DE102012211684A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine, wobei Stickoxid im Abgas durch in den Abgaskanal vor einem Stickoxid-Katalysator pulsförmig eindosierte Kohlenwasserstoffe umgesetzt wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass im Abgasstrom nach dem Stickoxid-Katalysator eine Konzentration oder ein Maß für die Konzentration von Kohlenwasserstoffen im Abgas mittels eines Kohlenwasserstoff-Sensors bestimmt wird und die Dosiermenge der Kohlenwasserstoffe aufgrund der mittels des Kohlenwasserstoff-Sensors bestimmten durch den Stickoxid-Katalysator durchgetretenen Konzentration an Kohlenwasserstoffen oder des Maßes für die Konzentration derart beeinflusst wird, dass ein Durchbruch von Kohlenwasserstoffen durch den Stickoxid-Katalysator gerade vermieden wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Die Vorrichtung und das Verfahren ermöglichen eine Zudosierung von Kohlenwasserstoffen zum Abgas der Brennkraftmaschine derart, dass einerseits deren Reinigungswirkung bei der Entfernung von Stickoxid bezogen auf die eingesetzte Menge optimal ausgenutzt wird, andererseits aber ein Durchbruch ungenutzter Kohlenwasserstoffe vermieden werden kann.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine, wobei Stickoxid im Abgas durch in den Abgaskanal vor einem Stickoxid-Katalysator pulsförmig eindosierte Kohlenwasserstoffe umgesetzt wird.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine, wobei ein Stickoxid-Katalysator zur Umsetzung von Stickoxid vorgesehen ist und wobei in dem Abgaskanal vor dem Stickoxid-Katalysator eine Dosiereinrichtung zur pulsförmigen Zudosierung von Kohlenwasserstoffen vorgesehen ist.
  • Zur Reduktion von Emissionen unerwünschter Bestandteile des Abgases von Brennkraftmaschinen werden heute in Abgasnachbehandlungssystemen verschiedene Katalysatoren und Filter vorgesehen. So können beispielhaft bei Dieselmotoren neben Oxidationskatalysatoren zur Oxidation von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid Dieselpartikelfilter und NOx-Speicherkatalysatoren vorgesehen sein.
  • Partikelfilter werden zur Reduzierung der Partikelemission eingesetzt. Das Abgas wird durch den Partikelfilter geleitet, der die in dem Abgas befindlichen Feststoffpartikel abscheidet und in einem Filtersubstrat zurückhält. Durch die in dem Filtersubstrat eingelagerten Rußmassen setzt sich der Partikelfilter mit der Zeit zu und die eingelagerte Rußmasse muss von Zeit zu Zeit in einem Regenerationsprozess verbrannt werden.
  • NOx-Speicherkatalysatoren (NSC: NOx Storage Catalyst) dienen der Reduzierung der Stickoxid (NOx-)-Emission von Brennkraftmaschinen. Im Betrieb der Brennkraftmaschine wird NO2 in dem NOx-Speicherkatalysator eingelagert. NO wird dabei auf dem Speicherkatalysator selbst oder in einem vorgeschalteten Oxidationskatalysator zu NO2 oxidiert. Ist die NO2-Speichergrenze des Stickoxid-Speicherkatalysators erreicht, muss dieser regeneriert werden. Zur Bereitstellung des dazu notwendigen Kohlenmonoxids muss das Abgas ein Lambda ≤ 1 aufweisen. Dazu muss im Allgemeinen die Brennkraftmaschine in einen Regenerationsbetrieb umgeschaltet werden, das heißt die motorischen Parameter mehr oder weniger stark verändert werden, um die für die Regeneration notwendige Abgaszusammensetzung und Abgastemperatur zu erreichen. Hierbei ist zu beachten, dass der Bediener des Fahrzeugs keine Änderung des Fahrverhaltens durch diese in kurzen Zeitabständen von einigen Minuten erforderliche Maßnahme bemerken sollte. Nachteilig ist auch, dass allgemein der Kraftstoffverbrauch durch eine solche Maßnahme erhöht wird und dass eine Verdünnung des Schmieröls vorkommen kann. Zudem ist das Verstellen des Motorbetriebs zur Einstellung eines fetten Abgasgemischs im Allgemeinen nur in einem Teil des Betriebsbereichs des Motors möglich. Bei mager betriebenen Dieselmotoren kann die Einspritzung von Kraftstoff in den Abgaskanal direkt vor dem NOx Speicherkatalysator vorgesehen sein.
  • Es kann auch vorgesehen sein, die Zudosierung von Kraftstoff in kürzeren Intervallen von einigen Sekunden durchzuführen. Die EP 2402571A1 und die EP 2402572A1 beschreiben ein Verfahren zur Verbesserung der Reinigungswirkung eines NOx-Katalysators bei hoher Betriebstemperatur. Die Reinigung erfolgt dabei nach zwei Methoden. Bei hoher Betriebstemperatur wird Kohlenwasserstoff in Form von Kraftstoff in kurzen Intervallen in den Abgasstrom vor dem NOx-Katalysator zudosiert und NOx durch einen dort näher beschriebenen Mechanismus umgesetzt. Bei niedriger Katalysator-Betriebstemperatur wird die Speichermethode eingesetzt.
  • Wird Kohlenwasserstoff in Form von Kraftstoff in den Abgasstrom einer mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch betriebenen Brennkraftmaschine zudosiert, wird ein Teil des Kohlenwasserstoffs von dem überschüssigen Sauerstoff im Abgas und von im Katalysator angelagertem Sauerstoff oxidiert. Nur die verbliebene Menge Kohlenwasserstoff trägt zur Umsetzung des NOx bei. Es ist daher vorteilhaft, den Kohlenwasserstoff in Pulsen mit möglichst großer Einspritzmenge von beispielhaft 60 bis 250 Milligramm pro Puls in kurzen Pulsen von beispielhaft 10 bis 60 Millisekunden einzubringen. Hierbei muß beachtet werden, dass der Kohlenwasserstoff auch wirklich verwertet werden kann und nicht ungenutzt den Katalysator verlässt. Dies würde einen unerwünschten Ausstoß von Stoffen im Abgas und einen Mehrverbrauch von Kraftstoff bedeuten. Die so beschriebene Grenzmenge an Zudosierung wird als Schlupfgrenze bezeichnet. Die Schlupfgrenze hängt dabei unter anderem von der Temperatur des Katalysators und vom Abgasmassenstrom ab.
  • Die DE 10 2005 049 770 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, in deren Abgasbereich, der eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung enthält, bei vorgegebenen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine und/oder der Abgasnachbehandlungseinrichtung ein Reagenzmittel eingebracht wird. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Korrekturgröße für ein Reagenzmittelsignal, welches die in den Abgasbereich einzubringende Reagenzmittelmenge festlegt, ermittelt wird und dass die Korrekturgröße festgelegt wird anhand eines Vergleichs eines Maßes für die Istmenge des Reagenzmittels im Abgasbereich, die aufgrund eines Maßes für eine vorgegebene Sollmenge eingebracht wurde, und des Maßes für die Sollmenge. Die Schrift schlägt hierzu vor, die Istmenge aus einem im Abgasbereich bestimmten Lambdawert zu ermitteln.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Bestimmung einer geeigneten Dosiermenge von Kohlenwasserstoffen in den Abgaskanal einer Brennkraftmaschine vor einem Stickoxid-Katalysator bereitzustellen.
  • Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass im Abgasstrom nach dem Stickoxid-Katalysator eine Konzentration oder ein Maß für die Konzentration von Kohlenwasserstoffen im Abgas mittels eines Kohlenwasserstoff-Sensors bestimmt wird und die Dosiermenge der Kohlenwasserstoffe aufgrund der mittels des Kohlenwasserstoff-Sensors bestimmten durch den Stickoxid-Katalysator durchgetretenen Konzentration an Kohlenwasserstoffen oder des Maßes für die Konzentration derart beeinflusst wird, dass ein Durchbruch von Kohlenwasserstoffen durch den Stickoxid-Katalysator gerade vermieden wird. Werden Kohlenwasserstoffe in Form von Kraftstoff in das Abgas einer mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch betriebenen Brennkraftmaschine eindosiert, oxidiert der überstöchiometrische Sauerstoff einen Teil der Kohlenwasserstoffe und nur der verbleibende Teil trägt zum Abbau der Stickoxide zu Wasserdampf, Stickstoff und Kohlendioxid an dem Stickoxid-Katalysator bei. Es ist daher vorteilhaft, die Kohlenwasserstoffe in möglichst hohen aber kurzen Pulsen einzudosieren.
  • Andererseits darf die Zudosierung nicht so hoch sein, dass nennenswerte Mengen Kohlenwasserstoffe nach dem Stickoxid-Katalysator im Abgas verbleiben und mit dem Abgasstrom die Anlage verlassen. Ein solcher Durchbruch von Kohlenwasserstoffen würde den Verbrauch der Brennkraftmaschine an Kraftstoff als auch die unerwünschten Emissionen unnötig erhöhen. Es ist daher vorteilhaft, die Zudosierung so einzustellen, dass die Anlage gerade unterhalb der so genannten Schlupfgrenze betrieben wird, bei der die Zudosierung gerade keinen Durchbruch von Kohlenwasserstoffen bewirkt aber die Stickoxide so vollständig wie möglich umgesetzt werden. In der Praxis haben sich Pulse der Länge von 10 bis 60 Millisekunden mit einer Zudosierung von 60 bis 250 Milligramm Kohlenwasserstoffen als geeignet erwiesen.
  • Wird die pulsförmig eingebrachte Dosiermenge der Kohlenwasserstoffe so eingestellt, dass die durch den Stickoxid-Katalysator durchgetretene Kohlenwasserstoff-Konzentration oder ein Maß für die Kohlenwasserstoff-Konzentration einen vorgegebenen Grenzwert nicht überschreitet, kann eine maximal mögliche Effizienz bei der Umsetzung von Stickoxid durch den zudosierten Kraftstoff erreicht werden. Gleichzeitig können Vorschriften über zulässige Emissionen an Stickoxid als auch an Kohlenwasserstoffen eingehalten werden.
  • Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass als Maß für die Konzentration von Kohlenwasserstoffen ein Massenstrom oder eine Masse von Kohlenwasserstoffen verwendet wird. Auf diese Weise kann im Abgasstrom nach dem Stickoxid-Katalysator bezogen auf einen Volumenstrom an Abgas oder bezogen auf eine Gesamtmenge ein vorgebbarer Grenzwert an Kohlenwasserstoffen eingehalten werden.
  • Die Regelung der Zudosierung kann besonders geeignet ausgelegt werden, indem die durchtretende Kohlenwasserstoff-Konzentration pro Puls und/oder im zeitlichen Mittel über mehrere Pulse bestimmt wird. Es kann so einerseits sehr kurzfristig reagiert werden, andererseits können kurze Störungen vermieden und langfristige Trends erkannt und ausgeregelt werden. Die Bildung des zeitlichen Mittels über mehrere Pulse kann dabei durch Bildung eines Gleitmittels erfolgen.
  • Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass der vorgegebene Grenzwert in Abhängigkeit von der Katalysatortemperatur und/oder dem Abgasmassenstrom vorgegeben wird.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Dosiermenge in einem geschlossenen Regelkreis mit dem Stickoxid-Katalysator, dem Kohlenwasserstoff-Sensor, einem zugeordneten Steuergerät mit einer Regelungslogik und einer Dosiereinrichtung für Kohlenwasserstoffe vor dem Stickoxid-Katalysator geregelt wird. Hierdurch können Unterschiede in der Dosiergenauigkeit, der Alterung des Katalysators und Einflüsse von Temperatur und Abgasmassenstrom berücksichtigt und ausgeglichen werden.
  • Wird als Stickoxid-Katalysator ein Stickoxid-Speicherkatalysator verwendet, kann eine Abgasreinigung mit geringem Einsatz von Kraftstoff in Phasen geringer Stickoxidmenge im Abgas als auch in einem mittleren Temperaturbereich zwischen 200°C und 450°C erreicht werden.
  • Eine Diagnose von Komponenten der Abgasreinigungsanlage hinsichtlich Schädigung oder Alterung ist möglich, indem aus der Dosiermenge der Kohlenwasserstoffe und der durch den Stickoxid-Katalysator durchgetretenen Menge an Kohlenwasserstoffen auf eine Alterung des Katalysators geschlossen wird. Auch eine Entfernung einzelner Komponenten aus der Abgasreinigungsanlage kann so detektiert werden.
  • Eine Weiterbildung des Verfahrens zur Diagnose der Abgasreinigungsanlage sieht vor, dass zur Bewertung der Alterung des Stickoxid-Katalysators zusätzlich zur Messung der Kohlenwasserstoff-Konzentration auch die Lambdawerte des Abgases vor und nach dem Stickoxid-Katalysator berücksichtigt werden, um Veränderungen an der Einspritzeinrichtung von Veränderungen es Katalysatorverhaltens zu unterscheiden.
  • Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe der Erfindung wird gelöst, indem im Abgaskanal nach dem Stickoxid-Katalysator ein Kohlenwasserstoff-Sensor vorgesehen ist, dessen Ausgangssignal einer Steuerung zugeführt ist, die einen Schaltkreis oder einen Programmablauf zur Vorgabe der Zudosierung unter Einhaltung einer Obergrenze für einen Durchbruch von Kohlenwasserstoffen durch den Stickoxid-Katalysator enthält. Mit einer solchen Vorrichtung kann ein optimierter Einsatz der Menge an Kraftstoff bezogen auf die Reinigungswirkung im Abgas erzielt werden.
  • Eine Ausführungsform der Vorrichtung sieht vor, dass der Kohlenwasserstoff-Sensor hinter einem, dem Stickoxid-Katalysator nachgeschalteten Dieselpartikelfilter (DPF), angeordnet ist.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine Brennkraftmaschine mit einer Abgasreinigungsanlage,
  • 2 einen zeitlichen Verlauf einer Kohlenwasserstoffkonzentration.
  • 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 10 mit einer Luftzuführung 11 und einem Abgaskanal 13. Abgas aus der Brennkraftmaschine 10 wird in dem Abgaskanal 13 mittels eines Stickoxid-Katalysators 16 mit integriertem Dieselpartikelfilter von Stickoxid gereinigt, indem mittels einer Dosiereinheit 15 Kohlenwasserstoffe pulsförmig dem Abgas zudosiert werden. Diese werden mit dem Stickoxid im Stickoxid-Katalysator 16 katalytisch zu Wasserdampf, Kohlendioxid und Stickstoff umgesetzt, welche über einen Abgasaustritt 19 ausgeleitet werden. Die Erfindung ist jedoch auch auf Systeme ohne Dieselpartikelfilter anwendbar. Ein Steuergerät 12 ist mit der Dosiereinheit 15 und einem Kohlenwasserstoff-Sensor 17 verbunden. Mittels des Ausgangssignals des Kohlenwasserstoff-Sensors 17 wird über einen Programmablauf in der Steuereinheit 12 die durch die Dosiereinheit 15 eingebrachte Dosiermenge so geregelt, dass sich gerade kein Durchbruch von Kohlenwasserstoffen nach dem Stickoxid-Katalysator 16 einstellt. Weiterhin werden der Steuereinheit 12 die Ausgangssignale eines ersten Gas-Sensors 14 und eines zweiten Gas-Sensors 18 zugeführt, mit denen der Lambdawert des Abgases vor und nach dem Stickoxid-Katalysator 16 bestimmt wird, so dass sich das der Brennkraftmaschine 10 zugeführte Luft-Kraftstoff-Gemisch gemäß den Erfordernissen des Betriebs einstellen lässt. Die Ausgangssignale des ersten und des zweiten Gas-Sensors 14, 18 werden auch bei der Bewertung einer Alterung des Stickoxid-Katalysators 16 hinzugezogen.
  • 2 zeigt in einem Zeitdiagramm 20 einen pulsförmigen Verlauf einer Kohlenwasserstoffkonzentration beim Zudosieren in den Abgaskanal 13. Entlang einer Zeitachse 25 und einer Konzentrationsachse 21 ist ein pulsförmiger Konzentrationsverlauf 22 gezeigt. Weiterhin sind eine erste Grenze 23 und eine zweite Grenze 24 eingezeichnet. Wird der Brennkraftmaschine 10 ein mageres Luft-Kraftstoff-Gemisch zugeführt und werden in den Abgaskanal Kohlenwasserstoffe zudosiert, wird ein Teil der Kohlenwasserstoffe zunächst von dem überstöchiometrisch vorhandenen Sauerstoff oxidiert. Dies ist im Zeitdiagramm durch die zweite Grenze 24 angedeutet, unter der die so oxidierte Menge an Kohlenwasserstoffen liegt. Darüber hinaus gehende Konzentrationswerte tragen zur Umsetzung von Stickoxiden bei. Es ist daher vorteilhaft, pulsförmig mit ausreichend hohen Konzentrationen einzudosieren. Überschreitet der Konzentrationsverlauf 22 die erste Grenze 23, kann nicht mehr die Gesamtmenge an Kohlenwasserstoffen im Stickoxid-Katalysator 16 in der zu Verfügung stehenden Zeit umgesetzt werden und es erfolgt ein Durchbruch von Kohlenwasserstoffen. Bezogen auf die mit der Dosiereinheit 15 zudosierte Menge tritt somit ein Schlupf von Kohlenwasserstoffe auf, der vermieden werden muß, da er den Verbrauch der Brennkraftmaschine sowie deren Emissionen erhöht. Wirksam bei der Umsetzung von Stickoxid ist somit lediglich der Kohlenwasserstoff im Konzentrationsbereich zwischen der zweiten Grenze 24 und der ersten Grenze 23.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 2402571 A1 [0006]
    • EP 2402572 A1 [0006]
    • DE 102005049770 A1 [0008]

Claims (11)

  1. Verfahren zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine (10), wobei Stickoxid im Abgas durch in den Abgaskanal (13) vor einem Stickoxid-Katalysator (16) pulsförmig eindosierte Kohlenwasserstoffe umgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasstrom nach dem Stickoxid-Katalysator (16) eine Konzentration oder ein Maß für die Konzentration von Kohlenwasserstoffen im Abgas mittels eines Kohlenwasserstoff-Sensors (17) bestimmt wird und die Dosiermenge der Kohlenwasserstoffe aufgrund der mittels des Kohlenwasserstoff-Sensors (17) bestimmten durch den Stickoxid-Katalysator (16) durchgetretenen Konzentration an Kohlenwasserstoffen oder des Maßes für die Konzentration derart beeinflusst wird, dass ein Durchbruch von Kohlenwasserstoffen durch den Stickoxid-Katalysator (16) gerade vermieden wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die pulsförmig eingebrachte Dosiermenge der Kohlenwasserstoffe so eingestellt wird, dass die durch den Stickoxid-Katalysator (16) durchgetretenen Kohlenwasserstoff-Konzentration oder ein Maß für die Kohlenwasserstoff-Konzentration einen vorgegebenen Grenzwert nicht überschreitet.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Maß für die Konzentration von Kohlenwasserstoffen ein Massenstrom oder eine Masse von Kohlenwasserstoffen verwendet wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die durchtretende Kohlenwasserstoff-Konzentration pro Puls und/oder im zeitlichen Mittel über mehrere Pulse bestimmt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Grenzwert in Abhängigkeit von der Katalysatortemperatur und/oder dem Abgasmassenstrom vorgegeben wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiermenge in einem geschlossenen Regelkreis mit dem Stickoxid-Katalysator (16), dem Kohlenwasserstoff-Sensor (17), einem zugeordneten Steuergerät (12) mit einer Regelungslogik und einer Dosiereinheit (15) für Kohlenwasserstoffe vor dem Stickoxid-Katalysator (16) geregelt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Stickoxid-Katalysator (16) ein Stickoxid-Speicherkatalysator verwendet wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Dosiermenge der Kohlenwasserstoffe und der durch den Stickoxid-Katalysator (16) durchgetretenen Menge an Kohlenwasserstoffen auf eine Alterung des Stickoxid-Katalysators (16) geschlossen wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bewertung der Alterung des Stickoxid-Katalysators (16) zusätzlich zur Messung der Kohlenwasserstoff-Konzentration auch die Lambdawerte des Abgases vor und nach dem Stickoxid-Katalysator (16) berücksichtigt werden.
  10. Vorrichtung zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine (10), wobei ein Stickoxid-Katalysator (16) zur Umsetzung von Stickoxid vorgesehen ist und wobei in dem Abgaskanal (13) vor dem Stickoxid-Katalysator (16) eine Dosiereinheit (15) zur pulsförmigen Zudosierung von Kohlenwasserstoffen vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgaskanal (13) nach dem Stickoxid-Katalysator (16) ein Kohlenwasserstoff-Sensor (17) vorgesehen ist, dessen Ausgangssignal einer Steuerung (12) zugeführt ist, die einen Schaltkreis oder einen Programmablauf zur Vorgabe der Zudosierung unter Einhaltung einer Obergrenze für einen Durchbruch von Kohlenwasserstoffen durch den Stickoxid-Katalysator (16) enthält.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenwasserstoff-Sensor hinter einem, dem Stickoxid-Katalysator nachgeschalteten Dieselpartikelfilter (DPF), angeordnet ist.
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