DE102013220666A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung in einem Abgassystem - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung in einem Abgassystem, wobei das Abgassystem eine Abgasnachbehandlungsanordnung (7) aufweist. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird wenigstens ein Betriebsparameter des Verbrennungsmotors mit zunehmender Alterung der Abgasnachbehandlungsanordnung (7) derart variiert, dass das Verhältnis von Stickstoffdioxid (NO2) zu Stickstoffmonoxid (NO) im Abgas verglichen zu einem analogen Betrieb ohne diese Variation erhöht wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung in einem Abgassystem.
  • Abgasnachbehandlungsvorrichtungen werden insbesondere eingesetzt, um Stickoxide (NOx) im Abgas, welche aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe resultieren, in unschädliche Komponenten umzuwandeln.
  • Eine solche Abgasnachbehandlungsvorrichtung ist der sogenannte NOx-Speicherkatalysator, dessen Funktionsprinzip darauf beruht, Stickoxide (NOx) unter mageren Abgasbedingungen zunächst zu speichern und dann unter Einstellung eines fetten, reduzierenden Abgasgemischs in einer Regenerationsphase (welche typischerweise wenige Sekunden andauert) in unschädliche Komponenten, vor allem Stickstoff, Kohlendioxid und Wasserdampf, umzuwandeln. Eine weitere Technologie ist die selektive katalytische Reduktion in einem sogenannten SCR-Katalysator (SCR = "Selective Catalytic Reduction" = "selektive katalytische Reduktion"), wobei am SCR-Katalysator die im Abgas enthaltenen Stickoxide mittels Ammoniak zu Stickstoff (N2) reduziert werden. Darüber hinaus ist der SCR-Katalysator dazu in der Lage, das z.B. stromaufwärts des SCR-Katalysators direkt dem Abgasstrom zugeführte Ammoniak bei niedrigen Abgastemperaturen zu speichern.
  • Allerdings führt die thermische Alterung solcher Abgasnachbehandlungsvorrichtungen, welche daraus resultiert, dass diese wiederholt bzw. periodisch hohen Temperaturen ausgesetzt werden, zu einer Abnahme der Effektivität der katalytischen Beschichtung. Diese Abnahme der Effektivität ist vor allem darauf zurückzuführen, dass die in Kontakt mit dem Abgas befindliche Oberfläche der katalytischen Beschichtung aufgrund der Bildung von Konglomeraten des Katalysatormaterials abnimmt. Das Ausmaß dieser Degradation weist eine ausgeprägte (typischerweise i.W. exponentielle) Abhängigkeit vom jeweiligen Temperaturniveau auf.
  • Ein in der Praxis auftretendes Problem ist insbesondere, dass die Alterung der Abgasnachbehandlungsvorrichtung zu einer Verschiebung der Anspringtemperatur ("Light-Off-Temperatur") zu höheren Werten führt, wobei die Fähigkeit etwa eines NOx-Speicherkatalysators, die Stickoxid(NOx)-Emissionen des Verbrennungsmotors zu speichern bzw. umzuwandeln, während der Phase nach einem Kaltstart beeinträchtigt wird.
  • Herkömmliche Ansätze zur Überwindung dieses Problems beinhalten insbesondere den Versuch, die Abgastemperatur zu erhöhen, um den Anstieg der Katalysatortemperatur bis auf Werte oberhalb der Anspringtemperatur zu beschleunigen. Solche Ansätze sind jedoch infolge der zusätzlichen durch Brennstoffe bereitzustellenden Wärmeenergie mit einem zusätzlichen Kraftstoffverbrauch verbunden.
  • Aus der DE 10 2005 049 655 A1 ist es bekannt, bei einer Brennkraftmaschine mit einem Katalysator mit NO-Oxidationsaktivität, die als vorbereitende Stufe für weitere Abgasbehandlungsmaßnahmen, z.B. SCR, den NO2-Anteil erhöhen soll, den Anteil von Stoffen, die mit der NO-Oxidation konkurrieren, derart zu variieren, dass stromab des besagten Katalysators nur ein derartiger NO2-Sollanteil im Abgas vorhanden ist, der für die nachfolgende Abgasbehandlung (gerade) benötigt wird. Bei diesem Verfahren wird jedoch ein vorgeschalteter Katalysator mit NO-Oxidationsaktivität vorausgesetzt. Ferner wird keine Aussage über eine Einstellung eines NO2/NO-Verhältnisses getroffen. Vielmehr wird eine Einstellung des Anteils von Stoffen vorgeschlagen (insbesondere durch Zusatz von unverbranntem Kraftstoff), die mit der NO-Oxidation konkurrieren.
  • Vor dem obigen Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung in einem Abgassystem bereitzustellen, welche eine Reduzierung der Kaltstart-Emissionswerte bei möglichst geringer Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 bzw. die Vorrichtung gemäß den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs 11 gelöst.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Abgasnachbehandlung in einem Abgassystem eines Verbrennungsmotors, wobei das Abgassystem eine Abgasnachbehandlungsanordnung aufweist, wird wenigstens ein Betriebsparameter des Verbrennungsmotors mit zunehmender Alterung der Abgasnachbehandlungsanordnung derart variiert, dass das Verhältnis von Stickstoffdioxid (NO2) zu Stickstoffmonoxid (NO) im Abgas verglichen zu einem analogen Betrieb ohne diese Variation erhöht wird.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt insbesondere das Konzept zugrunde, das Verhältnis von Stickstoffdioxid (NO2) zu Stickstoffmonoxid (NO) in den gesamten NOx-Emissionen aktiv in Abhängigkeit vom Alterungszustand der Abgasnachbehandlungsanordnung aktiv zu erhöhen.
  • Die Erfindung geht dabei insbesondere von der Überlegung aus, dass nach einem Kaltstart die Fähigkeit z. B. eines NOx-Katalysators zur Adsorption von Stickoxiden (NOx) im Wesentlichen durch den NO2-Gehalt im zugeführten Abgas bestimmt wird. Die erzielte NOx-Speicherung ist hierbei umso höher, je größer bei vorgegebener NOx-Konzentration das Verhältnis von Stickstoffdioxid (NO2) zu Stickstoffmonoxid (NO) (= NO2/NO-Verhältnis) ist. In ähnlicher Weise werden bei einer auf einem SCR-Katalysator basierenden Abgasnachbehandlungsvorrichtung, in der die NOx-Umwandlung während der Kaltstartphase (bei Temperaturen unterhalb von 150°C) maßgeblich durch das Ausmaß an im Katalysator gespeichertem Ammoniak (NH3) bestimmt wird, höhere NOx-Umwandlungen erzielt, wenn bei vorgegebener NOx-Konzentration der NO2-Anteil im zugeführten Abgas größer ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst der wenigstens eine Betriebsparameter die Temperatur der Ansaugluft im Ansaugkrümmer des Verbrennungsmotors, wobei diese Temperatur mit zunehmender Alterung der Abgasnachbehandlungsanordnung erhöht wird. Diese Erhöhung des Verhältnisses von Stickstoffdioxid (NO2) zu Stickstoffmonoxid (NO) kann nämlich bei einem Kaltstartbetrieb des Verbrennungsmotors unter niedriger Last insbesondere dadurch erzielt werden, dass die Temperatur der Ansaugluft bzw. die Temperatur im Ansaugkrümmer bei Sauerstoffüberschuss erhöht wird. Hierbei trägt die höhere Spitzentemperatur der Verbrennung bei überschüssigem Sauerstoff effektiv dazu bei, die NO2-Bildung im Vergleich zur NO-Bildung zu fördern. Die Erhöhung der Temperatur der Ansaugluft kann insbesondere durch elektrische Beheizung erfolgen. Der Ansatz der elektrischen Beheizung hat zugleich den Vorteil, dass die Last auf den Verbrennungsmotor erhöht wird, wodurch sich die Verbrennungseffizienz verbessert und darüber hinaus auch HC-und CO-Emissionen des Verbrennungsmotors verringert werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist das Abgassystem eine Abgasrückführung (AGR) auf.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst der wenigstens eine Betriebsparameter die Abgasrückführungsrate dieser Abgasrückführung.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist die Abgasrückführung (AGR) einen Abgasrückführungs-Kühler auf, wobei der wenigstens eine Betriebsparameter die Kühlleistung dieses Abgasrückführungs-Kühlers umfasst.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird der wenigstens eine Betriebsparameter des Verbrennungsmotors ferner mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit der Abgase im Abgassystem derart variiert, dass das Verhältnis von Stickstoffdioxid (NO2) zu Stickstoffmonoxid (NO) im Abgas verglichen zu einem analogen Betrieb ohne diese Variation erhöht wird.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird der wenigstens eine Betriebsparameter des Verbrennungsmotors ferner mit zunehmender Katalysatortemperatur eines in der Abgasnachbehandlungsanordnung vorhandenen Katalysators derart variiert, dass das Verhältnis von Stickstoffdioxid (NO2) zu Stickstoffmonoxid (NO) im Abgas verglichen zu einem analogen Betrieb ohne diese Variation erhöht wird.
  • Die Abgasnachbehandlungsanordnung kann insbesondere einen NOx-Speicherkatalysator und/oder einen SCR-Katalysator aufweisen.
  • Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung in einem Abgassystem eines Verbrennungsmotors, welche dazu ausgelegt ist, ein Verfahren mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen auszuführen. Zu bevorzugten Ausgestaltungen sowie Vorteilen der Vorrichtung wird auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen.
  • Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Abbildungen erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines möglichen Aufbaus eines Abgassystems, in welchem die Erfindung realisiert werden kann;
  • 2–3 Diagramme zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Konzepts der Erhöhung der Temperatur im Einlasskrümmer (2) bzw. der Spitzentemperatur der Verbrennung (3) als Funktion der Alterung des Katalysators; und
  • 4 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Erhöhung des NO2-Anteils als Funktion der Alterung des Katalysators.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung des möglichen Aufbaus eines Abgassystems, in welchem die Erfindung realisiert werden kann.
  • Gemäß 1 wird Luft über einen Verdichter 2 angesaugt und über ein Drosselventil 3 dem Ansaugkrümmer eines Dieselmotors 1 zugeführt. Ein Teil der den Dieselmotor 1 verlassenden Abgase wird über eine Abgasrückführung, welche über einen Abgasrückführungs-Kühler 4 und ein Abgasrückführungs-Ventil 5 führt, zur Eingangsseite des Dieselmotors 1 zurückgeführt, wobei über das Abgasrückführungs-Ventil 5 das Ausmaß dieser Abgasrückführung kontrolliert werden kann. Der nicht rückgeführte Teil der Abgase strömt über eine Turbine 6 hin zu einer Abgasnachbehandlungsanordnung 7, welche im dargestellten Ausführungsbeispiel einen Oxidationskatalysator 8, einen NOx-Katalysator 9 und einen Dieselpartikelfilter 10 aufweist. Des Weiteren kann die Abgasnachbehandlungsanordnung 7 auch einen SCR-Katalysator (nicht dargestellt) zur selektiven katalytischen Reduktion von im dem SCR-Katalysator zugeführten Abgas enthaltenen Stickoxiden aufweisen.
  • Gemäß der Erfindung wird nun zur zumindest teilweisen Kompensation der Alterung der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 7 das Verhältnis von Stickstoffdioxid (NO2) zu Stickstoffmonoxid (NO) in den gesamten NOx-Emissionen in Abhängigkeit vom Alterungszustand der Abgasnachbehandlungsanordnung 7 (ggf. auch von der Katalysatortemperatur und/oder der Strömungsgeschwindigkeit der Abgase im Abgassystem) aktiv erhöht.
  • Hierzu wird zumindest ein geeigneter Betriebsparameter des Verbrennungsmotors mit zunehmender Alterung der Abgasnachbehandlungsanordnung 7 derart variiert, dass das Verhältnis von Stickstoffdioxid (NO2) zu Stickstoffmonoxid (NO) im Abgas verglichen zu einem analogen Betrieb ohne diese Variation erhöht wird. Bei diesem Betriebsparameter kann es sich z. B. um die Temperatur der Ansaugluft im Ansaugkrümmer des Verbrennungsmotors handeln, wobei dann diese Temperatur mit zunehmender Alterung der Abgasnachbehandlungsanordnung 7 erhöht wird. Diese Maßnahme trägt aufgrund der höheren Spitzentemperatur der Verbrennung bei überschüssigem Sauerstoff effektiv dazu bei, die NO2-Bildung relativ zur NO-Bildung zu fördern.
  • Dabei kann eine Erhöhung der Temperatur des Abgaskrümmers ohne wesentliche Abnahme des Sauerstoffgehalts insbesondere dadurch erreicht werden, dass eine elektrische Beheizung der Ansaugluft erfolgt. In einem Hybrid-Antriebsstrang ist bei der Bereitstellung einer elektrischen Heizung des Abgaskrümmers der Ladezustand der Batterie (SOC = "State of Charge") in der Kaltstartphase von wesentlicher Bedeutung, wobei sich bei hohem Ladezustand (SOC) aufgrund einer schnelleren Aufwärmung der Ansaugluft ein größeres Potential zur Kompensation der Katalysatoralterung ergibt.
  • 2 und 3 zeigen Diagramme zur Veranschaulichung dieses erfindungsgemäßen Konzepts, wobei in 2 der zeitliche Verlauf der Temperatur im Einlasskrümmer und in 3 der zeitliche Verlauf der Spitzentemperatur der Verbrennung – jeweils für drei unterschiedliche Alterungsgrade der Abgasnachbehandlungsanordnung 7 – aufgetragen ist (wobei die Alterung für "Alterungsgrad 1" am niedrigsten und für "Alterungsgrad 3" am höchsten ist). 4 zeigt ein entsprechendes Diagramm zur Veranschaulichung der Erhöhung des NO2-Anteils für diese drei Alterungsgrade.
  • In weiteren Ausführungsformen kann bei gleicher Abgasrückführungsrate (AGR-Rate) die Abgasrückführungskühlung, d.h. die Kühlleistung des Abgasrückführungs-Kühlers 4 variiert werden, um den erforderlichen Temperaturanstieg zu erzielen. Dies kann z. B. durch Verwendung einer Bypass-Leitung für das zur Kühlung in der Abgasrückführung eingesetzte Kühlmittel oder durch Variation der Kühlmittelströmungsrate erfolgen. Dieser Ansatz ist insbesondere vorteilhaft im Falle von Verbrennungsmotor-Anordnungen, welche für den Einsatz mit hohen Abgasrückführungsraten geeignet sind.
  • In der praktischen Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens können für einen vorgegebenen Alterungszustand (sowie ggf. eine vorgegebene Katalysatortemperatur und/oder eine vorgegebene Strömungsgeschwindigkeit der Abgase) jeweils für einen Sollwert des NO2/NO-Verhältnisses im Abgas die entsprechende Verbrennungs-Spitzentemperatur sowie die Sauerstoffkonzentration der Verbrennung berechnet werden. Ausgehend von diesen Werten kann auf jeweilige Sollwerte für die Temperatur im Ansaugkrümmer sowie den Sauerstoffgehalt (bzw. die Abgasrückführungsrate) zurückgerechnet werden. Mittels einer MIMO-Regelung (MI-MO = multiple-input-multiple-output") können die für den gewünschten Betriebszustand im Einlasskrümmer geeigneten Einstellungen des Abgasrückführungsventils (AGR-Ventils) 5, des Abgasrückführungs-Kühlers (AGR-Kühler) 4 und ggf. der vorgesehenen Heizung im Bereich des Ansaugkrümmers (= Ansaugluft-Heizung) ermittelt und entsprechend gewählt werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102005049655 A1 [0007]

Claims (11)

  1. Verfahren zur Abgasnachbehandlung in einem Abgassystem eines Verbrennungsmotors, wobei das Abgassystem eine Abgasnachbehandlungsanordnung (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Betriebsparameter des Verbrennungsmotors mit zunehmender Alterung der Abgasnachbehandlungsanordnung (7) derart variiert wird, dass das Verhältnis von Stickstoffdioxid (NO2) zu Stickstoffmonoxid (NO) im Abgas verglichen zu einem analogen Betrieb ohne diese Variation erhöht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Betriebsparameter die Temperatur der Ansaugluft im Ansaugkrümmer des Verbrennungsmotors umfasst, wobei diese Temperatur mit zunehmender Alterung der Abgasnachbehandlungsanordnung (7) erhöht wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass diese Erhöhung der Temperatur der Ansaugluft durch elektrische Beheizung erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgassystem eine Abgasrückführung (AGR) aufweist.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Betriebsparameter die Abgasrückführungsrate dieser Abgasrückführung umfasst.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführung (AGR) einen Abgasrückführungs-Kühler (4) aufweist, wobei der wenigstens eine Betriebsparameter die Kühlleistung dieses Abgasrückführungs-Kühlers (5) umfasst.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Betriebsparameter des Verbrennungsmotors ferner mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit der Abgase im Abgassystem derart variiert wird, dass das Verhältnis von Stickstoffdioxid (NO2) zu Stickstoffmonoxid (NO) im Abgas verglichen zu einem analogen Betrieb ohne diese Variation erhöht wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Betriebsparameter des Verbrennungsmotors ferner mit zunehmender Katalysatortemperatur eines in der Abgasnachbehandlungsanordnung (7) vorhandenen Katalysators derart variiert wird, dass das Verhältnis von Stickstoffdioxid (NO2) zu Stickstoffmonoxid (NO) im Abgas verglichen zu einem analogen Betrieb ohne diese Variation erhöht wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungsanordnung (7) einen NOx-Speicherkatalysator (9) aufweist.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungsanordnung (7) einen SCR-Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von im dem SCR-Katalysator zugeführten Abgas enthaltenen Stickoxiden aufweist.
  11. Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung in einem Abgassystem eines Verbrennungsmotors, wobei das Abgassystem wenigstens eine Abgasnachbehandlungsanordnung (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung dazu ausgelegt ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
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