [0007]
- - EP 1171697 B1 [0008]
- - US 2002/0179726 [0008]