DE102013212777A1

DE102013212777A1 - Verfahren zur Abgasanreicherung einer Brennkraftmaschine mit Reduktionsmittel und Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens

Info

Publication number: DE102013212777A1
Application number: DE102013212777.4A
Authority: DE
Inventors: Matthew Schneider; Dirk Römer; Frank Linzen; Yasser Mohammed Sayed Yacoub; Kim Ford; Javier Castellano
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2012-07-16
Filing date: 2013-07-01
Publication date: 2014-05-15
Anticipated expiration: 2033-07-02
Also published as: CN103541795B; DE102013212777B4; US9169754B2; US20140013727A1; CN103541795A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anreicherung des Abgases einer Brennkraftmaschine (1) mit einem Reduktionsmittel (5), wobei die mindestens einen Zylinder (2) umfassende Brennkraftmaschine (1) ein Ansaugsystem (3) zum Zuführen von Ladeluft, ein Abgasabführsystem (6) zum Abführen der Abgase und mindestens ein in diesem Abgasabführsystem (6) angeordnetes Abgasnachbehandlungssystem (9) zur Reduzierung von Stickoxiden, welches zumindest zeitweise eine Versorgung mit Reduktionsmittel (5) erfordert, aufweist, bei dem zur Abgasanreicherung Reduktionsmittel (5) stromaufwärts des mindestens einen Abgasnachbehandlungssystems (9) in das Abgasabführsystem (6) eingebracht wird. Es soll ein verbessertes Verfahren zur Anreicherung des Abgases einer Brennkraftmaschine (1) mit einem Reduktionsmittel (5) aufgezeigt werden. Erreicht wird dies mit einem Verfahren der oben genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Abgasanreicherung durchgeführt wird, wenn die Kraftstoffversorgung des mindestens einen Zylinders (2) der Brennkraftmaschine (1) infolge fehlender Lastanforderung deaktiviert ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anreicherung des Abgases einer Brennkraftmaschine mit einem Reduktionsmittel, wobei die mindestens einen Zylinder umfassende Brennkraftmaschine ein Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft, ein Abgasabführsystem zum Abführen der Abgase und mindestens ein in diesem Abgasabführsystem angeordnetes Abgasnachbehandlungssystem zur Reduzierung von Stickoxiden, welches zumindest zeitweise eine Versorgung mit Reduktionsmittel erfordert, aufweist, bei dem zur Abgasanreicherung Reduktionsmittel stromaufwärts des mindestens einen Abgasnachbehandlungssystems in das Abgasabführsystem eingebracht wird.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
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.
Üblicherweise und im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist das Luftverhältnis λ definiert als das Verhältnis der dem mindestens einen Zylinder der Brennkraftmaschine tatsächlich zugeführten Luftmasse m_Luft,tat zu der stöchiometrischen Luftmasse m_Luft,stöch, welche erforderlich wäre, um die dem mindestens einen Zylinder zugeführte Kraftstoffmasse m_Kraftstoff gerade vollständig zu oxidieren (stöchiometrischer Betrieb der Brennkraftmaschine λ = 1). Es gilt λ = m_Luft,tat/m_Luft,stöch und mit dem stöchiometrischen Luftbedarf L_stöch, der definiert ist zu L_stöch = m_Luft,stöch/m_Kraftstoff gilt für das Luftverhältnis λ = m_Luft,tat/m_Kraftstoff ·(1/L_stöch).
Bei Brennkraftmaschinen, die mit einem Luftüberschuß betrieben werden, beispielsweise Dieselmotoren oder direkteinspritzende Ottomotoren, aber auch im Magerbetrieb arbeitende 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 Speicherkatalysator, der auch als LNT bezeichnet wird. Dabei werden die Stickoxide zunächst während eines mageren Betriebs (λ > 1) der Brennkraftmaschine im Katalysator absorbiert, d. h. gesammelt und gespeichert, um dann während einer Regenerationsphase beispielsweise mittels eines unterstöchiometrischen Betriebs (λ < 1) der Brennkraftmaschine bei Sauerstoffmangel reduziert zu werden, wobei die im Abgas befindlichen unverbrannten Kohlenwasserstoffe HC und das Kohlenmonoxid CO als Reduktionsmittel dienen.
Weitere innermotorische Möglichkeiten zur Anreicherung des Abgases mit Reduktionsmittel, insbesondere mit unverbrannten Kohlenwasserstoffen, bieten die Abgasrückführung (AGR) und die Drosselung der Ladeluft im Ansaugsystem. Beide Maßnahmen vermindern die durch die Brennkraftmaschine hindurchgeführte Ladeluftmasse bzw. Frischluftmasse und verringern dadurch das Luftverhältnis λ. Es erfolgt eine Anfettung durch Verminderung der bereitgestellten Luftmasse.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 199 53 480 A1 beschreibt ein Verfahren zur Regeneration eines Speicherkatalysators, bei dem eine Anfettung des den Zylindern der Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemisches vorgenommen wird, um einen unterstöchiometrischen Betrieb (λ < 1) der Brennkraftmaschine zum Zwecke der Regeneration zu realisieren, so dass der Anteil insbesondere von als Reduktionsmittel dienendem Kohlenmonoxid CO im Abgas angehoben wird. Die Regeneration erfolgt im Teillastbetrieb oder im Schubbetrieb, wobei die sogenannte Schubabschaltung, d. h. die Abschaltung der Kraftstoffeinspritzung während des Schubbetriebs, deaktiviert wird, falls die Regeneration im Schubbetrieb erfolgen soll.
Eine Anreicherung des Abgases mit unverbrannten Kohlenwasserstoffen, auch HC-Anreicherung genannt, kann auch mittels Nacheinspritzung von zusätzlichem Kraftstoff in mindestens einen Zylinder der Brennkraftmaschine realisiert werden. 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 unverbrannt in das Abgasabführsystem stromaufwärts des 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.
Hinsichtlich des unterstöchiometrischen Betriebs (λ < 1) der Brennkraftmaschine, d. h. der Anfettung, muß berücksichtigt werden, dass die Einleitung und Aufrechterhaltung eines unterstöchiometrischen Betriebs nicht immer oder nur unter Einschränkungen realisiert werden kann. Die Gründe hierfür sind vielfältiger Art und variieren in Abhängigkeit von der momentanen Last, mit welcher die Brennkraftmaschine betrieben wird.
Bei niedrigen Lasten kann eine stabile Verbrennung bei einem fetten Betrieb nicht sichergestellt werden, insbesondere bei Einsatz einer Kompressionszündung. Es kann zu Zündaussetzern bzw. einer nur unvollständigen Verbrennung des Gemisches kommen. Die Folge ist eine unerwünscht hohe Schadstoffemission, insbesondere an unverbrannten Kohlenwasserstoffen HC. Im mittleren Lastbereich erfolgt häufig eine Laständerung. Die transienten Betriebsbedingungen erschweren die Aufrechterhaltung eines konstanten Luftverhältnisses und machen eine Anfettung im Einzelfall unmöglich. Im Bereich höherer, hoher und höchster Lasten wird ein unterstöchiometrischer Betrieb in der Regel durch die maximal zulässige Abgastemperatur reglementiert, wobei die Abgastemperatur häufig durch im Abgasabführsystem vorgesehene Bauteile bzw. deren thermische Belastbarkeit begrenzt wird, beispielweise durch die Turbine eines Abgasturboladers, ein Abgasnachbehandlungssystem oder die Abgasrückführung. Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang, dass die Abgastemperatur in der Regel bei einer Anfettung zunimmt.
Auf innermotorische Maßnahmen kann verzichtet werden, wenn das Reduktionsmittel direkt in das Abgasabführsystem eingebracht wird, beispielsweise durch Einspritzen von zusätzlichem Kraftstoff stromaufwärts des LNT.
Bei dem Verfahren und der Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind, wird zur Abgasanreicherung Reduktionsmittel stromaufwärts des mindestens einen Abgasnachbehandlungssystems in das Abgasabführsystem eingebracht. Weitere Maßnahmen zur Abgasanreicherung, insbesondere innermotorische Maßnahmen, können aber vorgesehen sein bzw. werden.
Während der Regenerationsphase werden die Stickoxide (NO_x) freigegeben und im Wesentlichen in Stickstoffdioxid (N₂), Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Wasser (H₂O) umgewandelt. Die Temperatur des Speicherkatalysators sollte vorzugsweise in einem Temperaturfenster zwischen 200°C und 450°C liegen, so dass einerseits eine schnelle Reduktion sichergestellt wird und andererseits keine Desorption ohne Konvertierung der wieder freigegebenen Stickoxide NO_x stattfindet, was durch zu hohe Temperaturen ausgelöst werden kann.
Eine Schwierigkeit bei Verwendung eines Speicherkatalysators ergibt sich aus dem im Abgas enthaltenen Schwefel, der ebenfalls absorbiert wird und im Rahmen einer sogenannten Entschwefelung regelmäßig entfernt werden muß. Hierfür muß der Speicherkatalysator auf hohe Temperaturen, üblicherweise zwischen 600°C und 700 °C, erwärmt und mit einem Reduktionsmittel, beispielsweise unverbrannten Kohlenwasserstoffen, versorgt werden. Die für eine Entschwefelung erforderlichen hohen Temperaturen können den Speicherkatalysator schädigen, zur thermischen Alterung des Katalysators beitragen und die gewollte Konvertierung der Stickoxide gegen Ende seiner Lebensdauer deutlich mindern.
Zwar können durch Einbringen von als Reduktionsmittel dienendem Kraftstoff direkt in das Abgasabführsystem die Probleme, welche aus einer Anfettung mittels innermotorischer Maßnahmen resultieren, eliminiert bzw. abgemildert werden. Aber auch dieses Konzept zur Abgasanreicherung ist nicht uneingeschränkt anwendbar, denn das Einbringen von zusätzlichem Kraftstoff in das heiße Abgas bzw. die damit einhergehende exotherme Reaktion erhöhen die ohnehin schon hohe Temperatur des Abgases einer in Betrieb befindlichen Brennkraftmaschine, gegebenenfalls auf Werte oberhalb zulässiger Abgastemperaturen, so dass eine thermische Überlastung auftreten kann. Es wird Bezug genommen auf die weiter oben bereits gemachten Ausführungen.
Anstelle eines Speicherkatalysators oder zusätzlich zu einem Speicherkatalysator kann zur Reduzierung der Stickoxide ein selektiver Katalysator, der auch als SCR-Katalysator bezeichnet wird, vorgesehen werden. Hinsichtlich der Versorgung mit Reduktionsmittel gilt das im Zusammenhang mit dem Speicherkatalysator Gesagte. Als Reduktionsmittel kommen neben unverbrannten Kohlenwasserstoffen auch Ammoniak NH₃ und Harnstoff zum Einsatz, um die Stickoxide selektiv zu vermindern. Letztgenannte Reduktionsmittel werden gezielt in das Abgas eingebracht, d. h. direkt in das Abgasabführsystem.
Die vorstehend beschriebenen technischen Zusammenhänge machen deutlich, dass verbesserte Verfahrensweisen zur Abgasanreicherung erforderlich sind, damit Abgasnachbehandlungssysteme zur Reduzierung von Stickoxiden in optimierter Weise mit Reduktionsmittel versorgt werden können, um beispielsweise einen Speicherkatalysator zu regenerieren oder zu entschwefeln bzw. einen selektiven Katalysator mit unverbrannten Kohlenwasserstoffen oder Ammoniak zu versorgen.
Vor dem Hintergrund des zuvor Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Anreicherung des Abgases einer Brennkraftmaschine mit einem Reduktionsmittel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufzuzeigen.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens bereitzustellen.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch ein Verfahren zur Anreicherung des Abgases einer Brennkraftmaschine mit einem Reduktionsmittel, wobei die mindestens einen Zylinder umfassende Brennkraftmaschine ein Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft, ein Abgasabführsystem zum Abführen der Abgase und mindestens ein in diesem Abgasabführsystem angeordnetes Abgasnachbehandlungssystem zur Reduzierung von Stickoxiden, welches zumindest zeitweise eine Versorgung mit Reduktionsmittel erfordert, aufweist, bei dem zur Abgasanreicherung Reduktionsmittel stromaufwärts des mindestens einen Abgasnachbehandlungssystems in das Abgasabführsystem eingebracht wird und das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Abgasanreicherung durchgeführt wird, wenn die Kraftstoffversorgung des mindestens einen Zylinders der Brennkraftmaschine infolge fehlender Lastanforderung deaktiviert ist.
Erfindungsgemäß wird die Anreicherung des Abgases mit Reduktionsmittel nicht bei unter Last betriebener Brennkraftmaschine vorgenommen, sondern vielmehr bei fehlender Lastanforderung, wenn bei deaktivierter Kraftstoffversorgung mangels Kraftstoff keine Verbrennung in den Zylindern der Brennkraftmaschine initiiert wird und die Brennkraftmaschine in Funktion einer Kolbenarbeitsmaschine unter Leistungsaufnahme Ladeluft fördert. Damit wird die Abgasanreicherung in einem Betriebsmodus der Brennkraftmaschine durchgeführt, der nach dem Stand der Technik als ungeeignet für eine Abgasanreicherung gilt, da einerseits Kraftstoff als Reduktionsmittel infolge deaktivierter Kraftstoffversorgung vollständig fehlt und andererseits infolge der fehlenden Kraftstoffverbrennung die aus der Verbrennung resultierende exotherme Wärme zur Anhebung der relevanten Temperaturen, insbesondere des Abgases und des Abgasnachbehandlungssystems.
Die Restwärme der Bauteile, insbesondere des mindestens einen Abgasnachbehandlungssystems, erweist sich aber als ausreichend. Es erweist sich sogar als Vorteil, dass das Reduktionsmittel erfindungsgemäß bei nicht befeuerter Brennkraftmaschine in das Abgasabführsystem eingebracht wird, da auf diese Weise die Gefahr einer thermischen Überbeanspruchung infolge zu hoher Temperaturen vermindert bzw. ganz eliminiert wird.
Vorliegend wird das Reduktionsmittel nicht in das heiße aus den Zylindern abgeführte Abgas eingebracht, sondern vielmehr in die durch die Brennkraftmaschine hindurchgeführte und in das Abgasabführsystem geförderte Ladeluft, so dass es sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren strenggenommen um eine Ladeluftanreicherung und nicht um eine Abgasanreicherung handelt. Nichtsdestotrotz wird an dem aus dem Stand der Technik bekannten Begriff der Abgasanreicherung festgehalten.
Sowohl die Nachteile, die aus der Bereitstellung von Reduktionsmittel mittels innermotorischer Maßnahmen resultieren, als auch die thermische Überhitzung von im Abgasabführsystem vorgesehenen Bauteilen, insbesondere infolge des direkten Einbringens von Reduktionsmittel in das Abgas, entfallen.
Zudem ist man bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens im normalen Betrieb der Brennkraftmaschine weniger stark eingeschränkt, da kein oder weniger häufig Reduktionsmittel zur Abgasanreicherung bereitgestellt werden muss, insbesondere unter Lastanforderung keine innermotorischen Maßnahmen zur HC-Anreicherung eingesetzt werden müssen. Dabei ist auch zu berücksichtigen, dass eine Anfettung grundsätzlich vermieden werden sollte, da das Einbringen von überschüssigem Kraftstoff unter energetischen Aspekten, insbesondere hinsichtlich des Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine, aber auch hinsichtlich der Schadstoffemissionen als nachteilig anzusehen ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe gelöst, nämlich ein verbessertes Verfahren zur Anreicherung des Abgases einer Brennkraftmaschine mit einem Reduktionsmittel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufgezeigt.
Weitere vorteilhafte Verfahrensvarianten gemäß den Unteransprüchen werden im Folgenden erläutert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen als Abgasnachbehandlungssystem zur Reduzierung der Stickoxide ein selektiver Katalysator verwendet wird.
Grundsätzlich hängt die Wirksamkeit und Effektivität der Abgasnachbehandlung mittels SCR-Katalysator stark von den Abgastemperaturen und insbesondere der Temperatur des Katalysators selbst ab.
SCR-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. Bei sehr hohen Katalysatortemperaturen oberhalb von etwa 400°C setzt der Katalysator hingegen eingelagertes Ammoniak frei, ohne dass die Stickoxide reduziert werden. Sowohl das freigesetzte Ammoniak als auch das unbehandelte stickoxidhaltige Abgas werden dann via Abgasabführsystem in die Umgebung abgeführt. Dies gilt es zu verhindern.
In der Regel werden Katalysatortemperaturen zwischen 180°C und 300°C angestrebt, um eine zufriedenstellende Abgasnachbehandlung mittels SCR-Katalysator sicher zu stellen.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen als Abgasnachbehandlungssystem zur Reduzierung der Stickoxide ein Speicherkatalysator verwendet wird. Hinsichtlich des Speicherkatalysators und seiner Besonderheiten wird Bezug genommen auf die weiter oben gemachten Ausführungen.
Es können auch Speicherkatalysatoren und selektive Katalysatoren in Kombination miteinander zur Abgasnachbehandlung eingesetzt werden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen als Reduktionsmittel Ammoniak verwendet wird.
Aufgrund der Probleme, die sich einstellen bei der HC-Anreicherung mittels innermotorischer Maßnahmen bzw. dem direkten Eintragen von Kraftstoff in den Abgastrakt, kommen zur Reduktion von Stickoxiden auch SCR-Katalysatoren zum Einsatz, bei denen Ammoniak bzw. Harnstoff als Reduktionsmittel dient.
Aufgrund der Toxizität von Ammoniak NH₃ wird Ammoniak häufig 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 Abgasabführsystem stromaufwärts des SCR-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. So sind Temperaturen von etwa 150°C bis 170°C erforderlich, um eine stromaufwärts eines SCR-Katalysators eingebrachte wäßrige Harnstofflösung zu verdampfen und Ammoniak NH₃ zu erzeugen. Bei Dieselmotoren kann es Schwierigkeiten bereiten, im innerstädtischen Verkehr Abgastemperaturen in der erforderlichen oben genannten Höhe zu generieren bzw. zu erreichen, insbesondere nach einem Kaltstart.
Aus dem zuvor Gesagten folgt, dass es vorteilhaft und anzustreben ist, möglichst viel Ammoniak im SCR-Katalysator einzulagern, d. h. einen großen Ammoniakspeicher im Katalysator aufzubauen und vorzuhalten, um in Betriebsmodi, in denen die Temperaturen zum Einbringen und Verdampfen einer wäßrigen Harnstofflösung zu niedrig sind und/oder die Temperaturen des SCR-Katalysators zur Einlagerung von Ammoniak zu niedrig sind, ausreichend Ammoniak zur Reduzierung der Stickoxide zur Verfügung stellen zu können.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen als Reduktionsmittel Kraftstoff verwendet wird.
Aufgrund der Toxizität von Ammoniak und der Tatsache, dass bei einer Funktionsstörung eines SCR-Katalysators nicht nur Stickoxide, sondern auch Ammoniak in die Umgebung gelangt, kann es vorteilhaft sein, Kraftstoff als Reduktionsmittel zu verwenden. Ein zusätzliches Behältnis zur Bevorratung von Reduktionsmittel entfällt, wenn Kraftstoff zur Reduktion verwendet wird.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der Schubbetrieb der Brennkraftmaschine ein Betriebsmodus ist, in dem die Kraftstoffversorgung des mindestens einen Zylinders der Brennkraftmaschine infolge fehlender Lastanforderung deaktiviert wird und die Abgasanreicherung mittels Reduktionsmittel durchführbar ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der Bremsbetrieb eines die Brennkraftmaschine einsetzenden Fahrzeuges ein Betriebsmodus ist, in dem die Kraftstoffversorgung des mindestens einen Zylinders der Brennkraftmaschine infolge fehlender Lastanforderung deaktiviert wird und die Abgasanreicherung mittels Reduktionsmittel durchführbar ist.
Bei Brennkraftmaschinen mit einem Drosselelement im Ansaugsystem sind Ausführungsformen des Verfahrens vorteilhaft, bei denen im Rahmen der Abgasanreicherung die via Ansaugsystem zugeführte Ladeluft mittels Drosselelement gedrosselt wird.
Gemäß dieser Verfahrensvariante wird die Anreicherung der durch die Brennkraftmaschine geführten Ladeluft mit Reduktionsmittel durch eine innermotorische Maßnahme, die im normalen Betrieb der Brennkraftmaschine zur Anfettung genutzt werden kann, unterstützt. In der Regel wird zur Überführung der Brennkraftmaschine in den unterstöchiometrischen Betrieb das Luftverhältnis λ durch Erhöhung der eingespritzten Kraftstoffmenge verringert. Grundsätzlich kann das Luftverhältnis λ aber auch durch Reduzierung der bereitgestellten Luftmasse verringert werden. Die letztgenannte Vorgehensweise wird vorliegend in Analogie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren angewendet.
Dadurch, dass die durch das Abgasnachbehandlungssystem geförderte Ladeluftmenge durch Drosselung gemindert wird, ist zum einen weniger Reduktionsmittel erforderlich, um eine vorgebbare Konzentration an Reduktionsmittel in der Ladeluftströmung zu realisieren. Zum anderen wird aufgrund der verringerten Ladeluftströmung die für die Konvertierung relevante Raumgeschwindigkeit herabgesetzt, wodurch die Konvertierungsrate und damit die Güte der Abgasnachbehandlung erhöht werden.
Aus Gründen, die den vorstehend Genannten ähnlich sind, ist auch die folgende Verfahrensvariante vorteilhaft. Ist die Brennkraftmaschine mit einer Abgasrückführung ausgestattet, die eine Rückführleitung umfaßt, welche vom Abgasabführsystem unter Ausbildung einer Abzweigung abzweigt und in das Ansaugsystem einmündet, sind Ausführungsformen des Verfahrens vorteilhaft, bei denen im Rahmen der Abgasanreicherung die Abgasrückführung aktiviert und zwecks Rückführung von Ladeluft geöffnet wird.
Durch Aktivierung einer vorgesehenen Abgasrückführung wird im Rahmen der Abgasanreicherung Ladeluft zurückgeführt, wodurch die durch das Abgasnachbehandlungssystem geförderte Ladeluftmenge vermindert wird. Infolge der verminderten Ladeluftmenge ist weniger Reduktionsmittel erforderlich, um die Ladeluftströmung in der gewünschten Konzentration mit Reduktionsmittel anzureichern. Die für die Konvertierung relevante Raumgeschwindigkeit nimmt wiederum ab.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen das Reduktionsmittel zur Abgasanreicherung stromaufwärts der Abzweigung der Rückführleitung in das Abgasabführsystem eingebracht wird.
Wird die Abgasrückführung im Rahmen der Abgasanreicherung aktiviert, wird mit der Ladeluft auch Reduktionsmittel zurückgeführt, d. h. mit Reduktionsmittel angereicherte Ladeluft zurückgeführt.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang auch Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen das Reduktionsmittel zur Abgasanreicherung stromabwärts der Abzweigung der Rückführleitung in das Abgasabführsystem eingebracht wird. Es ist weniger Reduktionsmittel erforderlich.
Die Steuerung der erfindungsgemäßen Abgasanreicherung kann sowohl eine Closed-Loop-Steuerung sein als auch eine Feedforward-Open-Loop-Steuerung. Berücksichtigung bei der Steuerung, insbesondere der Open-Loop-Steuerung, kann die Stellung einer im Ansaugsystem vorgesehenen Drosselklappe finden, aber auch die Stellung eines AGR-Ventils, welches in einer vorgesehenen Abgasrückführung angeordnet ist. Die während der Abgasanreicherung durch die Brennkraftmaschine bzw. das Abgasnachbehandlungssystem hindurchgeführte Ladeluftmenge kann als Regelgröße verwendet werden, insbesondere im Rahmen einer Closed-Loop-Steuerung, wobei die Ladeluftmenge mittels Luftmassensensor erfaßt werden kann. Vorzugsweise wird die Ladeluftmenge mittels Drosselung und/oder AGR während der Abgasanreicherung in einem Umfang verringert, der einen unproblematischen Übergang zum befeuerten Betrieb der Brennkraftmaschine gestattet, sobald dies gewünscht bzw. erforderlich ist.
Die zweite Teilaufgabe, nämlich eine Brennkraftmaschine zur Durchführung eines Verfahrens einer vorstehend genannten Art bereitzustellen, wird gelöst durch eine Brennkraftmaschine umfassend

– mindestens einen Zylinder,
– ein Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft,
– ein Abgasabführsystem zum Abführen der Abgase,
– mindestens ein im Abgasabführsystem angeordnetes Abgasnachbehandlungssystem zur Reduzierung von Stickoxiden, welches zumindest zeitweise eine Versorgung mit Reduktionsmittel erfordert, und
– eine Einrichtung zum Einbringen von Reduktionsmittel in das Abgasabführsystem stromaufwärts des mindestens einen Abgasnachbehandlungssystems zwecks Abgasanreicherung.

Das bereits für das erfindungsgemäße Verfahren Gesagte gilt auch für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine, weshalb an dieser Stelle im Allgemeinen Bezug genommen wird auf die hinsichtlich der Verfahrensvarianten gemachten Ausführungen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen im Ansaugsystem ein Drosselelement vorgesehen ist. Das Drosselelement dient der Verringerung der Ladeluftmenge im Rahmen der Anreicherung mit Reduktionsmittel.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens eine Aufladevorrichtung vorgesehen ist.
Die Aufladung dient in erster Linie der Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine. Die für den Verbrennungsprozeß benötigte Luft wird dabei verdichtet, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden. Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern, oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen läßt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist.
Als Aufladevorrichtung kann beispielsweise ein Abgasturbolader und/oder ein Kompressor eingesetzt werden.
Vorteilhaft sind insbesondere Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen als Aufladevorrichtung mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist.
Ein Abgasturbolader umfaßt einen Verdichter und eine Turbine, die auf derselben Welle angeordnet sind. Der heiße Abgasstrom wird der Turbine zugeführt und entspannt sich unter Energieabgabe in der Turbine, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, 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 Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann durch unterschiedliche Maßnahmen optimiert werden. Beispielsweise durch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnittes und gleichzeitiger Abgasabblasung, insbesondere aber durch den Einsatz mehrerer Abgasturbolader, deren Turbinen parallel oder in Reihe angeordnet werden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Abgasrückführung vorgesehen ist, die eine Rückführleitung umfaßt, welche vom Abgasabführsystem unter Ausbildung einer Abzweigung abzweigt und in das Ansaugsystem einmündet.
Grundsätzlich ist die Abgasrückführung im normalen Betrieb, d. h. im befeuerten Betrieb der Brennkraftmaschine ein Konzept zur Senkung der Stickoxidemissionen, wobei die Stickoxidemissionen mit zunehmender Abgasrückführrate deutlich gesenkt werden können. Die Abgasrückführrate x_AGR bestimmt sich dabei zu x_AGR = m_AGR/(m_AGR + m_Frischluft), wobei m_AGR die Masse an zurückgeführtem Abgas und m_Frischluft die zugeführte Frischluft bezeichnet.
Um eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen zu erreichen, sind hohe Abgasrückführraten erforderlich, die in der Größenordnung von x_AGR ≈ 60% bis 70% liegen können, weshalb auch häufig eine Kühlung des rückgeführten Abgases vorgesehen wird.
Wird Abgas zur Reduzierung der Stickoxid-Rohemissionen zurückgeführt, nimmt die absolute durch den Katalysator geführte Abgasmasse ab, so dass die für die Konvertierung relevante Verweildauer im Katalysator zunimmt. Zudem ist zu berücksichtigen, dass das Abgas infolge der Abgasrückführung eine geringere Stickoxid-Konzentration aufweist. Beides führt zu einer Verringerung der in die Umgebung eingeleiteten Schadstoffmenge, die sich im nachbehandelten Abgas befindet.
Bei Brennkraftmaschinen mit Abgasturboaufladung können zwei grundsätzlich verschiedene Konzepte der Abgasrückführung unterschieden werden. Das rückgeführte Abgas kann mittels Hochdruck-AGR stromaufwärts der Turbine aus der Abgasleitung entnommen und zurückgeführt werden oder aber mittels Niederdruck-AGR stromabwärts der Turbine.
Bei einer Abgasrückführung mittels Hochdruck-AGR steht das rückgeführte Abgas zum Antrieb der Turbine nicht mehr zur Verfügung. Bei einer Steigerung der Abgasrückführrate nimmt der in die Turbine eingeleitete Abgasstrom weiter ab. Der verminderte Abgasmassenstrom durch die Turbine bedingt ein kleineres Turbinendruckverhältnis, wodurch das Ladedruckverhältnis und damit der Ladedruck ebenfalls abnehmen.
Im Gegensatz zur Hochdruck-AGR, die stromaufwärts der Turbine Abgas aus dem Abgasabführsystem entnimmt und stromabwärts des Verdichters in das Ansaugsystem einbringt, wird bei einer Niederdruck-AGR Abgas auf die Einlaßseite zurückgeführt, welches die Turbine bereits durchströmt hat. Hierzu umfaßt die Niederdruck-AGR eine Rückführleitung, die stromabwärts der Turbine aus dem Abgassystem abzweigt und stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem mündet.
Das mittels Niederdruck-AGR auf die Einlaßseite zurückgeführte Abgas wird stromaufwärts des Verdichters mit Frischluft gemischt. Die auf diese Weise erzeugte Mischung aus Frischluft und rückgeführtem Abgas bildet die Ladeluft, die dem Verdichter zugeführt und verdichtet wird. Im Rahmen der Niederdruck-AGR wird vorzugsweise Abgas verwendet, welches stromabwärts der Turbine einer Abgasnachbehandlung unterzogen wurde, um den Verdichter nicht zu verschmutzen und auf diese Weise den Wirkungsgrad des Verdichters zu verschlechtern.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Einrichtung zum Einbringen von Reduktionsmittel stromaufwärts der Abzweigung der Rückführleitung vorgesehen ist.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Einrichtung zum Einbringen von Reduktionsmittel stromabwärts der Abzweigung der Rückführleitung vorgesehen ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1 schematisch eine erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine 1, die über drei in Reihe angeordnete Zylinder 2 verfügt. Die Zylinder 2 werden via Ansaugsystem 3 mit Ladeluft versorgt. Zum Abführen der Abgase aus den Zylindern 2 dient ein Abgasabführsystem 6.
Im Abgasabführsystem 6 ist ein Abgasnachbehandlungssystem 9 zur Reduzierung von Stickoxiden vorgesehen, welches zumindest zeitweise eine Versorgung mit Reduktionsmittel 5 erfordert. Vorliegend wird als Abgasnachbehandlungssystem 9 zur Reduzierung von Stickoxiden ein Speicherkatalysator 9a eingesetzt und als Reduktionsmittel 5 Kraftstoff.
Die in 1 dargestellte Brennkraftmaschine 1 wird mittels Abgasturbolader 7 aufgeladen und ist zudem mit einer Hochdruck-AGR 8 ausgestattet. Der Lader 7 verfügt über eine in einer Abgasleitung 6a des Abgasabführsystems 6 angeordnete Turbine 7b und einen in einer Ansaugleitung 3a des Ansaugsystems 3 angeordneten Verdichter 7a. Zur Ausbildung der Hochdruck-AGR 8 ist eine Rückführleitung 8a vorgesehen, die stromaufwärts der Turbine 7b aus der Abgasleitung 6a abzweigt und stromabwärts des Verdichters 7a in die Ansaugleitung 3a des Ansaugsystems 3 einmündet und in der ein als AGR-Ventil 8b dienendes Absperrelement 8b angeordnet ist, das während des befeuerten Betriebs der Brennkraftmaschine 1 der Einstellung der mittels AGR 8 rückgeführten Abgasmenge bzw. während der Anreicherung mit Reduktionsmittel 5 der Einstellung der via Rückführleitung 8a rückgeführten Ladeluftmenge dient.
Der Speicherkatalysator 9a ist stromabwärts der Turbine 7b in der Abgasleitung 6a angeordnet, wobei stromaufwärts des Katalysators 9a zwischen der Turbine 7b und dem Katalysator 9a eine Einrichtung 10 zum Einbringen von Reduktionsmittel 5 in das Abgasabführsystem 6 vorgesehen ist.
Bezugszeichenliste

1: Brennkraftmaschine
2: Zylinder
3: Ansaugsystem
3a: Ansaugleitung
4: Drossel
5: Reduktionsmittel
6: Abgasabführsystem
6a: Abgasleitung
7: Abgasturbolader
7a: Verdichter
7b: Turbine
8: Abgasrückführung, Hochdruck-AGR
8a: Rückführleitung
8b: Absperrelement, AGR-Ventil
9: Abgasnachbehandlungssystem
9a: Speicherkatalysator
10: Einspritzvorrichtung zum Einbringen von Kraftstoff

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19953480 A1 [0009]

Claims

Verfahren zur Anreicherung des Abgases einer Brennkraftmaschine (1) mit einem Reduktionsmittel (5), wobei die mindestens einen Zylinder (2) umfassende Brennkraftmaschine (1) ein Ansaugsystem (3) zum Zuführen von Ladeluft, ein Abgasabführsystem (6) zum Abführen der Abgase und mindestens ein in diesem Abgasabführsystem (6) angeordnetes Abgasnachbehandlungssystem (9) zur Reduzierung von Stickoxiden, welches zumindest zeitweise eine Versorgung mit Reduktionsmittel (5) erfordert, aufweist, bei dem zur Abgasanreicherung Reduktionsmittel (5) stromaufwärts des mindestens einen Abgasnachbehandlungssystems (9) in das Abgasabführsystem (6) eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasanreicherung durchgeführt wird, wenn die Kraftstoffversorgung des mindestens einen Zylinders (2) der Brennkraftmaschine (1) infolge fehlender Lastanforderung deaktiviert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Abgasnachbehandlungssystem (9) zur Reduzierung der Stickoxide ein selektiver Katalysator verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Abgasnachbehandlungssystem (9) zur Reduzierung der Stickoxide ein Speicherkatalysator (9a) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Reduktionsmittel (5) Ammoniak verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Reduktionsmittel (5) Kraftstoff verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schubbetrieb der Brennkraftmaschine (1) ein Betriebsmodus ist, in dem die Kraftstoffversorgung des mindestens einen Zylinders (2) der Brennkraftmaschine (1) infolge fehlender Lastanforderung deaktiviert wird und die Abgasanreicherung mittels Reduktionsmittel (5) durchführbar ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bremsbetrieb eines die Brennkraftmaschine (1) einsetzenden Fahrzeuges ein Betriebsmodus ist, in dem die Kraftstoffversorgung des mindestens einen Zylinders (2) der Brennkraftmaschine (1) infolge fehlender Lastanforderung deaktiviert wird und die Abgasanreicherung mittels Reduktionsmittel (5) durchführbar ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche zur Anreicherung des Abgases einer Brennkraftmaschine (1) mit einem Drosselelement (4) im Ansaugsystem (3), dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Abgasanreicherung die via Ansaugsystem (3) zugeführte Ladeluft mittels Drosselelement (4) gedrosselt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche zur Anreicherung des Abgases einer Brennkraftmaschine (1) mit Abgasrückführung (8), wobei die Abgasrückführung (8) eine Rückführleitung (8a) umfaßt, die vom Abgasabführsystem (6) unter Ausbildung einer Abzweigung abzweigt und in das Ansaugsystem (3) einmündet, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Abgasanreicherung die Abgasrückführung (8) aktiviert und zwecks Rückführung von Ladeluft geöffnet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsmittel (5) zur Abgasanreicherung stromaufwärts der Abzweigung der Rückführleitung (8a) in das Abgasabführsystem (6) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsmittel (5) zur Abgasanreicherung stromabwärts der Abzweigung der Rückführleitung (8a) in das Abgasabführsystem (6) eingebracht wird.
Brennkraftmaschine (1) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend – mindestens einen Zylinder (2), – ein Ansaugsystem (3) zum Zuführen von Ladeluft, – ein Abgasabführsystem (6) zum Abführen der Abgase, – mindestens ein im Abgasabführsystem (6) angeordnetes Abgasnachbehandlungssystem (9) zur Reduzierung von Stickoxiden, welches zumindest zeitweise eine Versorgung mit Reduktionsmittel (5) erfordert, und – eine Einrichtung (10) zum Einbringen von Reduktionsmittel (5) in das Abgasabführsystem (6) stromaufwärts des mindestens einen Abgasnachbehandlungssystems (9) zwecks Abgasanreicherung.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Ansaugsystem (3) ein Drosselelement (4) vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abgasrückführung (8) vorgesehen ist, die eine Rückführleitung (8a) umfaßt, welche vom Abgasabführsystem (6) unter Ausbildung einer Abzweigung abzweigt und in das Ansaugsystem (3) einmündet.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (10) zum Einbringen von Reduktionsmittel (5) stromaufwärts der Abzweigung der Rückführleitung (8a) vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (10) zum Einbringen von Reduktionsmittel (5) stromabwärts der Abzweigung der Rückführleitung (8a) vorgesehen ist.