DE102006042875A1

DE102006042875A1 - Verfahren zum Einspritzen unverbrannter Kohlenwasserstoffe in den Abgastrakt einer Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens

Info

Publication number: DE102006042875A1
Application number: DE102006042875A
Authority: DE
Inventors: Leonhard Bartsch
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2006-09-13
Filing date: 2006-09-13
Publication date: 2008-03-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einspritzen unverbrannter Kohlenwasserstoffe in den Abgastrakt einer Brennkraftmaschine, insbesondere zu dem Zweck der Regeneration eines im Abgastrakt vorgesehenen Partikelfilters und/oder zu dem Zweck der Entschwefelung eines im Abgastrakt vorgesehenen Speicherkatalysators, bei dem mittels einer im Abgastrakt vorgesehenen Einspritzdüse die unverbrannten Kohlenwasserstoffe im Rahmen eines Einspritzvorganges eingespritzt werden. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine zur Durchführung eines Verfahrens der oben genannten Art. Es soll ein Einspritzverfahren aufgezeigt werden, mit dem sowohl die maximalen Temperaturen als auch die Temperaturgradienten im Innern eines Abgasnachbehandlungssystems gemindert werden. Erreicht wird dies durch ein Verfahren der oben genannten Art, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß die pro Zeiteinheit Deltat eingespritzte Menge Deltam<SUB>HC</SUB> an unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Rahmen des Einspritzvorganges gesteuert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einspritzen unverbrannter Kohlenwasserstoffe in den Abgastrakt einer Brennkraftmaschine, insbesondere zu dem Zweck der Regeneration eines im Abgastrakt vorgesehenen Partikelfilters und/oder zu dem Zweck der Entschwefelung eines im Abgastrakt vorgesehenen Speicherkatalysators, bei dem mittels einer im Abgastrakt vorgesehenen Einspritzdüse die unverbrannten Kohlenwasserstoffe eingespritzt werden.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einem Abgassystem zum Abführen der Abgase, bei der im Abgassystem zum Einspritzen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen in das Abgassystem mindestens eine Einspritzdüse stromaufwärts eines im Abgassystem vorgesehenen Abgasnachbehandlungssystems angeordnet ist, wobei die mindestens eine Einspritzdüse mittels Motorsteuerung steuerbar ist.
Nach dem Stand der Technik werden Brennkraftmaschinen zur Reduzierung der Schadstoffemissionen mit verschiedenen Abgasnachbehandlungssystemen ausgestattet. Zwar findet auch ohne zusätzliche Maßnahmen während der Expansion und des Ausschiebens der Zylinderfüllung bei einem ausreichend hohen Temperaturniveau und dem Vorhandensein genügend großer Sauerstoffmengen eine Oxidation der unverbrannten Kohlenwasserstoffe (HC) und von Kohlenmonoxid (CO) statt. Diese Reaktionen kommen aber aufgrund der stromabwärts schnell abnehmenden Abgastemperatur und der infolgedessen rapide sinkenden Reaktionsgeschwindigkeit schnell zum Erliegen. Eventueller Sauerstoffmangel kann durch eine Sekundärlufteinblasung kompensiert werden. Jedoch müssen in der Regel besondere Reaktoren und/oder Filter im Abgastrakt vorgesehen werden, um die Schadstoffemissionen unter sämtlichen Betriebsbedingungen spürbar zu reduzieren.
Thermische Reaktoren versuchen, eine weitgehende Nachoxidation von HC und CO im Abgassystem zu erzielen, indem eine Wärmeisolation und ein ausreichend großes Volumen im Abgasrohr des Abgassystems vorgesehen werden. Die Wärmeisolation soll ein möglichst hohes Temperaturniveau durch Minimierung der Wärmeverluste sicherstellen, wohingegen ein großes Abgasrohrvolumen eine lange Verweildauer der Abgase gewährleistet. Sowohl die lange Verweildauer als auch das hohe Temperaturniveau unterstützen die angestrebte Nachoxidation. Nachteilig sind der schlechte Wirkungsgrad bei unterstöchiometrischer Verbrennung und die hohen Kosten. Für Dieselmotoren sind thermische Reaktoren aufgrund des grundsätzlich niedrigeren Temperaturniveaus nicht zielführend.
Aus den genannten Gründen kommen nach dem Stand der Technik katalytische Reaktoren – sogenannte Oxidationskatalysatoren – zum Einsatz, die unter Verwendung katalytischer Materialien, die die Geschwindigkeit bestimmter Reaktionen erhöhen und daher eine Oxidation von HC und CO auch bei niedrigen Temperaturen sicherstellen.
Sollen zusätzlich Stickoxide reduziert werden, kann dies durch den Einsatz eines Dreiwegkatalysators erreicht werden, der dazu aber einen in engen Grenzen ablaufenden stöchiometrischen Betrieb (λ ≈ 1) erfordert. Dabei werden die Stickoxide NO_x mittels der vorhandenen nicht oxidierten Abgaskomponenten, nämlich den Kohlenmonoxiden und den unverbrannten Kohlenwasserstoffen, reduziert, wobei gleichzeitig diese Abgaskomponenten oxidiert werden.
Bei Brennkraftmaschinen, die vorzugsweise mit einem Luftüberschuß betrieben werden, also beispielsweise im Magerbetrieb arbeitende Ottomotoren, insbesondere aber direkteinspritzende Dieselmotoren und auch direkteinspritzende Ottomotoren, können die im Abgas befindlichen Stickoxide prinzipbedingt – d.h. aufgrund der fehlenden Reduktionsmittel – nicht reduziert werden.
Daher wird bei diesen Brennkraftmaschinen, die überwiegend mit einem Luftüberschuß betrieben werden, zur Oxidation der – beispielsweise während eines unterstöchiometrischen Betriebs (λ < 1) im Abgas vorhandenen – unverbrannten Kohlenwasserstoffe (HC) und des Kohlenmonoxids (CO) Oxidationskatalysatoren im Abgassystem vorgesehen. Zur Reduzierung der Stickoxide können beispielsweise selektive Katalysatoren – sogenannte SCR-Katalysatoren – eingesetzt werden, bei denen gezielt Reduktionsmittel in das Abgas eingebracht wird, um die Stickoxide selektiv zu vermindern.
Als Reduktionsmittel kommen neben Ammoniak und Harnstoff auch unverbrannte Kohlenwasserstoffe zum Einsatz. Letzteres wird auch als HC-Anreicherung bezeichnet, wobei die unverbrannten Kohlenwasserstoffe direkt in den Abgastrakt eingebracht werden oder aber durch innermotorische Maßnahmen, nämlich durch eine Nacheinspritzung von zusätzlichem Kraftstoff in den Brennraum nach der eigentlichen Verbrennung, zugeführt werden. Dabei soll der nacheingespritzte Kraftstoff nicht im Brennraum durch die noch ablaufende Hauptverbrennung oder aber durch die – auch nach Beendigung der Hauptverbrennung – hohen Verbrennungsgastemperaturen gezündet werden, sondern während des Ladungswechsels in den Abgastrakt eingeleitet werden.
Brennkraftmaschinen, die von der Nacheinspritzung Gebrauch machen, sind aber von Hause aus sehr anfällig im Hinblick auf die Verdünnung bzw. Kontaminierung des Öls durch unverbrannte Kohlenwasserstoffe. In Abhängigkeit von der Quantität des nacheingespritzten Kraftstoffes und dem Einspritzzeitpunkt, gelangt ein mehr oder weniger großer Anteil des nacheingespritzten Kraftstoffes auf die Zylinderinnenwand und mischt sich dort mit dem anhaftenden Ölfilm. Anschließend gelangt der Kraftstoff zusammen mit dem Öl und dem Blow-by Gas in das Kurbelgehäuse und trägt so maßgeblich zur Ölverdünnung bei. Die Ölverdünnung nimmt mit steigender Kraftstoffmenge und Verschieben der Nacheinspritzung nach spät zu. Durch die Veränderung der Schmierstoffeigenschaften des Öls hat die Ölverdünnung maßgeblich Einfluß auf den Verschleiß und die Haltbarkeit d.h. die Lebensdauer der Brennkraftmaschine.
Das Einbringen der Reduktionsmittel, insbesondere der unverbrannten Kohlenwasserstoffe, mittels innermotorischer Maßnahmen hat auch den Nachteil, daß die Brennkraftmaschine während der Regenerationsphase bzw. während der Abgasanreicherung nicht beliebig gesteuert werden kann, sondern der Betrieb der Brennkraftmaschine entsprechend den Erfordernissen der Regeneration vollzogen werden muß. D.h. es müssen Kompromisse zwischen der Abgasanreicherung einerseits und beispielsweise der Lastanforderung – dem Drehmomentbedarf – bzw. den Schadstoffemissionen andererseits eingegangen werden.
Grundsätzlich können die Stickoxiden auch mit sogenannten Speicherkatalysatoren (LNT-Lean NO_x Trap) reduziert werden. Dabei werden die Stickoxide zunächst während einer Speicherphase im Katalysator gesammelt, um dann während einer Regenerationsphase reduziert zu werden. Während der Regenerationsphase ist das Abgas stromaufwärts des Speicherkatalysators mit Reduktionsmitteln – in der Regel mit unverbrannten Kohlenwasserstoffen in Form von Kraftstoff – anzureichern.
Diese Abgasanreicherung kann – wie bereits weiter oben für den SCR-Katalysator beschrieben – mittels innermotorischer Maßnahmen, beispielsweise mittels eines unterstöchiometrischen Betriebs (beispielsweise λ < 0,95) der Brennkraftmaschine, erfolgen, wobei die unverbrannten Kohlenwasserstoffe als Reduktionsmittel dienen. Weitere innermotorische Möglichkeiten zur Anreicherung des Abgases mit Reduktionsmittel, insbesondere unverbrannten Kohlenwasserstoffen, bietet die Abgasrückführung (AGR) und – bei Dieselmotoren – die Drosselung im Ansaugtrakt. Wie bereits für die SCR-Katalysatoren weiter oben ausgeführt, kann eine Anreicherung des Abgases mit unverbrannten Kohlenwasserstoffen auch mittels Nacheinspritzung von Kraftstoff realisiert werden, was ebenfalls als innermotorische Maßnahme anzusehen ist. Die Nachteile dieser Vorgehensweise sind die bereits oben Genannten, insbesondere die Ölverdünnung.
Auf innermotorische Maßnahmen kann verzichtet werden, wenn das Reduktionsmittel direkt in den Abgastrakt stromaufwärts des LNT eingebracht wird, beispielsweise durch Einspritzen von zusätzlichem Kraftstoff.
Während der Regenerationsphase werden die Stickoxide (NO_x) freigegeben und im wesentlichen in Stickstoff (N₂), Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Wasser (H₂O) umgewandelt. Die Häufigkeit der Regenerationsphasen wird durch die Gesamtemission an Stickoxiden und die Speicherkapazität des LNT bestimmt. Die Temperatur des Speicherkatalysators (LNT) sollte vorzugsweise in einem Temperaturfenster zwischen 200°C und 450°C liegen, so daß einerseits eine schnelle Reduktion sichergestellt wird und andererseits keine Desorption ohne Konvertierung der wieder freigegebenen Stickoxide (NO_x) stattfindet, was durch zu hohe Temperaturen ausgelöst werden kann.
Eine Schwierigkeit bei der Verwendung des LNT ergibt sich aus dem im Abgas enthaltenen Schwefel, der ebenfalls im LNT absorbiert wird und im Rahmen einer sogenannten Desulfurisation d.h. einer Entschwefelung regelmäßig entfernt werden muß. Hierfür muß der LNT auf hohe Temperaturen, üblicherweise zwischen 600°C und 700°C, erwärmt und mit einem Reduktionsmittel versorgt werden.
Hinsichtlich der Anreicherung des Abgases mit Reduktionsmittel wird auf die bereits weiter oben im Zusammenhang mit dem SCR-Katalysator bzw. der Reinigung des LNT gemachten Ausführungen Bezug genommen. Die für die Entschwefelung erforderlichen hohen Temperaturen können ebenfalls durch Einbringen von zusätzlichem Kraftstoff oder aber durch innermotorische Maßnahmen generiert werden, worauf weiter unten im Zusammenhang mit dem noch zu beschreibenden Partikelfilter eingegangen werden wird.
Nach dem Stand der Technik wird die Entschwefelung des Speicherkatalysators regelmäßig d. h. in fest vorgegebenen Abständen, in der Regel bei Erreichen einer vorgegebenen Fahrleistung bzw. Betriebsdauer, durchgeführt. Die für eine Entschwefelung erforderlichen hohen Temperaturen können den Speicherkatalysator schädigen, zur thermischen Alterung des Katalysators beitragen und die gewollte Konvertierung der Stickoxide gegen Ende seiner Lebensdauer nachteilig beeinflussen. Daher sollte die Entschwefelung des Speicherkatalysators bedarfsgerecht und nicht willkürlich durchgeführt werden und die Temperaturen eine zulässige Maximaltemperatur nicht überschreiten.
Zur Minimierung der Emission von Rußpartikeln werden nach dem Stand der Technik sogenannte regenerative Partikelfilter eingesetzt, die die Rußpartikel aus dem Abgas herausfiltern und speichern, wobei diese Rußpartikel im Rahmen der Regeneration des Filters intermittierend verbrannt werden. Die Intervalle der Regeneration werden dabei unter anderem durch den Abgasgegendruck, der sich infolge des zunehmenden Strömungswiderstandes des Filters aufgrund der anwachsenden Partikelmasse im Filter einstellt, bestimmt. Der anwachsende Abgasgegendruck führt zu einem Kraftstoffmehrverbrauch, da durch den erhöhten Abgasgegendruck der Ladungswechsel nachteilig beeinflußt wird.
Im Gegensatz zu der Regeneration eines Speicherkatalysators bzw. der Stickoxidreduktion mittels SCR-Katalysator benötigt die Filterregeneration einen Sauerstoffüberschuß im Abgas zur Oxidation der Rußpartikel. Die zur Regeneration des Partikelfilters erforderlichen hohen Temperaturen – etwa 550°C bei nicht vorhandener katalytischer Unterstützung – werden im Betrieb nur bei hohen Lasten und hohen Drehzahlen erreicht. Daher müssen zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden, um eine Regeneration des Filters unter allen Betriebsbedingungen zu gewährleisten bzw. durchführen zu können.
Die Verbrennung der Partikel kann dabei durch im Abgastrakt vorgesehene Zusatzbrenner erfolgen oder aber durch die – bereits oben angesprochene – Nacheinspritzung von zusätzlichem Kraftstoff in den Brennraum. Dabei kann der nacheingespritzte Kraftstoff bereits im Brennraum gezündet werden, was durch die auslaufende Hauptverbrennung oder die gegen Ende der Verbrennung im Brennraum vorliegenden hohen Temperaturen geschehen kann, so daß die Abgastemperatur der in den Abgastrakt ausgeschobenen Abgase innermotorisch angehoben wird. Nachteilig an dieser Vorgehensweise sind insbesondere die im Abgastrakt auf dem Weg zum Filter zu befürchtenden Wärmeverluste und die damit verbundene Temperaturabsenkung der heißen Abgase. Der Filter kann ohne weiteres einen Meter und mehr vom Auslaß des Brennraums entfernt im Abgastrakt angeordnet sein.
Der Kompensation der Wärmeverluste durch die Generierung entsprechend hoher Abgastemperaturen sind durch die Temperaturfestigkeit anderer im Abgasstrang vorgesehener Bauteile Grenzen gesetzt, insbesondere der Temperaturbeständigkeit einer im Abgassystem angeordneten Turbine eines Abgasturboladers, eines Oxidationskatalysators oder eines Speicherkatalysators. Üblicherweise wird die Turbine mit den höchsten Temperaturen beaufschlagt, da sie am nächsten am Auslaß des Brennraums angeordnet ist.
Alternativ kann der nacheingespritzte Kraftstoff auch während des Ladungswechsels unverbrannt – aber gegebenenfalls schon aufbereitet – in den Abgastrakt eingeleitet werden und gezielt – lokal – dort im Abgassystem oxidiert werden, wo hohe Abgastemperaturen erforderlich sind, nämlich im Partikelfilter bzw. in seiner unmittelbaren Nachbarschaft. Die Verbrennung bzw. Oxidation des nacheingespritzten Kraftstoffes kann katalytisch mittels eines vor dem Filter positionierten Katalysators initiiert werden, beispielsweise mittels eines stromaufwärts des Filters angeordneten Oxidationskatalysators, der die unverbrannten Kohlenwasserstoffe oxidiert und dadurch die Abgastemperatur anhebt. Es kann aber auch eine elektrische Zündung in bzw. an dem Rußfilter vorgesehen werden.
Die Nacheinspritzung bringt in jedem Fall die bereits weiter oben erörterten Nachteile mit sich, insbesondere eine unerwünschte Ölverdünnung, die besonders ausgeprägt ist, wenn die Kohlenwasserstoffe unverbrannt in den Abgastrakt ausgeschoben werden sollen und hierzu eine möglichst späte Einspritzung erfolgt, um sicher eine vorzeitige Entzündung zu vermeiden. Des weiteren hat es sich in der Praxis als schwierig und äußerst aufwendig erwiesen, die Nacheinspritzung in der Art zu steuern, daß bei der Aufnahme des Betriebes mit Nacheinspritzung und der Beendigung keine Schwankungen im Drehmoment auftreten. Hinsichtlich der Aufrechterhaltung des Drehmoments hat es sich als nützlich erwiesen, die Nacheinspritzung möglichst spät während der Expansion vorzunehmen, was der Ölverdünnung aber Vorschub leistet.
Die unverbrannten Kohlenwasserstoffe können – ähnlich wie bereits für die Reduzierung der Stickoxide vorgeschlagen – alternativ oder zusätzlich direkt in den Abgastrakt stromaufwärts des Partikelfilters eingebracht und oxidiert werden, wobei die Verbrennung d.h. die Oxidation in der Art realisiert werden kann, wie dies für die Variante der Nacheinspritzung beschrieben wurde, bei der der nacheingespritzte Kraftstoff unverbrannt in das Abgassystem eingeleitet wird.
Das Einspritzen von Kraftstoff direkt in den Abgastrakt d.h. in das Abgassystem kann auch mit innermotorischen Maßnahmen kombiniert werden, beispielsweise in der Art, daß die Abgastemperatur mittels innermotorischer Maßnahmen soweit angehoben wird, daß sich der in das Abgassystem eingespitzte Kraftstoff infolge der hohen Abgastemperaturen entzündet. Dabei werden die innermotorischen Maßnahmen dazu verwendet, die Verbrennung bzw. Oxidation zu initiieren.
An dieser Stelle sei angemerkt, daß das Einspritzen von Kraftstoff direkt in das Abgassystem grundsätzlich mit innermotorischen Maßnahmen kombiniert werden kann und zwar sowohl in der zuvor beschriebenen Weise, als auch zur gemeinsamen, sich gegenseitig unterstützenden Anreicherung des Abgases mit unverbrannten Kohlenwasserstoffen d.h. zur Abgasanreicherung.
Der Vorgehensweise, unverbrannte Kohlenwasserstoffe lokal im Abgastrakt in unmittelbarer Nachbarschaft eines Abgasnachhandlungssystems zu oxidieren, werden dadurch Grenzen gesetzt, daß sowohl der Partikelfilter als auch ein gegebenenfalls vorgesehener Oxidationskatalysator bzw. Speicherkatalysator nicht unbeschränkt große Temperaturgradienten zulassen. So sollte der Temperaturunterschied zwischen dem Eingang und dem Ausgang eines Oxidationskatalysators nicht mehr als 250°C betragen, da ansonsten das in der Regel aus Keramik bestehende Substrat des Katalysators aufgrund der sich einstellenden thermischen Spannungen zerstört wird.
Damit die zulässigen Temperaturen und Temperaturgradienten der Katalysatoren und/oder Filter d.h. der Abgasnachbehandlungssysteme nicht überschritten werden, sollte eine möglichst genaue Dosierung des in den Abgastrakt eingespritzten Kraftstoffes vorgenommen und sichergestellt werden. Denn die zusätzliche Wärmemenge, die durch eine lokale exotherme Reaktion im Abgastrakt freigesetzt wird, wird durch die Gesamtmenge an eingespritztem Kraftstoff m_HC bestimmt bzw. gesteuert. Der Umfang der Temperaturerhöhung kann folglich durch die Kraftstoffmenge eingestellt werden. Zudem führt die Einspritzug von Kraftstoff in den Abgastrakt zu einem Kraftstoffmehrverbrauch der Brennkraftmaschine.
Auch wenn das zuvor beschriebene Erfordernis bei der Kraftstoffeinspritzung befolgt wird und die Gesamtkraftstoffmenge möglichst genau d.h. bedarfsgerecht dosiert wird, ergeben sich dennoch weitere Probleme betreffend die Temperaturen und Temperaturgradienten im Abgasnachbehandlungssystem. Dies soll im folgenden am Beispiel eines Oxidationskatalysators beschrieben werden.
Wird der Kraftstoff gemäß dem Stand der Technik stromaufwärts eines im Abgassystem angeordneten Oxidationskatalysators eingespritzt, wird der eingespritzte Kraftstoff nicht unverzüglich verbrannt d.h. oxidiert. Folglich steigen die Abgastemperatur und die Katalysatortemperatur nicht unmittelbar bei Einleitung der Kraftstoffeinspritzung an.
Vielmehr fällt die Abgastemperatur zunächst, was einerseits dadurch begründet ist, daß der eingespritzte Kraftstoff eine niedrigere Temperatur als das Abgas aufweist – infolgedessen die Kraftstofftemperatur und die Abgastemperatur zunächst aneinander angeglichen werden – und andererseits die für die Verdampfung des Kraftstoffs erforderliche Verdampfungswärme dem Abgas entzogen wird. Die Einspritzung führt folglich zu einer Abkühlung des Abgases und des Oxidationskatalysators.
Infolge dieser Aufbereitung des Kraftstoffs stellt sich auch ein gewisser Speichereffekt ein, bei dem das Abgas und der Katalysator zunehmend mit Kraftstoff bzw. unverbrannten Kohlenwasserstoffen angereichert werden, ohne daß schon eine Umsetzung d.h. Oxidation des eingespritzten Kraftstoffes erfolgt. Die Oxidation des eingespritzten Kraftstoffes setzt zeitversetzt zur Einleitung des Einspritzvorganges ein, wobei schlagartig hohe Umsatzraten zu beobachten sind, was sich zum einen aus dem beschriebenen Speichereffekt erklärt, weshalb zu Beginn der Verbrennung größere Mengen an Kraftstoff vorliegen, und andererseits dadurch begründet ist, daß eine einmal eingeleitete Verbrennung sich selber nährt, in der Art, daß die Verbrennung einer kleinen Menge Kraftstoff die Temperatur erhöht und diese Temperaturerhöhung wieder die Verbrennung von weiterem Kraftstoff begünstigt und unterstützt.
Die hohen Umsatzraten führen zu einem entsprechend schnellen Anstieg der Temperatur und auch zu vergleichsweise hohen Spitzentemperaturen im Katalysator.
In 1 sind die zuvor beschriebenen Zusammenhänge nochmals schematisch in einem Koordinatensystem graphisch dargestellt. Auf der Abszisse ist die Zeit t in Sekunden und auf der Ordinate die Abgastemperatur T in C° aufgetragen.
Die Kurven A und B zeigen den Temperaturverlauf für den Fall, daß Kraftstoff in das Abgassystem stromaufwärts des Oxidationskatalysators eingespitzt wird, wobei die Kurve A den Temperaturverlauf am Ausgang und die Kurve B den Temperaturverlauf am Eingang des Katalysators wiedergibt.
Deutlich zu erkennen ist, wie die Temperatur am Ausgang des Katalysators (Kurve A) zunächst d.h. bei Einleitung des Einspritzvorganges infolge des Kühleffekts und dem verzögerten Start der Verbrennung abfällt und dann schnell infolge hoher Umsatzraten ansteigt. Im Vergleich zu Kurve C, welche die Temperatur am Ausgang des Katalysators für den Fall wiedergibt, daß keine Kraftstoffeinspritzung vorgenommen wird, sind die erreichten Spitzentemperaturen deutlich höher und zwar bis zu 150°C und mehr. Die hohen Temperaturen können den Katalysator schädigen und zu einer beschleunigten thermischen Alterung beitragen, wodurch die Funktionstüchtigkeit nachteilig beeinflußt wird.
Zudem nehmen die Temperaturunterschiede d.h. die Temperaturgradienten – gemessen über den Katalysator hinweg – zu. Ein Vergleich der Kurve C mit der Kurve D, welche den Temperaturverlauf am Eingang des Katalysators für den Fall wiedergibt, daß keine Kraftstoffeinspritzung vorgenommen wird, zeigt Temperaturunterschiede von bis zu 25°C.
Hingegen zeigt ein Vergleich von Kurve A und Kurve B, daß bei einer Einspritzung von Kraftstoff in den Abgastrakt Temperaturunterschiede von bis zu 180°C entlang des Katalysators auftreten können.
Auch bei nicht vorhandener Kraftstoffeinspritzung stellen sich Temperaturunterschiede zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Katalysators ein, da die in stromaufwärts gelegenen Katalysatorbereichen verbrannten Kohlenwasserstoffe das Abgas erwärmen und das auf die Weise erwärmte Abgas die stromabwärts gelegenen Bereiche durchströmt, wobei in den stromabwärts gelegenen Bereichen selbst auch Kohlenwasserstoffe oxidiert werden und die Menge und die Temperatur des heißen Abgases, die durch einen Katalysatorbereich strömt, entlang des Katalysators d.h. in Richtung der Abgasströmung zunimmt. Durch die Einspritzung von Kraftstoff d.h. die Erhöhung der Menge an zu oxidierenden Kohlenwasserstoffen werden diese Effekte – erwartungsgemäß – verstärkt.
Bei Vornahme einer Kraftstoffeinspritzung nehmen die Temperaturunterschiede bzw. Temperaturgradienten mit größer werdender einzuspritzender Gesamtkraftstoffmenge zu. D. h. je größer die Gesamtmenge an eingespritztem Kraftstoff ist, desto größer fallen die Temperaturunterschiede entlang des Katalysators aus. Der eingespitzte Kraftstoff wird erwärmt und verdampft, wobei das Abgas und der Katalysator gekühlt werden. Die Temperatur des Oxidationskatalysators fällt aber nicht im gesamten Katalysator gleichmäßig d.h. in verschiedenen Bereichen des Katalysators nicht in gleichem Umfang. Einige Katalysatorbereiche, insbesondere die am Ende des Katalysators liegenden, halten ihre vorherige Temperatur und konvertieren d.h. oxidieren Teile des eingespritzten Kraftstoffes. Andere Katalysatorbereiche, insbesondere die am Anfang des Katalysators liegenden, werden entsprechend der Gesamtkraftstoffmenge mehr oder weniger stark abgekühlt.
Zusammenfassend kann festgehalten werden, daß bei einem Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff in das Abgassystem einer Brennkraftmaschine, welches Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, sowohl hohe absolute Temperaturen als auch hohe Temperaturgradienten im Innern eines im Abgastrakt vorgesehenen Abgasnachbehandlungssystems auftreten.
Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Einspritzen unverbrannter Kohlenwasserstoffe in den Abgastrakt einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 d.h. der gattungsbildenden Art aufzuzeigen, mit dem den aus dem Stand der Technik bekannten Nachteilen bzw. Problemen entgegengewirkt wird und mit dem sowohl die maximalen Temperaturen als auch die Temperaturgradienten im Abgasnachbehandlungssystem – hervorgerufen durch die Kraftstopffeinspritzung in den Abgastrakt – gemindert werden.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens bereitzustellen.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch ein Verfahren zum Einspritzen unverbrannter Kohlenwasserstoffe in den Abgastrakt einer Brennkraftmaschine, insbesondere zu dem Zweck der Regeneration eines im Abgastrakt vorgesehenen Partikelfilters und/oder zu dem Zweck der Entschwefelung eines im Abgastrakt vorgesehenen Speicherkatalysators, bei dem mittels einer im Abgastrakt vorgesehenen Einspritzdüse die unverbrannten Kohlenwasserstoffe eingespritzt werden, und das dadurch gekennzeichnet ist, daß die pro Zeiteinheit Δt eingespritzte Menge Δm_HC an unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Rahmen des Einspritzvorganges gesteuert wird.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nicht nur – wie bereits aus dem Stand der Technik bekannt – eine möglichst genaue Dosierung der Gesamtkraftstoffmenge m_HC angestrebt, sondern der Einspritzvorgang selbst d.h. der Verlauf der Einspritzrate über der Zeit im Rahmen des Einspritzvorganges gezielt gesteuert. Dabei wird die pro Zeiteinheit Δt eingespritzte Menge Δm_HC an unverbrannten Kohlenwasserstoffen kontrolliert.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die pro Zeiteinheit Δt eingespritzte Menge Δm_HC an unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Verlauf des Einspritzvorganges – zumindest zu Beginn des Einspritzvorganges – erhöht wird.
Die erfindungsgemäße Vorgehensweise – die Menge Δm_HC an unverbrannten Kohlenwasserstoffen zu kontrollieren bzw. im Verlauf des Einspritzvorganges zu erhöhen – trägt den bei Einleitung des Einspritzvorganges ablaufenden und in der Beschreibungseinleitung ausführlich dargelegten Vorgängen Rechnung, insbesondere dem Umstand, daß die Verbrennung der eingespritzten unverbrannten Kohlenwasserstoffe mit einer gewissen Verzögerung einsetzt und die Einspritzung anfangs mit einer gewissen Abkühlung des Abgases bzw. Abgasnachbehandlungssystems verbunden ist, wobei der Umfang der Abkühlung von der Menge des eingespritzten Kraftstoffes abhängt.
Werden gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zumindest zu Beginn des Einspritzvorganges kleinere Mengen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen eingespritzt, fällt der bei Einleitung des Einspritzvorganges beobachtete Kühleffekt weniger stark aus. Korrespondierend zu der vergleichsweise geringen Einspritzmenge zu Beginn des Einspritzvorganges wird auch nur eine entsprechend kleine Menge an Energie benötigt, um diese geringe Kraftstoffmenge zu erwärmen und zu verdampfen d.h. um diese Kraftstoffmenge aufzubereiten.
Demzufolge wird dem Abgas bei Anwendung des erfindungsgemäßen Einspritzverfahrens weniger Energie entzogen als bei Verfahren nach dem Stand der Technik, weshalb der bei Einleitung des Einspritzvorganges beobachtete Temperaturabfall weniger deutlich ausfällt oder – in Abhängigkeit von der Ausgangstemperatur des Abgases, der Größe des Abgasmassenstromes und der eingespritzten Kraftstoffmenge – ganz unterbleibt.
Die erfindungsgemäß zu Beginn des Einspritzvorganges bewußt kleiner gewählten Kraftstoffmengen führen auch dazu, daß das Abgas bei Einsetzten der Verbrennung weniger stark mit Kraftstoff angereichert ist, wodurch die Umsatzraten – insbesondere zu Beginn der Verbrennung bzw. Oxidation – reduziert werden. Auf diese Weise können die im Abgas und Abgasnachbehandlungssystem generierten Spitzentemperaturen gesenkt werden.
Der im Zusammenhang mit dem Stand der Technik beschriebene Speichereffekt, bei dem das Abgas und das Abgasnachbehandlungssystem zunehmend mit Kraftstoff d.h. mit unverbrannten Kohlenwasserstoffen angereichert werden, ohne daß schon eine Umsetzung d. h. Oxidation des eingespritzten Kraftstoffes zu beobachten ist, wird durch die gezielte Einspritzung kleinerer Kraftstoffmengen zu Beginn des Einspritzvorganges gering gehalten bzw. abgemildert.
Dadurch, daß die Abgasabkühlung und die Umsatzraten in der erfindungsgemäßen Weise kontrolliert werden, können nicht nur die Spitzentemperaturen, sondern auch die Temperaturgradienten im Abgasnachbehandlungssystem gesenkt werden. Die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens – ausgehend von kleinen Einspritzmengen – kontrollierte Erhöhung der pro Zeiteinheit Δt eingespritzten Kraftstoffmenge Δm_HC gewährleistet, daß die Temperatur im Abgas und im Abgasnachbehandlungssystem fortschreitend d.h. in kontrollierter Weise angehoben wird und einem im Abgasnachbehandlungssystem ablaufenden Temperaturausgleich mehr Zeit eingeräumt wird. Die im Kraftstoff enthaltene chemische Energie wird nicht schlagartig und unkontrolliert, sondern allmählich durch die Oxidation einer zunehmenden Kraftstoffmenge freigesetzt, was zu einer langsameren Erwärmung des Abgases und des Abgasnachbehandlungssystems führt.
Der Kern der vorliegenden Erfindung besteht demnach darin, daß zumindest zu Beginn des Einspritzvorganges die pro Zeiteinheit Δt eingespritzte Menge Δm_HC an unverbrannten Kohlenwasserstoffen kontrolliert erhöht wird. Diese Vorgehensweise führt zu den zuvor beschriebenen vorteilhaften Effekten. Einspritzverfahren, bei denen die pro Zeiteinheit Δt eingespritzte Menge Δm_HC an unverbrannten Kohlenwasserstoffen phasenweise, insbesondere gegen Ende des Einspritzvorganges, reduziert wird, sind folglich ebenfalls erfindungsgemäße Verfahren, solange zu Beginn des Einspritzvorganges die pro Zeiteinheit Δt eingespritzte Menge Δm_HC an unverbrannten Kohlenwasserstoffen kontrolliert erhöht wird.
Durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise d.h. durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufzuzeigen, mit dem sowohl die maximalen Temperaturen als auch die Temperaturgradienten im Abgasnachbehandlungssystem – hervorgerufen durch die Kraftstopffeinspritzung in den Abgastrakt – gemindert werden.
Weitere vorteilhafte Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Zusammenhang mit den Ausführungsformen gemäß den Unteransprüchen erörtert.
Der im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführende Einspritzvorgang kann eine Einspritzung oder mehrere Einspritzungen umfassen d.h. die im Rahmen des Einspritzvorganges einzuspritzende Gesamtkraftstoffmenge m_HC kann sowohl mittels einer einzigen, kontinuierlich andauernden Einspritzung in das Abgassystem eingebracht werden oder aber auf eine Vielzahl von zeitlich zueinander beabstandeten Einspritzungen verteilt werden.
Dadurch ergeben sich auch unterschiedliche Vorgehensweisen bzw. Möglichkeiten, um die pro Zeiteinheit Δt eingespritzte Menge Δm_HC an unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Rahmen des Einspritzvorganges zu steuern bzw. zu erhöhen. Der Einspritzvorgang wird dabei durch die Einleitung der Kraftstoffeinspritzung d.h. dem erstmaligen Öffnen der Einspitzdüse zum Zweck der Kraftstoffeinspritzung und dem Schließen der Einspritzdüse nach dem Einbringen der Gesamtkraftstoffmenge definiert bzw. begrenzt.
Vorteilhaft sind beispielsweise Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der Einspritzvorgang eine Einspritzung umfaßt, in deren Rahmen die Einspritzrate Δm_HC/Δt – zumindest anfangs – im Verlauf der Einspritzung erhöht wird, wobei die Einspritzrate Δm_HC/Δt vorzugsweise linear erhöht wird. Die Einspritzrate kann aber auch gemäß einer Rechteckfunktion, exponentiell oder gemäß eine beliebigen kontinuierlichen Funktion erhöht werden.
Bei dieser Verfahrensvariante werden zu Beginn des Einspritzvorganges mittels einer vergleichsweise niedrigen Einspritzrate kleinere Kraftstoffmengen in das Abgassystem eingebracht, wobei die Einspritzrate und damit die Einspritzmenge Δm_HC pro Zeiteinheit Δt kontinuierlich gesteigert wird.
Auf die Einspritzrate kann über den Einspritzdruck Einfluß genommen werden. Die Einspritzrate hängt aber auch von dem im Abgasrohr vor der Einspritzdüse vorliegenden Abgasgegendruck und somit maßgeblich von der Differenz zwischen Einspritzdruck und Abgasgegendruck ab. Im Abgasrohr liegt kein konstanter Druck vor, was bei der Steuerung der Einspritzrate zu berücksichtigen ist. Die eingespritzte Gesamtkraftstoffmenge wird im wesentlichen durch die Einspritzrate und die Einspritzdauer bestimmt.
Gegebenenfalls d.h. in Abhängigkeit von der Einspitzdüsenart der eingesetzten Einspritzdüse kann durch eine Variation des Strömungsquerschnittes, der dem einzuspritzenden Kraftstoff zur Verfügung gestellt wird, Einfluß auf die Einspritzrate genommen werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung soll der Begriff "Einspritzdüse" sämtliche Einspritzeinrichtungen umfassen, die für den erforderlichen Zweck – dem Einbringen von Kraftstoff in das Abgassystem einer Brennkraftmaschine – geeignet sind.
Es können nach innen öffnende Einspritzdüsen, insbesondere nach innen öffnende Mehrlocheinspritzdüsen, bei denen die mindestens eine Düsenöffnung bzw. der mindestens eine Strömungsquerschnitt durch Verschieben einer im Innern der Düse gelagerten Düsennadel freigegeben wird, aber auch nach dem piezoelektrischen Prinzip arbeitende Einspritzdüsen eingesetzt werden. Die letztgenannten Einspritzdüsen öffnen ihre Düsenspitze im Rahmen der Einspritzung in der Regel nach außen, wobei im Bereich der Düsenspitze ein Ringspalt ausgebildet wird, mit dem ein hohlkegelförmiger Einspritzstrahl ausgeformt wird.
Piezoelektrische Einspritzdüsen zeichnen sich durch ihr schnelles Ansprechverhalten aus, was sehr kurze Schaltzeiten, die im Millisekundenbereich liegen, ermöglicht. Dies gestattet Mehrfacheinspritzung von Kraftstoff in sehr kurzen Zeitabständen, weshalb Piezoelektrische Einspritzdüsen insbesondere bei den folgenden Verfahrensvarianten Vorteile bieten.
Vorteilhaft sind nämlich auch Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der Einspritzvorgang mindestens zwei Einspritzungen umfaßt. Diese Verfahrensvariante gestattet es, denn Einspritzvorgang beliebig zu strecken, da der Einspritzvorgang beliebig oft und lange unterbrochen werden kann, wobei die Einspritzung von Kraftstoff zwischenzeitlich eingestellt wird. Die mindestens zwei Einspritzungen können durch mindestens eine in der Länge frei wählbare Unterbrechung zeitlich zueinander beabstandet vorgenommen werden, wobei die Einspritzdauer und/oder die Einspritzrate für jede Einspritzung frei wählbar ist d.h. von Einspritzung zu Einspritzung verändert werden kann, was aber nicht zwingend erforderlich ist.
Es ergeben sich vielfältige Möglichkeiten, die pro Zeiteinheit Δt eingespritzte Menge Δm_HC an unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Rahmen des Einspritzvorganges zu steuern, wie die folgenden drei Verfahrensvarianten verdeutlichen sollen.
Vorteilhaft sind beispielsweise Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen – zumindest zu Beginn des Einspritzvorganges – im Rahmen der mindestens zwei Einspritzungen gleichgroße Kraftstoffmengen Δm_HC eingespritzt werden und der Zeitabstand zwischen den Einspritzungen im Verlauf des Einspritzvorganges zunehmend verkürzt wird.
Bei dieser Ausführungsform wird bei jeder der mindestens zwei Einspritzungen gleichviel Kraftstoff Δm_HC eingespritzt. Dabei können die Einspritzdauer und die Einspritzrate jeder einzelnen Einspritzung gleichgroß sein oder aber auch variiert werden, beispielsweise in der Art, daß bei zwei Einspritzungen die zweite Einspritzung eine längere Einspritzdauer aufweist, aber die Einspritzrate während der zweiten Einspritzung kleiner gewählt wird.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen – zumindest zu Beginn des Einspritzvorganges – im Rahmen der mindestens zwei Einspritzungen im Verlauf des Einspritzvorganges zunehmend größere Kraftstoffmengen Δm_HC eingespritzt werden und der Zeitabstand zwischen den Einspritzungen beibehalten wird. Die Steigerung der Einspritzmenge von Einspritzung zu Einspritzung kann dabei durch eine Vergrößerung der Einspritzrate und/oder eine Verlängerung der Einspritzdauer erfolgen.
Vorteilhaft sind zudem Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen – zumindest zu Beginn des Einspritzvorganges – im Rahmen der mindestens zwei Einspritzungen im Verlauf des Einspritzvorganges zunehmend größere Kraftstoffmengen Δm_HC eingespritzt werden und der Zeitabstand zwischen den Einspritzungen im Verlauf des Einspritzvorganges zunehmend verkürzt wird.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen zur Erhöhung der Abgastemperatur innermotorische Maßnahmen eingesetzt werden.
Wie bereits in der Beschreibungseinleitung ausgeführt wurde, können innermotorische Maßnahmen grundsätzlich mit der Einspritzung von Kraftstoff direkt in das Abgassystem kombiniert werden und zwar sowohl zur Anreicherung des Abgases mit unverbrannten Kohlenwasserstoffen als auch zur Erhöhung der Abgastemperatur. Bei der in Rede stehenden Ausführungsform wird die Abgastemperatur mittels innermotorischer Maßnahmen angehoben, wodurch die Aufbereitung, Zündung und Oxidation des in den Abgastrakt eingebrachten Kraftstoffes unterstützt wird.
Hinsichtlich der Nacheinspritzung von Kraftstoff ist insbesondere die Ölverdünnung als wesentlicher Nachteil zu nennen. Wird aber diese innermotorische Maßnahme nur zur Unterstützung herangezogen, reichen gegebenenfalls geringe Mengen nacheingespritzten Kraftstoffes aus, um die erforderliche bzw. gewünschte Temperaturerhöhung zu realisieren, so daß sich die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile auch nur in einem geringeren und daher vertretbaren Maße einstellen.
Vorteilhaft sind aus diesem Grund Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Erhöhung der Abgastemperatur durch mindestens eine Nacheinspritzung von Kraftstoff in den Brennraum unterstützt wird, vorzugsweise während der Expansionsphase eines Arbeitsspiels.
Eine erste Temperaturerhöhung kann auf diese Weise mittels einer in den Brennraum nacheingespritzten Kraftstoffmenge erzielt werden, so daß das Temperaturniveau im Abgastrakt im Vergleich zum normalen Betrieb der Brennkraftmaschine bereits angehoben wird, bevor mittels in den Abgastrakt eingespritztem Kraftstoff eine zweite Temperaturerhöhung durch eine lokale exotherme Reaktion eingeleitet wird.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang aber auch Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Erhöhung der Abgastemperatur durch eine Abgasrückführung (AGR) unterstützt wird. Durch die Rückführung von Abgas wird die Verbrennung im allgemeinen verzögert und das Temperaturniveau insgesamt gesenkt. Durch die Verzögerung der Verbrennung verschiebt sich aber der Schwerpunkt der Verbrennung nach spät d.h. in Richtung der Steuerzeiten, zu denen die Auslaßventile öffnen. Unter Umstanden d.h. in Abhängigkeit von der aktuellen AGR-Rate kann sich die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches bis in den Abgastrakt hinein erstrecken, so daß mittels Abgasrückführung eine Erhöhung der Abgastemperatur erzielt werden kann.
Bei Dieselmotoren sind Ausführungsformen des Verfahrens vorteilhaft, bei denen die Erhöhung der Abgastemperatur durch eine verstärkte Drosselung im Ansaugtrakt des Dieselmotors unterstützt wird. Moderne Dieselmotoren sind in der Regel mit einer Drosselklappe im Ansaugtrakt ausgestattet, um beim Abschalten des Motors ein unerwünschtes Nachlaufen zu verhindern. Hierzu wird beim Abschalten des Motors die Drosselklappe geschlossen und die Frischluftzufuhr unterbunden.
Diese Drosselklappe wird gemäß der vorgeschlagenen Verfahrensvariante nun dazu verwendet, gezielt die Temperatur des Abgases zu erhöhen, indem die Brennkraftmaschine durch eine Drosselung im Ansaugtrakt veranlaßt wird, mehr Kraftstoff einzuspritzen, um dieselbe Leistung verfügbar zu machen. Dies führt zwangsläufig zu der gewollten Temperaturerhöhung des Abgases.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen bei der Steuerung des Einspritzvorganges mindestens einer der folgenden Parameter berücksichtigt wird:

• Abgastemperatur
• Umgebungstemperatur
• Abgasmenge
• Kraftstoffsorte
• Kraftstoffqualität
• die Ölverdünnung
• Blow-By des Motorenöls
• Abgasrückführrate

Bei höheren Abgastemperaturen, höheren Umgebungstemperaturen und/oder größeren Abgasmassenströmen können beispielsweise größere Kraftstoffmengen zu Beginn des Einspritzvorganges eingespritzt werden, ohne daß zu befürchten ist, daß die Temperatur des Abgases bzw. des Abgasnachbehandlungssystems in unakzeptabler Weise abnimmt und/oder die Einleitung der Oxidation des eingespritzten Kraftstoffes unzumutbar stark verzögert wird.
Eine hohe Abgastemperatur und eine hohe Umgebungstemperatur beschleunigen die Aufbereitung des eingebrachten Kraftstoffes, wobei eine große Abgasmenge problemlos die für die Kraftstoffaufbereitung erforderliche Energie bereitstellen kann, ohne daß ein unvorteilhaft starker Temperaturabfall im Abgas bzw. Abgasnachbehandlungssystem zu beobachten ist.
Diese Verfahrensvariante trägt zudem dem Umstand Rechnung, daß die Kraftstoffqualität des verwendeten Kraftstoffes, die Kraftstoffsorte, die Ölverdünnung und der Blow-By des Motorenöls maßgeblichen Einfluß haben auf die chemische Zusammensetzung des Abgases, weshalb unterschiedliche Abgasbestandteile im Abgas vorhanden sein können.
Die Wärmekapazität des Abgases kann variieren. In Abhängigkeit von der Abgaszusammensetzung kann die Aufbereitung des eingespritzten Kraftstoffes mehr oder weniger unterstützt und die Oxidation mehr oder weniger stark verzögert werden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der eingespritzte Kraftstoff zumindest teilweise mittels eines im Abgassystem vorgesehenen Katalysators oxidiert wird. Die im Katalysator vorhandenen Katalysatormaterialien bewirken, daß die Oxidation des Kraftstoffes bei tieferen Temperaturen ablaufen kann. Der Katalysator ist zudem ein bereits häufig vorhandenes Bauteil, welches vorteilhafterweise zur Einleitung der Verbrennung des eingespritzten Kraftstoffes verwendet werden kann.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der Kraftstoff stromaufwärts einer im Abgastrakt vorgesehenen Turbine eingespritzt wird. In der Regel wird die Turbine des Abgasturboladers möglichst nahe am Auslaß der Brennkraftmaschine angeordnet, um möglichst hohe Temperaturen am Turbineneintritt zu gewährleisten und auf diese Weise eine optimale Ausnutzung der Abgasenthalpie sicherzustellen.
Die hohen Temperaturen am Turbineneintritt können aber ebenfalls im Rahmen der hier vorliegenden Erfindung zur Aufbereitung des eingespritzten Kraftstoffes genutzt werden. Gegebenenfalls wird der auf diese Weise eingebrachte und aufbereitete Kraftstoff in einem stromabwärts der Turbine vorgesehenen Oxidationskatalysator oxidiert.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der Kraftstoff stromabwärts einer im Abgastrakt vorgesehenen Turbine eingespritzt wird. Diese Variante kann vorteilhaft sein, falls beispielsweise nicht genügend Bauraum für die Montage einer Einspritzdüse zwischen Turbine und Brennkraftmaschine vorhanden ist.
Die zweite der Erfindung zugrundeliegende Teilaufgabe wird gelöst durch eine Brennkraftmaschine mit einem Abgassystem zum Abführen der Abgase, bei der im Abgassystem zum Einspritzen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen in das Abgassystem mindestens eine Einspritzdüse stromaufwärts eines im Abgassystem vorgesehenen Abgasnachbehandlungssystems angeordnet ist, wobei die mindestens eine Einspritzdüse mittels Motorsteuerung steuerbar ist, und die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Motorsteuerung in der Art angepaßt ist, daß die im Rahmen des Einspritzvorganges mittels der mindestens einen Einspritzdüse pro Zeiteinheit Δt eingespritzte Menge Δm_HC an unverbrannten Kohlenwasserstoffen steuerbar ist.
Das bereits für das erfindungsgemäße Verfahren Gesagte gilt auch für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine.
Um die pro Zeiteinheit Δt eingespritzte Menge Δm_HC an unverbrannten Kohlenwasserstoffen zu steuern, steht die mindestens eine Einspritzdüse mit einer Motorsteuerung in Verbindung. Die Motorsteuerung verfügt in der Regel bereits über die notwendigen Informationen, die zur Steuerung der mindestens einen Einspritzdüse erforderlich sind, zumindest aber über die Informationen, die zur Generierung der Steuergrößen benötigt werden, beispielsweise der Abgastemperatur und der Abgasmenge.
Insofern muß die Motorsteuerung lediglich dahingehend angepaßt werden, daß die erforderlichen Steuergrößen für die mindestens eine Einspritzdüse bereitgestellt und an die Einspritzdüse weitergeleitet werden können.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Turbine im Abgastrakt vorgesehen ist und die mindestens eine Einspritzdüse stromaufwärts der Turbine angeordnet ist.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Turbine im Abgastrakt vorgesehen ist und die mindestens eine Einspritzdüse stromabwärts der Turbine angeordnet ist.
Die Vorteile der beiden zuletzt genannten Ausführungsformen der Brennkraftmaschine wurden bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfabren erörtert, weshalb an dieser Stelle auf diese Ausführungen bezug genommen wird.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Abgasnachbehandlungssystem ein Oxidationskatalysator ist.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Abgasnachbehandlungssystem ein Partikelfilter ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen im Abgastrakt ein Oxidationskatalysator und stromabwärts dieses Oxidationskatalysators ein Partikelfilter angeordnet ist, wobei die mindestens eine Einspritzdüse stromaufwärts des Oxidationskatalysators angeordnet ist, so daß eine mittels der mindestens einen Einspritzdüse eingespritzte Kraftstoffmenge mit dem Katalysator oxidierbar ist.
Mittels der im Oxidationskatalysator vorhandenen katalytischen Materialien wird die Oxidation bzw. Verbrennung des eingespritzten Kraftstoffes in vorteilhafter Weise unterstützt bzw. eingeleitet. Zudem findet die exotherme Reaktion in unmittelbarer Nähe zu dem Partikelfilter statt, nämlich im Bereich zwischen dem Katalysatoraustritt und dem Partikelfiltereintritt. Die durch die Oxidation freigesetzte Wärme wird damit an der Stelle verfügbar gemacht, an der eine Temperaturerhöhung des Abgases am effektivsten wirkt, da einer anschließenden Temperaturabsenkung infolge Wärmabgabe weder Zeit noch Raum eingeräumt wird.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen im Abgastrakt ein Oxidationskatalysator und stromabwärts dieses Oxidationskatalysators ein Stickoxidspeicherkatalysator (LNT) angeordnet ist, wobei die mindestens eine Einspritzdüse stromaufwärts des Oxidationskatalysators angeordnet ist, so daß eine mittels der mindestens einen Einspritzdüse eingespritzte Kraftstoffmenge mit dem Oxidationskatalysator oxidierbar ist.
Diese Ausführungsform ist beispielsweise vorteilhaft, um die für eine Entschwefelung des Speicherkatalysators erforderlichen hohen Temperaturen zu generieren.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von fünf Ausführungsbeispielen und gemäß den 1 bis 6 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1 schematisch in einem Koordinatensystem den Verlauf der Abgastemperatur am Eingang und am Ausgang eines Oxidationskatalysators mit und ohne Kraftstoffeinspritzung in den Abgastrakt nach dem Stand der Technik,
2 schematisch den Verlauf der Einspritzrate Δm_HC/Δt über der Zeit t gemäß einer ersten Ausführungsform des Einspritzverfahrens,
3 schematisch den Verlauf der Einspritzrate Δm_HC/Δt über der Zeit t gemäß einer zweiten Ausführungsform des Einspritzverfahrens,
4 schematisch den Verlauf der Einspritzrate Δm_HC/Δt über der Zeit t gemäß einer dritten Ausführungsform des Einspritzverfahrens,
5 schematisch den Verlauf der Einspritzrate Δm_HC/Δt über der Zeit t gemäß einer vierten Ausführungsform des Einspritzverfahrens, und
6 schematisch den Verlauf der Einspritzrate Δm_HC/Δt über der Zeit t gemäß einer fünften Ausführungsform des Einspritzverfahrens.
1 wurde bereits im Rahmen der Beschreibung des Standes der Technik ausführlich erörtert, weshalb an dieser Stelle keine weiteren Ausführungen gemacht werden sollen und Bezug genommen wird auf die Beschreibungseinleitung.
2 zeigt schematisch den Verlauf der Einspritzrate Δm_HC/Δt über der Zeit t gemäß einer ersten Ausführungsform des Einspritzverfahrens.
Der Einspritzvorgang umfaßt eine einzelne Einspritzung, die beim erstmaligen Öffnen der Einspitzdüse zum Zweck der Kraftstoffeinspritzung zur Zeit t_START – Beginn des Einspritzvorganges – eingeleitet wird und zur Zeit t_ENDE – Ende des Einspritzvorganges – mit dem Schließen der Einspritzdüse abgeschlossen wird.
Die gesamte einzuspritzende Kraftstoffmenge m_HC wird mittels einer einzigen, kontinuierlich andauernden Einspritzung in das Abgassystem eingebracht, wobei die Einspritzrate Δm_HC/Δt gemäß der in 2 dargestellten Einspritzvariante im Verlauf der Einspritzung linear erhöht wird bzw. zunimmt. Die Gesamtkraftstoffmenge m_HC ergibt sich mittels Integration als die unter der Kurve befindliche Fläche (schraffiert kenntlich gemacht).
3 zeigt schematisch den Verlauf der Einspritzrate Δm_HC/Δt über der Zeit t gemäß einer zweiten Ausführungsform des Einspritzverfahrens.
Im Unterschied zu der in 2 dargestellten Verfahrensvariante umfaßt der Einspritzvorgang eine Vielzahl von zeitlich zueinander beabstandeten Einspritzungen. Vorliegend wird die Gesamtkraftstoffmenge m_HC auf sechs Einspritzungen verteilt in das Abgassystem eingebracht. Zwischen den zeitlich zueinander beabstandeten Einspritzungen wird das Einbringen von Kraftstoff eingestellt.
Werden mehrere Einspritzungen im Rahmen des Einspritzvorganges vorgenommen, können grundsätzlich die Zeitabstände zwischen den einzelnen Einspritzungen, sowie die Einspritzdauer und/oder die Einspritzrate für jede Einspritzung frei gewählt werden d.h. von Einspritzung zu Einspritzung verändert werden.
Bei der in 3 dargestellten Verfahrensvariante werden im Rahmen jeder Einspritzung gleichgroße Kraftstoffmengen Δm_HC eingespritzt, was durch die gleichgroßen schraffierten Flächen deutlich gemacht wird, und die Zeitabstände zwischen den einzelnen Einspritzungen im Verlauf des Einspritzvorganges zunehmend verkürzt. Dadurch wird die pro Zeiteinheit Δt eingespritzte Menge Δm_HC an Kraftstoff im Rahmen des Einspritzvorganges erhöht, wenn die sechs Einspritzungen in ihrer Gesamtheit als ein einziger Einspritzvorganges betrachtet werden. Sowohl die Einspritzdauer als auch die Einspritzrate Δm_HC/Δt ist für jede Einspritzung gleichgroß gewählt und wird nicht verändert.
4 zeigt schematisch den Verlauf der Einspritzrate Δm_HC/Δt über der Zeit t gemäß einer dritten Ausführungsform des Einspritzverfahrens.
Im Unterschied zu der in 3 dargestellten Verfahrensvariante werden im Verlauf des Einspritzvorganges zunehmend größere Kraftstoffmengen Δm_HC eingespritzt, wobei die Einspritzdauer der sechs Einspritzungen konstant gehalten und die Einspritzrate Δm_HC/Δt von Einspritzung zu Einspritzung vergrößert wird. Der Zeitabstand zwischen den Einspritzungen wird ebenfalls beibehalten d.h. nicht variiert.
5 zeigt schematisch den Verlauf der Einspritzrate Δm_HC/Δt über der Zeit t gemäß einer vierten Ausführungsform des Einspritzverfahrens.
Wie bei der in 4 dargestellten Verfahrensvariante werden im Verlauf des Einspritzvorganges zunehmend größere Kraftstoffmengen Am_HC eingespritzt. Zusätzlich und im Unterschied zur der in 4 dargestellten Verfahrensvariante werden die Zeitabstände zwischen den Einspritzungen im Verlauf des Einspritzvorganges zunehmend verkürzt, wie dies bereits bei der in 3 dargestellten Verfahrensvariante geschehen ist.
6 zeigt schematisch den Verlauf der Einspritzrate Δm_HC/Δt über der Zeit t gemäß einer fünften Ausführungsform des Einspritzverfahrens.
Der Einspritzvorgang umfaßt eine einzelne Einspritzung, weshalb diese Verfahrensvariante der in 2 dargestellten Verfahrensvariante ähnlich ist und Bezug genommen wird auf die im Zusammenhang mit 2 gemachten Ausführungen.
Im Unterschied zu der in 2 dargestellten Verfahrensvariante wird die Einspritzrate Δm_HC/Δt nur zu Beginn des Einspritzvorganges und nicht über den gesamten Verlauf der Einspritzung linear erhöht. Gegen Ende des Einspritzvorganges bzw. gegen Ende der Einspritzung wird die Einspritzrate wieder vermindert.

m_HC: in das Abgassystem eingespritzte Gesamtkraftstoffmenge
Δm_HC: Menge an unverbrannten Kohlenwasserstoffen
Δm_HC/Δt: Einspritzrate
SCR: Selective Catalytic Reduction
T: Temperatur
t: Zeit
Δt: Zeitspanne
t_ENDE: Ende des Einspritzvorganges
t_START: Beginn des Einspritzvorganges

Claims

Verfahren zum Einspritzen unverbrannter Kohlenwasserstoffe in den Abgastrakt einer Brennkraftmaschine, insbesondere zu dem Zweck der Regeneration eines im Abgastrakt vorgesehenen Partikelfilters und/oder zu dem Zweck der Entschwefelung eines im Abgastrakt vorgesehenen Speicherkatalysators, bei dem mittels einer im Abgastrakt vorgesehenen Einspritzdüse die unverbrannten Kohlenwasserstoffe im Rahmen eines Einspritzvorganges eingespritzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die pro Zeiteinheit Δt eingespritzte Menge Δm_HC an unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Rahmen des Einspritzvorganges gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die pro Zeiteinheit Δt eingespritzte Menge Δm_HC an unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Verlauf des Einspritzvorganges – zumindest zu Beginn des Einspritzvorganges – erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einspritzvorgang eine Einspritzung umfaßt, in deren Rahmen die Einspritzrate Δm_HC/Δt – zumindest zu Beginn der Einspritzung – erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzrate Δm_HC/Δt linear erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einspritzvorgang mindestens zwei Einspritzungen umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß – zumindest zu Beginn des Einspritzvorganges – im Rahmen der mindestens zwei Einspritzungen gleichgroße Kraftstoffmengen Δm_HC eingespritzt werden und der Zeitabstand zwischen den Einspritzungen im Verlauf des Einspritzvorganges zunehmend verkürzt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß – zumindest zu Beginn des Einspritzvorganges – im Rahmen der mindestens zwei Einspritzungen im Verlauf des Einspritzvorganges zunehmend größere Kraftstoffmengen Δm_HC eingespritzt werden und der Zeitabstand zwischen den Einspritzungen beibehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß – zumindest zu Beginn des Einspritzvorganges – im Rahmen der mindestens zwei Einspritzungen im Verlauf des Einspritzvorganges zunehmend größere Kraftstoffmengen Δm_HC eingespritzt werden und der Zeitabstand zwischen den Einspritzungen im Verlauf des Einspritzvorganges zunehmend verkürzt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Abgastemperatur innermotorische Maßnahmen eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Steuerung des Einspritzvorganges mindestens einer der folgenden Parameter berücksichtigt wird: • Abgastemperatur • Umgebungstemperatur • Abgasmenge • Kraftstoffsorte • Kraftstoffqualität • die Ölverdünnung • Blow-By des Motorenöls • Abgasrückführrate
Brennkraftmaschine mit einem Abgassystem zum Abführen der Abgase, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der im Abgassystem zum Einspritzen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen in das Abgassystem mindestens eine Einspritzdüse stromaufwärts eines im Abgassystem vorgesehenen Abgasnachbehandlungssystems angeordnet ist, wobei die mindestens eine Einspritzdüse mittels Motorsteuerung steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Motorsteuerung in der Art angepaßt ist, daß die im Rahmen des Einspritzvorganges mittels der mindestens einen Einspritzdüse pro Zeiteinheit Δt eingespritzte Menge Δm_HC an unverbrannten Kohlenwasserstoffen steuerbar ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgasnachbehandlungssystem ein Oxidationskatalysator ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgasnachbehandlungssystem ein Partikelfilter ist.