DE102013202299A1

DE102013202299A1 - Brennkraftmaschine mit selektivem Katalysator zur Reduzierung der Stickoxide und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102013202299A1
Application number: DE201310202299
Authority: DE
Inventors: Yasser Mohammed Sayed Yacoub
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2013-02-13
Filing date: 2013-02-13
Publication date: 2014-08-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (1), die ein Ansaugsystem (2) zum Zuführen von Ladeluft und ein Abgasabführsystem (3) zum Abführen der Abgase und mindestens einen in dem Abgasabführsystem (3) angeordneten selektiven Katalysator (6, 7) zur Reduzierung der Stickoxide aufweist, wobei stromaufwärts des mindestens einen selektiven Katalysators (6, 7) mindestens ein weiteres Abgasnachbehandlungssystem (5, 5a) im Abgasabführsystem (3) angeordnet ist. Es soll eine Brennkraftmaschine (1) der vorstehend genannten Art bereitgestellt werden, die hinsichtlich des Betriebs des mindestens einen selektiven Katalysators (6, 7) optimiert ist. Erreicht wird dies mit einer Brennkraftmaschine (1) der oben genannten Art, bei der eine Bypassleitung (8) stromaufwärts des mindestens einen weiteren Abgasnachbehandlungssystems (5, 5a) aus dem Abgasabführsystem (3) abzweigt und zwischen dem mindestens einen weiteren Abgasnachbehandlungssystem (5, 5a) und dem mindestens einen selektiven Katalysator (6, 7) wieder in das Abgasabführsystem (3) einmündet, wobei eine Dosiervorrichtung (9) zum Einbringen von flüssigem Harnstoff in die Bypassleitung (8) als Reduktionsmittel für den mindestens einen selektiven Katalysator (6, 7) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, die ein Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft und ein Abgasabführsystem zum Abführen der Abgase und mindestens einen in dem Abgasabführsystem angeordneten selektiven Katalysator zur Reduzierung der Stickoxide aufweist, wobei stromaufwärts des mindestens einen selektiven Katalysators mindestens ein weiteres Abgasnachbehandlungssystem im Abgasabführsystem angeordnet ist.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine der vorstehend genannten Art. Eine Brennkraftmaschine wird beispielsweise als Antrieb für ein Kraftfahrzeug verwendet. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, und Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
Nach dem Stand der Technik werden Brennkraftmaschinen zur Reduzierung der Schadstoffemissionen mit verschiedenen Abgasnachbehandlungssystemen ausgestattet.
Bei Ottomotoren kommen katalytische Reaktoren zum Einsatz, die unter Verwendung katalytischer Materialien, welche die Geschwindigkeit bestimmter Reaktionen erhöhen, eine Oxidation von HC und CO auch bei niedrigen Temperaturen sicherstellen. Sollen zusätzlich Stickoxide NO_x reduziert werden, kann dies durch den Einsatz eines Dreiwegekatalysators erreicht werden, der dazu aber einen in engen Grenzen ablaufenden stöchiometrischen Betrieb (λ ≈ 1) des Ottomotors erfordert. Dabei werden die Stickoxide NO_x mittels der vorhandenen nicht oxidierten Abgaskomponenten, nämlich den Kohlenmonoxiden CO und den unverbrannten Kohlenwasserstoffen HC, reduziert, wobei gleichzeitig diese Abgaskomponenten oxidiert werden.
Bei Brennkraftmaschinen, die mit einem Luftüberschuss betrieben werden, beispielsweise direkteinspritzende Dieselmotoren oder mager betriebene Ottomotoren, können die im Abgas befindlichen Stickoxide NO_x prinzipbedingt, d. h. aufgrund der fehlenden Reduktionsmittel nicht reduziert werden.
Infolgedessen muss ein Abgasnachbehandlungssystem zur Reduzierung der Stickoxide vorgesehen werden, beispielsweise ein selektiver Katalysator, der auch als SCR-Katalysator bezeichnet wird und bei dem gezielt Reduktionsmittel in das Abgas eingebracht wird, um die Stickoxide selektiv zu vermindern. Als Reduktionsmittel kommen neben Ammoniak NH₃ und Harnstoff auch unverbrannte Kohlenwasserstoffe zum Einsatz. Letzteres wird auch als HC-Anreicherung bezeichnet, wobei die unverbrannten Kohlenwasserstoffe direkt in das Abgasabführsystem eingebracht werden oder aber durch innermotorische Maßnahmen, beispielsweise durch eine Nacheinspritzung von zusätzlichem Kraftstoff in den Brennraum. 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 das Abgasabführsystem stromaufwärts des selektiven Katalysators eingeleitet werden.
Brennkraftmaschinen, die von einer Nacheinspritzung Gebrauch machen, sind von Hause aus anfällig für eine 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, mischt sich dort mit dem anhaftenden Ölfilm und trägt so zur Ölverdünnung bei. Zudem erhöht der Einsatz von zusätzlichem Kraftstoff als Reduktionsmittel prinzipbedingt den Gesamtkraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine.
Daher kommen zur Reduktion von Stickoxiden zunehmend selektive Katalysatoren zum Einsatz, bei denen Ammoniak bzw. Harnstoff als Reduktionsmittel bereitgestellt wird.
Aufgrund der Toxizität von Ammoniak NH₃ wird Ammoniak in der Regel nicht in Reinform in Kraftfahrzeugen bevorratet und als Reduktionsmittel bereitgestellt. Vielmehr wird häufig Harnstoff als Ausgangsprodukt zur Herstellung von Ammoniak verwendet, denn Harnstoff kann unter Energieeintrag im Rahmen einer thermolytischen Reaktion in Ammoniak und Isocyansäure aufgespalten werden, wobei aus der Isocyansäure in Anwesenheit von Wasser wieder Ammoniak NH₃ gewonnen werden kann.
Bei der Bereitstellung des Harnstoffs zur Herstellung von Ammoniak können zwei grundsätzlich voneinander verschiedene Konzepte unterschieden werden. Zum einen kann der Harnstoff in flüssiger Form, d. h. als wässrige Lösung, bevorratet und bereitgestellt werden, wobei der Harnstoff als wässrige Lösung in das Abgas stromaufwärts des selektiven Katalysators eingebracht wird. Zum anderen besteht die Möglichkeit, den Harnstoff in fester Form zur Verfügung zu stellen. Harnstoff in fester Form ist weniger voluminös und durch einen – im Vergleich zur wässrigen Lösung – höheren Ammoniakgehalt gekennzeichnet. Der Bevorratungsspeicher kann daher mit einem geringeren Speichervolumen ausgeführt werden, was insbesondere im Hinblick auf den Einsatz bei Kraftfahrzeugen einen wesentlichen Vorteil darstellt, bei denen ein möglichst dichtes und effektives Packaging angestrebt wird.
Beide Konzepte erfordern den Eintrag von Wärme in den Harnstoff, um Ammoniak herzustellen. In bestimmten Betriebsmodi kann dies Probleme bereiten. Wird beispielsweise eine wässrige Harnstofflösung stromaufwärts eines selektiven Katalysators in das Abgas eingebracht, sind Abgastemperaturen von etwa 150°C bis 170°C erforderlich, um die Harnstofflösung zu verdampfen, Ammoniak NH₃ zu erzeugen und dieses als Reduktionsmittel dienende Ammoniak in ausreichender Weise mit dem Abgas zu vermischen, so dass eine möglichst homogene Abgas-Ammoniak-Mischung entsteht und den Katalysator durchströmt.
Bei Dieselmotoren kann es Schwierigkeiten bereiten, im innerstädtischen Verkehr Abgastemperaturen in der erforderlichen, vorstehend genannten Höhe zu generieren bzw. zu erreichen. Zu berücksichtigen ist dabei, dass im Leerlauf üblicherweise Abgastemperaturen von nur 100°C erreicht werden und Brennkraftmaschinen nach einem Kaltstart eine gewisse Warmlaufphase benötigen, damit die einzelnen Abgasnachbehandlungssysteme ihre Betriebstemperatur erreichen und Schadstoffe konvertieren.
Selektive Katalysatoren können nicht nur Stickoxide unter Anwesenheit eines Reduktionsmittels, beispielweise Ammoniak, reduzieren, sondern auch bei Vorliegen geeigneter Temperaturen Ammoniak einlagern, speichern und bei Bedarf zur Reduzierung von Stickoxiden wieder freigeben. Um Ammoniak einlagern zu können, sind bestimmte Mindesttemperaturen des Katalysators erforderlich. In der Regel werden Katalysatortemperaturen zwischen 180°C und 300°C angestrebt, um eine zufriedenstellende Abgasnachbehandlung mittels SCR-Katalysator sicher zustellen.
Die vorstehend gemachten Ausführungen vermitteln den Eindruck, dass es vorteilhaft ist, selektive Katalysatoren möglichst nahe am Auslass der Brennkraftmaschine, d. h. motornah, zu platzieren, um den Abgasen wenig Zeit und Gelegenheit zur Abkühlung einzuräumen und sicherzustellen, dass der Katalysator möglichst schnell seine Betriebstemperatur erreicht, insbesondere nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine.
Dabei ist aber zu bedenken, dass eine Brennkraftmaschine in der Regel noch weitere Abgasnachbehandlungssysteme aufweist, deren motornahe Anordnung von noch höherer Relevanz sein kann. So wird häufig als erstes Abgasnachbehandlungssystem ein Oxidationskatalysator im Abgasabführsystem angeordnet, um die unvollständig verbrannten Verbrennungsprodukte, nämlich die Kohlenmonoxide CO und die unverbrannten Kohlenwasserstoffe HC, zu oxidieren. Dabei ist eine motornahe Anordnung des Oxidationskatalysators unverzichtbar, um insbesondere die nach einem Kaltstart hohen Rohemissionen an Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen effektiv zu senken und eine schnelle Aufheizung des Oxidationskatalysators nach einem Kaltstart zu gewährleisten.
Wird zur Verringerung der Rußpartikelemissionen ein regenerativer Partikelfilter eingesetzt, sind zur Regeneration des Partikelfilters hohe Temperaturen von etwa 550°C bei nicht vorhandener katalytischer Unterstützung erforderlich, die im Betrieb nur bei hohen Lasten und hohen Drehzahlen erreicht werden. Eine möglichst motornahe Anordnung ist also auch hinsichtlich eines Partikelfilters sinnvoll.
Zu berücksichtigen ist auch, dass ein selektiver Katalysator bei sehr hohen Katalysatortemperaturen oberhalb von etwa 400°C eingelagertes Ammoniak freisetzt, ohne dass Stickoxide reduziert werden. Sowohl das freigesetzte Ammoniak als auch das unbehandelte stickoxidhaltige Abgas werden dann via Abgasabführsystem in die Umgebung abgeführt.
Obwohl die derzeitigen Verordnungen eine On-Board-Diagnose (OBD) nicht zwingend erfordern, könnten zukünftige vom Gesetzgeber vorgegebene Grenzwerte für Stickoxidemissionen dies erforderlich machen. So schreibt die Verordnung EURO VI die Überwachung der Stickoxid-Rohemission vor. Insbesondere die sichere Vermeidung der Einleitung von Ammoniak in die Umgebung könnte eine On-Board-Diagnose (OBD), nämlich die Überwachung der Ammoniak-Konzentration im nachbehandelten Abgas, unentbehrlich machen.
Die vorstehend beschriebenen technischen Zusammenhänge machen deutlich, dass Konzepte erforderlich sind, mit denen selektive Katalysatoren im Hinblick auf eine möglichst effektive Abgasnachbehandlung einer Brennkraftmaschine optimal betrieben werden können. Derartige Konzepte sollten insbesondere Einfluss nehmen können auf die Abgastemperatur des zu behandelnden Abgases und damit auf die Temperatur des Katalysators, um eine Abgasnachbehandlung hoher Qualität, d. h. eine effektive Reduzierung der Stickoxide zu gewährleisten.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich des Betriebs des mindestens einen selektiven Katalysators optimiert ist.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine Brennkraftmaschine, die ein Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft und ein Abgasabführsystem zum Abführen der Abgase und mindestens einen in dem Abgasabführsystem angeordneten selektiven Katalysator zur Reduzierung der Stickoxide aufweist, wobei stromaufwärts des mindestens einen selektiven Katalysators mindestens ein weiteres Abgasnachbehandlungssystem im Abgasabführsystem angeordnet ist, und die dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Bypassleitung stromaufwärts des mindestens einen weiteren Abgasnachbehandlungssystems aus dem Abgasabführsystem abzweigt und zwischen dem mindestens einen weiteren Abgasnachbehandlungssystem und dem mindestens einen selektiven Katalysator wieder in das Abgasabführsystem einmündet, wobei eine Dosiervorrichtung zum Einbringen von flüssigem Harnstoff in die Bypassleitung als Reduktionsmittel für den mindestens einen selektiven Katalysator vorgesehen ist.
Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann der selektive Katalysator bei Umgehung weiterer stromaufwärts des Katalysators gelegener Abgasnachbehandlungssysteme direkt mit Abgas beaufschlagt werden. Dabei wird das Abgas im Bedarfsfall zumindest teilweise via Bypassleitung an den weiteren Abgasnachbehandlungssystemen vorbei direkt zum selektiven Katalysator geführt.
Durch diese Maßnahme bzw. Vorgehensweise, d. h. dem Öffnen der Bypassleitung für die Abgasdurchleitung, wird die thermische Trägheit des Teilstücks des Abgasabführsystems zwischen dem Auslass der Brennkraftmaschine, d. h. den Auslassöffnungen der Zylinder, und dem selektiven Katalysator verringert bzw. minimiert, und zwar durch Reduzierung der Masse und der Länge dieses Teilstückes. Die beim Durchströmen des Abgasabführsystems ablaufende Abkühlung des Abgases wird stark abgemildert.
Auf diese Weise kann die Abgastemperatur des zu behandelnden Abgases und die Temperatur des Katalysators gezielt angehoben werden, beispielsweise im innerstädtischen Verkehr, wenn die vergleichsweise niedrigen Abgastemperaturen eine effektive Abgasnachbehandlung erschweren bzw. verhindern.
Auch die Abgastemperaturen von etwa 150°C bis 170°C, die erforderlich sind, um die erfindungsgemäß in das Abgas wässrig eingebrachte Harnstofflösung zu verdampfen und Ammoniak zu erzeugen, können realisiert werden und zwar bei Umgehung der weiteren Abgasnachbehandlungssystem in der Bypassleitung, weshalb die Dosiervorrichtung zum Einbringen der Harnstofflösung erfindungsgemäß in der Bypassleitung vorgesehen ist.
Letzteres führt auch zu Vorteilen bei der konstruktiven Auslegung des Abgasabführsystems, denn die Anordnung der Dosiervorrichtung in der Bypassleitung gestattet eine motornahe bzw. motornähere Anordnung des selektiven Katalysators und gegebenenfalls der weiteren Abgasnachbehandlungssysteme.
Nehmen die Abgastemperaturen bedingt durch den momentanen Betrieb der Brennkraftmaschine hingegen in kritischer Weise zu, beispielsweise so stark, dass im Katalysator eingelagertes und als Reduktionsmittel dienendes Ammoniak infolge einer zu hohen Katalysatortemperatur unkontrolliert freigesetzt werden und via Abgasabführsystem in die Umgebung gelangen könnte, kann durch Verschließen der Bypassleitung das Abgas wieder durch die weiteren stromaufwärts des selektiven Katalysators gelegenen Abgasnachbehandlungssysteme geführt werden, wodurch die thermische Trägheit des Teilstücks des Abgasabführsystems zwischen dem Auslass der Brennkraftmaschine und dem Katalysator erhöht und die Abgastemperatur bzw. die Katalysatortemperatur verringert wird.
Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe gelöst, nämlich eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich des Betriebs des mindestens einen selektiven Katalysators optimiert ist.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Brennkraftmaschine gemäß den Unteransprüchen werden im Folgenden erläutert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen stromabwärts der Dosiervorrichtung ein Mischer in der Bypassleitung vorgesehen ist.
Das mit dem Einbringen der wässrigen Harnstofflösung erzeugte und als Reduktionsmittel dienende Ammoniak sollte für eine effektive Abgasnachbehandlung in ausreichender Weise mit dem Abgas vermischt werden. Vorteilhafterweise sollte eine möglichst homogene Abgas-Ammoniak-Mischung gebildet werden und den Katalysator durchströmen.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Mischer beheizbar ist.
Mittels beheizbarem Mischer können die Abgastemperaturen angehoben werden und damit die zum Verdampfen der wässrigen Harnstofflösung erforderlichen Abgastemperaturen sichergestellt bzw. im Bedarfsfall generiert werden. Vorteilhafterweise umfasst der Mischer hierfür ein beheizbares Gitter bzw. Netz, welches vom Abgas durchströmt wird. Das Gitter bzw. Netz dient der Erwärmung des Abgases und gleichzeitig der Durchmischung von Abgas und Reduktionsmittel.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen stromaufwärts der Dosiervorrichtung ein elektrisch beheizbarer Oxidationskatalysator in der Bypassleitung vorgesehen ist. Der Oxidationskatalysator dient der Oxidation der unvollständig verbrannten Abgasbestandteile, vorwiegend dem Kohlenmonoxid und den unverbrannten Kohlenwasserstoffen. Die im Rahmen der Oxidation ablaufenden Reaktionen sind exotherm, weshalb sich die Abgastemperatur infolge der Oxidationsvorgänge erhöht. Der stromaufwärts der Dosiervorrichtung angeordnete Oxidationskatalysator ist somit ein geeignetes Mittel, um die Abgastemperatur anzuheben, weshalb dieser im Bedarfsfall mittels elektrischer Heizung aktiviert wird, die sicherstellt, dass der Oxidationskatalysator seine Betriebstemperatur von etwa 150°C erreicht bzw. aufweist, insbesondere nach einem Kaltstart.
Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere für Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt. Der elektrisch beheizbare Oxidationskatalysator kann dann von der Elektromaschine bzw. der dazugehörigen Batterie mit Strom versorgt werden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen stromabwärts der Dosiervorrichtung ein Katalysator zur katalytischen Unterstützung der Hydrolyse von Isocyansäure vorgesehen ist.
Während die Harnstofflösung unter Energieeintrag im Rahmen einer thermolytischen Reaktion in Ammoniak (NH₃) und Isocyansäure (HNCO) aufgespalten wird, kann die Isocyansäure (HNCO) in Anwesenheit von Wasser (H₂O) zu Ammoniak (NH₃) und Kohlendioxid (CO₂) hydrolysiert werden.
Zur katalytischen Unterstützung der Hydrolyse von Isocyansäure ist gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein Katalysator stromabwärts der Dosiervorrichtung vorgesehen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen stromaufwärts des mindestens einen selektiven Katalysators ein Oxidationskatalysator als weiteres Abgasnachbehandlungssystem im Abgasabführsystem angeordnet ist, wobei die Bypassleitung stromaufwärts des Oxidationskatalysators aus dem Abgasabführsystem abzweigt und zwischen dem Oxidationskatalysator und dem mindestens einen selektiven Katalysator wieder in das Abgasabführsystem einmündet.
Wie bereits erläutert, sind für eine effektive Abgasnachhandlung in der Regel mehrere Abgasnachbehandlungssysteme erforderlich, beispielsweise ein Oxidationskatalysator zur Nachbehandlung der Kohlenmonoxide und der unverbrannten Kohlenwasserstoffe und/oder ein Partikelfilter zur Verringerung der Rußemission.
Eine motornahe Anordnung des Oxidationskatalysators gewährleistet die schnelle Aufheizung des Oxidationskatalysators bzw. grundsätzlich das Erreichen und Aufrechterhalten der erforderlichen Betriebstemperatur. Die im Oxidationskatalysator ablaufenden Oxidationsvorgänge können dazu genutzt werden, die Abgastemperaturen stromaufwärts des SCR-Katalysators anzuheben bzw. die Abgastemperaturen stromaufwärts eines Partikelfilter.
Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der dem Oxidationskatalysator im Abgasabführsystem nachfolgend angeordnete selektive Katalysator integral mit einem Partikelfilter als kombiniertes Abgasnachbehandlungssystem ausgebildet ist.
Kombinierte Abgasnachbehandlungssysteme haben Vorteile hinsichtlich des Raumbedarfs. Der selektive Katalysator und der Partikelfilter können sich ein gemeinsames Trägersubstrat teilen. Der Oxidationskatalysator ist stromaufwärts des kombinierten Abgasnachbehandlungssystems und zu diesem beabstandet vorgesehen. Dadurch kann eine übermäßige unvorteilhafte Erwärmung des selektiven Katalysators infolge zu hoher Temperaturen des Oxidationskatalysators verhindert werden.
Vorteilhaft sind aber auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen stromaufwärts des mindestens einen selektiven Katalysators ein Oxidationskatalysator und ein Partikelfilter als weitere Abgasnachbehandlungssysteme im Abgasabführsystem angeordnet sind, wobei der Oxidationskatalysator stromaufwärts des Partikelfilters angeordnet ist und die Bypassleitung stromaufwärts des Oxidationskatalysators aus dem Abgasabführsystem abzweigt und zwischen dem Partikelfilter und dem mindestens einen selektiven Katalysator wieder in das Abgasabführsystem einmündet.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen ein Steuerelement vorgesehen ist, mit welchem die durch die Bypassleitung geführte Abgasmenge einstellbar ist.
Das Steuerelement kann ein Ventil, ein Schieber, eine Klappe oder dergleichen sein. Es kann elektrisch, hydraulisch, pneumatisch, mechanisch oder magnetisch zu betätigen sein, vorzugsweise mittels Motorsteuerung, und dabei zweistufig, mehrstufig oder stufenlos schaltbar, d. h. verstellbar ausgeführt werden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist, wobei der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers im Ansaugsystem und die Turbine des mindestens einen Abgasturboladers im Abgasabführsystem angeordnet sind.
Die Vorteile eines Abgasturboladers beispielsweise im Vergleich zu einem mechanischen Lader bestehen darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine besteht bzw. erforderlich ist. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie vollständig von der Brennkraftmaschine bezieht, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase.
Die vom Abgasstrom an die Turbine abgegebene Energie wird für den Antrieb eines Verdichters genutzt, der die ihm zugeführte Ladeluft fördert und komprimiert, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird. Gegebenenfalls ist eine Ladeluftkühlung vorgesehen, mit der die komprimierte Verbrennungsluft vor Eintritt in die Zylinder gekühlt wird.
Die Aufladung dient in erster Linie der Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine. Die Aufladung ist aber auch ein geeignetes Mittel, bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin zu verschieben, wodurch der spezifische Kraftstoffverbrauch gesenkt werden kann.
Häufig wird bei Unterschreiten einer bestimmten Motordrehzahl ein Drehmomentabfall beobachtet. Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine wird durch unterschiedliche Maßnahmen zu verbessern versucht. Beispielsweise durch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnittes und gleichzeitiger Abgasabblasung. Eine derartige Turbine wird auch als Waste-Gate-Turbine bezeichnet. Überschreitet der Abgasmassenstrom eine kritische Größe wird durch Öffnen eines Absperrelementes ein Teil des Abgasstromes im Rahmen der sogenannten Abgasabblasung mittels einer Bypassleitung an der Turbine bzw. dem Turbinenlaufrad vorbei geführt.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann des Weiteren durch mehrere parallel oder in Reihe angeordnete Turbolader, d. h. durch mehrere parallel oder in Reihe angeordnete Turbinen, verbessert werden.
Die Turbine kann darüber hinaus mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestattet werden, die eine weitergehende Anpassung an den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine durch Verstellen der Turbinengeometrie bzw. des wirksamen Turbinenquerschnittes gestattet. Dabei sind im Eintrittsbereich der Turbine verstellbare Leitschaufeln zur Beeinflussung der Strömungsrichtung angeordnet. Im Gegensatz zu den Laufschaufeln des umlaufenden Laufrades rotieren die Leitschaufeln nicht mit der Welle der Turbine.
Verfügt die Turbine über eine feste unveränderliche Geometrie, sind die Leitschaufeln nicht nur stationär, sondern zudem völlig unbeweglich im Eintrittsbereich angeordnet, d. h. starr fixiert. Bei einer variablen Geometrie hingegen sind die Leitschaufeln zwar stationär angeordnet, aber nicht völlig unbeweglich, sondern drehbar, so dass auf die Anströmung der Laufschaufeln Einfluss genommen werden kann.
Man ist bemüht, die Turbine des Abgasturboladers möglichst nahe am Auslass der Brennkraftmaschine anzuordnen, um auf diese Weise die Abgasenthalpie der heißen Abgase, die maßgeblich von der Abgastemperatur und dem Abgasdruck bestimmt wird, optimal nutzen zu können und ein schnelles Ansprechverhalten des Turboladers zu gewährleisten.
In diesem Zusammenhang ist man daher auch bemüht, die thermische Trägheit des Abgasabführsystems zwischen Auslass und Turbine zu minimieren, was durch Reduzierung der Masse und der Länge dieses Teilstückes erreicht werden kann.
Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Turbine stromaufwärts des mindestens einen weiteren Abgasnachbehandlungssystems im Abgasabführsystem angeordnet ist.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Bypassleitung einlassseitig zwei Bypassteilleitungen aufweist, wobei

– eine erste Bypassteilleitung stromaufwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem abzweigt,
– eine zweite Bypassteilleitung stromabwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem abzweigt, und
– die zwei Bypassteilleitungen unter Ausbildung eines Knotenpunktes zu der Bypassleitung zusammenführen.

Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen an dem Knotenpunkt ein Steuerelement vorgesehen ist, mit welchem die durch die erste Bypassteilleitung geführte Abgasmenge und die durch die zweite Bypassteilleitung geführte Abgasmenge einstellbar sind.
Die durch die zweite Bypassteilleitung geführte Abgasmenge hat im Gegensatz zu der durch die erste Bypassteilleitung geführte Abgasmenge die Turbine durchströmt.
Die Entnahme von Abgas stromaufwärts der Turbine via erster Bypassteilleitung vermindert den Abgasmassenstrom durch die Turbine und bedingt ein kleineres Turbinendruckverhältnis, wodurch das Ladedruckverhältnis ebenfalls abnimmt, was gleichbedeutend ist mit einem abnehmenden Ladedruck und einem kleineren Verdichtermassenstrom. Wird zu viel Abgas über die erste Bypassteilleitung entnommen können sich verdichterseitig Probleme hinsichtlich der Pumpgrenze einstellen. Insofern kann es vorteilhaft sein, den durch die Bypassleitung geführten Gesamtabgasmassenstrom durch Mischen der zwei Teilabgasströme der beiden Bypassteilleitungen zu generieren.
Die Temperatur und der Druck des Abgases stromaufwärts und stromabwärts der Turbine sind unterschiedlich, so dass ein Mischen der beiden Teilabgasströme auch dazu genutzt werden kann, die Temperatur des die Bypassleitung durchströmenden Gesamtabgasmassenstrom bedarfsgerecht einzustellen.
Die zweite Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine einer vorstehend genannten Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Steuerelement zum Einstellen der durch die Bypassleitung geführten Abgasmenge, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die Bypassleitung geöffnet wird, um den mindestens einen selektiven Katalysator mit Ammoniak als Reduktionsmittel zu versorgen.
Das bereits für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren, weshalb an dieser Stelle im Allgemeinen Bezug genommen wird auf die hinsichtlich der Brennkraftmaschine gemachten Ausführungen.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen die Bypassleitung geöffnet wird, falls die Abgastemperatur T_Abgas kleiner ist als eine vorgebbare Abgasmindesttemperatur T_Abgas,min.
Als Referenzabgastemperatur T_Abgas,min kann die Abgastemperatur im Katalysator, am Eintritt in den Katalysator oder die Abgastemperatur in der Bypassleitung, insbesondere an der Stelle, an der der flüssige Harnstoff eingebracht wird, dienen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Abgastemperatur T_Abgas rechnerisch bestimmt wird. Die rechnerische Bestimmung der Abgastemperatur erfolgt mittels Simulation, bei der aus dem Stand der Technik bekannte Modelle, beispielsweise dynamische Wärmemodelle und kinetische Modelle zur Bestimmung der während der Verbrennung generierten Reaktionswärme, verwendet werden. Als Eingangssignale für die Simulation werden vorzugsweise Betriebsparameter der Brennkraftmaschine verwendet, die schon vorliegen, d. h. in anderem Zusammenhang ermittelt werden.
Die Simulationsrechnung zeichnet sich dadurch aus, dass keine weiteren Bauteile, insbesondere keine Sensoren, vorgesehen werden müssen, um die Abgastemperatur zu bestimmen, was hinsichtlich der Kosten günstig ist. Nachteilig hingegen ist, dass es sich bei der auf diese Weise ermittelten Abgastemperatur lediglich um einen Schätzwert handelt, was die Qualität der Steuerung bzw. Regelung mindern kann.
Zur Abschätzung einer Abgastemperatur T_Abgas an einer Stelle im Abgasabführsystem kann die Abgastemperatur an einer anderen Stelle im Abgasabführsystem herangezogen werden, welche beispielsweise auch messtechnisch mittels Sensor erfasst wird.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Abgastemperatur T_Abgas messtechnisch mittels Sensor direkt erfasst wird.
Die messtechnische Erfassung einer Temperatur liefert genauere Temperaturwerte, kann aber schwierig sein. Das trifft beispielsweise auf die messtechnische Erfassung der Temperatur eines Abgasnachbehandlungssystems zu, bei der die fehlende Möglichkeit zur Anordnung eines Temperaturfühlers im Abgasnachbehandlungssystem Probleme bereiten kann.
Die messtechnische Erfassung der Abgastemperatur in der Bypassleitung hingegen bereitet keine Schwierigkeiten.
Vorteilhaft können dennoch Verfahrensvarianten sein, bei denen die Bypassleitung geöffnet wird, falls die Abgastemperatur T_Abgas an dem mindestens einen selektiven Katalysator kleiner ist als eine vorgebbare Abgasmindesttemperatur T_Abgas,min. Dabei kann die Abgastemperatur am Katalysator der Katalysatortemperatur T_SCR, d. h. der Bauteiltemperatur, gleichgesetzt werden und umgekehrt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der 1 und 2 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1 schematisch in Gestalt einer Prinzipskizze eine erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine, und
2 schematisch in Gestalt einer Prinzipskizze eine zweite Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
1 zeigt schematisch in Gestalt einer Prinzipskizze eine erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine 1.
Die Brennkraftmaschine 1 weist ein Ansaugsystem 2 zum Zuführen von Ladeluft und ein Abgasabführsystem 3 zum Abführen der Abgase auf. Zwecks Aufladung ist ein Abgasturbolader 4 vorgesehen. Der Verdichter 4a des Abgasturboladers 4 ist in einer Ansaugleitung 2a des Ansaugsystems 2 angeordnet und die Turbine 4b des Abgasturboladers 4 in einer Abgasleitung 3a des Abgasabführsystems 3.
Stromabwärts der Turbine 4b sind verschiedene Systeme 5, 5a, 6, 6a, 7 zur Abgasnachbehandlung vorgesehen.
Zur Reduzierung der Stickoxide sind zwei selektive Katalysatoren 6, 7 vorgesehen, wobei stromaufwärts dieser beiden selektiven Katalysatoren 6, 7 ein weiteres Abgasnachbehandlungssystem 5 angeordnet ist. Vorliegend ist das weitere Abgasnachbehandlungssystem 5 ein Oxidationskatalysator 5a, wobei der dem Oxidationskatalysator 5a in der Abgasleitung 3a nachfolgend angeordnete selektive Katalysator 6 integral mit einem Partikelfilter 6a als kombiniertes Abgasnachbehandlungssystem ausgebildet ist. Stromabwärts des mit dem Partikelfilter 6a integral ausgebildeten ersten selektiven Katalysators 6 ist ein zweiter selektiver Katalysator 7 im Abgasabführsystem 3 angeordnet.
Stromaufwärts und stromabwärts der Turbine 4b zweigen Bypassteilleitungen 8a, 8b stromaufwärts des Oxidationskatalysators 5a aus dem Abgasabführsystem 3 ab, die unter Ausbildung eines Knotenpunktes zu einer gemeinsamen Bypassleitung 8 zusammenführen.
Die Bypassleitung 8 mündet zwischen dem Oxidationskatalysator 5a und dem kombinierten Abgasnachbehandlungssystem umfassend den ersten selektiven Katalysator 6 und den Partikelfilter 6a wieder in das Abgasabführsystem 3 ein. Eine Dosiervorrichtung 9 zum Einbringen von flüssigem Harnstoff in die Bypassleitung 8 ist vorgesehen, um als Reduktionsmittel dienendes Ammoniak für die selektiven Katalysatoren 6, 7 erzeugen zu können bzw. bereitzustellen. Stromabwärts der Dosiervorrichtung 9 ist ein Mischer 10 in der Bypassleitung 8 vorgesehen, der das als Reduktionsmittel dienende Ammoniak mit dem Abgas vermischt, um eine möglichst homogene Abgas-Ammoniak-Mischung zu bilden, welche die Katalysatoren 6, 7 durchströmt.
Ein an dem Knotenpunkt in der Bypassleitung 8 angeordnetes Steuerelement 11 dient der Einstellung der durch die erste Bypassteilleitung 8a geführten Abgasmenge und der durch die zweite Bypassteilleitung 8b geführten Abgasmenge. Der durch die Bypassleitung 8 geführte Gesamtabgasmassenstrom kann durch Mischen generiert werden, wobei die Temperatur des die Bypassleitung 8 durchströmenden Gesamtabgasmassenstrom bedarfsgerecht eingestellt werden kann. Als Steuerelement 11 dient eine verschwenkbare Klappe 11a.
2 zeigt schematisch in Gestalt einer Prinzipskizze eine zweite Ausführungsform der Brennkraftmaschine 1. Es sollen nur die Unterschiede zu der in 1 dargestellten Ausführungsform erörtert werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf 1. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
Im Unterschied zu der in 1 dargestellten Ausführungsform ist bei der in 2 dargestellten Brennkraftmaschine 1 kein kombiniertes Abgasnachbehandlungssystem umfassend einen selektiven Katalysator und einen Partikelfilter vorgesehen. Vielmehr sind stromaufwärts eines einzelnen selektiven Katalysators 6 ein Oxidationskatalysator 5a und ein Partikelfilter 6a als weitere Abgasnachbehandlungssysteme 5 im Abgasabführsystem 3 vorgesehen. Der Oxidationskatalysator 5a ist stromaufwärts des Partikelfilters 6a angeordnet, wobei die Bypassleitung 8 zwischen dem Partikelfilter 6a und dem selektiven Katalysator 6 wieder in das Abgasabführsystem 3 einmündet.
Bezugszeichenliste

1: Brennkraftmaschine
2: Ansaugsystem
2a: Ansaugleitung
3: Abgasabführsystem
3a: Abgasleitung
4: Abgasturbolader
4a: Verdichter
4b: Turbine
5: weiteres Abgasnachbehandlungssystem
5a: Oxidationskatalysator
6: selektiver Katalysator
6a: Partikelfilter
7: selektiver Katalysator
8: Bypassleitung
8a: erste Bypassteilleitung
8b: zweite Bypassteilleitung
9: Dosiervorrichtung
10: Mischer
11: Steuerelement
CO: Kohlenmonoxid
HC: unverbrannte Kohlenwasserstoffe
NH₃: Ammoniak
NO_x: Stickoxide
T_Abgas: Abgastemperatur
T_Abgas,min: Abgasmindesttemperatur
T_SCR: Katalysatortemperatur

Claims

Brennkraftmaschine (1), die ein Ansaugsystem (2) zum Zuführen von Ladeluft und ein Abgasabführsystem (3) zum Abführen der Abgase und mindestens einen in dem Abgasabführsystem (3) angeordneten selektiven Katalysator (6, 7) zur Reduzierung der Stickoxide aufweist, wobei stromaufwärts des mindestens einen selektiven Katalysators (6, 7) mindestens ein weiteres Abgasnachbehandlungssystem (5, 5a) im Abgasabführsystem (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bypassleitung (8) stromaufwärts des mindestens einen weiteren Abgasnachbehandlungssystems (5, 5a) aus dem Abgasabführsystem (3) abzweigt und zwischen dem mindestens einen weiteren Abgasnachbehandlungssystem (5, 5a) und dem mindestens einen selektiven Katalysator (6, 7) wieder in das Abgasabführsystem (3) einmündet, wobei eine Dosiervorrichtung (9) zum Einbringen von flüssigem Harnstoff in die Bypassleitung (8) als Reduktionsmittel für den mindestens einen selektiven Katalysator (6, 7) vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts der Dosiervorrichtung (9) ein Mischer (10) in der Bypassleitung (8) vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischer (10) beheizbar ist.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts der Dosiervorrichtung (9) ein elektrisch beheizbarer Oxidationskatalysator in der Bypassleitung (8) vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts der Dosiervorrichtung (9) ein Katalysator zur katalytischen Unterstützung der Hydrolyse von Isocyansäure vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts des mindestens einen selektiven Katalysators (6, 7) ein Oxidationskatalysator (5a) als weiteres Abgasnachbehandlungssystem (5) im Abgasabführsystem (3) angeordnet ist, wobei die Bypassleitung (8) stromaufwärts des Oxidationskatalysators (5a) aus dem Abgasabführsystem (3) abzweigt und zwischen dem Oxidationskatalysator (5a) und dem mindestens einen selektiven Katalysator (6, 7) wieder in das Abgasabführsystem (3) einmündet.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Oxidationskatalysator (5a) im Abgasabführsystem (3) nachfolgend angeordnete selektive Katalysator (6) integral mit einem Partikelfilter (6a) als kombiniertes Abgasnachbehandlungssystem ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts des mindestens einen selektiven Katalysators (6, 7) ein Oxidationskatalysator (5a) und ein Partikelfilter (6a) als weitere Abgasnachbehandlungssysteme (5) im Abgasabführsystem (3) angeordnet sind, wobei der Oxidationskatalysator (5a) stromaufwärts des Partikelfilters (6a) angeordnet ist und die Bypassleitung (8) stromaufwärts des Oxidationskatalysators (5a) aus dem Abgasabführsystem (3) abzweigt und zwischen dem Partikelfilter (6a) und dem mindestens einen selektiven Katalysator (6, 7) wieder in das Abgasabführsystem (3) einmündet.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuerelement (11) vorgesehen ist, mit welchem die durch die Bypassleitung (8) geführte Abgasmenge einstellbar ist.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Abgasturbolader (4) vorgesehen ist, wobei der Verdichter (4a) des mindestens einen Abgasturboladers (4) im Ansaugsystem (2) und die Turbine (4b) des mindestens einen Abgasturboladers (4) im Abgasabführsystem (3) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (4b) stromaufwärts des mindestens einen weiteren Abgasnachbehandlungssystems (5) im Abgasabführsystem (3) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (8) einlassseitig zwei Bypassteilleitungen (8a, 8b) aufweist, wobei – eine erste Bypassteilleitung (8a) stromaufwärts der Turbine (4b) aus dem Abgasabführsystem (3) abzweigt, – eine zweite Bypassteilleitung (8b) stromabwärts der Turbine (4b) aus dem Abgasabführsystem (3) abzweigt, und – die zwei Bypassteilleitungen (8a, 8b) unter Ausbildung eines Knotenpunktes zu der Bypassleitung (8) zusammenführen.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Knotenpunkt ein Steuerelement (11) vorgesehen ist, mit welchem die durch die erste Bypassteilleitung (8a) geführte Abgasmenge und die durch die zweite Bypassteilleitung (8b) geführte Abgasmenge einstellbar sind.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche mit einem Steuerelement (11) zum Einstellen der durch die Bypassleitung (8) geführten Abgasmenge, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (8) geöffnet wird, um den mindestens einen selektiven Katalysator (6, 7) mit Ammoniak als Reduktionsmittel zu versorgen.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (8) geöffnet wird, falls die Abgastemperatur T_Abgas kleiner ist als eine vorgebbare Abgasmindesttemperatur T_Abgas,min.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (8) geöffnet wird, falls die Abgastemperatur T_Abgas an dem mindestens einen selektiven Katalysator (6, 7) kleiner ist als eine vorgebbare Abgasmindesttemperatur T_Abgas,min.