DE102010006013A1

DE102010006013A1 - Verfahren zum Behandeln von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102010006013A1
Application number: DE102010006013A
Authority: DE
Inventors: Christoph Dr. 73547 Bertram; Thomas Dr.-Ing. 71034 Koch; Jens Dipl.-Ing. 70188 Regenauer; Michael Dipl.-Ing. 71409 Stiller; Herbert Dipl.-Ing. 70378 Zöller
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: DEUTZ AKTIENGESELLSCHAFT, DE
Priority date: 2010-01-28
Filing date: 2010-01-28
Publication date: 2011-08-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine (12) für ein Kraftfahrzeug (10), bei welchem unverbrannter Kraftstoff in einen ersten Oxidationskatalysator (22) eingebracht wird. Durch Oxidieren von Kraftstoff im ersten Oxidationskatalysator (22) wird die Temperatur eines zweiten, stromabwärts des ersten Oxidationskatalysators (22) angeordneten Oxidationskatalysators (24) erhöht, um auch bei niedriger Last einen Partikelfilter (26) regenerieren zu können. Der unverbrannte Kraftstoff wird dem ersten Oxidationskatalysator (22) in Form einer späten, zumindest teilweise nicht verbrennenden Nacheinspritzung in einen Zylinder (14) der Verbrennungskraftmaschine (12) zugeführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, bei welchem unverbrannter Kraftstoff in einen ersten Oxidationskatalysator eingebracht wird. Durch Oxidieren von Kraftstoff im ersten Oxidationskatalysator wird die Temperatur eines zweiten, stromabwärts des ersten Oxidationskatalysators angeordneten Oxidationskatalysators erhöht.
Die US 6 915 629 B2 beschreibt eine Abgasbehandlungsanlage mit einem ersten und einem zweiten Oxidationskatalysator. Der erste Oxidationskatalysator ist stromabwärts einer Turbine eines Abgasturboladers angeordnet und einem Stickoxid-Speicherkatalysator vorgeschaltet. Stromabwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators folgt im Abgasstrang der zweite Oxidationskatalysator, welchem wiederum ein Partikelfilter nachgeschaltet ist. Vor jedem der beiden Oxidationskatalysatoren befindet sich im Abgasstrang eine Dosiereinrichtung zum Zudosieren von Kohlenwasserstoffen und eine Dosiereinrichtung zum Einbringen von Sauerstoff in den Abgasstrang. Stromabwärts des jeweiligen Oxidationskatalysators wird die Temperatur gemessen. Ist die Temperatur stromabwärts des ersten Oxidationskatalysators zu niedrig, um das erwünschte Verringern der Stickoxidemissionen mittels des Stickoxid-Speicherkatalysators zu erreichen, werden Kohlenwasserstoffe und Sauerstoff vor dem ersten Oxidationskatalysator in den Abgasstrang eingebracht. Der zweite Oxidationskatalysator soll sicherstellen, dass in dem Partikelfilter eine ausreichend hohe Abgastemperatur herrscht, um durch Verbrennen von akkumulierten Partikeln diesen regenerieren zu können.
Als nachteilig bei einem derartigen Verfahren zum Behandeln von Abgas ist der Umstand anzusehen, dass dieses vergleichsweise aufwändig ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein technisch wenig aufwändig realisierbares Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Behandeln von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, welches insbesondere bei einem Kraftfahrzeug zum Einsatz kommen kann, wird unverbrannter Kraftstoff in einen ersten Oxidationskatalysator eingebracht. Durch Oxidieren von Kraftstoff im ersten Oxidationskatalysator wird die Temperatur eines zweiten Oxidationskatalysators erhöht, welcher stromabwärts des ersten Oxidationskatalysators angeordnet ist. Hierbei wird der unverbrannte Kraftstoff dem ersten Oxidationskatalysator zugeführt, indem wenigstens eine späte, zumindest teilweise nicht verbrennende Nacheinspritzung in einen Zylinder der Verbrennungskraftmaschine vorgenommen wird. Es braucht so keine aufwändige Dosiereinrichtung vorgesehen zu werden, welche vor dem ersten Oxidationskatalysator Kraftstoff in das Abgas einbringt. Stattdessen sorgt die späte Nacheinspritzung in den Zylinder für ein Vorhandensein von Kraftstoff im Abgas stromabwärts der Verbrennungskraftmaschine.
Der erste Oxidationskatalysator ist in deutlich größerer Nähe zu der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist, als der zweite Oxidationskatalysator. Durch das Einbringen von unverbranntem Kraftstoff in den ersten Oxidationskatalysator kann auch bei niedriger Last und niedriger Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine sichergestellt werden, dass an dem zweiten Oxidationskatalysator die Temperatur des Abgases ausreichend hoch ist, um ein Oxidieren von Abgasbestandteilen und damit einhergehend eine weitere Temperaturerhöhung des Abgases zu ermöglichen.
Das Bereitstellen von Abgas ausreichend hoher Temperatur stromabwärts des zweiten Oxidationskatalysators kann wiederum dazu dienen, einen Partikelfilter zu regenerieren und/oder einen weiteren Katalysator auf eine Betriebstemperatur zu bringen, in welcher eine gewünschte Konversionsrate von Schadstoffen gegeben ist. Es ist so ein technisch wenig aufwändig realisierbares Verfahren zum Behandeln von Abgas geschaffen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die wenigstens eine späte Nacheinspritzung in einem Bereich von 80° bis 160° Kurbelwinkel, insbesondere 120° bis 150° Kurbelwinkel, nach dem oberen Totpunkt durchgeführt. Es können auch zwei späte Nacheinspritzungen durchgeführt werden, insbesondere eine erste späte Nacheinspritzung bei 130° Kurbelwinkel nach dem oberen Totpunkt und eine zweite späte Nacheinspritzung bei 150° Kurbelwinkel nach dem oberen Totpunkt. Durch eine derartige späte Nacheinspritzung kann auch bei einem vergleichsweise großen Abstand zwischen dem ersten Oxidationskatalysator und dem zweiten Oxidationskatalysator sichergestellt werden, dass der zweite Oxidationskatalysator auf eine Temperatur von mindestens 200°C, insbesondere mindestens 220°C, gebracht wird. Ab dem Erreichen dieser Anspringtemperatur (light off) des zweiten Oxidationskatalysators kann der zweite Oxidationskatalysator einen Umsatz von Kohlenwasserstoffen erreichen, welche das Regenieren eines Partikelfilters auch bei niedrigen Lasten und Drehzahlen der Verbrennungskraftmaschine ermöglichen. Zum Regenieren des Partikelfilters ist etwa eine Temperatur von rund 600°C vorzusehen.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn in den Zylinder Kraftstoff in Form einer Voreinspritzung vor dem oberen Totpunkt, einer Haupteinspritzung im Bereich des oberen Totpunkts und einer vor der wenigstens einen späten Nacheinspritzung vorgenommenen Nacheinspritzung eingebracht wird. Durch diese Einspritzstrategie kann auch bei besonders niedriger Last und Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine sichergestellt werden, dass die späte Nacheinspritzung Kraftstoff in einen besonders heißen Zylinder der Verbrennungskraftmaschine einbringt. Dadurch ist besonders weitgehend vermeidbar, dass eingespritzter Kraftstoff in flüssigem Zustand an die Zylinderwand gelangt und von dort in die Motorölwanne, wo der Kraftstoff zu einer unerwünschten Verdünnung des Motoröls führen würde.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung.
Diese zeigt schematisch eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, wobei in einem Abgasstrang der Verbrennungskraftmaschine ein erster Oxidationskatalysator unmittelbar stromabwärts eines Abgasturboladers und ein zweiter Oxidationskatalysator stromaufwärts eines Partikelfilters angeordnet sind.
Von einem Kraftfahrzeug 10, bei welchem es sich insbesondere um ein Nutzfahrzeug handeln kann, ist in der Figur schematisch eine Verbrennungskraftmaschine 12 mit (vorliegend sechs) Zylindern 14 gezeigt. In einem Abgasstrang 16 der Verbrennungskraftmaschine 12 ist eine Turbine 18 eines Abgasturboladers 20 angeordnet. Unmittelbar stromabwärts der Turbine 18 ist in dem Abgasstrang 16 ein erster Oxidationskatalysator 22 angeordnet.
Dieser erste Oxidationskatalysator 22 weist eine besonders große Nähe zu der Verbrennungskraftmaschine 12 auf, so dass er auch bei niedriger Last und Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 12 leicht seine Anspringtemperatur erreicht, ab welcher ein merkbarer Umsatz an Schadstoffen erfolgt. Setzt der erste Oxidationskatalysator 22 unverbrannte Kohlenwasserstoffe oder sonstige oxidierbare Substanzen aus dem Abgas um, so kann dadurch ein zweiter, stromabwärts des erstes Oxidationskatalysators 22 angeordneter Oxidationskatalysator 24 ebenfalls seine Anspringtemperatur erreichen, auch wenn die Verbrennungskraftmaschine 12 bei niedriger Last und Drehzahl betrieben wird. Dies ist selbst dann der Fall, wenn – wie bei einem Nutzfahrzeug – der zweite Oxidationskatalysator 24 in vergleichsweise großer Entfernung zu dem ersten Oxidationskatalysator 22 angeordnet ist, wenn also beispielsweise die Länge des Abgasstrangs 16 zwischen dem ersten Oxidationskatalysator 22 und dem zweiten Oxidationskatalysator 24 rund eineinhalb Meter beträgt.
Das besonders leichte Anspringen des ersten Oxidationskatalysators 22 kann dadurch verbessert werden, dass der erste Oxidationskatalysator 22 ein geringeres Volumen als der zweite Oxidationskatalysator 24 und damit eine geringe Wärmekapazität aufweist. Insbesondere ein erster Oxidationskatalysator 22 mit vergleichsweise kleinem Volumen und einer Beschichtung mit Edelmetallen kann auch bei niedriger Last und Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 12 zu einer auslassseitigen Abgastemperatur von 400°C führen. Selbst bei großem Abstand des zweiten Oxidationskatalysators 24 von dem ersten Oxidationskatalysator 22 liegt die Temperatur des Abgases dann an dem zweiten Oxidationskatalysator 24 noch deutlich über dessen Anspringtemperatur von etwa 220°C. Somit kann der zweite Oxidationskatalysator 24 oxidierbare Abgasbestandteile, insbesondere Kohlenwasserstoffe, umsetzen und einen dem zweiten Oxidationskatalysator 24 nachgeschalteten Partikelfilter 26, insbesondere Dieselpartikelfilter, auf eine Temperatur bringen, welche ein Regenerieren des Partikelfilters 26 durch Verbrennen von in diesem zurückgehaltenen Rußpartikeln ermöglicht. Eine typische Zieltemperatur zum Regenerieren des Partikelfilters 26 liegt bei rund 600°C. Der Partikelfilter 26 kann, wie vorliegend schematisch gezeigt, unmittelbar an den zweiten Oxidationskatalysator 24 anschließend mit diesem in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sein.
An weiteren, beispielhaft gezeigten Komponenten weist das Kraftfahrzeug 10 gemäß der Figur eine Umgehungsleitung 28 (Wastegate) zum Umgehen der Turbine 18 des Abgasturboladers 20 und eine Abgasrückführungsleitung 30 mit einem Abgasrückführungskühler 32 und einem Abgasrückführungsventil 34 auf. Das Zuluftsystem der Verbrennungskraftmaschine 12 umfasst einen Verdichter 36 des Abgasturboladers 20, einen in einer Ladeluftleitung 38 angeordneten Ladeluftkühler 40 und, vorliegend stromabwärts der Einmündung der Abgasrückführungsleitung 30 in die Ladeluftleitung 38, eine Drossel 42.
Dem ersten Oxidationskatalysator 22 wird unverbrannter Kraftstoff durch zwei späte, also zumindest teilweise nicht verbrennende Nacheinspritzungen in einen Zylinder 14 der Verbrennungskraftmaschine 12 zur Verfügung gestellt. Zusätzlich kann das Bereitstellen von unverbranntem Kraftstoff für den ersten Oxidationskatalysator 22 durch eine späte Haupteinspritzung und ein (optionales) Androsseln der Ansaugluft mittels der Drossel 42 und/oder durch den Einsatz einer variablen Ventilsteuerung verbessert werden.
Die späte Nacheinspritzung findet bevorzugt in einem Bereich von 80° bis 160° Kurbelwinkel nach dem oberen Totpunkt statt. Bevorzugt werden zwei späte Nacheinspritzungen vorgenommen, nämlich eine bei 120° Kurbelwinkel nach dem oberen Totpunkt und eine zweite bei 150° nach dem oberen Totpunkt.
Eine Voreinspritzung findet bevorzugt in einem Bereich von 30° bis 10° Kurbelwinkel, insbesondere 20° bis 12° Kurbelwinkel, vor dem oberen Totpunkt, eine Haupteinspritzung im Bereich des oberen Totpunkts oder etwas nach dem oberen Totpunkt, und eine Nacheinspritzung in einem Bereich von 15° bis 40° Kurbelwinkel, insbesondere 20° bis 35° Kurbelwinkel, nach dem oberen Totpunkt statt.
Insbesondere bei niedriger Last und Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 12 ist es vorteilhaft, in Form der späten Nacheinspritzung einen überwiegenden Anteil der insgesamt je Arbeitsspiel in den Zylinder 14 eingebrachten Kraftstoffmenge einzuspritzen. Dem Zylinder 14 können also in Form der wenigstens einen späten Nacheinspritzung 50% bis 70%, insbesondere 55% bis 65%, der insgesamt je Arbeitsspiel in den Zylinder 14 eingebrachten Kraftstoffmenge zugeführt werden.
Wenn zwei späte Nacheinspritzungen vorgenommen werden, kann jede der späten Nacheinspritzungen etwa 30% der insgesamt je Arbeitsspiel in den Zylinder 14 eingebrachten Kraftstoffmenge ausmachen, so dass in Form der (gesplitteten) späten Nacheinspritzung 60% der Gesamteinspritzmenge in den Zylinder 14 eingebracht werden. Bei zwei späten Nacheinspritzungen liegen im niedrigen Last- und Drehzahlbereich der Verbrennungskraftmaschine 12 die jeweiligen Anteile der beiden späten Nacheinspritzungen an der insgesamt je Arbeitsspiel in den Zylinder 14 eingebrachten Kraftstoffmenge im Bereich von 25% bis 33%.
Des Weiteren werden dem Zylinder 14 in Form der Voreinspritzung 5% bis 15%, insbesondere 10%, in Form der Haupteinspritzung 5% bis 20%, insbesondere 10%, und in Form der Nacheinspritzung 15% bis 20%, insbesondere 20%, der insgesamt je Arbeitsspiel in den Zylinder 14 eingebrachten Kraftstoffmenge zugeführt.
Die Voreinspritzung führt zu einem ersten Temperaturanstieg im Zylinder 14. Aufgrund der schlechten Zündbedingungen entsteht ein relativ homogenes Gemisch, und im Zylinder 14 liegt ein hoher Anteil unverbrannter Kohlenwasserstoffe vor. Die Haupteinspritzung bewirkt in dem Zylinder 14 die Ausbildung einer Zone mit besonders hoher Temperatur. In diese Zone besonders hoher Temperatur werden dann die Nacheinspritzung und die späte Nacheinspritzung eingebracht. Das Ausbilden der Zone besonders hoher Temperatur in dem Zylinder 14 durch die Haupteinspritzung kann dadurch verbessert werden, dass ein Kolbenboden des Zylinders eine gestufte Mulde aufweist.
Das Einbringen der Nacheinspritzung und der, insbesondere gesplitteten, späten Nacheinspritzung in die Zone hoher Temperatur im Zylinder 14 sorgt dafür, dass allenfalls eine besonders geringe Menge an Kraftstoff bei der Nacheinspritzung und/oder der späten Nacheinspritzung an die Zylinderwand gelangt und so in das Motoröl eindringen kann. Dies führt auch dazu, dass für den ersten Oxidationskatalysator 22 besonders viel unverbrannter Kohlenwasserstoff zur Verfügung gestellt wird und oxidiert werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6915629 B2 [0002]

Claims

Verfahren zum Behandeln von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine (12), insbesondere für ein Kraftfahrzeug (10), bei welchem unverbrannter Kraftstoff in einen ersten Oxidationskatalysator (22) eingebracht wird, und bei welchem durch Oxidieren von Kraftstoff im ersten Oxidationskatalysator (22) die Temperatur eines zweiten, stromabwärts des ersten Oxidationskatalysators (22) angeordneten Oxidationskatalysators (24) erhöht wird, dadurch gekennzeichnet, dass der unverbrannte Kraftstoff dem ersten Oxidationskatalysator (22) zugeführt wird, indem wenigstens eine späte, zumindest teilweise nicht verbrennende Nacheinspritzung in einen Zylinder (14) der Verbrennungskraftmaschine (12) vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine späte Nacheinspritzung in einem Bereich von 80° bis 160° Kurbelwinkel, insbesondere 120° bis 150° Kurbelwinkel, nach dem oberen Totpunkt durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei späte Nacheinspritzungen durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Zylinder (14) in Form der wenigstens einen späten Nacheinspritzung 50% bis 70%, insbesondere 55% bis 65%, der insgesamt je Arbeitsspiel in den Zylinder (14) eingebrachten Kraftstoffmenge zugeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in den Zylinder (14) Kraftstoff in Form – einer Voreinspritzung vor dem oberen Totpunkt, – einer Haupteinspritzung im Bereich des oberen Totpunkts und – einer vor der wenigstens einen späten Nacheinspritzung vorgenommenen Nacheinspritzung eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass – die Voreinspritzung in einem Bereich von 30° bis 10° Kurbelwinkel, insbesondere 20° bis 12° Kurbelwinkel, vor dem oberen Totpunkt und – die Nacheinspritzung in einem Bereich von 15° bis 40° Kurbelwinkel, insbesondere 20° bis 35° Kurbelwinkel, nach dem oberen Totpunkt vorgenommen werden.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Zylinder (14) in Form – der Voreinspritzung 5% bis 15%, insbesondere 10%, – der Haupteinspritzung 5% bis 20%, insbesondere 10%, und in Form der – der Nacheinspritzung 15% bis 20%, insbesondere 20%, der insgesamt je Arbeitsspiel in den Zylinder (14) eingebrachten Kraftstoffmenge zugeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff in den Zylinder (14) in einen Bereich einer gestuften Mulde eines Kolbenbodens eingebracht wird.