DE102012022936A1

DE102012022936A1 - Verfahren zum Behandeln von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine eines Fahrzeugs und Abgasanlage für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102012022936A1
Application number: DE201210022936
Authority: DE
Inventors: Uwe Gärtner; Frank Zimmermann
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Daimler Truck Holding AG
Priority date: 2012-11-24
Filing date: 2012-11-24
Publication date: 2014-05-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine (12) eines Fahrzeugs, bei welchem das Abgas der Verbrennungskraftmaschine (12) über einen Abgastrakt (14) einer zum Verringern des Stickoxidgehalts des Abgases ausgebildeten Abgasnachbehandlungseinrichtung (16) zugeführt wird. Stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung (16) wird Sauerstoff und/oder ein sauerstoffhaltiges Medium (26) in den Abgastrakt (14) eingebracht, wenn ein Gehalt wenigstens einer Komponente des Abgases geringer wird oder geringer zu werden droht als ein vorbestimmter Schwellenwert des Gehalts der wenigstens einen Komponente. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Abgasanlage (10) für ein Fahrzeug.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine eines Fahrzeugs. Hierbei wird das Abgas der Verbrennungskraftmaschine über einen Abgastrakt einer Abgasnachbehandlungseinrichtung zugeführt, welche zum Verringern des Stickoxidgehalts des Abgases ausgebildet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Abgasanlage für ein Fahrzeug.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, zum Verringern des Stickoxidgehalts des Abgases einer Verbrennungskraftmaschine eines Fahrzeugs einen SCR-Katalysator einzusetzen (SCR = selektive catalytic reduction, selektive katalytische Reduktion). In diesem Katalysator wird Ammoniak mit Stickoxiden aus dem Abgas in einer selektiven katalytischen Reduktionsreaktion zu Stickstoff und Wasser umgesetzt. Als Quelle für den Ammoniak wird üblicherweise eine Harnstoff-Wasser-Lösung stromaufwärts des SCR-Katalysators in den Abgastrakt eindosiert, und aus dem Harnstoff wird im heißen Abgas der Ammoniak freigesetzt.
Bei derartigen Verfahren zum Behandeln von Abgas ist beobachtet worden, dass die Umsetzung der Stickoxide mit dem Ammoniak in der Abgasnachbehandlungseinrichtung nicht immer zufriedenstellend verläuft.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welchem sich eine Verbesserung der Reduktion von Stickoxiden erreichen lässt.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Abgasanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Medium in den Abgastrakt eingebracht. Dies geschieht dann, wenn ein Gehalt wenigstens einer Komponente des Abgases geringer wird oder geringer zu werden droht als ein vorbestimmter Schwellenwert des Gehalts der wenigstens einen Komponente. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Anreicherung des Abgases mit Sauerstoff stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung zu einer Verbesserung der Reduktion von Stickoxiden im Abgas mittels der Abgasnachbehandlungseinrichtung führt. Es kann so eine besonders große Aktivität der Abgasnachbehandlungseinrichtung sichergestellt werden. Dies gilt insbesondere, wenn die Verbrennungskraftmaschine mit einem im Vergleich zu einem Normalbetrieb mit sehr hohem Luftüberschuss niedrigeren Luftverhältnis λ betrieben wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden der Sauerstoff oder das sauerstoffhaltige Medium dann in den Abgastrakt eingebracht, wenn ein Gehalt an Sauerstoff im Abgas geringer wird oder geringer zu werden droht als ein vorbestimmter Schwellenwert des Gehalts an Sauerstoff. Gängige SCR-Katalysatoren zeigen nämlich eine signifikante Abhängigkeit der Konversion von Stickoxiden vom Sauerstoffgehalt im Abgas. Dies äußert sich darin, dass bei sehr niedrigem Sauerstoffgehalt eine signifikante Verringerung der Umsetzung von Stickoxiden mit dem Ammoniak zu Stickstoff und Wasser zu beobachten ist. Insbesondere bei im Vergleich zu einem Normalbetrieb mit sehr hohem Luftüberschuss fetteren Betriebsbedingungen der Verbrennungskraftmaschine kann ein sehr niedriger Sauerstoffgehalt im Abgas auftreten. Ist ein solcher erreicht oder steht ein solcher unmittelbar bevor, so wird vorliegend stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung der Sauerstoffgehalt im Abgas erhöht. Dadurch kann die Umsetzung der Stickoxide verbessert werden.
Zusätzlich oder alternativ wird der Sauerstoff bzw. das sauerstoffhaltige Medium in den Abgastrakt eingebracht, wenn ein Gehalt an Stickstoffdioxid im Abgas geringer wird oder geringer zu werden droht als ein vorbestimmter Schwellenwert des Gehalts an Stickstoffdioxid. Gängige SCR-Katalysatoren zeigen nämlich auch eine signifikante Abhängigkeit der Umsetzung von Stickoxiden von dem Verhältnis des Stickstoffdioxids zu den Stickoxiden, also von NO₂ zu NO_x. Auch hier bewirkt ein Mangel an einer Komponente des Abgases, nämlich ein Mangel an Stickstoffdioxid einen signifikanten Abfall der Konversion der Stickoxide mittels der Abgasnachbehandlungseinrichtung. Des weiteren können ebenfalls vergleichsweise fette Betriebsbedingungen der Verbrennungskraftmaschine für die Verringerung des Verhältnisses von Stickstoffdioxid zum Stickoxid im Abgas verantwortlich sein, da bei Vorliegen dieser Bedingungen die Bildung von Stickstoffdioxid an einem der Abgasnachbehandlungseinrichtung vorgeschalteten Oxidationskatalysator verlangsamt ist.
Bevorzugt werden daher der tatsächlich vorliegende oder der bevorstehende Gehalt an Sauerstoff und an Stickstoffdioxid im Abgas bei der Entscheidung berücksichtigt, ob der Sauerstoffgehalt stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung erhöht werden soll.
Hierbei hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn der Sauerstoff oder das sauerstoffhaltige Medium in den Abgastrakt eingebracht wird, sobald der Gehalt an Sauerstoff im Abgas geringer wird oder geringer zu werden droht als 5%, wobei hier der Sauerstoffgehalt unmittelbar stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung berücksichtigt wird. Noch kritischer wird die Abhängigkeit der Umsetzung von Stickoxiden in der Abgasnachbehandlungseinrichtung vom Sauerstoffgehalt, wenn dieser auf weniger als 3% absinkt. Folglich wird vorliegend insbesondere dann der Sauerstoffgehalt stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung erhöht, wenn der Gehalt an Sauerstoff im Abgas geringer wird oder geringer zu werden droht als 3%.
Die genannten Werte des Sauerstoffgehalts entsprechen Werten für das Luftverhältnis λ des Abgases von etwa ≤ 1,25 für 5% Sauerstoffgehalt und von etwa ≤ 1,1 für 3% Sauerstoffgehalt. Das Vermeiden derartig niedriger Sauerstoffgehalte im Abgas am Einlass der Abgasnachbehandlungseinrichtung oder zumindest das Reagieren auf solche niedrigen Sauerstoffgehalte führt somit zu einer besonders weitgehenden Verbesserung der Stickoxid-Reduktion in der Abgasnachbehandlungseinrichtung.
Zusätzlich oder alternativ wird der Sauerstoffgehalt stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung erhöht, wenn der Gehalt an Stickstoffdioxid im Abgas geringer wird oder geringer zu werden droht als 25%. Insbesondere, wenn jedoch der Stickstoffdioxidgehalt im Abgas auf weniger als 10% absinkt, wird vorliegend der Sauerstoff und/oder das sauerstoffhaltige Medium in den Abgastrakt eingebracht, um die Konversion der Stickoxide in der Abgasnachbehandlungseinrichtung zu verbessern.
Bevorzugt wird durch das Einbringen des Sauerstoffs und/oder des sauerstoffhaltigen Mediums in den Abgastrakt ein Gehalt an Sauerstoff im Abgas an einem Einlass in die Abgasnachbehandlungseinrichtung von wenigstens 5% eingestellt. So kann besonders weitgehend sichergestellt werden, dass keine nennenswerte Verringerung der Umsetzung von Stickoxiden aufgrund eines zu niedrigen Sauerstoffgehalts im Abgas erfolgt.
Besonders günstig ist es, wenn dann Sauerstoff oder Luft in den Abgastrakt eingebracht wird, bevor tatsächlich niedrige Werte des Sauerstoffgehalts oder des Stickstoffdioxidgehalts im Abgas vorliegen. Dann kommt es nämlich gar nicht erst zu einer Verringerung der Aktivität der Abgasnachbehandlungseinrichtung. Entsprechend wird gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung der Sauerstoff oder das sauerstoffhaltige Medium dann in den Abgastrakt eingebracht, wenn eine Last und/oder eine Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne um einen vorbestimmten Betrag ansteigt. Ein Erhöhen der Motorlast beziehungsweise des Motordrehmoments, jedoch auch ein Erhöhen der Motordrehzahl kann nämlich zu einem Absinken des Sauerstoffgehalts eingangsseitig der Abgasnachbehandlungseinrichtung führen.
Bevorzugt wird hierbei die Zufuhr von Sauerstoff oder Luft unmittelbar bei der Anforderung einer erhöhten Motorlast beziehungsweise einer erhöhten Motordrehzahl erhöht. Insbesondere wird die Luftzufuhr erhöht, wenn die Nennlast der Verbrennungskraftmaschine angefordert wird, also etwa beim Durchtreten eines Gaspedals des Fahrzeugs.
Das Einbringen des Sauerstoffs oder des sauerstoffhaltigen Mediums in den Abgastrakt kann jedoch auch dadurch ausgelöst werden, dass der Stickoxidgehalt des Abgases innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne um einen vorbestimmten Betrag ansteigt. Auch eine sprunghafte Erhöhung des Stickoxidgehalts im Abgas kann nämlich ohne ein Zuführen von Sauerstoff beziehungsweise Luft stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung zu einem Absinken des Sauerstoffgehalts beziehungsweise des Stickstoffdioxidgehalts stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung führen.
Hierbei kann vorgesehen sein, dass der Sauerstoffgehalt stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung erhöht wird, wenn die Last, die Drehzahl oder der Stickoxidgehalt des Abgases um wenigstens 20% innerhalb der Zeitspanne ansteigen. Wird das Einbringen des Sauerstoffs beziehungsweise der Luft in den Abgastrakt vom Ansteigen des Betrags der Last abhängig gemacht, so kann insbesondere bei einer Erhöhung der Last um wenigstens 20% der Nennlast der Verbrennungskraftmaschine der Sauerstoffgehalt stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung erhöht werden. Ein derart deutliches Ansteigen des Betrags ist nämlich besonders zuverlässig und sicher detektierbar, und es muss mit einem entsprechenden Absinken des Sauerstoffgehalts beziehungsweise des Gehalts an Stickstoffdioxid im Abgas stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung gerechnet werden, wenn nicht durch das Erhöhen des Sauerstoffgehalts gegengesteuert wird.
Der Sauerstoff beziehungsweise das sauerstoffhaltige Medium wird insbesondere dann in den Abgastrakt eingebracht, wenn das Ansteigen des Betrags innerhalb von weniger als 5 s insbesondere innerhalb von weniger als 3 s erfolgt. So kann besonders gut sichergestellt werden, dass auf eine sprunghafte Erhöhung der vorgenannten Parameter entsprechend reagiert wird.
Bevorzugt ist es weiterhin, wenn der Sauerstoff oder das sauerstoffhaltige Medium dann in den Abgastrakt eingebracht wird, wenn eine Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung größer ist als ein Schwellenwert der Temperatur. So kann nämlich sichergestellt werden, dass die Abgasnachbehandlungseinrichtung aktiv ist, also tatsächlich Stickoxide aus dem Abgas mit dem Ammoniak umsetzt. Die Zufuhr von Sauerstoff beziehungsweise Luft in den Abgastrakt stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung kann hierbei insbesondere an die Bedingung geknüpft sein, dass die Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung einen Wert von etwa 250°C überschreitet.
Da bei dem Fahrzeug üblicherweise ohnehin eine Dosiereinrichtung vorgesehen ist, mittels welcher eine Reduktionsmittellösung für die Abgasnachbehandlung stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung in den Abgastrakt eingebracht werden kann, kann als sauerstoffhaltiges Medium Luft mittels dieser Dosiereinrichtung in das Abgas eingebracht werden. Dann kann nämlich dieselbe Dosiereinrichtung sowohl zum Dosieren der Reduktionsmittellösung, beispielsweise der Harnstoff-Wasser-Lösung, als auch zum Zudosieren von Luft in den Abgastrakt verwendet werden, und eine separate Zufuhreinheit kann entfallen.
Wenn jedoch die Dosiereinrichtung nicht dazu ausgelegt ist, zusätzlich zur Reduktionsmittellösung auch Luft oder Sauerstoff in den Abgastrakt einzubringen, kann eine separate Luftzufuhreinheit genutzt werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn eine solche Zufuhreinheit ohnehin vorgesehen ist, beispielsweise um stromaufwärts eines der Abgasnachbehandlungseinrichtung vorgeschalteten Oxidationskatalysators den Sauerstoffgehalt im Abgas zu erhöhen. Auch eine Zufuhreinheit, welche zusätzlich zum Einbringen von Kraftstoff in das Abgas ausgebildet ist, kann zum Einbringen von Luft beziehungsweise Sauerstoff in den Abgastrakt genutzt werden.
Die Dosiereinrichtung beziehungsweise die Zufuhreinheit kann von einem Kompressor, einem Druckluftspeicher oder einer Sekundärluftpumpe gespeist werden. Dies gilt insbesondere, wenn eine derartige Versorgungseinrichtung ohnehin bereits im Fahrzeug vorhanden ist.
Die erfindungsgemäße Abgasanlage für ein Fahrzeug umfasst einen Abgastrakt, welcher von einer Verbrennungskraftmaschine des Fahrzeugs zu einer Abgasnachbehandlungseinrichtung führt, welche zum Verringern des Stickoxidgehalts des Abgases ausgebildet ist. Stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung ist wenigstens eine Einrichtung zum Einbringen von Sauerstoff und/oder einem sauerstoffhaltigen Medium in den Abgastrakt vorgesehen. Eine Steuerungseinrichtung dient dem Ansteuern der wenigstens einen Einrichtung in Abhängigkeit von einem vorliegenden oder bevorstehenden Gehalt wenigstens einer Komponente des Abgases, welcher geringer ist als ein vorbestimmter Schwellenwert des Gehalts der wenigstens einen Komponente. So kann durch Ausgeben von Steuerbefehlen mittels der Steuerungseinrichtung dafür gesorgt werden, dass die zum Einbringen des Sauerstoffs beziehungsweise des sauerstoffhaltigen Mediums in den Abgastrakt ausgelegte Einrichtung das Abgas lokal mit Sauerstoff anreichert und so zu einer Verbesserung der Stickoxid-Reduktion mittels der Abgasnachbehandlungseinrichtung führt.
Die für das erfindungsgemäße Verfahren beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für die erfindungsgemäße Abgasanlage und umgekehrt.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren 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 Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
1 eine Abgasanlage für ein Fahrzeug, bei welcher stromaufwärts eines SCR-Katalysators mittels einer Dosiereinrichtung für eine Harnstoff-Wasser-Lösung auch Luft in eine Abgasleitung eingebracht werden kann;
2 eine Abgasanlage, bei welcher der Sauerstoffgehalt stromaufwärts des SCR-Katalysators durch Einbringen von Luft mittels einer stromaufwärts eines Oxidationskatalysators angeordneten Zufuhreinheit erhöht werden kann;
3 einen Graphen, welcher ein sprunghaftes Ansteigen einer Drehzahl, einer Motorlast oder der Stickoxidkonzentration im Abgas als Auslöser für das Einbringen der Luft stromaufwärts des SCR-Katalysators veranschaulicht;
4 das Verhalten eines Eisen-Zeolith-Katalysators im Hinblick auf die Konversion von Stickoxiden in Abhängigkeit vom Sauerstoffgehalt im Abgas bei unterschiedlichen Stickstoffdioxidkonzentrationen bei 200°C;
5 das Verhalten eines Kupfer-Zeolith-Katalysators im Hinblick auf die Konversion von Stickoxiden in Abhängigkeit vom Sauerstoffgehalt im Abgas bei unterschiedlichen Stickstoffdioxidkonzentrationen bei 200°C;
6 das Verhalten eines Vanadium-Katalysators im Hinblick auf die Konversion von Stickoxiden in Abhängigkeit vom Sauerstoffgehalt im Abgas bei unterschiedlichen Stickstoffdioxidkonzentrationen bei 200°C;
7 das Verhalten des Eisen-Zeolith-Katalysators gemäß 4 bei 300°C;
8 das Verhalten des Kupfer-Zeolith-Katalysators gemäß 5 bei 300°C; und
9 das Verhalten des Vanadium-Katalysators gemäß 6 bei 300°C.
Durch eine in 1 schematisch gezeigte Abgasanlage 10 wird Abgas eines Verbrennungsmotors 12 eines Fahrzeugs geleitet und hierbei behandelt. Die Abgasanlage 10 umfasst eine Abgasleitung 14, welche vom Verbrennungsmotor 12 zu einem SCR-Katalysator 16 führt. Stromaufwärts des SCR-Katalysators 16 wird mittels einer Dosiereinheit 18 eine wässrige Harnstofflösung 20 in das durch die Abgasleitung 14 strömende Abgas eingebracht. Hierfür weist die Dosiereinheit 18 einen ersten Anschluss 22 auf, über welchen sie mit der Harnstoff-Wasser-Lösung 20 versorgt wird. Im heißen Abgas wird der Harnstoff aus der Harnstoff-Wasser-Lösung 20 zu Ammoniak umgesetzt. Dieser reagiert im SCR-Katalysator 16 mit im Abgas enthaltenen Stickoxiden in einer selektiven katalytischen Reduktionsreaktion zu Stickstoff und Wasser.
Es hat sich gezeigt, dass diese Umsetzung oder Konversion von Stickoxiden im Abgas vom Sauerstoffgehalt und vom Gehalt an Stickstoffdioxid im Abgas stromaufwärts des SCR-Katalysators 16 abhängt. Bei niedrigem Sauerstoffgehalt und bei niedrigem Stickstoffdioxidgehalt stromaufwärts des SCR-Katalysators 16 zeigt sich eine signifikante Verringerung der Stickoxid-Konversion des SCR-Katalysators 16. Dies gilt für Eisen-Zeolith-basierte SCR-Katalysatoren (vergleiche 4 und 7), für Kupfer-Zeolith-basierte SCR-Katalysatoren (vergleiche 5 und 8) und für Vanadium-basierte SCR-Katalysatoren (vergleiche 6 und 9).
Vorliegend wird daher das Abgas mit Luft und somit mit Luftsauerstoff stromaufwärts des SCR-Katalysators 16 angereichert, um eine Verbesserung der Stickoxid-Reduktion am SCR-Katalysator 16 zu erreichen. Dies geschieht bei der Abgasanlage 10 gemäß 1 mittels derselben Dosiereinheit 18, welche auch dem Zudosieren der Harnstoff-Wasser-Lösung 20 in das Abgas dient. Diese integrierte Dosiereinheit 18 weist nämlich einen weiteren Anschluss 24 auf, über welchen Luft 26 in die Dosiereinheit 18 gelangen und mittels der Dosiereinheit 18 stromaufwärts des SCR-Katalysators 16 in das Abgas eingebracht werden kann.
Ein Steuergerät 27 steuert die Dosiereinheit 18 an, um das Einbringen der Luft 26 in die Abgasleitung 14 zu bewirken. Hierbei verarbeitet das Steuergerät 27 Eingangsgrößen, auf die im Folgenden erläuterte Art und Weise.
Bei der in 2 gezeigten Abgasanlage 10 ist dem SCR-Katalysator 16 ein Oxidationskatalysator 28 vorgeschaltet, und zwischen dem Oxidationskatalysator 28 und der Dosiereinheit 18 kann optional ein Partikelfilter 30 vorgesehen sein. Stromaufwärts des Oxidationskatalysators 28 und stromabwärts des Verbrennungsmotors 12 befindet sich eine Zufuhreinheit 32, über welche ebenfalls Luft 26 in das Abgas eingebracht werden kann. Wenn eine solche Zufuhreinheit 32 vorgesehen ist, kann die stromabwärts des Partikelfilters 30 angeordnete Dosiereinheit 18 auch lediglich zum Zuführen der Harnstoff-Wasser-Lösung 20 in die Abgasleitung 14 ausgebildet sein. Vorliegend kann jedoch auch mittels der Dosiereinheit 18 Luft 26 in das Abgas eingebracht werden.
Stromaufwärts des Oxidationskatalysators 28 ist des Weiteren ein Kraftstoffdosierer 34 vorgesehen, mittels welchem Kraftstoff 36 in die Abgasleitung 14 eingebracht werden kann. Dies kann beispielsweise erfolgen, um nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 12 die Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtungen wie etwa des Oxidationskatalysators 28, des Partikelfilters 30 oder des SCR-Katalysators 16 auf einen Wert zu erhöhen, bei welchem sich ein nennenswerter Umsatz von Abgasbestandteilen einstellt. Der Kraftstoff 36 kann auch zudosiert werden, um den Partikelfilter 30 zu regenerieren, also den in diesem zurückgehaltenen Ruß abzubrennen. Insbesondere wenn die Zufuhreinheit 32 fehlt und die Dosiereinheit 18 nicht den Anschluss 24 für die Luft 26 aufweist, so kann über den Kraftstoffdosierer 34 Luft 26 in die Abgasleitung 14 eingebracht werden. Alternativ kann die Luft 26 wahlweise über die die Zufuhreinheit 32, die Dosiereinheit 18 oder den Kraftstoffdosierer 34 in das Abgas gelangen. Bei der Abgasanlage 10 gemäß 2 ist das Steuergerät, welche zum Einbringen der Luft 26 in das Abgas die jeweilige Einheit ansteuert, der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
Das Zuführen von Luft und somit Sauerstoff ist allgemein dann vorgesehen, wenn der Gehalt an verfügbarem Sauerstoff im Abgas hinter dem Oxidationskatalysator 28 und vor dem SCR-Katalysator 16 beziehungsweise hinter dem Partikelfilter 30 und vor dem SCR-Katalysator 16 auf einen vorbestimmten, niedrigen Wert absinkt oder abzusinken droht. Als niedriger Wert kann hierbei ein Wert von weniger als 5% Sauerstoff im Abgas insbesondere von weniger als 3% Sauerstoff im Abgas vorgesehen sein. Ein Sauerstoffgehalt des Abgases von weniger als 5% kann sich bei einem Luftverhältnis λ von in etwa 1,25 einstellen, ein Sauerstoffgehalt von 3% bei einem Luftverhältnis λ von etwa 1,1.
Zusätzlich oder alternativ wird vorliegend festgestellt, ob der Stickstoffdioxidgehalt im Abgas auf einen vorbestimmten niedrigen Wert von weniger als 25% insbesondere von weniger als 10% absinkt. Wenn nämlich zugleich niedrige Sauerstoffgehalte und niedrige Stickstoffdioxidgehalte vorliegen, so hat dies erhebliche Auswirkungen auf die Konversion von Stickoxiden im SCR-Katalysator 16. Solche niedrigen Konversionsraten werden vorliegend verhindert, indem die Luft 26 oder Sauerstoff in die Abgasleitung 14 stromaufwärts des SCR-Katalysators 16 eingebracht wird. Hierbei wird bevorzugt so viel Luft 26 zugeführt, dass der Sauerstoffgehalt im Abgas eingangsseitig des SCR-Katalysators 16 auf wenigstens 5% ansteigt.
Bevorzugt wird vorliegend die Zufuhr von Luft 26 in das Abgas bereits vorgenommen, bevor sich kritische, also niedrige Gehalte an Sauerstoff stromaufwärts des SCR-Katalysators 16 einstellen. Die Luftzufuhr erfolgt nämlich beispielsweise dann, wenn eine Motorlast, also ein Motordrehmoment oder wenn eine Motordrehzahl sprunghaft erhöht werden. Dies wird vorliegend anhand von 3 veranschaulicht.
In einem in 3 gezeigten Graphen ist auf einer Abszisse 38 die Zeit t aufgetragen und auf einer Ordinate 40 ein Parameter, bei welchem es sich um das Motordrehmoment M, die Motordrehzahl n oder den Stickoxidgehalt NO_x im Abgas handeln kann. Eine Kurve 42 veranschaulicht den zeitlichen Verlauf dieses Parameters. Wenn innerhalb einer kurzen Zeitspanne Δt der betrachtete Parameter um einen vorbestimmten Betrag 44 ansteigt, so würde ohne das Zuführen von Luft stromaufwärts des SCR-Katalysators 16 es zu einem Absinken des Sauerstoffgehalts oder des Stickstoffdioxidgehalts unter diejenigen Schwellenwerte kommen, bei welchen sich eine signifikante Verschlechterung der Konversion der Stickoxide am SCR-Katalysator 16 zeigt.
Die erhöhte Luftzufuhr stromaufwärts des SCR-Katalysators 16 wird daher vorzugsweise direkt bei der Anforderung eines Erhöhung des Motordrehmoments M oder der Motordrehzahl n vorgenommen. Insbesondere wird das Einbringen der Luft 26 beziehungsweise von Sauerstoff stromaufwärts des SCR-Katalysators 16 dann ausgelöst, wenn die Nennlast des Verbrennungsmotors 12 angefordert wird, indem ein Fahrer des Fahrzeugs das Gaspedal durchtritt.
Jedoch auch bei einem sprunghaften Ansteigen des Stickoxidgehalts im Abgas erfolgt die Zufuhr der Luft 26 einlassseitig des SCR-Katalysators 16. Als Betrag 44 kann ein Betrag von wenigstens 20% vorgesehen sein, wobei bei einer Erhöhung des angeforderten Motordrehmoments 20% der Nennlast, also des maximalen Drehmoments des Verbrennungsmotors 12 als der Betrag 44 des sprunghaften Anstiegs herangezogen wird, bei dessen Vorliegen das Abgas mit der Luft 26 beziehungsweise mit Sauerstoff angereichert wird.
Um festzustellen, ob es sich um eine sprunghafte Erhöhung des oder der genannten Parameter handelt, kann sich die Betrachtung auf eine Zeitspanne Δt von weniger als 5 s, insbesondere von weniger als 3 s richten.
Bevorzugt wird zusätzlich berücksichtigt, ob der SCR-Katalysator 16 seine Anspringtemperatur erreicht hat, also eine Temperatur, ab welcher mindestens 50% der Stickoxide umgesetzt werden. Eine derartige Aktivität des SCR-Katalysators 16 ist beispielsweise bei einer Temperatur von 250°C am SCR-Katalysator 16 gegeben.
In 4 ist das Verhalten eines Eisen-Zeolith basierten SCR-Katalysators 16 im Hinblick auf die auf einer Ordinate 46 in Prozent angegebene Konvertierung von Stickoxiden in Abhängigkeit vom Sauerstoffgehalt veranschaulicht, welcher auf einer Abszisse 48 angegeben ist. Eine erste Kurve 50 beschreibt die Konversion bei 200°C und einem Stickstoffdioxidanteil an den Stickoxiden von 0%, eine zweite Kurve 52 die Konversion bei 200°C und einem Stickstoffdioxidanteil an den Stickoxiden von 50%.
5 zeigt analoge Kurven 54, 56 für einen Kupfer-Zeolith basierten SCR-Katalysator 16 und 6 weitere Kurven 58, 60 für einen Vanadium basierten SCR-Katalysator 16. Hierbei zeigen die Kurven 54, 58 die Konversion von Stickoxiden bei einem Stickstoffdioxidanteil an den Stickoxiden von 0% und die Kurven 56, 60 die Konversion von Stickoxiden bei einem Stickstoffdioxidanteil an den Stickoxiden von 50%.
Bei allen drei Katalysatortechnologien ist bei niedrigen Temperaturen von hier beispielsweise etwa 200°C eine mehr oder weniger starke Abhängigkeit der Konversion vom Sauerstoffgehalt in Abwesenheit von Stickstoffdioxid zu erkennen. Insbesondere beim Kupfer-Zeolith basierten SCR-Katalysator 16 ist bei einem Sauerstoffgehalt von weniger als 5% eine sehr starke Abhängigkeit der Konversion vom Sauerstoffgehalt im Abgas ersichtlich. Diese kann zu einer um ca. 10% bis 20% verringerten Stickoxidkonversion im Vergleich zu Bedingungen mit einem Sauerstoffgehalt von 5% oder mehr führen. Sobald eine Konzentration von 5% bis 8% Sauerstoff im Abgas eingestellt ist, wird bei den vorliegend beschriebenen verschiedenen Typen des SCR-Katalysators 16 kein signifikanter Einfluss des Sauerstoffgehalts auf die Stickoxid-Konversion mehr festgestellt.
In 7 veranschaulichen Kurven 62, 64, 66 das Verhalten des Eisen-Zeolith basierten SCR-Katalysators 16 bei 300°C und 0% Stickstoffdioxid (Kurve 62), 50% Stickstoffdioxid (Kurve 66) und 75% Stickstoffdioxid (Kurve 64). Hier ist in Abwesenheit von Stickstoffdioxid (Kurve 62) eine starke Abhängigkeit der Konversion vom Sauerstoffgehalt ersichtlich.
8 veranschaulicht anhand von Kurven 70, 68, 72 das entsprechende Konversionsverhalten des Kupfer-Zeolith basierten SCR-Katalysators 16 bei den unterschiedlichen Stickstoffdioxidgehalten und Sauerstoffgehalten.
Ebenso wie durch entsprechende Kurven 78, 74, 76 in 9 für den Vanadium basierten SCR-Katalysator 16 veranschaulicht, ist bei diesen beiden letztgenannten SCR-Technologien die Abhängigkeit der Stickoxid-Konversion von dem Stickstoffdioxidgehalt und dem Sauerstoffgehalt für die betrachtete Temperatur von 300°C deutlich weniger stark ausgeprägt als bei dem Eisen-Zeolith basierten SCR-Katalysator 16.
Durch das Einbringen des Sauerstoffs beziehungsweise der Luft 26 stromaufwärts des SCR-Katalysators 16 wird somit insbesondere bei vergleichsweise niedrigen Abgastemperaturen eine verbesserte Konversion von Stickoxiden am SCR-Katalysator 16 erreicht.

Claims

Verfahren zum Behandeln von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine (12) eines Fahrzeugs, bei welchem das Abgas der Verbrennungskraftmaschine (12) über einen Abgastrakt (14) einer zum Verringern des Stickoxidgehalts des Abgases ausgebildeten Abgasnachbehandlungseinrichtung (16) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung (16) Sauerstoff und/oder ein sauerstoffhaltiges Medium (26) in den Abgastrakt (14) eingebracht wird, wenn ein Gehalt wenigstens einer Komponente des Abgases geringer wird oder geringer zu werden droht als ein vorbestimmter Schwellenwert des Gehalts der wenigstens einen Komponente.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoff und/oder das sauerstoffhaltige Medium (26) in den Abgastrakt (14) eingebracht wird, wenn ein Gehalt an Sauerstoff und/oder an Stickstoffdioxid im Abgas geringer wird oder geringer zu werden droht als ein vorbestimmter Schwellenwert des Gehalts.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoff und/oder das sauerstoffhaltige Medium (26) in den Abgastrakt (14) eingebracht wird, wenn der Gehalt an Sauerstoff im Abgas geringer wird oder geringer zu werden droht als 5%, insbesondere geringer als 3%, und/oder wenn der Gehalt an Stickstoffdioxid im Abgas geringer wird oder geringer zu werden droht als 25%, insbesondere geringer als 10%.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Einbringen des Sauerstoffs und/oder des sauerstoffhaltigen Mediums (26) in den Abgastrakt (14) ein Gehalt an Sauerstoff im Abgas an einem Einlass in die Abgasnachbehandlungseinrichtung (16) von wenigstens 5% eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoff und/oder das sauerstoffhaltige Medium (26) in den Abgastrakt (14) eingebracht wird, wenn eine Last und/oder eine Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine (12) innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne (Δt) um einen vorbestimmten Betrag (44) ansteigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoff und/oder das sauerstoffhaltige Medium (26) in den Abgastrakt (14) eingebracht wird, wenn der Stickoxidgehalt des Abgases innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne (Δt) um einen vorbestimmten Betrag (44) ansteigt.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Ansteigen des Betrags (44) um wenigstens 20% innerhalb der sich auf weniger als 5 s, insbesondere auf weniger als 3 s, belaufenden Zeitspanne (Δt) der Sauerstoff und/oder das sauerstoffhaltige Medium (26) in den Abgastrakt (14) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoff und/oder das sauerstoffhaltige Medium (26) in den Abgastrakt (14) eingebracht wird, wenn eine Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung (16) größer ist als ein Schwellenwert der Temperatur, insbesondere größer als etwa 250°C.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als sauerstoffhaltiges Medium Luft (26) mittels einer, insbesondere von einem Kompressor und/oder einem Druckluftspeicher und/oder einer Sekundärluftpumpe versorgten, – zum Dosieren einer Reduktionsmittellösung (20) für die Abgasnachbehandlung in den Abgastrakt (14) ausgebildeten Dosiereinrichtung (18) und/oder – zum Einbringen von Luft (26) und/oder Kraftstoff (36) in den Abgastrakt (14) ausgebildeten Zufuhreinheit (32, 34) in den Abgastrakt (14) eingebracht wird.
Abgasanlage für ein Fahrzeug, mit einem Abgastrakt (14), welcher von einer Verbrennungskraftmaschine (12) des Fahrzeugs zu einer zum Verringern des Stickoxidgehalts des Abgases ausgebildeten Abgasnachbehandlungseinrichtung (16) führt, und mit wenigstens einer Einrichtung (18, 32, 34) zum Einbringen von Sauerstoff und/oder einem sauerstoffhaltigen Medium (26) in den Abgastrakt (14) stromaufwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung (16), gekennzeichnet durch eine Steuerungseinrichtung (27) zum Ansteuern der wenigstens einen Einrichtung (18, 32, 34) in Abhängigkeit von einem vorliegenden oder bevorstehenden Gehalt wenigstens einer Komponente des Abgases, welcher geringer ist als ein vorbestimmter Schwellenwert des Gehalts der wenigstens einen Komponente.