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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verringerung der Kondenswassermenge in Abgassystemen von Verbrennungsmotoren.
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Moderne Abgasanlagen von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotoren sind mit Katalysatoren ausgerüstet, um den Schadstoffausstoß der Verbrennungsmotoren zu minimieren. Sobald der Katalysator seine Betriebstemperatur erreicht hat, kann der Schadstoffausstoß drastisch reduziert werden. Allerdings ist der Katalysator in der Zeitspanne bis zum Erreichen der Betriebstemperatur nahezu funktionslos, so dass in den ersten Sekunden nach dem Motorstart eine große Menge an Schadstoffen freigesetzt wird.
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Im Stand der Technik sind verschiedene Ansätze bekannt, um die Kaltstartphase zu verkürzen. Beispielsweise wird der Katalysator möglichst motornah positioniert oder durch zusätzliche Heizelemente extern aufgeheizt. Ein weiterer vielversprechender Ansatz ist zudem, das Kondenswasser in der Abgasanlage zu minimieren.
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Während der Verbrennungsprozesse von Kraftstoffen entsteht gasförmiges Wasser, so dass Abgase grundsätzlich einen erhöhten Wassergehalt im Vergleich zur Umgebungsluft aufweisen. Da die Sättigung von Wasserdampf in Luft mit abnehmender Temperatur steigt, wird während der Abkühlung der Abgasanlage der Taupunkt unterschritten und das Wasser kondensiert in der Abgasanlage aus. Beim erneuten Aufheizen der Abgasanlage muss dann zunächst die Verdampfungsenthalpie des vorhandenen Wassers aufgebracht werden, bevor eine Temperaturerhöhung der Abgasanlage zu erreichen ist. Durch ein Entfernen des Wasserdampfes aus der Abgasanlage kann somit die Aufheizphase der Abgasanlage verkürzt und damit der Schadstoffausstoß verringert werden.
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Aus der
DE 60 2004 003 269 T2 ist ein Abgasreiniger bekannt. Im Zuge des Abgasreinigers wird ein Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors beschrieben. Die Vorrichtung umfasst eine Sekundärluftpumpe und einen Katalysator, wobei bei abgestelltem Motor die Sekundärluftpumpe ein Volumen durch das Auspuffrohr und den Katalysator fördert, Mit der Sekundärluftpumpe wird solange Luft durch das Auspuffrohr und den Katalysator geleitet bis das Volumen der Bauteile die mit Sekundärluft durchströmt werden mindestens einmal ausgetauscht wurde. So soll Wasser aus dem Katalysator ausgetragen werden, damit es den Betrieb des Katalysators nicht beeinflusst.
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In der
DE 102 41 443 A1 wird eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betreiben derselben beschrieben. In dem Verfahren soll die Brennkraftmaschine zur Durchführung eines definierten Nachlaufs der Brennkraftmaschine betrieben werden. Durch den Nachlauf sollen noch vorhandene Schaftstoffe dem Katalysatorsystem zur Nachverbrennung zugeleitet werden. Dabei wird nach einem letzten Verbrennungsvorgang in einem Brennraum das Anlassersystem für einen bestimmten Zeitraum betätigt. Während dieses bestimmten Zeitraums wird die Brennkraftmaschine so gesteuert, dass Zündungen und Verbrennungsprozesse verhindert werden.
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Die
DE 44 34 835 A schlägt vor, die Abgasanlage nach Abschaltung der Brennkraftmaschine mit Frischluft zu durchspülen. Dafür werden allerdings zusätzliche Bauteile, wie Pumpen, Zuleitungen und Steuereinrichtungen benötigt, die Platz beanspruchen und anfällig für Systemstörungen sein können. Zudem entsteht ein finanzieller Mehraufwand.
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Alternativ wird in der Abgasanlage ein Trockenmittel positioniert, dass den Wasserdampf beim Abkühlen der Anlage aufnimmt. Mit Erreichen der Betriebstemperatur desorbiert das Wasser vom Trockenmittel und wird dann über den Abgasstrom mit abgegeben (
DE 10 2005 035 782 A ). Nachteilig an dieser Lösung ist die erschöpfbare Kapazität einer solchen Vorrichtung und wiederum die Tatsache, dass die Abgasanlage mit zusätzlichen Bauteilen ausgerüstet werden muss, die zusätzliche Kosten verursachen.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein alternatives Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, welche die Kondenswassermenge in der Abgasanlage reduzieren und die Nachteile des Stands der Technik überwinden.
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Die Aufgabe wird mit einem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die Erfindung stellt also ein Verfahren zur Verringerung der Kondenswassermenge in Abgassystemen von Verbrennungsmotoren zur Verfügung, bei dem, wenn die Kraftstoffzufuhr des Verbrennungsmotors unterbrochen wird, der Verbrennungsmotor durch ein externes Antriebsmittel angetrieben wird, so dass Frischluft durch die Kolbenbewegung angesaugt und in die Abgasanlage gefördert wird und das Verfahren so lange ausgeführt wird, bis das Totvolumen des Abgassystems mindestens einmal ausgetauscht wurde.
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Vorteilhafterweise benötigt das erfindungsgemäße Verfahren keine zusätzlichen Komponenten. Der Weiterbetrieb des Verbrennungsmotors ohne Kraftstoff ermöglicht es, die auf die Abgasanlage optimal abgestimmte Luftzirkulation gleichzeitig zur Spülung der Abgasanlage einzusetzen. Für die dabei benötigte Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr kann ebenfalls auf bereits vorhandene Bauteile und Steuerelemente zurückgegriffen werden.
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Der Verbrennungsmotor wird erfindungsgemäß durch ein externes Antriebsmittel aktiv geschleppt, wobei reine Frischluft durch die Kolbenbewegung angesaugt und in die Abgasanlage gefördert wird. Dies bedeutet, der üblicherweise während der Verbrennung vorhandene Zirkulationsstrom wird kraftstofffrei nur mit reiner Frischluft zum Spülen der Abgasanlage aufrechterhalten. Dadurch wird die relative Luftfeuchtigkeit im Abgassystem gesenkt, da der absolute Wassergehalt der Frischluft deutlich unter dem des Abgases liegt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass Abgas durch das bei der Kraftstoffverbrennung entstehende Wasser angereichert ist.
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Vorteilhafterweise fällt nach Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens selbst beim vollständigen Abkühlen der Abgasanlage kein Kondenswasser auf. Kleinstmengen an Kondenswasser können sich lediglich ausbilden, wenn die Umgebungstemperatur und damit auch die Temperatur der Abgasanlage weiter absinken.
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Erfindungsgemäß wird das Verfahren so lange ausgeführt, bis das Totvolumen des Abgassystems mindestens einmal ausgetauscht wurde. Alternativ kann das erfindungsgemäße Verfahren auch so lange ausgeführt werden, bis die relative Luftfeuchtigkeit im Abgassystem um 50%, vorzugsweise um 60%, noch bevorzugter um 80%, reduziert wurde.
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Vorteilhafterweise wird durch die erfindungsgemäße Reduzierung der Luftfeuchtigkeit in Abgassystemen von Verbrennungsmotoren die Aufheizphase des Katalysators signifikant verkürzt, so dass der Schadstoffausstoß, insbesondere in der Kaltstartphase, deutlich reduziert werden kann. Im Zuge des zunehmenden globalen Umweltbewusstseins und den daraus resultierenden schärferen Abgasnormen gewinnt der Schadstoffausstoß immer größeren Einfluss auf die Kaufentscheidung.
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Vorteilhafterweise können durch das erfindungsgemäße Verfahren Katalysatoraufheizmaßnahmen entfallen und/oder verkleinert werden, was zusätzlich eine Reduzierung des Energiebedarfs in der Startphase eines Verbrennungsmotors zur Folge hat. Die optimale Reduzierung der Luftfeuchtigkeit errechnet sich dabei aus dem Energiebedarf des externen Antriebs für den Verbrennungsmotor und der eingesparten Energie in der nächsten Startphase.
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Darüber hinaus ist das Verfahren bei allen Prozessen vorteilhaft einsetzbar, die eine zügige Aufheizung der Abgassysteme erfordern.
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Vorteilhafterweise kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens auch die Lebensdauer der Abgasanlagen von Verbrennungsmotoren erhöht werden. Durch die Reduzierung der Kondenswassermenge wird gleichzeitig der Korrosion der Abgasanlage entgegen gewirkt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das externe Antriebsmittel, das den Verbrennungsmotor aktiv schleppt, ein Elektromotor oder eine Brennstoffzelle. Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren bei Hybrid-Antriebskonzepten eingesetzt, bei denen bereits ein zusätzliches Antriebsmittel neben dem Verbrennungsmotor vorgesehen ist, das gleichzeitig als externes Antriebsmittel im Sinne der Erfindung verwendet werden kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann das externe Antriebsmittel auch nur zum Schleppen des Verbrennungsmotors eingesetzt werden und/oder nicht antriebsbezogene Prozesse mit Energie versorgen. Dabei wird erfindungsgemäß auf bereits vorhandene Komponenten zurückgegriffen.
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Vorzugsweise ist das externe Antriebsmittel ein Starter-Generator und/oder ein konventioneller Anlasser. Vorteilhafterweise werden dabei zusätzliche Reibungsverluste minimiert, da der Starter-Generator und/oder der Anlasser direkt auf der Kurbelwelle montiert sind und keine zusätzliche Verbindung zwischen externem Antriebsmittel und dem Verbrennungsmotor erforderlich ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Verfahren zur Verringerung der Kondenswassermenge in Abgassystemen von Verbrennungsmotoren nach Ausschalten der Zündung durchgeführt. Dadurch wird gewährleistet, dass das Abgassystem nach dem Abstellen des Fahrzeugs mit Frischluft gespült wird und somit ein Großteil des Wasserdampfes entfernt wird. Insbesondere bei der Verwendung eines Starter-Generators als externem Antriebsmittel werden keine zusätzlichen Steuerelemente zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens benötigt, sondern die Steuerung des Starter-Generators wird entsprechend angepasst, so dass der Verbrennungsmotor nach Ausschalten der Zündung noch eine Weile kraftstofffrei nachläuft.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit jedem beliebigen Verbrennungsmotor durchgeführt werden. Geeignete Verbrennungsmotoren sind dem Fachmann bekannt. Erfindungsgemäß bevorzugte Verbrennungsmotoren sind Ottomotoren oder Dieselmotoren.
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Erfindungsgemäß wird die relative Luftfeuchtigkeit im Abgassystem entweder berechnet, in Vorversuchen bestimmt und/oder individuell im laufenden System ermittelt. In den ersten beiden Fällen kann die benötigte Nachlaufzeit des Motors anhand eines Zeitfaktors gesteuert werden.
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Bei einer individuellen Bestimmung der relativen Luftfeuchtigkeit wird die relative Luftfeuchtigkeit im Abgassystem in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung mittels eines Feuchtesensors gemessen.
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Alternativ kann der Austausch des Abgases durch Umgebungsluft auch durch Lambdasonden überwacht werden. Liegt der Sauerstoffgehalt bzw. der Sauerstoffpartialdruck in der Abgasanlage auf Umgebungsniveau, ist sichergestellt, dass auch der Wasserdampfgehalt sich auf Umgebungsniveau befindet.
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Dabei wird der Feuchtesensor und/oder die Lambdasonde vorzugsweise möglichst nah an der Austrittsstelle des Abgases in die Umgebungsluft positioniert. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung kann der Feuchtesensor und/oder die Lambdasonde weiter im Inneren der Abgasanlage positioniert werden, um ihn vor Einflüssen aus der Umgebung zu schützen. Dadurch können insbesondere Verfälschungen des Messergebnisses durch Messung der Umgebungsluft als auch mechanische Einflüsse, die die Funktionsfähigkeit des Sensors behindern können, vermieden werden. In diesem Falle wird die Steuerung erfindungsgemäß auf die veränderte Positionierung des Sensors in der Abgasanlage angepasst und die Nachlaufzeit des Verbrennungsmotors entsprechend verlängert. Besonders bevorzugt werden erfindungsgemäß die bereits vor und nach dem Konverter verbauten Lambdasonden zur Messung des Sauerstoffgehalts bzw. -partialdruckes verwendet.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das externe Antriebsmittel nach mindestens einmaligem Austausch des Totraumvolumens der Abgasanlage vom Verbrennungsmotor entkoppelt und/oder abgeschaltet. Letztere Ausführungsform wird bevorzugt durchgeführt, wenn das Verfahren im Anschluss an das Auschalten der Zündung erfolgt und der Wagen abgestellt wird. Lediglich ein Entkoppeln vom Verbrennungsmotor ist vorteilhaft, wenn der Wagen mittels eines alternativen Antriebs weiter angetrieben wird.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird Frischluft durch eine externe Sekundärfördereinrichtung durch die Abgasanlage gefördert. Dies kann vorteilhaft sein, wenn die benötigte Nachlaufzeit des Verbrennungsmotors bis zu einer erfindungsgemäßen Reduzierung der relativen Luftfeuchtigkeit zu groß ist. In diesem Falle kann eine zusätzliche Frischluftzufuhr energetisch günstiger sein, als die benötigte Nachlaufzeit des Motors komplett abzuwarten.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verfügung zu stellen. Die Vorrichtung ist mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 11 beschrieben. Weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Verringerung der Kondenswassermenge in Abgassystemen von Verbrennungsmotoren umfasst einen Verbrennungsmotor mit einer Abgasanlage, ein Mittel zur Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr, ein externes Antriebsmittel, geeignet den Verbrennungsmotor ohne Kraftstoff in Betrieb zu halten, und Mittel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach einer der oben beschriebenen Ausführungsformen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Mittel zur Durchführung des Verfahrens nach einer der oben beschriebenen Ausführungsformen einen computer-lesbaren Programmalgorithmus.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung zusätzlich einen Feuchtesensor und/oder eine Lambdasonde, der/die geeignet ist, die relative Luftfeuchtigkeit und/oder den Sauerstoffgehalt bzw. Sauerstoffpartialdruck im Abgasstrom zu bestimmen. Geeignete Feuchtesensoren und/oder Lambdasonden müssen temperaturbeständig sein, so dass auch bei den hohen, in einer Abgasanlage von Verbrennungsmotoren herrschenden Temperaturen vertrauenswürdige Messergebnisse erhalten werden. Darüber hinaus muss der Feuchtesensor und/oder die Lambdasonde unempfindlich gegenüber den Abgasen, insbesondere den Bestandteilen Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Stickoxiden sein und auch bei hohen Konzentrationen dieser Gase genaue Messergebnisse liefern. Geeignete Feuchtesensoren und/oder Lambdasonden sind dem Fachmann bekannt.
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Als Ausführungsbeispiel zeigt 1 zeigt den Temperaturverlauf nach der Zeit im und nach dem Vorkatalysator (VK) im Vergleich zur Motordrehzahl und der Verdunstungsenthalpie des Kondenswassers.
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In 1 ist der Temperaturverlauf an vier verschiedenen Stellen im Katalysatorsystem bei einer konstanten Motordrehzahl von 600 U/min gezeigt. Die Messpunkte werden im Vorkatalysator (VK) Vorne, Mitte und Hinten sowie nach dem VK abgenommen. Als Parallele zur Abzisse ist die sogenannte Beharrungstemperatur gezeigt. Die Beharrungstemperatur, hier bei ca. 50°C, ist die Temperatur bei der die Verdunstungsenthalpie des Kondenswassers aufgebracht werden muss, so dass kurzzeitig keine Temperatursteigerung zu beobachten ist, obwohl dem System durch die konstante Motorleistung kontinuierlich Energie zugeführt wird. Die Temperaturkurven an den verschiedenen Messpunkten beginnen daher ebenfalls als Parallele zur Abzisse mit dem Wert der Beharrungstemperatur.
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Es ist zu erkennen, dass mit zunehmender Entfernung der Messpunkte vom Motor kontinuierlich die Zeit ansteigt, in der das System auf der Beharrungstemperatur verbleibt. Die Temperatursteigerung erfolgt im VK Vorne bereits nach 3 Sekunden, im VK Mitte nach ca. 10 Sekunden und im VK Hinten erst nach 12 Sekunden. Die Messung des Temperaturverlaufes nach dem VK zeigt, dass erst nach 22 Sekunden eine Temperaturerhöhung der Abgasanlage hinter dem VK zu beobachten ist. Hier schlägt sich deutlich die zunehmende Menge an Kondenswasser nieder.
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Unter Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens können diese Aufwärmzeiten signifikant reduziert werden. Dadurch werden die Kurven signifikant in Richtung der Ordinate verschoben und die Steilheit der Kurvenverläufe nimmt deutlich zu.
