DE102005029585A1

DE102005029585A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102005029585A1
Application number: DE102005029585A
Authority: DE
Inventors: Karl Stellwagen
Original assignee: Deutz AG
Current assignee: Caterpillar Energy Solutions GmbH
Priority date: 2005-06-25
Filing date: 2005-06-25
Publication date: 2007-01-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, die zur Erreichung von niedrigen Emissionswerten im Abgasstrang einen 3-Wege-Katalysator und einen Oxidationskatalysator in dieser Reihenfolge aufweist und wobei eingangsseitig in den Oxidationskatalysator Verbrennungsluft oder Sauerstoff eingeleitet wird. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine angegeben, mit dem auf Dauer niedrige Emissionen (insbesondere niedrige NO¶x¶-Emissionen und CO-Emissionen) erreicht werden. DOLLAR A Dies wird dadurch erreicht, dass das die Brennkraftmaschine verlassende Abgas auf auf unterstöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis und eingangsseitig in den Oxidationskatalysator auf ein vorzugsweise überstöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis eingestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, die zur Erreichung von niedrigen Emissionswerten im Abgasstrang einen 3-Wege-Katalysator und einen Oxydationskatalysator in dieser Reihenfolge aufweist und wobei eingangsseitig in den Oxidationskatalysator Verbrennungsluft oder Sauerstoff eingeleitet wird.

Ein derartiges Verfahren ist aus der Diplomarbeit "Ausarbeitung eines Tutoriums für Verbrennungskraftmaschinen" aus dem Wintersemester 2000/2001 der Fachhochschule Frankfurt am Main, Fachbereich Maschinenbau bekannt. In dem Kapitel "Abgasnachbehandlung" wird unter der Überschrift "Zweibettkatalysator" die Aneinanderreihung eines 3-Wege-Katalysators und eines Oxidationskatalysators dargestellt, wobei in die Verbindungsleitung zwischen dem 3-Wege-Katalysator und dem Oxidationskatalysator Sekundärluft eingeleitet wird. In dem Reduktionskatalysator erfolgt eine Reduktion der Verbrennungsgase und in dem anschließenden Oxidationskatalysator die Oxidation der Verbrennungsgase. Weitere Informationen sind diesem Dokument nicht zu entnehmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine anzugeben, mit dem auf Dauer niedrige Emissionen (insbesondere niedrige NO_x-Emissionen und CO-Emissionen) erreicht werden.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das die Brennkraftmaschine verlassende Abgas auf ein unterstöchiometrisches Verbrennungsluft verhältnis und eingangsseitig in den Oxidationskatalysator auf ein vorzugsweise überstöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis eingestellt wird. Diesem Verfahren liegt zunächst einmal die Erkenntnis zugrunde, dass zum Erreichen von niedrigen Emissionswerten beispielsweise Otto-Verbrennungsmotoren mit einem Verbrennungsluftverhältnis Lambda = 1 oder auch Lambda = 1 und gleichzeitiger Abgasrückführung betrieben werden, um in einem nachgeschalteten 3-Wege-Katalysator die Emissionen auf niedrige Werte zu reduzieren. Dieses Verfahren erfordert einen sehr engen Lambda-Bereich, um für die verschiedenen Abgasemissionen hohe Konversionsraten in dem 3-Wege-Katalysator zu erreichen. Dieses Luftverhältnis Lambda liegt im Bereich von knapp unter 0,99 bis in den Bereich knapp über 0,99. Wird dieser enge Bereich beispielsweise durch Alterung der Lambda-Sonde oder durch Temperaturänderungen verlassen, verringert sich die Konversionsrate zumindest für einen Schadstoff deutlich. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird das für 3-Wege-Katalysatoren typische, sehr enge Lambda-Fenster in zwei große Lambda-Fenster aufgeteilt, wobei in jedem Lambda-Fenster die Konversionsrate für zumindest einen Schadstoff optimiert werden kann. Durch die "Breite" des Arbeitsbereichs wird die Konversationsrate des Katalysators kaum durch eine Verschiebung des Lambda-Fensters beeinflusst. Das Lambda-Fenster des 3-Wege-Katalysators liegt zwischen 0,97 und 0,99, während das Lambda-Fenster des Oxidationskatalysators zwischen 1,00 und 1,8 liegt, wobei bei der vorliegenden Erfindung insbesondere der Bereich von 1,00 bis 1,02 genutzt wird. In dem 3-Wege-Katalysator wird entsprechend dessen Arbeitsbereich die NO_x Emission reduziert. Nachdem das Abgas den 3-Wege-Katalysator verlassen hat, wird das Verbrennungsluftverhältnis durch die Zugabe von Verbrennungsluft oder Sauerstoff auf einen Wert Lambda ≥ 1,00 angehoben und es werden in dem Oxidationskatalysator die CO-Emissionen reduziert. Durch diese Ausbildung und die Nutzung der unterschiedlichen Lambda-Fenster für die getrennte Reduzierung der NO_x-Emissionen und der CO-Emissionen ist es möglich, deutliche Schwankungen des Lambda-Bereichs während des Betriebs der Brennkraftmaschine zuzulassen, ohne dass die Abgasemissionen auf unzulässig hohe Emissionswerte ansteigen. Dieses Verfahren ist für alle Brennkraftmaschinen geeignet, also Otto-Benzin- und Gasmotoren, Dieselmotoren und Zweigasmotoren.

In Weiterbildung der Erfindung werden die HC-Emissionen in beiden Katalysatoren reduziert. Dabei sind die in den einzelnen Katalysatoren erreichbaren Reduktionswerte jeweils für sich besehen nicht im Bereich des bei einem Lambda-Wert von 0,99 erreichbaren Maximalwertes, aber durch die Addition der beiden Reduktionswerte ist es möglich, einen Gesamtreduktionswert zu erreichen, der höher als der erreichbare Einzelreduktionswert ist.

Durch entsprechendes Einstellen der Lambda-Verhältnisse in dem 3-Wege-Katalysator und dem Oxidationskatalysator können die NO_x-Emissionen und die CO-Emissionen jeweils zu über 95 % reduziert werden. Dabei ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung das erfindungsgemäße Verfahren im gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine, also insbesondere bei einem Kaltstart, der nachfolgenden Aufwärmungsphase und im normalen Betriebsbereich der Brennkraftmaschine, einsetzbar. Dabei ist – wie schon zuvor ausgeführt – das erfindungsgemäße Verfahren bei allen Arten von Brennkraftmaschinen anwendbar.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der ein in den Figuren dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben ist.
Es zeigen:
1 ein Prinzipbild zur Anordnung der einzelnen Komponenten und
2 in Diagrammform die Konversationsrate der Maschinenemissionen, aufgetragen über dem Verbrennungsluftverhältnis Lambda.
Der Brennkraftmaschine 1, die im Übrigen einen konventionellen Aufbau aufweist, werden in geeigneter Weise, entsprechend der Ausbildung der Brennkraftmaschine 1 als Otto-Benzin oder Gasmotor, Dieselmotor oder Zweigasmotor, Brennstoff und Verbrennungsluft zugeführt, während über die Abgasleitung 2 die Abgase, insbesondere NO, NO_x und CO abgeführt werden. Diese Abgase, deren Lambda beispielsweise durch entsprechende Steuerung der Verbrennung in der Brennkraftmaschine auf einen Wert von 0,97 und 0,99 eingestellt ist, werden einem 3-Wege-Katalysator 3 zugeführt, in dem die NO_x-Emissionen reduziert werden. Das Luftverhältnis der den 3-Wege-Katalysator 3 in einer Leitung 4 verlassenden Abgase wird durch Zuführung von Luft oder Sauerstoff über eine Zuführleitung 5 auf einen Wert ≥ 1,00 (überstöchiometrisch) angehoben und einem Oxidationskatalysator 6 zugeführt. In diesem werden dann die CO-Emissionen reduziert. Grundsätzlich kann auch noch ein Rußfilter vorgesehen sein, der bevorzugt als dauernd regenerierender Filter ausgelegt ist, wobei dann für die Einleitung dieser dauernden Regeneration der 3-Wege-Katalysator und/oder der Oxidationskatalysator benutzt werden können. Dementsprechend wird dieser Filter bevorzugt hinter dem Oxidationskatalysator angeordnet.
In dem Diagramm gemäß 2 ist das Lambda-Fenster 7 für den 3-Wege-Katalysator 3 und das Lambda-Fenster 8 für den Oxidationskatalysator 6 dargestellt. Der typische Arbeitsbereich (Lambda-Fenster) für einen "normalen" 3-Wege-Katalysator ist mit 9 bezeichnet. Aus dem Diagramm geht hervor, dass für die Reduktion jeweils der CO- und der NO_x-Emissionen durch die erfindungsgemäße Aufspaltung der Reduktion jeweils sehr große Lambda-Bereiche zur Verfügung stehen.

1: Brennkraftmaschine
2: Abgasleitung
3: 3-Wege-Katalysator
4: Leitung
5: Zuführleitung
6: Oxidationskatalysator
7: Lambda-Fenster
8: Lambda-Fenster
9: Arbeitsbereich

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, die im Abgasstrang einen 3-Wege-Katalysator und einen Oxydationskatalysator in dieser Reihenfolge aufweist und wobei eingangsseitig in den Oxidationskatalysator Verbrennungsluft oder Sauerstoff einleitbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das die Brennkraftmaschine (1) verlassende Abgas auf ein unterstöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis und eingangsseitig in den Oxidationskatalysator (6) auf ein vorzugsweise überstöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbrennungsluftverhältnis des die Brennkraftmaschine verlassenden Abgases im Bereich von 0,97 bis 0,99 variierbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbrennungsluftverhältnis des Abgases eingangsseitig in den Oxidationskatalysator (6) im Bereich von 1,00 bis 1,02 variierbar ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem 3-Wege-Katalysator (3) die NO_x-Emissionen und in dem Oxydationskatalysator (6) die CO-Emissionen reduziert werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die HC-Emissionen in beiden Katalysatoren reduziert werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung von NO_x und CO jeweils zu über 95 % erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren im gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine (1) einsetzbar ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren bei Otto-Benzinbrennkraftmaschinen, Otto-Gasbrennkraftmaschinen, Diesel-Brennkraftmaschinen und Mehrgas-Brennkraftmaschinen anwendbar ist.