DE102014009016A1

DE102014009016A1 - Verfahren zum Betreiben einer Kraftfahrzeug-Abgasreinigungsanlage mit einem Oxidationskatalysator

Info

Publication number: DE102014009016A1
Application number: DE102014009016.7A
Authority: DE
Inventors: Julian Keufer; Erik Rechtlich
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Daimler Truck Holding AG
Priority date: 2014-06-17
Filing date: 2014-06-17
Publication date: 2015-12-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftfahrzeug-Abgasreinigungsanlage (1) mit einem Oxidationskatalysator (3) und einem dem Oxidationskatalysator (3) in Abgasströmungsrichtung (9) nachgeschalteten SCR-Katalysator (5). Bei dem Verfahren werden ein mit einer Temperatur des Oxidationskatalysators (3) korrelierender erster Temperaturwert und ein mit einer Temperatur des SCR-Katalysators (5) korrelierender zweiter Temperaturwert ermittelt. Für den Fall, dass der erste Temperaturwert größer als ein vorgebbarer erster Temperatur-Grenzwert (TGrenz) ist und der zweite Temperaturwert kleiner als ein vorgebbarer zweiter Temperatur-Grenzwert ist, wird zur Erwärmung der Abgasreinigungsanlage (1) Abgas stromauf des Oxidationskatalysators (3) mit Kohlenwasserstoffen derart angereichert, dass dem Oxidationskatalysator (3) ein Abgas zugeführt wird, welches ein mit zunehmendem ersten Temperaturwert zunehmenden Kohlenwasserstoffgehalt (cHC) aufweist und im Abgas enthaltene Kohlenwasserstoffe größtenteils im Oxidationskatalysator (3) unter Wärmefreisetzung umgesetzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftfahrzeug-Abgasreinigungsanlage mit einem Oxidationskatalysator und einem dem Oxidationskatalysator in Abgasströmungsrichtung nachgeschalteten SCR-Katalysator, bei welchem zur Erwärmung der Abgasreinigungsanlage dem Oxidationskatalysator ein mit Kohlenwasserstoffen angereichertes Abgas zugeführt wird.
Aus der DE 10 2009 045 377 A ist ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftfahrzeug-Abgasreinigungsanlage mit einem Oxidationskatalysator und einem dem Oxidationskatalysator in Abgasströmungsrichtung nachgeschalteten SCR-Katalysator bekannt, bei welchem zur Erwärmung der Abgasreinigungsanlage dem Oxidationskatalysator ein mit Kohlenwasserstoffen angereichertes Abgas zugeführt wird. Wird festgestellt, dass die dem Oxidationskatalysator zugeführten Kohlenwasserstoffe in diesem zu einem geringeren Maß als vorgesehen umgesetzt werden, so wird die Dosierung der Kohlenwasserstoffe verringert. Als nachteilig ist bei diesem Verfahren anzusehen, dass es trotz einer Verringerung der Kohlenwasserstoffdosierung bei verminderter Umsatzfähigkeit des Oxidationskatalysators zu einem unerwünschten Schlupf von Kohlenwasserstoffen durch den Oxidationskatalysator kommen kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, welches auch bei niedrigen Temperaturen eine wirksame Erwärmung einer Abgasanlage durch Oxidation von Kohlenwasserstoffen an einem Oxidationskatalysator unter weitgehender Vermeidung von Kohlenwasserstoff-Schlupf ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Kraftfahrzeug-Abgasreinigungsanlage mit einem Oxidationskatalysator und einem dem Oxidationskatalysator in Abgasströmungsrichtung nachgeschalteten SCR-Katalysator werden ein mit einer Temperatur des Oxidationskatalysators korrelierender erster Temperaturwert und ein mit einer Temperatur des SCR-Katalysators korrelierender zweiter Temperaturwert ermittelt. Für den Fall, dass der erste Temperaturwert größer als ein vorgebbarer erster Temperatur-Grenzwert ist und der zweite Temperaturwert kleiner als ein vorgebbarer zweiter Temperatur-Grenzwert ist, wird zur Erwärmung der Abgasreinigungsanlage Abgas stromauf des Oxidationskatalysators mit Kohlenwasserstoffen derart angereichert, dass dem Oxidationskatalysator ein Abgas zugeführt wird, welches ein mit zunehmendem ersten Temperaturwert zunehmenden Kohlenwasserstoffgehalt aufweist und im Abgas enthaltene Kohlenwasserstoffe größtenteils im Oxidationskatalysator unter Wärmefreisetzung umgesetzt werden.
Infolge der erfindungsgemäß vorgesehenen Korrelation von Kohlenwasserstoff-Anreicherungsmenge und Temperatur des Oxidationskatalysators ist ein Kohlenwasserstoff-Schlupf besonders zuverlässig vermeidbar.
Die Erfinder haben erkannt, dass insbesondere bei niedrigen Temperaturen die Umsatzfähigkeit üblicher Oxidationskatalysatoren von der Menge der angebotenen Kohlenwasserstoffe bzw. von deren Gehalt im Abgas abhängen kann. Dieser Effekt kann abhängig von der Art der Kohlenwasserstoffe, aber auch abhängig vom Abgasdurchsatz bzw. der Abgasraumgeschwindigkeit mehr oder weniger stark ausgeprägt sein. Es kann daher vorgesehen sein, den ersten Temperatur-Grenzwert und/oder die Korrelation von Kohlenwasserstoffanreicherung und Temperatur des Oxidationskatalysators in Abhängigkeit von wenigstens einer dieser Betriebsgrößen vorzugeben. Eine Anreicherung des Abgases mit Kohlenwasserstoffen unterbleibt insbesondere dann, wenn der erste Temperaturwert den ersten Temperatur-Grenzwert unterschreitet. Der erste Temperatur-Grenzwert ist dabei bevorzugt an ein aktuell vorliegendes Kohlenwasserstoff-Umsatzvermögen des Oxidationskatalysators gekoppelt. Das aktuell vorliegende Kohlenwasserstoff-Umsatzvermögen kann dabei in Abhängigkeit relevanter Betriebsgrößen wie beispielsweise Abgasdurchsatz, Alterungszustand des Oxidationskatalysators ermittelt werden, wozu vorzugsweise auf in Kennfeldern oder Kennlinien abgespeicherte Kennwerte zurückgegriffen wird.
Die Anreicherung des Abgases mit Kohlenwasserstoffen kann innermotorisch, beispielsweise durch eine nach einer Kraftstoff-Haupteinspritzung erfolgende, späte Nacheinspritzung in einen oder mehrere Brennräume des Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors erfolgen. Es kann auch eine so genannte Sekundäreinspritzung von Kohlenwasserstoffen mittels eines separaten Injektors in einen Abgasleitungsabschnitt stromauf des Oxidationskatalysators erfolgen.
Die Ermittlung von erstem und/oder zweitem Temperaturwert erfolgt bevorzugt messtechnisch mittels eines Temperaturfühlers. Der jeweilige Temperaturfühler kann dabei so vorgesehen sein, dass eine Katalysatorbett-Temperatur direkt erfasst wird. Es kann jedoch auch eine Abgastemperatur eintrittsseitig des Oxidationskatalysators bzw. des SCR-Katalysators gemessen werden und diese direkt oder nach Umrechnung als für den jeweiligen Katalysator maßgebliche Temperatur verwendet werden.
In Ausgestaltung der Erfindung wird bei der Anreicherung des Abgases mit Kohlenwasserstoffen der Kohlenwasserstoffgehalt so eingestellt, dass ein vorgebbarer Mindestanteil der Kohlenwasserstoffe im Oxidationskatalysator umgesetzt wird. Vorzugsweise wird der Mindestanteil recht hoch, beispielsweise höher als etwa 70%, vorzugsweise höher als 80% und besonders bevorzugt höher als 90% der dem Abgas zugegebenen oder zuzugebenden Kohlenwasserstoffe gewählt. Damit ist gewährleistet, dass der Kohlenwasserstoff-Schlupf niedrig bleibt und somit eine Inhibierung nachgeschalteter katalytisch wirksamer Bauteile durch Kohlenwasserstoff-Adsorption, insbesondere des SCR-Katalysators, weitestgehend vermieden wird. Auch hier ist es von Vorteil, wenn auf eine vorab abgespeicherte Kennlinie für eine Temperaturabhängigkeit des Kohlenwasserstoff-Umsatzvermögens des Oxidationskatalysators zurückgegriffen wird. Anhand des ermittelten ersten Temperaturwerts kann so der Kohlenwasserstoffgehalt stromauf des Oxidationskatalysators zuverlässig entsprechend dem angestrebten Mindestumsatz eingestellt werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird bei der Anreicherung des Abgases mit Kohlenwasserstoffen der Kohlenwasserstoffgehalt in Abhängigkeit vom Sauerstoffgehalt des Abgases eingestellt. Dies trägt der Erkenntnis Rechnung, dass typischerweise bei zunehmendem Sauerstoffgehalt im Abgas und sonst vergleichbaren Bedingungen das Kohlenwasserstoff-Umsatzvermögen von Oxidationskatalysatoren zunimmt. Somit erfolgt vorzugsweise mit zunehmendem Sauerstoffgehalt des Abgases eine zunehmende Anreicherung des Abgases mit Kohlenwasserstoffen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird bei einem Anstieg des zweiten Temperaturwerts über einen vorgebbaren dritten Temperatur-Grenzwert hinaus die Anreicherung des Abgases mit Kohlenwasserstoffen gestoppt. Der dritte Temperatur-Grenzwert ist bevorzugt höher gewählt als der zweite Temperatur-Grenzwert. Insbesondere ist es vorgesehen, die Kohlenwasserstoff-Anreicherung zu beenden, wenn der SCR-Katalysator eine temperaturabhängige vorbestimmte Wirksamkeit bzw. ein dementsprechendes Stickoxid-Umsatzvermögen erreicht hat.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird der zweite Temperatur-Grenzwert größer als der erste Temperatur-Grenzwert gewählt. Der erste Temperatur-Grenzwert liegt typischerweise im Bereich zwischen 150°C und 220°C, vorzugsweise zwischen 150°C und 180°C. Bei entsprechend niedriger Kohlenwasserstoffanreicherung ist dabei ein nahezu vollständiger exothermer Umsatz im Oxidationskatalysator ermöglicht. Je nach Stärke der Anreicherung kann die Abgastemperatur austrittsseitig des Oxidationskatalysators um bis zu 30°C oder mehr im Vergleich zur eintrittsseitigen Abgastemperatur angehoben werden. Vorzugsweise ist der zweite Temperatur-Grenzwert ein an einen bestimmten Wirkungsgrad bzw. ein bestimmtes Stickoxid-Umsatzvermögen des SCR-Katalysators geknüpfter Wert. Typischerweise liegt der zweite Temperatur-Grenzwert im Bereich zwischen 160°C und 230°C, insbesondere zwischen 180°C und 210°C.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird bei einem ersten Temperaturwert, welcher den ersten Temperatur-Grenzwert um weniger als ein vorgebbares Maß überschreitet, bei der Anreicherung des Abgases ein Kohlenwasserstoffgehalt im Abgas von weniger als 500 ppm eingestellt. Vorzugsweise wird in einem Temperaturbereich zwischen 150°C und 200°C temperaturabhängig ein Kohlenwasserstoffgehalt zwischen 80 ppm und 500 ppm eingestellt. Die Konzentrationsangaben beziehen sich dabei auf ein Propan-Äquivalent.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird das Abgas mit einem Kohlenwasserstoff angereichert, welcher eine kleinere Molmasse als ein im Kraftfahrzeug bevorrateter Mineralöl-Kraftstoff aufweist. Bevorzugt erfolgt die Anreicherung mit einem Kohlenwasserstoff bzw. einem Kohlenwasserstoffgemisch, welcher oder welches aus dem als Dieselöl oder Benzin vorliegenden, gegebenenfalls mit Ethanol oder Methanol versetzten Mineralöl gewonnen wird. Eine Verminderung der durchschnittlichen Molmasse eines solchen Kraftstoffs kann beispielsweise durch einen Crack- oder Reformierprozess erfolgen. Besonders bevorzugt ist ein Cracken des Kraftstoffs durch eine Kraftstoffnacheinspritzung in einen oder mehrere Brennräume des entsprechenden Verbrennungsmotors zu einem Zeitpunkt im Arbeitstakt, bei welchem der eingespritzte Kraftstoff nur wenig oder vernachlässigbar an der Verbrennung teilnimmt. Ein Cracken kann dabei thermisch im Brennraum erfolgen und es wird ein mit gecracktem Kraftstoff angereichertes Abgas aus dem Brennraum oder den Brennräumen ausgeschoben und dem Oxidationskatalysator zugeführt.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen veranschaulicht und werden nachfolgend beschrieben. Dabei sind die vorstehend genannten und nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Merkmalskombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer vorteilhaften Ausführungsform einer Abgasreinigungsanlage, bei welcher das erfindungsgemäße Verfahren zum Einsatz kommen kann,
2 ein Diagramm mit schematisch dargestellter Temperaturabhängigkeit eines Umsatzes von in unterschiedlichen Konzentrationen vorliegenden Kohlenwasserstoffen für einen in der Abgasreinigungsanlage gemäß 1 erfindungsgemäß einzusetzenden Oxidationskatalysator,
3 ein Diagramm mit einer schematisch dargestellten Abhängigkeit einer für eine 90%-ige Kohlenwasserstoffumsetzung am Oxidationskatalysator der Abgasreinigungsanlage gemäß 1 erforderlichen Temperatur in Abhängigkeit von einem Kohlenwasserstoffgehalt im Abgas stromauf des Oxidationskatalysators,
4 ein Diagramm mit einer schematischen Darstellung einer am Oxidationskatalysator der Abgasreinigungsanlage gemäß 1 erfolgten Wärmefreisetzung aufgrund einer Umsetzung von in unterschiedlicher Konzentration vorliegenden Kohlenwasserstoffen in Abhängigkeit von der Temperatur des Oxidationskatalysators, und
5 ein Diagramm mit einer schematisch dargestellten Temperaturabhängigkeit einer Kohlenwasserstoff-Grenzkonzentration, oberhalb welcher ein maximaler Kohlenwasserstoff-Umsatz des Oxidationskatalysators gemäß 1 unterschritten wird
In 1 ist lediglich beispielhaft und schematisch eine vorteilhafte Ausführungsform einer Abgasreinigungsanlage 1 dargestellt, bei welchem das erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden kann. Die Abgasreinigungsanlage 1 ist dabei einer nicht dargestellten Kraftfahrzeugbrennkraftmaschine, nachfolgend vereinfacht als Motor bezeichnet, zugeordnet. Der Motor ist vorzugsweise als direkteinspritzender Dieselmotor, insbesondere eines Nutzfahrzeugs ausgebildet.
Das vom Motor abgegebene Abgas wird von einem Abgasstrang 2 der Abgasreinigungsanlage 1 aufgenommen und durchströmt in einer durch einen Pfeil 9 gekennzeichneten Strömungsrichtung nacheinander einen Oxidationskatalysator 3, einen Partikelfilter 4 und einen SCR-Katalysator 5.
Eingangs- und ausgangsseitig des Oxidationskatalysators 3 sowie eingangsseitig des SCR-Katalysators 5 sind Temperatursensoren 6, 7, 8 zur Erfassung der Abgastemperatur vorgesehen. Weitere Sensoren zur Erfassung der Konzentration von Abgaskomponenten wie Sauerstoff, Stickoxid, Ammoniak, Kohlenwasserstoff stromauf und/oder stromab einer jeweiligen Abgasreinigungskomponente 3, 4, 5 können vorgesehen sein. Ebenso ist vorzugsweise ein Differenzdrucksensor zur Erfassung eines Druckabfalls über dem Partikelfilterfilter 4 vorgesehen, was im Einzelnen der Übersichtlichkeit halber nicht gesondert dargestellt ist.
Ferner ist im Abgasstrang 2 zwischen dem Partikelfilter 4 und dem SCR-Katalysator 5 ein Injektor 10 zur Abgabe eines Stickoxid-Reduktionsmittels in das Abgas angeordnet. Die Versorgung des Injektors 10 mit dem Reduktionsmittel erfolgt aus einem nicht dargestellten Behälter, aus welchem das Reduktionsmittel mittels einer Reduktionsmittelpumpe zum Injektor 10 gefördert wird. Bei dem Reduktionsmittel handelt es sich vorzugsweise um eine wässrige Harnstofflösung oder um eine andere Flüssigkeit, aus welcher Ammoniak zur selektiven Reduktion von Stickoxiden im SCR-Katalysator 5 freigesetzt werden kann. Dementsprechend ist der SCR-Katalysator 5 vorzugsweise als Vollkatalysator auf V₂O₅/WO₃/TiO₂-Basis oder als zeolithisch beschichteter SCR-Trägerkatalysator mit einer Speicherfähigkeit in Bezug auf NH₃ ausgebildet. Der SCR-Katalysator 5 weist eine Wabenkörperstruktur mit einer Vielzahl von parallelen Strömungskanälen auf und kann zwei hintereinander geschaltete SCR-Katalysatorelemente umfassen. Ferner können eine Mischeinheit zur Aufbereitung der zugegebenen Harnstofflösung zwischen dem Injektor 13 und dem SCR-Katalysator 5 bzw. ein NH₃-Sperrkatalysator hinter dem SCR-Katalysator 5 angeordnet sein.
Der Partikelfilter 4 ist bevorzugt als ein wanddurchströmter Wabenkörper auf Siliciumcarbid- oder Aluminiumtitanat- oder Cordieritbasis ausgebildet, wobei die filterwirksamen Wände vorzugsweise wenigstens teilweise mit einer oxidationskatalytisch wirksamen Beschichtung und/oder mit einem SCR-Katalysatormaterial versehen sind.
Der Oxidationskatalysator 3 ist bevorzugt als so genannter Dieseloxidationskatalysator (DOC) in Wabenkörperbauform mit einer Vielzahl von frei durchströmbaren Kanälen ausgebildet, auf deren Wänden eine oxidationskatalytisch wirksame Beschichtung aufgebracht ist. Der Oxidationskatalysator 3 und der Partikelfilter 4 können eng benachbart in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein.
Es versteht sich, dass die in 1 skizzierte Abgasreinigungsanlage 1 weitere hier der Übersicht halber nicht eingezeichnete Sensoren, Abgasreinigungsbauteile und andere Komponenten aufweist oder aufweisen kann. Beispielsweise kann eine Zugabeeinheit für Kraftstoff stromauf des Oxidationskatalysators 3 vorgesehen sein. Der Motor weist bevorzugt Aufladeeinheiten, Abgasrückführungseinheiten und Kraftstoffeinspritzeinrichtungen auf.
Sensoren und Aktuatoren der Abgasreinigungsanlage 1 und des Motors sind an eine elektronische nicht dargestellte Steuereinheit angeschlossen, welche in der Lage ist, erfasste Betriebsgrößen auszuwerten und zu verarbeiten und daraus abgeleitet Steuerungssignale zur Steuerung der Abgasreinigungsanlage 1 und des Motors zu erzeugen und abzugeben. Zur Signalverarbeitung sind hierzu bevorzugt relevante Kenngrößen in Abhängigkeit von maßgeblichen Betriebszustandsgrößen in Form von Kennlinien, Kennfeldern oder anderweitig abgespeichert oder durch abgespeicherte Rechenprogramme ermittelbar. Damit können aus den mittels der von den Temperatursensoren 6, 7, 8 bereitgestellten Temperaturwerten die Temperaturen der Abgasreinigungskomponenten 3, 4, 5 ermittelt werden.
Im Mittelpunkt der vorliegenden Erfindung steht ein Wärmemanagement für die Abgasreinigungsanlage 1 um deren Komponenten und insbesondere den SCR-Katalysator ausgehend von einem Kaltstart des Motors rasch auf Betriebstemperatur zu bringen, bzw. bei Betriebszuständen, bei welchen diese auszukühlen drohen, auf Betriebstemperatur zu halten. Obschon auch durch eine Anpassung des Motorbetriebs eine Erzeugung von gegenüber Normalbetrieb stärker erhitztem Abgas möglich ist, so kann alternativ oder ergänzend zu motorischen Maßnahmen eine Erwärmung der Abgasreinigungsanlage durch exotherme Oxidation von Kohlenwasserstoff am Oxidationskatalysator 3 vorteilhaft sein. Nachfolgend werden unter Bezug auf die 2 bis 4 bevorzugte Varianten eines diesbezüglichen Verfahrens gemäß der Erfindung näher erläutert.
Ausgangspunkt der Erfindung bildet die Tatsache, dass Oxidationskatalysatoren Reduktionsmittel wie Kohlenwasserstoffe, nachfolgend vereinfacht mit HC bezeichnet, erst oberhalb einer katalysatorspezifischen Temperatur in nennenswertem Umfang umsetzen zu können. Die Temperatur, bei der beispielsweise 50% des angebotenen Reduktionsmittels umgesetzt wird, wird allgemein als Light-off-Temperatur bezeichnet. Das erfindungsgemäße Verfahren beruht dabei auf der überraschenden Erkenntnis der Erfinder, dass die Light-off-Temperatur für einen in der vorliegenden Abgasreinigungsanlage 1 einzusetzenden Oxidationskatalysator 3 insbesondere in Bezug auf eine HC-Oxidation in beträchtlichem Maße von der HC-Konzentration abhängig ist.
In 2 sind lediglich beispielhaft und schematisch, jedoch trotzdem als typisch anzusehende HC-Umsatzkurven 11, 12, 13 des Oxidationskatalysators 3 dargestellt. Die Kurven 11, 12, 13 stellen eine Abhängigkeit des HC-Umsatzes U_HC von der Katalysatortemperatur T für unterschiedliche HC-Konzentrationen c_HC1, c_HC2, c_HC3 in dem dem Oxidationskatalysator 3 zugeführten Abgas dar, wobei bei ansonsten gleichen Reaktionsbedingungen für die HC-Konzentrationen c_HC die Bedingung c_HC3 < c_HC2 < c_HC1 gilt. Wie aus dem Diagramm von 2 ersichtlich ist, erfolgen vorliegend vergleichbare oxidative HC-Umsätze U_HC bei umso niedrigeren Katalysatortemperaturen T, je niedriger die HC-Konzentrationen c_HC eingestellt ist. Dementsprechend nimmt die hier an einen 50%-igen Umsatz geknüpfte, mit T_LO bezeichneten Light-off-Temperatur des Oxidationskatalysators 3 in Bezug auf einen oxidativen HC-Umsatz U_HC mit abnehmender HC-Konzentration c_HC ebenfalls ab. In gleichem oder zumindest ähnlichem Maße nimmt eine nachfolgend mit T_U90 bezeichnete, an einen 90%-igen HC-Umsatz U_HC geknüpfte Temperatur-Kenngröße des Oxidationskatalysators 3 mit abnehmender HC-Konzentration c_HC ab.
Zur Veranschaulichung ist in 3 eine dementsprechende Abhängigkeit lediglich schematisch und beispielhaft in Diagrammform dargestellt. Die Stärke und Art der Konzentrationsabhängigkeit der Temperatur-Kenngrößen T_LO bzw. T_U90 und damit der genaue Verlauf der in 3 gezeigten Kurve 14 sind einerseits katalysatorspezifisch, andererseits auch von der Art des Kohlenwasserstoffs und weiteren Betriebsgrößen wie Abgasdurchsatz, bzw. Raumgeschwindigkeit, Sauerstoffgehalt des Abgases, Art und Umfang von Begleitgasen, und gegebenenfalls weiteren Größen abhängig. Für einen typischerweise in der Abgasreinigungsanlage 1 einzusetzenden Oxidationskatalysator 3 können, abhängig von diesen Betriebsgrößen, etwa 80 ppm bis 500 ppm HC bereits bei einer Temperatur von etwa 150°C zu 90% umgesetzt werden. Es ist vorgesehen, dass maßgebliche Abhängigkeiten und zugehörige Umsatz- und Temperaturwerte in der Steuereinheit des Motors abgespeichert vorliegen, so dass jederzeit der Einfluss einer jeweiligen Größe ermittelt und eine daran orientierte HC-Anreicherung des dem Oxidationskatalysator 3 zugeführten Abgases durchgeführt werden kann.
Zwar ist, wie insbesondere aus den vorstehend diskutierten Diagrammen ersichtlich, ein HC-Umsatz auch bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen möglich, wenn die dem Oxidationskatalysator 3 zugeführten HC-Mengen entsprechend niedrig gewählt werden, jedoch können damit zwangsläufig auch nur entsprechend geringe Mengen an Reaktionswärme im Oxidationskatalysator 3 freigesetzt werden. Zur Verdeutlichung wird nachfolgend speziell Bezug auf 4 genommen.
In 4 ist schematisch die bei einer HC-Umsetzung am Oxidationskatalysator 3 frei gesetzte Wärmemenge ΔQ in Abhängigkeit von der Temperatur T des Oxidationskatalysators 3 dargestellt. Dabei sind den Kurven 15, 16, 17 in dieser Reihenfolge abnehmende Kohlenwasserstoff-Konzentrationen c_HC zugeordnet. Wie aus 4 ersichtlich und ebenfalls aus den in 2 dargestellten Abhängigkeiten ableitbar, ist eine Wärmefreisetzung am Oxidationskatalysator 3 bei umso niedrigeren Temperaturen ermöglicht, je niedriger die Kohlenwasserstoff-Konzentration c_HC in dem dem Oxidationskatalysator 3 zugeführten Abgas eingestellt wird. Zwar ist die maximal freisetzbare Wärmemenge ΔQ bei der niedrigen HC-Konzentration c_HC3 naturgemäß geringer als bei einer entsprechend höheren HC-Konzentration c_HC2 oder c_HC1, jedoch ist es möglich, mit der niedrigen HC-Konzentration c_HC3 eine bestimmte Wärmemenge ΔQ1 bereits bei einer derart niedrigen Temperatur T1 freizusetzen, bei welcher dies mit einer demgegenüber höheren HC-Konzentration c_HC2 bzw. c_HC3 nicht möglich ist. Wie aus 2 ersichtlich, ist die bei der Temperatur T1 bei Einsatz der höheren HC-Konzentration c_HC2 freisetzbare Wärmemenge ΔQ2 deutlich niedriger als die bei der niedrigen HC-Konzentration c_HC3 freisetzbare Wärmemenge ΔQ1. Andererseits ist für die niedrige HC-Konzentration c_HC3 bereits bei der niedrigen Temperatur T1 ein sehr hoher HC-Anteil von vorliegend etwa 90% umsetzbar und damit etwa 90% der maximalen Wärmefreisetzung möglich, während bei derselben Temperatur T1 nur ein vergleichsweise niedriger Anteil der höheren HC-Konzentration c_HC2 umsetzbar ist. Daraus wird ersichtlich, dass bei der erfindungsgemäß vorgesehenen Kleinmengen-HC-Dosierung bei niedrigen Oxidationskatalysator-Temperaturen eine effektive Aufwärmung der Abgasreinigungsanlage 1 bei gleichzeitig besonders niedrigem HC-Schlupf ermöglicht ist.
Aus den vorstehenden Erläuterungen ist ersichtlich, dass der in der Abgasreinigungsanlage 1 einzusetzende Oxidationskatalysator 3 zumindest bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen ihm zugeführte Kohlenwasserstoffe temperaturabhängig nur zu einem vorbestimmten Maximalanteil umsetzen kann, wenn die Konzentration der Kohlenwasserstoffe eine vorbestimmten Grenzkonzentration überschreitet. Mit anderen Worten ist der HC-Umsatzgrad des Oxidationskatalysators 3 temperaturabhängig begrenzt. Es existiert somit eine von der Temperatur des Oxidationskatalysators 3 abhängige HC-Grenzkonzentration, oberhalb welcher ein maximal möglicher Umsatzgrad unterschritten wird. Nachfolgend wird dieses HC-Umsatzverhalten des Oxidationskatalysators 3 nochmals anhand eines in 5 dargestellten Diagramms erläutert.
Im Diagramm von 5 ist schematisch und lediglich beispielhaft ein Verlauf einer im obigen Sinne zu verstehende HC-Grenzkonzentration c_HC,Grenz in Abhängigkeit von der Temperatur T des Oxidationskatalysators 3 in Form einer Kurve 18 dargestellt. Beispielhaft kann davon ausgegangen werden, dass bei einer der Grenzkonzentration c_HC,Grenz entsprechenden HC-Konzentration in dem dem Oxidationskatalysator 3 zugeführten Abgas ein Umsatzgrad erreicht wird, welcher einer 90%igen Umsetzung des zugeführten Kohlenwasserstoffs in Kohlendioxid und Wasser entspricht. In diesem Fall stellt die im Diagramm von 5 durch die Kurve 18 dargestellte funktionale Abhängigkeit c_HC,Grenz = f(T) die Umkehrfunktion der im Diagramm von 3 durch die Kurve 14 dargestellten funktionalen Abhängigkeit T_U90 = f(c_HC) dar.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es dementsprechend vorgesehen, dass Abgas mit einer vorbestimmten, von der aktuellen Temperatur T des Oxidationskatalysators 3 abhängigen Anreicherungs-Konzentration von Kohlenwasserstoffen angereichert und dem Oxidationskatalysator 3 zugeführt und in diesem zu einem vorbestimmten Mindest-Umsatzgrad im Oxidationskatalysator 3 umgesetzt wird. Dabei ist die Anreicherungs-Konzentration so vorbestimmt, dass sie wenigstens annähernd einer Grenzkonzentration c_HC,Grenz = f(T) entspricht, oberhalb welcher der HC-Umsatzgrad des Oxidationskatalysators 3 den Mindest-Umsatzgrad unterschreitet.
Dabei ist insbesondere vorgesehen, die HC-Anreicherung des Abgases stromauf des Oxidationskatalysator 3 erst dann vorzunehmen, wenn die Temperatur des Oxidationskatalysators 3 einen im Diagramm mit T_Grenz bezeichneten vorbestimmten ersten Temperatur-Grenzwert überschreitet und die Temperatur des SCR-Katalysators 5 einen vorbestimmten zweiten Temperatur-Grenzwert unterschreitet. Der erste Temperatur-Grenzwert T_Grenz ist dabei bevorzugt an eine vorgebbare Mindestwärmemenge ΔQ_qmin gekoppelt, welche durch die Umsetzung der der HC-Anreicherungs-Konzentration entsprechenden HC-Menge entspricht. Analog kann der erste Temperatur-Grenzwert T_Grenz an einen vorgebbaren Mindest-Temperaturhub ΔT gekoppelt sein, welcher durch die HC-Umsetzung über dem Oxidationskatalysator 3 erreicht wird und einer Differenz zwischen den mittels der Temperatursensoren 6, 7 messbaren Abgastemperaturen eingangsseitig und ausgangsseitig des Oxidationskatalysators 3 entspricht. Dieser Mindest-Temperaturhub ΔT liegt vorzugsweise zwischen 5°C und 30°C. Der zweite Temperatur-Grenzwert ist vorzugsweise an ein vorgebbares Mindestumsatzvermögen des SCR-Katalysators 5 für Stickoxide gekoppelt.
Die Temperaturen des Oxidationskatalysators 3 und des SCR-Katalysators 5 werden vorzugsweise aus den von den Temperatursensoren 6 und 8 erfassten Abgastemperaturen eingangsseitig des Oxidationskatalysators 3 und eingangsseitig des SCR-Katalysators 5 ermittelt. Typischerweise liegt der erste Temperatur-Grenzwert T_Grenz in einem Bereich zwischen etwa 150°C und etwa 180°C und der zweite Temperatur-Grenzwert bei etwa 230°C. Der zweite Temperatur-Grenzwert ist damit typischerweise größer als der erste Temperatur-Grenzwert T_Grenz gewählt. Der erste Temperatur-Grenzwert T_Grenz ist dabei vorzugsweise in Abhängigkeit von weiteren Betriebsgrößen wie Gesamt-Abgasdurchsatz, Alterungszustand des Oxidationskatalysators 3 und insbesondere vom Sauerstoffgehalt des Abgases vorgebbar. Vorzugsweise ist auch der zweite Temperatur-Grenzwert in Abhängigkeit von Betriebsgrößen vorgebbar. Insbesondere kann vorgesehen sei, den zweiten Temperatur-Grenzwert in Abhängigkeit vom Stickstoffdioxidgehalt des zugeführten Abgases sowie vom Gesamtabgasdurchsatz vorzugeben. Die HC-Anreicherungs-Konzentration beträgt typischerweise ca. 80 ppm HC(3) bis 500 ppm HC(3). Um den HC-Schlupf des Oxidationskatalysators 3 zuverlässig zu begrenzen, kann vorgesehen sein, die HC-Anreicherungskonzentration zu begrenzen. Vorzugsweise wird für den Fall, dass die Temperatur T des Oxidationskatalysators 3 den ersten Temperatur-Grenzwert T_Grenz um weniger als ein vorgebbares Maß überschreitet, eine HC-Anreicherungskonzentration von weniger als 500 ppm eingestellt.
Es ist weiter vorzugsweise vorgesehen, dass mit zunehmender Temperatur T des Oxidationskatalysators 3 die je Zeiteinheit dem Oxidationskatalysator 3 zugeführte HC-Menge erhöht wird, bzw. die HC-Anreicherung des Abgases derart eingestellt wird, dass der HC-Gehalt des Abgases zunimmt. Damit wird die Erwärmung des Oxidationskatalysators 3 und der nachgeschalteten Abgasnachbehandlungskomponenten 4, 5 beschleunigt. Überschreitet die Temperatur des SCR-Katalysators 5 bzw. der mittels des eingangsseitigen Temperatursensors 8 erfasste Temperaturwert einen vorgebbaren dritten Temperatur-Grenzwert von etwa 250°C, so wird die HC-Anreicherung vorzugsweise beendet. In diesem Fall ist ein als ausreichend anzusehendes Umsatzvermögen des SCR-Katalysators 5 erreicht. Spätestens zu diesem Zeitpunkt kann mit einer Dosierung von wässriger Harnstofflösung mittels des Injektors 10 begonnen werden bzw. ein die Dosierung freigebendes Signal generiert werden.
Was die Art der HC-Anreicherung betrifft, so ist vorzugsweise vorgesehen, unverbrannte oder teilverbrannte Kohlenwasserstoffe mittels einer nicht mitbrennenden oder nur teilweise mitbrennenden Kraftstoffnacheinspritzung in wenigsten einen Motorbrennraum zu erzeugen. Auf diese Weise ist eine besonders genaue HC-Anreicherungskonzentration einstellbar. Es kann jedoch auch durch eine motorexterne Zugabeeinrichtung Kohlenwasserstoff dem Abgas stromauf des Oxidationskatalysators 3 zugeführt werden. In beiden Fällen ist es bevorzugt, wenn der vorzugsweise als Ausgangs-Kohlenwasserstoff im Fahrzeug bevorratete vorgesehene Kraftstoff teilweise gecrackt und daher dessen mittlere Molmasse vor der Zugabe zum Abgas verringert wird. Dabei kann auch eine Teiloxidation vorgesehen sein, was die Oxidierbarkeit des dem Abgas zugeführten Kohlenwasserstoffs verbessert und damit eine besonders niedrige erste Grenz-Temperatur T_Grenz ermöglicht.
Insgesamt ermöglicht die erfindungsgemäß vorgesehenen Betriebsweise, bei welcher oberhalb einer vorgebbaren Grenz-Temperatur T_Grenz des Oxidationskatalysators 3 eine mit zunehmender Temperatur zunehmende HC-Anreicherung derart vorgenommen wird, dass ein Mindest-HC-Umsatzgrad des Oxidationskatalysators 3 nicht unterschritten wird, eine besonders effektive Erwärmung der Abgasreinigungsanlage 1, so dass ausgehend von niedrigen Abgastemperaturen sehr rasch eine Stickoxidentfernung mittels des vorgesehenen SCR-Katalysators 5 ermöglicht ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009045377 A [0002]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Kraftfahrzeug-Abgasreinigungsanlage (1) mit einem Oxidationskatalysator (3) und einem dem Oxidationskatalysator (3) in Abgasströmungsrichtung (9) nachgeschalteten SCR-Katalysator (5), bei welchem ein mit einer Temperatur des Oxidationskatalysators (3) korrelierender erster Temperaturwert und ein mit einer Temperatur des SCR-Katalysators (5) korrelierender zweiter Temperaturwert ermittelt werden und für den Fall, dass der erste Temperaturwert größer als ein vorgebbarer erster Temperatur-Grenzwert (T_Grenz) ist und der zweite Temperaturwert kleiner als ein vorgebbarer zweiter Temperatur-Grenzwert ist, zur Erwärmung der Abgasreinigungsanlage (1) Abgas stromauf des Oxidationskatalysators (3) mit Kohlenwasserstoffen derart angereichert wird, dass dem Oxidationskatalysator (3) ein Abgas zugeführt wird, welches ein mit zunehmendem ersten Temperaturwert zunehmenden Kohlenwasserstoffgehalt (c_HC) aufweist und im Abgas enthaltene Kohlenwasserstoffe größtenteils im Oxidationskatalysator (3) unter Wärmefreisetzung umgesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Anreicherung des Abgases mit Kohlenwasserstoffen der Kohlenwasserstoffgehalt (c_HC) so eingestellt wird, dass ein vorgebbarer Mindestanteil der Kohlenwasserstoffe im Oxidationskatalysator (3) umgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Anreicherung des Abgases mit Kohlenwasserstoffen der Kohlenwasserstoffgehalt (c_HC) in Abhängigkeit vom Sauerstoffgehalt des Abgases eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Anstieg des zweiten Temperaturwerts über einen vorgebbaren dritten Temperatur-Grenzwert hinaus die Anreicherung des Abgases mit Kohlenwasserstoffen gestoppt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, der zweite Temperatur-Grenzwert größer als der erste Temperatur-Grenzwert (T_Grenz) gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem ersten Temperaturwert, welcher den ersten Temperatur-Grenzwert (T_Grenz) um weniger als ein vorgebbares Maß überschreitet, bei der Anreicherung des Abgases ein Kohlenwasserstoffgehalt von weniger als 500 ppm eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas mit einem Kohlenwasserstoff angereichert wird, welcher eine kleinere Molmasse als ein im Kraftfahrzeug bevorrateter Mineralöl-Kraftstoff aufweist.