DE10145916A1

DE10145916A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Abkühlen einer Katalysatoreinrichtung

Info

Publication number: DE10145916A1
Application number: DE10145916A
Authority: DE
Inventors: Ekkehard Pott; Michael Zillmer; Karsten Michels
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2001-09-18
Filing date: 2001-09-18
Publication date: 2003-04-03
Anticipated expiration: 2021-09-19
Also published as: FR2829797A1; DE10145916B4; FR2829797B1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Abkühlen einer Katalysatoreinrichtung (16) in der Abgasanlage (12-20) einer Brennkraftmaschine (10) auf eine bestimmte Soll-Katalysatortemperatur beschrieben, bei dem die Temperatur des durch die Katalysatoreinrichtung (16) strömenden Abgasmassenstroms durch bedarfsgerechte Steuerung eines der Katalysatoreinrichtung (16) vorgeschalteten regelbaren Abgaskühlers (18) für eine bestimmte Zeitspanne weit unter die Soll-Katalysatortemperatur abgekühlt wird. Die Abkühlung erfolgt hierbei mit einer hohen treibenden Temperaturdifferenz zwischen Abgas- und Katalysatortemperatur von zumindest 50 DEG C oder einer zumindest einer Kühlleistung von 1 kW entsprechenden treibenden Temperaturdifferenz, um durch kurze Abkühlzeiten in möglichst weiten Betriebsbereichen nicht nur eine stets ordnungsgemäße Abgasreinigung gewährleisten zu können, sondern auch um im dynamischen Verkehr durch schnelle Einstellung eines ausreichend niedrigen Temperaturniveaus die wirtschaftlichen Vorteile eines verbrauchsoptimierten Motorbetriebs, wie z. B. durch einen Schichtbetrieb bei DI-Ottomotoren, nutzen zu können. Eine unzulässig starke Auskühlung der Katalysatoreinrichtung (16) in den Bereich ihrer Anspringtemperatur oder gar darunter wird durch Festlegung einer Mindest-Abgastemperatur und durch entsprechende zeitliche Steuerung des Abkühlvorgangs zuverlässig vermieden. Das gesuchte Abkühlverfahren ist insbesondere zum bedarfsgerechten Abkühlen eines einer magerlauffähigen ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abkühlen einer Katalysatoreinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Abgasanlage und ein Kraftfahrzeug zur Durchführung dieses Verfahrens.
Katalysatoreinrichtungen besitzen üblicherweise nur einen relativ eingeschränkten optimalen thermischen Arbeitsbereich zur Gewährleistung einer ordnungsgemäßen Abgasreinigung, der bei NO_x-Speicherkatalysatoren beispielsweise zwischen etwa 220°C und 550°C liegt. Unterhalb dieses Bereiches sind sie noch nicht ausreichend katalytisch aktiv, um voll funktionsfähig zu sein und die im Abgas enthaltenen unerwünschten Schadstoffe wunschgemäß zu speichern und/oder in unschädliche Stoffe umzuwandeln. Treten höhere Katalysatortemperaturen auf, müssen mager betreibbare Ottomotoren bei den korrespondierenden höheren Abgastemperaturen stöchiometrisch betrieben werden, obwohl das Brennverfahren noch einen mit einem niedrigen Kraftstoffverbrauch verbundenen ökonomischeren Magerbetrieb zulassen würde. Darüber hinaus setzt mit weiter ansteigenden Katalysatortemperaturen die thermische Alterung ein, die zu starker Desaktivierung oder sogar zur Katalysatorzerstörung durch Überhitzung führen kann. Da die Katalysatortemperatur im wesentlichen durch die Temperatur des durchströmenden Abgases bestimmt wird, ist für den ordnungsgemäßen Betrieb von Abgaskatalysatoren und für eine verbrauchsoptimierte Betriebsweise der jeweils zugeordneten Brennkraftmaschine die Steuerung, insbesondere die Absenkung oder zumindest Begrenzung, der Abgastemperatur durch motorische Maßnahmen und/oder eine gezielte Abgaskühlung von besonderer Bedeutung.
Zur Abgaskühlung werden in der Praxis sowohl aktive als auch passive Abgaskühler eingesetzt. Letztere sind in ihrer Kühlleistung nicht beeinflussbar und dürfen daher nur begrenzte Kühlleistungen bereitstellen, um im Light-Off und bei einer De-Sulfatierung nicht zu gravierende Nachteile zu verursachen. Aktive oder regelbare Abgaskühler hingegen besitzen eine in weiten Bereichen regelbare Kühlleistung, die es beispielsweise im Light-off und bei einer De-Sulfatierung ermöglicht, den überwiegenden Teil des ankommenden Abgasstroms einfach ungekühlt durch den Abgaskühler strömen zu lassen. Sie können daher, ohne entsprechende Nachteile fürchten zu müssen, wesentlich leistungsfähiger ausgelegt werden als passive Abgaskühler. Regelbare Abgaskühler sind dafür aber technisch entsprechend aufwendiger gestaltet und üblicherweise auch deutlich größer ausgebildet als passive Abgaskühler, was wiederum mit entsprechend höheren Preisen verbunden ist. Durch ihre hohen maximalen Kühlleistungen ermöglichen sie es jedoch, eine eventuelle thermische Schädigung einer Katalysatoreinrichtung im Vollastbetrieb mit entsprechend hohen Abgas- und Katalysatortemperaturen zuverlässig zu vermeiden. Sie werden insbesondere eingesetzt, um NO_x-Speicherkatalysatoren in weiten Betriebsbereichen des Motors auf ihrer für eine ordnungsgemäße Reinigung des mageren Abgases erforderliche Arbeitstemperatur zwischen etwa 220°C und 550°C zu halten.
Regelbare Abgaskühler können beispielsweise einen Abgaswärmetauscher zur eigentlichen Abgaskühlung und eine um diesen Abgaswärmetauscher führende Bypassleitung umfassen, so dass mittels einer geeigneten Abgas- Steuerungseinrichtung, wie z. B. eine oder auch mehrere Abgasklappen, bei Bedarf einfach beliebige Anteile des Abgasmassenstroms ungekühlt am eigentlichen Abgaswärmetauscher vorbei- bzw. zur bedarfsgerechten Kühlung durch ihn hindurchgeleitet werden können. Es sind jedoch auch andere regelbare Abgaskühler bekannt, deren Kühlleistung beispielsweise durch bedarfsgerechte Steuerung der Kühlluftumströmung und/oder einer Kühlluftdurchströmung mittels geeigneter Kühlluft- Führungseinrichtungen, wie z. B. steuerbare Luft- oder Lamellenklappen und/oder Kühlluftkanäle, in weiten Bereichen steuerbar ist. Regelbare Abgaskühler können gegebenenfalls auch eine Kombination unterschiedlicher Kühlmechanismen oder Kühlvorrichtungen umfassen, wobei zur Steigerung der Kühlleistung auch der Einsatz spezieller Kühlmedien zur besseren Wärmeabfuhr an die Umgebung denkbar ist. Entsprechende regelbare Kühlvorrichtungen sind den Fachleuten auf diesem Gebiet bekannt, so dass an dieser Stelle keine weiteren Ausführungen zu diesem Thema erforderlich sind.
Bei herkömmlichen Abkühlverfahren wird die Abgastemperatur bei Bedarf mittels eines solch aktiven oder passiven Abgaskühlers einfach auf eine bestimmte Soll- Abgastemperatur abgesenkt, um eine zugeordnete nachgeschaltete Katalysatoreinrichtung, wie z. B. ein NO_x-Speicherkatalysator, allmählich auf ihre gewünschte Soll-Katalysatortemperatur auskühlen zu lassen. Zur Berücksichtigung der im Abgasstrang und in der Katalysatoreinrichtung selbst auftretenden Wärmeverluste an die Umgebung wird die Soll-Abgastemperatur hierbei üblicherweise so gewählt, dass sie etwas über der Soll-Katalysatortemperatur liegt, was infolge der geringen treibenden Temperaturdifferenz naturgemäß mit relativ langen Abkühlzeiten verbunden ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines verbesserten Abkühlverfahrens für eine Katalysatoreinrichtung, das nach einem Betrieb mit hohen Abgas- und Katalysatortemperaturen, wie z. B. nach einer De-Sulfatierung, eine möglichst schnelle Abkühlung der Katalysatoreinrichtung auf eine in ihrem Arbeitsbereich liegende bestimmte Soll-Katalysatortemperatur ermöglicht, um in möglichst weiten Betriebsbereichen nicht nur eine ordnungsgemäße Abgasreinigung gewährleisten zu können, sondern auch um im dynamischen Verkehr die wirtschaftlichen Vorteile eines verbrauchsoptimierten Motorbetriebs, wie z. B. durch einen Schichtbetrieb bei DI-Ottomotoren, nutzen zu können. Eine unzulässig starke Auskühlung der Katalysatoreinrichtung in den Bereich ihrer Anspringtemperatur oder gar darunter soll hierbei jedoch zuverlässig vermieden werden. Das gesuchte Abkühlverfahren soll insbesondere zur bedarfsgerechten Abkühlung eines einer magerlauffähigen Brennkraftmaschine nachgeschalteten NO_x-Speicherkatalysators geeignet sein. Die Aufgabe besteht zudem in der Schaffung einer zur Durchführung des gesuchten Verfahrens geeigneten Abgasanlage und eines entsprechenden Kraftfahrzeugs.

Der erste Teil der Aufgabe wird durch ein Abkühlverfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gelöst, bei dem der Abgasmassenstrom erfindungsgemäß für eine bestimmte Zeitspanne weit unter die gewünschte Soll-Katalysatortemperatur abgekühlt wird, um durch Einstellung einer hohen treibenden Temperaturdifferenz zwischen der abzukühlenden Katalysatoreinrichtung und dem durchströmenden Abgasmassenstrom eine sehr hohe Wärmeabfuhr mit entsprechend kurze Abkühlzeiten zu erreichen. Die Soll-Abgastemperatur wird hierbei um zumindest 50 K (Kelvin) oder um einen einer Kühlleistung von zumindest 1 kW entsprechenden Temperaturwert unter die Soll- Katalysatortemperatur abgesenkt, so dass die Katalysatoreinrichtung naturgemäß sehr viel schneller auf diese Soll-Katalysatortemperatur abkühlt als bei herkömmlichen Abkühlverfahren mit einer im Bereich der Soll-Katalysatortemperatur liegenden wesentlich höheren Soll-Abgastemperatur. Hierdurch ist nicht nur entsprechend früher als bei herkömmlichen Abkühlverfahren eine ordnungsgemäße Abgasreinigung mit entsprechend niedrigen Emissionswerten gewährleistet, sondern es lassen sich auch im dynamischen Verkehr die wirtschaftlichen Vorteile eines verbrauchsoptimierten Motorbetriebs, wie z. B. durch einen höheren Schichtbetriebsanteil bei DI-Ottomotoren, nutzen.

Bei einer bevorzugten Verfahrensvariante wird die Abgastemperatur durch den Abgaskühler hierbei sogar um zumindest 200 K oder um einen einer Kühlleistung von zumindest 4 kW entsprechenden Temperaturwert abgesenkt.

Die Soll-Abgastemperatur wird hierbei vorzugsweise anhand der Temperaturdifferenz zwischen der angestrebten Soll-Katalysatortemperatur und der aktuellen Ist- Katalysatortemperatur ermittelt. Die hierfür erforderliche Ist-Katalysatortemperatur kann zu diesem Zweck beispielsweise fortlaufend durch zumindest einen Temperaturfühler an der Katalysatoreinrichtung gemessen und/oder durch eine Modellierung mittels einer geeigneten Modellierungseinrichtung bestimmt werden. Zur Vermeidung einer unzulässig starken Katalysatorauskühlung und zur Gewährleistung einer stets ordnungsgemäßen Abgasreinigung dürfen die Ist- und die Soll-Katalysatortemperatur oder auch die Ist- bzw. Soll-Katalysatortemperaturprofile hierbei bestimmte Mindestwerte bzw. Mindestprofile nicht unterschreiten (und natürlich auch bestimmte Maximalwerte nicht überschreiten). Die Soll-Katalysatortemperatur wird in Abhängigkeit von der verwendeten Katalysatoreinrichtung und den jeweiligen Betriebsbedingungen so gewählt, dass sie im optimalen Arbeitsbereich der Katalysatoreinrichtung liegt. Sie liegt daher vorzugsweise zwischen 220°C und 500°C, insbesondere jedoch zwischen 260°C und 460°C. Die Soll-Abgastemperatur wird insbesondere so gewählt, dass die Katalysatoreinrichtung auf mehr als 50% ihres Volumens nicht unterhalb eine Mindest- Katalysatortemperatur von 350°C auskühlt.

Um ein unerwünscht starkes Auskühlen weiter Katalysatorbereiche bis in den Bereich der Anspringtemperatur oder gar darunter zuverlässig zu verhindern und eine stets ordnungsgemäße Abgasreinigung zu gewährleisten, wird die Soll-Abgastemperatur hierbei vorzugsweise auf eine bestimmte Mindest-Abgastemperatur begrenzt, die beispielsweise größer gleich 250°C, insbesondere jedoch sogar größer gleich 300°C gewählt werden kann. Um der abnehmenden Ist-Katalysatortemperatur mit zunehmender Katalysatorabkühlung Rechnung zu tragen, kann die Soll- Abgastemperatur hierbei auch zeitlich so verändert werden, dass eventuelle Überschwingungsvorgänge unter die Soll-Katalysatortemperatur möglichst vermieden werden und die Ist-Katalysatortemperatur diesen angestrebten Endwert langsam oder "kriechend" erreicht. Die Soll-Abgastemperatur wird daher vorzugsweise mit abnehmender Temperaturdifferenz zwischen der gewünschten Soll- Katalysatortemperatur und der aktuellen Ist-Katalysatortemperatur allmählich angehoben, wobei als Endwert für diese Temperaturerhöhung insbesondere zumindest ein der Soll-Katalysatortemperatur entsprechender Temperaturwert gewählt wird. Bei einer bevorzugten Verfahrensvariante wird die Soll-Abgastemperatur vorzugsweise zu Beginn einer Abkühlphase zunächst für eine bestimmte Zeitspanne auf einem niedrigen Temperaturniveau konstant gehalten und dann in Abhängigkeit von der ermittelten Temperaturdifferenz zwischen der Ist- und der Soll-Katalysatortemperatur linear, progressiv oder degressiv auf einen über der Soll-Katalysatortemperatur liegenden Temperaturwert erhöht.

Bei dem erfindungsgemäßen Abkühlverfahren wird der Abgaskühler so geregelt, dass die Differenz zwischen Soll-Abgastemperatur und der aktuellen Ist-Abgastemperatur des in die Katalysatoreinrichtung einströmenden Abgases minimiert wird. Die hierfür erforderliche Ist-Abgastemperatur kann beispielsweise fortlaufend durch einen geeignet angeordneten Temperaturfühler gemessen und/oder durch eine Modellierung mittels einer geeigneten Modellierungseinrichtung bestimmt werden.

Als regelbarer Abgaskühler wird vorzugsweise ein Abgaswärmetauscher mit einer zugeordneten Abgas-Bypassleitung und einer Abgas-Steuerungseinrichtung zur stufenlosen Aufteilung eines anströmenden Abgasmassenstroms auf den Abgaswärmetauscher und die Abgas-Bypassleitung verwendet. Es können jedoch auch andere regelbare Abgaskühler eingesetzt werden, bei denen die Kühlleistung beispielsweise durch bedarfsgerechte Steuerung der Kühlluftumströmung und/oder einer Kühlluftdurchströmung mittels geeigneter Kühlluft-Führungseinrichtungen, wie z. B. regelbare Luft- oder Lamellenklappen und/oder Kühlluftkanäle, gesteuert wird. Zur Steigerung der Kühlleistung können hierbei in Spezialfällen gegebenenfalls auch spezielle Kühlmedien zum Einsatz kommen.

Bei dem erfindungsgemäßen Abgaskühlverfahren wird vorzugsweise ein regelbarer Abgaskühler verwendet, dessen maximal zu erbringende Kühlleistung in kW bei einer Fahrgeschwindigkeit eines zugeordneten Kraftfahrzeugs von 100 km/h und einer Abgastemperatur stromauf des Abgaskühlers von 600°C zumindest

PKWT100 = F.PBFZG100.√1,4/VH

beträgt, wobei PBFZG100 die in kW angegebene Bedarfsleistung dieses Kraftfahrzeugs zur Überwindung der Fahrwiderstände in der Ebene bei 100 km/h im betriebswarmen Zustand bei einer Umgebungstemperatur von 20°C, einer relativen Luftfeuchte von 20 . . . 80% und einer Windgeschwindigkeit von weniger als 3 m/s; VH der Hubraum der Brennkraftmaschine dieses Kraftfahrzeugs in Litern und F ein multiplikativer Faktor sind. F nimmt erfindungsgemäß Werte von etwa 0,35-2, vorzugsweise von 0,5-1,2 an.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise zum Abkühlen eines einer magerlauffähigen Brennkraftmaschine nachgeschalteten NO_x-Speicherkatalysators verwendet.

Eine Abgasanlage zur Durchführung dieses erfindungsgemäßen Abkühlverfahrens umfasst eine Katalysatoreinrichtung mit einem vorgeschalteten regelbaren Abgaskühler, der so ausgelegt ist, dass ein ankommender Abgasmassenstrom weit unter eine bestimmte Soll-Katalysatortemperatur abgekühlt wird oder abkühlbar ist. Der Abgaskühler ermöglicht Abgas-Überkühlungen bezüglich dieser Soll- Katalysatortemperatur von zumindest 50°C, insbesondere zumindest 200°C, oder um einen einer Kühlleistung von zumindest 1 kW, insbesondere zumindest 4 kW, entsprechenden Temperaturwert. Seine maximale Kühlleistung PKWT100 bei einer Fahrgeschwindigkeit eines zugeordneten Kraftfahrzeugs von 100 km/h und einer Temperatur eines ankommenden Abgasmassenstroms von 600°C ist hierbei durch die obige Formel für PKWT100 gegeben.

Die Abgasanlage umfasst vorzugsweise auch eine Einrichtung zur Bestimmung der Katalysatortemperatur, eine Einrichtung zur Bestimmung der Temperatur eines in die Katalysatoreinrichtung einströmenden Abgasmassenstroms und eine zugeordnete Steuerungseinrichtung zur Erfassung und Auswertung von Temperatursignalen dieser Einrichtungen und zur bedarfsgerechten Regelung des Abgaskühlers in Abhängigkeit von diesen Temperatursignalen. Es kann auch eine Einrichtung zur Bestimmung der Temperatur des in den Abgaskühler einströmenden Abgasmassenstroms vorgesehen sein. Die Einrichtungen zur Bestimmung der Katalysator- bzw. Abgastemperatur können beispielsweise jeweils zumindest einen geeignet angeordneten Temperatursensor und/oder eine Temperatur-Modellierungseinrichtung umfassen.

Der regelbare Abgaskühler umfasst vorzugsweise einen Abgaswärmetauscher mit einer zugeordneten Abgas-Bypassleitung und einer Abgas-Steuerungseinrichtung zur Aufteilung des Abgasmassenstroms auf den Abgaswärmetauscher und die Bypassleitung. Der Abgaswärmetauscher kann jedoch auch regelbare Kühlluft- Führungseinrichtungen und/oder Führungskanäle für Kühlluft oder ein spezielles Kühlmedium umfassen, so dass die Abgas-Bypassleitung gegebenenfalls auch entfallen kann.

Die Katalysatoreinrichtung umfasst vorzugsweise einen NO_x-Speicherkatalysator.

Weitere Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ergeben sich nicht nur aus den zugehörigen Ansprüchen - für sich und/oder in Kombination - sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen in schematischer Darstellung:

Fig. 1 eine Brennkraftmaschine mit einer nachgeschalteten erfindungsgemäßen Abgasanlage; und
Fig. 2 den Unterschied zwischen einem herkömmlichen und einem erfindungsgemäßen Abkühlverfahren anhand des zeitlichen Verlaufs der Abgas- und Katalysatortemperatur.
Fig. 1 zeigt eine herkömmliche magerlauffähige Brennkraftmaschine 10 eines (nicht dargestellten) Kraftfahrzeugs mit einer nachgeschalteten erfindungsgemäßen Abgasanlage 12-20 zur katalytischen Abgasnachbehandlung der von der Brennkraftmaschine 10 emittierten Abgase. Die Abgasanlage 12-20 umfasst einen Abgasstrang 12 mit einer herkömmlichen Katalysatoreinrichtung 14, 16, die aus einem kleinvolumigen Vorkatalysator 14 und einem als Hauptkatalysator dienenden nachgeschalteten NO_x-Speicherkatalysator 16 besteht. Zwischen diesen beiden Katalysatoren 14, 16 ist ein regelbarer Abgaskühler 18 zur Kühlung des in den NO_x- Speicherkatalysator 16 einströmenden Abgases angeordnet, der einen Abgaswärmetauscher 18a, eine Abgas-Bypassleitung 18b um den Abgaswärmetauscher 18a und eine (nicht dargestellte) Abgasklappeneinrichtung zur bedarfsgerechten Aufteilung eines anströmenden Abgasmassenstroms auf den Abgaswärmetauscher 18a und die Abgas-Bypassleitung 18b umfasst.
Dem NO_x-Speicherkatalysator 16 ist ein Temperatursensor 20 zur kontinuierlichen Messung der Ist-Temperatur eines in den NO_x-Speicherkatalysator 16 einströmenden Abgasmassenstroms vorgeschaltet. Zusätzlich zu diesem Temperatursensor 20 ist zur Sicherheit auch noch eine (nicht dargestellte) zugeordnete Modellierungseinrichtung zur fortlaufenden modellmäßigen Bestimmung dieser Ist-Abgastemperatur vorgesehen, um eventuelle Temperatur-Unregelmäßigkeiten erkennen und den hochtemperaturempfindlichen NO_x-Speicherkatalysator 16 zuverlässig vor eventuellen Übertemperaturen schützen zu können. Diese Modellierungseinrichtung ist auch für die Modellierung des eigentlich interessierenden Katalysatortemperaturprofils ausgelegt. Ergänzend oder alternativ hierzu können an dem NO_x-Speicherkatalysator 16 gegebenenfalls jedoch auch ein oder mehrere Temperatursensoren zur Messung einer charakteristischen Katalysatortemperatur bzw. des Katalysatortemperaturprofils vorgesehen sein. Die Modellierungseinrichtung dient zudem auch zur Modellierung der Temperatur des in den Abgaswärmetauscher einströmenden Abgases. Zur Bestimmung dieser Temperatur kann dem Abgaskühler 18 gegebenenfalls jedoch auch ein Temperatursensor vorgeschaltet werden.
Die Temperatursignale des Temperatursensors 20 (und sonstiger gegebenenfalls noch vorhandener Temperatursensoren) liegen über (nicht dargestellte) Sensorleitungen an einer (nicht dargestellten) zugeordneten Steuerungseinrichtung an, die wiederum über (ebenfalls nicht dargestellte) Steuerungsleitungen mit der Abgasklappeneinrichtung des Abgaskühlers 18 verbunden ist. Die Steuerungseinrichtung erfasst die Sensor- Temperatursignale und die Temperaturdaten der Modellierungseinrichtung, wertet diese Signale und Daten auf die nachstehend noch beschriebene Art und Weise aus und steuert die Abgasklappeneinrichtung des Abgaskühlers zur Einstellung der gewünschten Soll-Katalysatortemperatur so an, dass die Differenz zwischen der Ist-Abgastemperatur und der durch die Steuerungseinrichtung ermittelten Soll-Abgastemperatur des in den NO_x-Speicherkatalysator 16 einströmende Abgasmassenstroms durch bedarfsgerechte Aufteilung der durch den Abgaswärmetauscher 18a bzw. die Abgas-Bypassleitung 18b strömenden Massenstromanteile minimiert wird.
Im Falle eines DI-Ottomotors mit einem Hubraum von 1,4 I und einer Leistung von 77 kW stellt sich bei stöchiometrischer Betriebsweise und bei einer Fahrt mit einer konstanten Geschwindigkeit von etwa 100 km/h ohne jegliche Kühlungsmaßnahmen, d. h. bei Umgehung des Abgaswärmetauscher 18a und Führung des gesamten ankommenden Abgasmassenstroms von etwa 90 kg/h durch die Abgas-Bypassleitung 18b, eine Katalysatortemperatur von etwa 560°C ein, die bei intermittierenden De- Sulfatierungen beispielsweise durch eine Spätzündung auf einen Wert von etwa 650°C erhöht wird.
Nach erfolgter De-Sulfatierung wäre ein verbrauchssparender Magerbetrieb möglich, wenn die Katalysatortemperatur um zumindest etwa 170°C auf einen im optimalen Arbeitsbereich des NO_x-Speicherkatalysators 16 liegenden Wert von weniger als etwa 480°C abgesenkt würde. Dieser anzustrebende Temperaturwert liegt etwa 70°C unterhalb der oberen Temperaturgrenze zur Gewährleistung eines ordnungsgemäßen NO_x-Speicherbetriebs von etwa 550°C, die in dem schematischen Temperatur-Zeit- Diagramm gemäß Fig. 2 als parallel zur Zeitachse verlaufende horizontale Linie 22 eingezeichnet ist.
Bei einem herkömmlichen Abkühlverfahren würde die Temperatur des in den NO_x- Speicherkatalysator 16 einströmenden Abgasmassenstroms durch Anpassung der durch den Abgaswärmetauscher 18a bzw. die Abgas-Bypassleitung 18b strömenden Abgasanteile beispielsweise auf einen Wert von etwa 440°C eingestellt und anschließend auch auf diesem Wert gehalten, um durch ein allmähliches Auskühlen des von dem so gekühlten Abgas durchströmten heißen NO_x-Speicherkatalysators 16 eine gewünschte Soll-Katalysatortemperatur von etwa 430°C zu erreichen, die noch einmal deutlich unter dem für einen verbrauchssparenden Magerbetrieb erforderlichen angegebenen Temperaturwert von zumindest etwa 480°C liegt. Die (Soll- bzw. Ist-) Abgastemperatur vor dem NO_x-Speicherkatalysators 16 würde daher gemäß Kurve 24 in Fig. 2 zu Beginn des Abkühlvorgangs unmittelbar auf den angegebenen Wert abgesenkt und anschließend im wesentlichen konstant gehalten, so dass die Abgastemperaturkurve 24 nach erfolgter Temperaturabsenkung parallel zur Zeitachse verläuft. Der NO_x-Speicherkatalysator 16 kühlt durch den Wärmekontakt mit dem ihn durchströmenden kühleren Abgas mit zunehmender Zeit allmählich aus, wobei die ist- Katalysatortemperatur gemäß Kurve 26 in Fig. 2 exponentiell absinkt und schließlich "kriechend" die gewünschte Soll-Katalysatortemperatur erreicht.
Die bei diesem herkömmlichen Abkühlverfahren von dem Abgaswärmetauscher 18a zu erbringende Kühlleistung beträgt etwa 4,5 kW.
Bei einer erfindungsgemäßen Katalysatorabkühlung wird durch die Steuerungseinrichtung (entsprechend dem obigen Beispiel) zunächst die Soll- Katalysatortemperatur zu etwa 430°C festgelegt und die Differenz zwischen der anfänglichen Ist-Katalysatortemperatur von etwa 650°C und dieser Soll- Katalysatortemperatur ermittelt, um anhand dieser Differenz von etwa 220°C eine anfängliche Soll-Abgastemperatur vor dem NO_x-Speicherkatalysator 16 zu bestimmen. Zur Vermeidung einer zu starken Auskühlung weiter Katalysatorbereiche in den Bereich der Anspringtemperatur oder gar darunter wird hierbei darauf geachtet, dass die zu ermittelnde Soll-Abgastemperatur einen Minimalwert von etwa 300°C nicht unterschreitet. Gegebenenfalls kann dieser Minimalwert jedoch auch zu etwa 250°C gewählt werden. Infolge der stärkeren Durchströmung des Abgaswärmetauschers 18a wird die anfängliche Soll-Abgastemperatur im vorliegenden Fall gleich dem vorgegebenen Minimalwert von etwa 300°C gewählt. Die Temperaturdifferenz des in den Abgaswärmetauscher 18a ein- bzw. ausströmenden Abgases beträgt daher zunächst etwa 310°C und ist damit um etwa 140°C höher als bei dem beschriebenen herkömmlichen Abkühlverfahren.
Aus der Temperaturdifferenz zwischen dieser gewählten Soll-Abgastemperatur von etwa 300°C und der aktuellen Ist-Abgastemperatur des in den NO_x-Speicherkatalysator 16 einströmenden Abgasmassenstroms wird nun durch die Steuerungseinrichtung die für die gewünschte Abgaskühlung erforderliche Aufteilung des Abgasmassenstroms auf den Abgaswärmetausche 18a und die Abgas-Bypassleitung 18b bestimmt und durch Ansteuerung der Abgasklappeneinrichtung bedarfsgerecht so eingestellt, dass diese Temperaturdifferenz minimiert wird. Die Ist-Abgastemperatur wird dadurch gemäß Kurve 30 in Fig. 2 zunächst nahezu stufenweise so weit abgesenkt, dass sie im wesentlichen der Soll-Abgastemperatur entspricht und wird anschließend für eine bestimmte Zeitspanne auf diesem Wert gehalten.
Durch diese starke Abkühlung des Abgases sinkt die Ist-Katalysatortemperatur gemäß Kurve 28 in Fig. 2 zunächst sehr schnell ab, so dass bereits nach kurzer Zeit die Obergrenze für einen ordnungsgemäßen NO_x-Speicherbetrieb gemäß Kurve 22 unterschritten wird. Wegen der sehr viel stärkeren Unterkühlung als bei herkömmlichen Abkühlverfahren wird diese Obergrenze naturgemäß sehr viel früher als herkömmlicherweise unterschritten, so dass sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren entsprechend niedrigere NO_x-Emissionswerte erreichen lassen.
Nach einer weiteren, im wesentlichen exponentiell verlaufenden Katalysatorabkühlung unterschreitet die Ist-Katalysatortemperatur schließlich auch die Soll-Abgastemperatur des herkömmlichen Abkühlverfahrens von etwa 440°C gemäß Kurve 24. Bei einer ist- Katalysatortemperatur von etwa 435°C wird die Soll-Abgastemperatur gemäß Kurve 30 linear auf den auch bei dem beschriebenen herkömmlichen Abkühlverfahren verwendeten Endwert von etwa 440°C erhöht und anschließend auf diesem Endwert gehalten. Der Abgasmassenanteil durch den Abgaswärmetauscher 18a wird daher durch entsprechende Ansteuerung der Abgasklappeneinrichtung so weit verringert, dass die Ist-Abgastemperatur entsprechend ansteigt und schließlich ebenfalls auf dem konstanten Endwert von etwa 440°C verweilt. Durch diese Änderung der Soll- bzw. Ist- Abgastemperatur wird ein Überschwingen der Ist-Katalysatortemperatur unter die Soll- Katalysatortemperatur zuverlässig vermieden. Die Abkühlung der Katalysatoreinrichtung erfolgt infolge der nunmehr bereits recht geringen Temperaturdifferenz nur noch recht langsam, so dass die Ist-Katalysatortemperatur die gewünschte Soll- Katalysatortemperatur von etwa 430°C schließlich im wesentlichen asymptotisch "kriechend" erreicht.
Die maximal zu erbringende Kühlleistung für die angegebene erfindungsgemäße starke Überkühlung des Abgasmassenstroms bezüglich der gewünschten Soll- Katalysatortemperatur errechnet sich im vorliegenden Fall zu etwa 8,1 kW. Ein für das beschriebene erfindungsgemäße Abkühlverfahren mit seiner starken Unterkühlung geeigneter Abgaswärmetauscher 18a muss daher nahezu die doppelte Kühlleistung wie bei einem herkömmlichen Abkühlverfahren erbringen, was mit entsprechend größeren Abmessungen und auch höheren Kosten verbunden ist.
Wie bereits erwähnt, führt die sehr starke erfindungsgemäße Unterkühlung des Abgasmassenstroms bezüglich der Katalysatoreinrichtung infolge der viel höheren treibenden Temperaturdifferenz als bei einem herkömmlichen Abkühlverfahren zu einem sehr viel schnelleren Absinken der Ist-Katalysatortemperatur auf die gewünschte Soll- Katalysatortemperatur und damit auch zu sehr viel kürzeren Abkühlzeiten, so dass in entsprechend weiteren Betriebsbereichen nicht nur eine ordnungsgemäße Abgasreinigung mit entsprechend niedrigen Emissionswerten gewährleistet ist, sondern es lassen sich im dynamischen Verkehr auch die wirtschaftlichen Vorteile eines verbrauchsoptimierten Motorbetriebs, wie z. B. durch einen Schichtbetrieb bei DI- Ottomotoren, besser nutzen. Durch die bedarfsgerechte Steuerung der Abgastemperatur wird zudem eine mit einem unzulässig starken Abfall der katalytischen Aktivität verbundene übermäßig starke Auskühlung der Katalysatoreinrichtung in den Bereich ihrer Anspringtemperatur oder gar darunter zuverlässig vermieden.
Die zur Durchführung dieses Verfahrens erforderliche Ist-Katalysatortemperatur und die Ist-Abgastemperatur des in die Katalysatoreinrichtung einströmenden Abgasmassenstroms werden im vorliegenden Fall fortlaufend durch die Modellierungseinrichtung modellmäßig bestimmt bzw. mittels des Temperatursensors 20 kontinuierlich gemessen und an die Steuerungseinrichtung zur Auswertung und zur Bestimmung der Soll-Katalysatortemperatur und der Soll-Abgastemperatur sowie zur bedarfsgerechten stufenlosen Ansteuerung der Abgasklappeneinrichtung übermittelt. Wie bereits erwähnt, kann die Ist-Katalysatortemperatur alternativ oder auch ergänzend dazu jedoch auch durch einen oder mehrere Temperatursensoren an der Katalysatoreinrichtung gemessen werden.
Es sei noch darauf hingewiesen, dass der im vorliegenden Fall gewählte und obenstehend beschriebene zeitliche Verlauf der Soll- bzw. Ist-Abgastemperatur nur einem bevorzugten charakteristischen Ausführungsbeispiel entspricht, das zudem auch noch eine gute Veranschaulichung der erfindungsgemäßen Idee ermöglicht. Je nach speziellem Anwendungszweck sind selbstverständlich auch andere zeitliche Temperaturverläufe möglich, sofern sie eine hinreichend starke und lange Unterkühlung des Abgasmassenstroms bezüglich der Katalysatoreinrichtung gewährleisten.

Claims

1. Verfahren zum Abkühlen einer Katalysatoreinrichtung (16) in der Abgasanlage (12-20) einer Brennkraftmaschine (10) auf eine bestimmte Soll-Katalysatortemperatur durch bedarfsgerechte Steuerung der Abgastemperatur mittels eines der Katalysatoreinrichtung (16) vorgeschalteten regelbaren Abgaskühlers (18), dadurch gekennzeichnet, dass die Abgastemperatur für eine Zeitspanne auf eine Soll-Abgastemperatur abgesenkt wird, die um zumindest 50 K oder um einen einer Kühlleistung von zumindest 1 kW entsprechenden Temperaturwert unter der Soll- Katalysatortemperatur liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgastemperatur um zumindest 200 K oder um einen einer Kühlleistung von zumindest 4 kW entsprechenden Temperaturwert abgesenkt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuelle Ist-Katalysatortemperatur bestimmt und die Soll-Abgastemperatur anhand der Temperaturdifferenz zwischen der Soll-Katalysatortemperatur und der Ist-Katalysatortemperatur ermittelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Soll-Abgastemperatur mit abnehmender Temperaturdifferenz angehoben wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Soll-Abgastemperatur zumindest bis auf die Soll-Katalysatortemperatur angehoben wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Soll-Abgastemperatur zu Beginn einer Abkühlphase zunächst für eine Zeitspanne konstant gehalten und dann abhängig von der Temperaturdifferenz zu der Ist-Katalysatortemperatur linear, progressiv oder degressiv auf einen über der Soll-Katalysatortemperatur liegenden Temperaturwert erhöht wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Soll-Abgastemperatur auf eine bestimmte Mindest-Abgastemperatur begrenzt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mindest-Abgastemperatur größer gleich 250°C ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mindest-Abgastemperatur größer gleich 300°C ist.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Soll-Katalysatortemperatur zwischen 220°C und 500°C liegt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Soll-Katalysatortemperatur zwischen 260°C und 460°C liegt.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatoreinrichtung (16) auf mehr als 50% ihres Volumens nicht unter eine Mindest-Katalysatortemperatur von 350°C abgekühlt wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuelle Ist-Abgastemperatur des in die Katalysatoreinrichtung (16) einströmenden Abgases und ihre Differenz zu der Soll-Abgastemperatur bestimmt werden, und dass diese Temperaturdifferenz durch entsprechende Regelung des Abgaskühlers (18) minimiert wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 3-13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ist-Katalysatortemperatur und/oder die Ist-Abgastemperatur fortlaufend bestimmt werden.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 3-14, dadurch gekennzeichnet, dass die Ist-Katalysatortemperatur und/oder die Ist-Abgastemperatur durch zumindest je einen Temperaturfühler (20) gemessen und/oder durch eine Modellierung bestimmt werden.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als regelbarer Abgaskühler (18) ein Abgaswärmetauscher (18a) mit einer Abgas-Bypassleitung (18b) um den Abgaswärmetauscher (18a) und mit einer Abgas-Steuerungseinrichtung zur Aufteilung eines ankommenden Abgasmassenstroms auf den Abgaswärmetauscher (18a) und die Abgas- Bypassleitung (18b) verwendet wird.

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass ein Abgaskühler (18) verwendet wird, dessen maximal zu erbringende Kühlleistung in kW bei einer Fahrgeschwindigkeit eines zugeordneten Kraftfahrzeugs von 100 km/h und einer Abgastemperatur stromauf des Abgaskühlers (18) von 600°C

PKWT100 = F.PBFZG100.√1,4/VH

beträgt, wobei
PBFZG100 die in kW angegebene Bedarfsleistung des Kraftfahrzeugs zur Überwindung der Fahrwiderstände in der Ebene bei 100 km/h im betriebswarmen Zustand bei einer Umgebungstemperatur von 20°C, einer relativen Luftfeuchte von 20 . . . 80% und einer Windgeschwindigkeit von weniger als 3 m/s;
VH der Hubraum der Brennkraftmaschine (10) dieses Kraftfahrzeugs in Litern; und
F ein multiplikativer Faktor sind.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass für F ein Wert zwischen 0,35 und 2 gewählt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass für F ein Wert zwischen 0,5 und 1,2 gewählt wird.

20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Katalysatoreinrichtung (16) mit einem NO_x-Speicherkatalysator (16) gekühlt wird.

21. Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine (10) mit:
einer Katalysatoreinrichtung (16) und
einem vorgeschalteten regelbaren Abgaskühler (18),
dadurch gekennzeichnet,
dass der Abgaskühler (18) so ausgelegt ist, dass ein ankommender Abgasmassenstrom um zumindest 50 K oder um einen einer Kühlleistung von zumindest 1 kW entsprechenden Temperaturwert unter eine bestimmte Soll- Katalysatortemperatur abgekühlt wird oder abkühlbar ist.

22. Abgasanlage nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskühler (18) so ausgelegt ist, dass ein ankommender Abgasmassenstrom um zumindest 200 K oder um einen einer Kühlleistung von zumindest 4 kW entsprechenden Temperaturwert unter eine bestimmte Soll- Katalysatortemperatur abgekühlt wird oder abkühlbar ist.

23. Abgasanlage nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskühler (18) bei einer Fahrgeschwindigkeit eines zugeordneten Kraftfahrzeugs von 100 km/h und einer Abgastemperatur stromauf des Abgaskühlers (18) von 600°C eine maximal zu erbringende Kühlleistung von zumindest

PKWT100 = F.PBFZG100.√1,4/VH

besitzt, wobei
PBFZG100 die in kW angegebene Bedarfsleistung des Kraftfahrzeugs zur Überwindung der Fahrwiderstände in der Ebene bei 100 km/h im betriebswarmen Zustand bei einer Umgebungstemperatur von 20°C, einer relativen Luftfeuchte von 20 . . . 80% und einer Windgeschwindigkeit von weniger als 3 m/s;
VH der Hubraum der Brennkraftmaschine (10) dieses Kraftfahrzeugs in Litern; und
F ein multiplikativer Faktor sind.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass F zwischen 0,35 und 2 liegt.

25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass F zwischen 0,5 und 1, 2 liegt.

26. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 21-25, gekennzeichnet durch
eine Einrichtung zur Bestimmung der Katalysatortemperatur;
eine Einrichtung zur Bestimmung der Temperatur eines in die Katalysatoreinrichtung (16) einströmenden Abgasmassenstroms der Brennkraftmaschine (10); und
eine zugeordnete Steuerungseinrichtung zur Erfassung und Auswertung von Temperatursignalen dieser beiden Einrichtungen und zur bedarfsgerechten Regelung des Abgaskühlers (18) in Abhängigkeit von diesen Temperatursignalen.

27. Abgasanlage nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen zur Bestimmung der Katalysator- bzw. Abgastemperatur eine Temperatur-Modellierungseinrichtung und/oder zumindest je einen Temperatursensor (20) umfassen.

28. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 21-27, dadurch gekennzeichnet, dass der regelbare Abgaskühler (18) einen Abgaswärmetauscher (18a) mit einer Abgas-Bypassleitung (18b) um den Abgaswärmetauscher (18a) und mit einer Abgas-Steuerungseinrichtung zur Aufteilung eines Abgasmassenstroms auf den Abgaswärmetauscher (18a) und die Bypassleitung (18b) umfasst.

29. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 21-28, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatoreinrichtung (16) einen NO_x-Speicherkatalysator (16) umfasst.

30. Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine (10) und einer nachgeschalteten Abgasanlage (12-20) nach einem der Ansprüche 21-29.