DE102015214067B4

DE102015214067B4 - Verfahren zur Eindosierung eines Reaktionsmittels in einen Abgaspfad einer Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102015214067B4
Application number: DE102015214067.9A
Authority: DE
Inventors: Joachim Schwarte; Samuel Vogel; Alexander Brecht; Marc Hehle
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2015-07-24
Filing date: 2015-07-24
Publication date: 2020-02-06
Anticipated expiration: 2035-07-25
Also published as: DE102015214067A1

Abstract

Verfahren zur Eindosierung eines Reaktionsmittels in einen Abgaspfad (5) einer Brennkraftmaschine (1), wobei- das Reaktionsmittel in einen Bereich des Abgaspfads (5) eingebracht wird, in dem durch einen Ladungswechsel der Brennkraftmaschine (1) erzeugte Druckstöße im Abgasstrom zu einem Zerfall von Tröpfchen des Reaktionsmittels beitragen, wobei- eine Dosiereinrichtung (7) zur Eindosierung des Reaktionsmittels abhängig von einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine (1) mit variabler Dosierfrequenz angesteuert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Eindosierung eines Reaktionsmittels in einen Abgaspfad einer Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine.
Eine Dosierfreigabe zur Eindosierung eines Reaktionsmittels kann in der Regel, insbesondere wenn es sich bei dem Reaktionsmittel um ein Reduktionsmittel in Form einer Hamstoff-Wasser-Lösung handelt, erst oberhalb einer Abgastemperatur von 250 °C gegeben werden, weil sonst Ablagerungen des Reaktionsmittels auftreten können. Dies bedeutet, dass Kennfeldbereiche einer Brennkraftmaschine, bei welchen niedrigere Abgastemperaturen erreicht werden, nicht durch Zudosierung des Reaktionsmittels abgedeckt werden können. Dies betrifft insbesondere Kennfeldbereiche mit hoher Drehzahl und niedriger Last. Daraus wiederum folgt insbesondere ein verbesserungswürdiger Zyklusumsatz von Stickoxiden an einem Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden in einem Prüfzyklus für die Brennkraftmaschine. Es zeigt sich weiterhin, dass Reaktionsmittel in einen Abgaspfad einer Brennkraftmaschine typischerweise mit konstanter Dosierfrequenz, beispielsweise mit einer konstanten Dosierfrequenz von 1 Hz, eindosiert werden. Eine Mengensteuerung erfolgt dabei insbesondere durch pulsweitenmodulierte Ansteuerung eines Dosierventils. Nachteilig hierbei ist, dass die Strömungsverhältnisse in dem Abgaspfad abhängig von einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine sehr verschieden sein können. Aufgrund der konstanten Dosierfrequenz ergeben sich betriebspunktabhängig verschiedene Randbedingungen für die Aufbereitung und Vermischung des Reaktionsmittels mit dem Abgas und somit insbesondere eine hohe Schwankungsbreite einer Gleichverteilung des Reaktionsmittels im Abgas. Dies wiederum beeinflusst insbesondere die Effizienz der selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR) betriebspunktabhängig nachteilig.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2011 105 049 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit einer Hochdruck- und einer Niederdruckturbine bekannt, die in einer Abgasleitung der Brennkraftmaschine angeordnet sind. In der Abgasleitung ist auch ein Injektor angeordnet, der zum Einbringen von einem flüssigen oder gasförmigen Reduktions- und/oder Oxidationsmittel dient, welches auch als Hilfsmittel bezeichnet wird. Der Injektor ist stromaufwärts der Hochdruckturbine angeordnet, sodass diese zum Verdampfen und Mischen des Hilfsmittels dient, wobei die Niederdruckturbine als weiterer Mischer für eine optimale Gleichverteilung des Hilfsmittels verwendet wird. Zusätzlich zu einem Abgaskatalysator, zu dessen Regeneration das Hilfsmittel unter anderem dient, ist stromabwärts des Injektors gemäß einem Ausführungsbeispiel auch eine zusätzliche AGN-Komponente mit oxidativer Wirkung, beispielsweise ein Oxidationskatalysator, angeordnet, der zusammen mit hohen Temperaturen, Strömungsgeschwindigkeiten und Druckpulsationen des Abgases eine teilweise Zersetzung und/oder Oxidation des Hilfsmittels einleitet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Brennkraftmaschine zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zur Eindosierung eines Reaktionsmittels in einen Abgaspfad einer Brennkraftmaschine geschaffen wird, wobei das Reaktionsmittel in einen Bereich des Abgaspfads eingebracht wird, in welchem durch einen Ladungswechsel, insbesondere durch wenigstens ein Auslassventil, der Brennkraftmaschine erzeugte Druckstöße im Abgasstrom zu einem Zerfall von Tröpfchen des Reaktionsmittels beitragen, das heißt hierzu geeignet sind, wobei eine Dosiereinrichtung zur Eindosierung des Reaktionsmittels abhängig von einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine mit variabler Dosierfrequenz angesteuert wird. Dadurch, dass die Eindosierung des Reaktionsmittels in einen Bereich des Abgaspfads erfolgt, in welchem insbesondere im Auslasstakt der Brennkraftmaschine erzeugte Druckstöße zu einem Zerfall, insbesondere einem Sekundärzerfall, der Reaktionsmitteltröpfchen beitragen, wird dieses schneller und effizienter verdampft, woraus sich stromabwärts eine homogenere Mischung in der Gasphase ergibt. Weiterhin zeigt sich, dass ein Bereich des Abgaspfads, in dem die genannte Bedingung erfüllt ist, vergleichsweise brennraumnah angeordnet ist, sodass hier im gesamten Kennfeld der Brennkraftmaschine erhöhte Abgastemperaturen vorliegen. Daher kann die Dosierfreigabe in einem deutlich breiteren Kennfeldbereich erfolgen, sodass insbesondere der Zyklusumsatz an einem SCR-Katalysator erhöht werden kann. Aufgrund der variablen Dosierfrequenz, mit welcher die Dosiereinrichtung angesteuert wird, kann diese - insbesondere abhängig von einem momentanen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine - auf verschiedene Strömungsverhältnisse in dem Abgaspfad angepasst werden. Somit kann die Schwankungsbreite für die Gleichverteilung des Reaktionsmittels im Abgas deutlich reduziert und bevorzugt ein Umsatz an einem SCR-Katalysator über einen wesentlich verbreiterten Kennfeldbereich der Brennkraftmaschine vergleichmäßigt werden. Ein Bereich des Abgaspfads, in dem die im Auslasstakt der Brennkraftmaschine erzeugten Druckstöße im Abgasstrom zu dem Sekundärzerfall der Reaktionsmitteltröpfchen beitragen, ist insbesondere ein Bereich, in welchem eine Amplitude dieser Druckstöße hoch genug ist, um einen Tröpfchenzerfall zu bewirken.
Unter einem Reaktionsmittel wird hier und in folgenden allgemein ein Reagenz verstanden, welches in den Abgaspfad eingedüst wird und zur Umsetzung mit dem Abgas, insbesondere an einem hierfür eingerichteten Katalysator, vorgesehen ist. Das Reagenz wird dabei bevorzugt in flüssiger Phase eindosiert. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Reaktionsmittel um ein Reduktionsmittel, insbesondere zur Nutzung als Reduktionsmittel für die selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden an einem hierfür eingerichteten Katalysator (SCR-Katalysator), besonders bevorzugt um eine Harnstoff-Wasser-Lösung. Alternativ oder zusätzlich ist es aber auch möglich, dass in den Abgaspfad ein Reaktionsmittel für eine andere Abgasnachbehandlungsreaktion eingebracht wird. Insbesondere ist es möglich, dass als Reaktionsmittel ein Kohlenwasserstoff oder ein Kohlenwasserstoffgemisch zur Umsetzung an einem Oxidationskatalysator eingebracht wird.
Die Dosiereinrichtung wird vorzugsweise drehzahlabhängig, also abhängig von einer Drehzahl der Brennkraftmaschine, mit variabler Dosierfrequenz, insbesondere mit drehzahlabhängiger Dosierfrequenz, angesteuert. Dies ermöglicht eine Abstimmung der Zudosierung des Reaktionsmittels insbesondere auf die Druckstöße in dem Abgasstrom, sodass diese optimal zum Zerfall der Reaktionsmitteltröpfchen und damit zu einer Verteilung des Reaktionsmittels in dem Abgas genutzt werden können.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Dosiereinrichtung synchron zu einem bestimmten Takt der Brennkraftmaschine - insbesondere gepulst - angesteuert wird. Dabei bedeutet eine Ansteuerung der Dosiereinrichtung hier insbesondere eine Ansteuerung zum Öffnen, also eine Aktivierung oder Öffnung der Dosiereinrichtung. Die Kopplung der Ansteuerung der Dosiereinrichtung an einen bestimmten Takt der Brennkraftmaschine ermöglicht in besonderer Weise eine Abstimmung der Dosierung des Reaktionsmittels auf die Strömung in dem Abgaspfad stromabwärts der Brennräume der Brennkraftmaschine, sodass Druckstöße im Abgasstrom optimal zur Verteilung des Reaktionsmittels genutzt werden können.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Reaktionsmittel stromaufwärts einer Turbine eines Abgasturboladers in den Abgaspfad eindosiert wird. Die Anordnung der Dosiereinrichtung stromaufwärts der Turbine des Abgasturboladers stellt insbesondere eine Möglichkeit der Realisierung einer Eindosierung des Reaktionsmittels in einen Bereich des Abgaspfads dar, in welchem durch einen Ladungswechsel der Brennkraftmaschine erzeugte Druckstöße im Abgasstrom zu einem Sekundärzerfall von Tröpfchen des Reaktionsmittels geeignet sind. Typischerweise herrschen solche Druckstöße stromabwärts der Turbine nämlich nur noch in deutlich gedämpfter Form, wobei sie hier insbesondere keinen Zerfall mehr bewirken können. Demgegenüber ist eine Amplitude der Druckstöße stromaufwärts der Turbine des Abgasturboladers zu dem genannten Zweck noch hoch genug. Ein weiterer Vorteil der Eindosierung des Reaktionsmittels stromaufwärts der Turbine ergibt sich daraus, dass diese als sehr effiziente Mischeinrichtung zur Vermischung des Reaktionsmittels mit dem Abgas genutzt werden kann. Hierdurch ergibt sich ein deutlich reduzierter Bauraumbedarf für die Mischstrecke des Reaktionsmittels, wobei insbesondere zusätzliche Mischelemente eingespart oder kleiner ausgelegt werden können, als wenn das Reaktionsmittel stromabwärts der Turbine in den Abgaspfad eingedüst wird. Durch den Entfall oder die kleinere Auslegung solcher Mischelemente kann ein Druckverlust über den Mischelementen verringert oder minimiert werden, was sich günstig auf den Abgasgegendruck für die Brennkraftmaschine und somit auch auf den Kraftstoffverbrauch derselben auswirkt. Zugleich bewirkt die Turbine eine sehr gute Gleichverteilung des Reaktionsmittels im Abgas. Weiterhin zeigt sich, dass stromaufwärts der Turbine des Abgasturboladers eine höhere Abgastemperatur herrscht als stromabwärts der Turbine, sodass dies wiederum zu einer Dosierfreigabe in einem deutlich erweiterten Kennfeldbereich der Brennkraftmaschine beiträgt. Weiterhin kann ein Gehäuse der Turbine als Verdampfer eingesetzt werden, insbesondere weil dieses typischerweise hohe Temperaturen aufweist.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Reaktionsmittel in einen - vorzugsweise unmittelbar - an wenigstens einen Brennraum der Brennkraftmaschine anschließenden Abgassammelbereich eindosiert wird. Dies ist vorteilhaft, weil hier besonders hohe Abgastemperaturen herrschen, sodass die Dosierfreigabe über einen besonders breiten Kennfeldbereich erfolgen kann. Ein Abgassammelbereich ist insbesondere ein Bereich des Abgaspfads, in welchem Abgas aus mehreren Brennräumen der Brennkraftmaschine zusammengeführt wird. Der Abgassammelbereich kann insbesondere als Abgaskrümmer ausgebildet sein. Vorzugsweise erfolgt die Eindosierung des Reaktionsmittels zumindest so nah an wenigstens einem Brennraum und/oder derart abgestimmt auf die Anordnung von wenigstens einem Brennraum relativ zu dem Abgassammelbereich, dass Druckstöße aus dem wenigstens einen Brennraum für den Sekundärzerfall genutzt werden können. Vorzugsweise erfolgt die Eindosierung des Reaktionsmittels mittig in den Abgassammelbereich. In dem Abgassammelbereich ergeben sich im Übrigen besonders hohe Strömungsimpulse, insbesondere Druckstöße im Abgasstrom, bei jedem Ladungswechsel eines Brennraums. Wird das Reaktionsmittel mittig in den Abgassammelbereich eindosiert, können solchen Druckstöße aus allen Brennräumen der Brennkraftmaschine besonders effizient genutzt werden. Ein Tropfenzerfall des Reaktionsmittels wird durch die stoßweise variierende Relativgeschwindigkeit zwischen dem Abgas und dem Reaktionsmittel insbesondere zusätzlich zu der hohen Abgastemperatur in dem Abgassammelbereich deutlich verbessert. Dabei wird insbesondere jeder Auslasstakt eines Brennraums der Brennkraftmaschine für den sekundären Tropfenzerfall durch Impulse der Abgasströmung nutzbar gemacht. Somit handelt es sich bei einer Anordnung der Dosiereinrichtung in dem Abgassammelbereich insbesondere um eine Anordnung, bei welcher durch einen Ladungswechsel, insbesondere durch wenigstens ein Auslassventil, der Brennkraftmaschine erzeugte Druckstöße im Abgasstrom zu einem Zerfall von Tröpfchen des Reaktionsmittels geeignet sind und beitragen. Zugleich zeigt sich auch noch, dass der Abgassammelbereich stromaufwärts einer Turbine eines Abgasturboladers angeordnet ist, wenn die Brennkraftmaschine einen Abgasturbolader aufweist.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Reaktionsmittel synchron mit einer Zündfolge, insbesondere synchron mit einem bestimmten Takt wenigstens eines Brennraums der Brennkraftmaschine eindosiert wird. Dies ermöglicht eine besonders effiziente Abstimmung der Eindosierung des Reaktionsmittels auf die Druckstöße im Abgasstrom. Es ist möglich, dass die Ansteuerung der Dosiereinrichtung gekoppelt ist an genau einen bestimmten Takt genau eines Brennraums der Brennkraftmaschine. Innerhalb einer Zündfolge einer Brennkraftmaschine, die eine Mehrzahl von Brennräumen aufweist, wird dann jeweils nur einmal die Dosiereinrichtung angesteuert. Es ist aber auch möglich, dass die Dosiereinrichtung mit einem bestimmten - vorzugsweise demselben - Takt einer Mehrzahl von Brennräumen angesteuert wird. In diesem Fall wird die Dosiereinrichtung innerhalb einer Zündfolge der Brennkraftmaschine mehrfach angesteuert. Insbesondere ist es auch möglich, dass die Brennkraftmaschine innerhalb der Zündfolge in einem bestimmten Takt eines jeden Brennraums angesteuert wird.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Dosiereinrichtung synchron mit einem Ausstoßtakt wenigstens eines Brennraums der Brennkraftmaschine angesteuert wird. Auch hier ist es möglich, dass die Dosiereinrichtung synchron mit einem Ausstoßtakt genau eines Brennraums, oder aber synchron mit Ausstoßtakten einer Mehrzahl von Brennräumen, insbesondere auch synchron mit Ausstoßtakten aller Brennräume der Brennkraftmaschine angesteuert wird. Die Synchronisierung der Ansteuerung der Dosiereinrichtung mit einem Ausstoßtakt bewirkt in besonders effizienter Weise einer Kopplung der Zudosierung des Reaktionsmittels mit den sich im Abgaspfad ergebenen Druckstößen beim Ladungswechsel der Brennräume.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Dosiereinrichtung pulsweitenmoduliert angesteuert wird, um eine zudosierte Menge an Reaktionsmittel einzustellen. Auf diese Weise ist eine sehr genaue und feinfühlige Zumessung des Reaktionsmittels in den Abgaspfad möglich, wobei die pulsweitenmodulierte Ansteuerung insbesondere betriebspunktabhängig abgestimmt sein kann auf die momentane Dosierfrequenz. Es kann so vermieden werden, dass nur aufgrund einer erhöhten Dosierfrequenz eine größere und gegebenenfalls zu große Menge an Reaktionsmittel eindosiert wird, wobei umgekehrt vermieden werden kann, dass aufgrund einer reduzierten Drehzahl und damit einer reduzierten Dosierfrequenz eine kleinere oder auch zu kleine Menge an Reaktionsmittel in den Abgaspfad eindosiert wird.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, welche wenigstens einen Brennraum und einen Abgaspfad aufweist, in dem eine Dosiereinrichtung zur Eindosierung eines Reaktionsmittels in den Abgaspfad derart angeordnet ist, dass das Reaktionsmittel in einen Bereich des Abgaspfads einbringbar ist, in dem durch einen Ladungswechsel, insbesondere durch wenigstens ein Auslassventil, der Brennkraftmaschine erzeugte Druckstöße im Abgasstrom zu einem Zerfall von Tröpfchen des Reaktionsmittels beitragen, das heißt hierzu geeignet sind, wobei die Brennkraftmaschine eine Steuereinrichtung aufweist, die eingerichtet ist, um die Dosiereinrichtung abhängig von einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine mit variabler Dosierfrequenz anzusteuern. Besonders bevorzugt ist die Brennkraftmaschine eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Dabei verwirklichen sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.
Die Brennkraftmaschine weist entlang des Abgaspfads vorzugsweise einen Katalysator auf, der eingerichtet ist zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden, insbesondere also einen sogenannten SCR-Katalysator.
Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, dass die Brennkraftmaschine entlang des Abgaspfads einen Katalysator aufweist, der als Oxidationskatalysator eingerichtet und ausgebildet ist. An diesem kann beispielsweise ein Kohlenwasserstoff oder ein Kohlenwasserstoffgemisch als Reaktionsmittel umgesetzt werden. Unter einer „Umsetzung mit dem Abgas“ wird im Übrigen auch eine Umsetzung mit von dem Abgas umfassten Restsauerstoff verstanden. Insofern handelt es sich auch bei der Umsetzung eines Kohlenwasserstoffs oder eines Kohlenwasserstoffgemischs, insbesondere an einem Oxidationskatalysator, um eine Umsetzung mit Abgas.
Die Dosiereinrichtung ist vorzugsweise stromaufwärts einer Turbine eines Abgasturboladers der Brennkraftmaschine angeordnet.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Dosiereinrichtung an einem Abgassammelbereich, insbesondere mittig an dem Abgassammelbereich, insbesondere einem Abgaskrümmer, angeordnet ist, derart, dass das Reaktionsmittel in den Abgassammelbereich, insbesondere mittig in den Abgassammelbereich, eindosierbar ist. Alternativ oder zusätzlich ist die Dosiereinrichtung zumindest so nah an wenigstens einem Brennraum und/oder derart abgestimmt auf die Anordnung von wenigstens einem Brennraum relativ zu dem Abgassammelbereich positioniert, dass Druckstöße aus dem wenigstens einen Brennraum für den Sekundärzerfall genutzt werden können.
Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Brennkraftmaschine als Langsamläufer, als Mittelschnellläufer oder als Schnellläufer ausgebildet ist. Die erfindungsgemäßen Vorteile realisieren sich dabei insbesondere unabhängig von den konkret erreichten Drehzahlen der Brennkraftmaschine, insbesondere in allen Drehzahlbereichen.
Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Es ist möglich, dass die Brennkraftmaschine zum Antrieb eines Personenkraftwagens, eines Lastkraftwagens oder eines Nutzfahrzeugs eingerichtet ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dient die Brennkraftmaschine dem Antrieb insbesondere schwerer Land- oder Wasserfahrzeuge, beispielsweise von Minenfahrzeugen, Zügen, wobei die Brennkraftmaschine in einer Lokomotive oder einem Triebwagen eingesetzt wird, oder von Schiffen. Auch ein Einsatz der Brennkraftmaschine zum Antrieb eines der Verteidigung dienenden Fahrzeugs, beispielsweise eines Panzers, ist möglich. Ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine wird vorzugsweise auch stationär, beispielsweise zur stationären Energieversorgung im Notstrombetrieb, Dauerlastbetrieb oder Spitzenlastbetrieb eingesetzt, wobei die Brennkraftmaschine in diesem Fall vorzugsweise einen Generator antreibt. Auch eine stationäre Anwendung der Brennkraftmaschine zum Antrieb von Hilfsaggregaten, beispielsweise von Feuerlöschpumpen auf Bohrinseln, ist möglich. Weiterhin ist eine Anwendung der Brennkraftmaschine im Bereich der Förderung fossiler Roh- und insbesondere Brennstoffe, beispielswiese Öl und/oder Gas, möglich. Auch eine Verwendung der Brennkraftmaschine im industriellen Bereich oder im Konstruktionsbereich, beispielsweise in einer Konstruktions- oder Baumaschine, zum Beispiel in einem Kran oder einem Bagger, ist möglich. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Dieselmotor, als Benzinmotor, als Gasmotor zum Betrieb mit Erdgas, Biogas, Sondergas oder einem anderen geeigneten Gas, ausgebildet. Insbesondere wenn die Brennkraftmaschine als Gasmotor ausgebildet ist, ist sie für den Einsatz in einem Blockheizkraftwerk zur stationären Energieerzeugung geeignet.
Insgesamt zeigt sich, dass die Erfindung insbesondere eine Integration der Verdampfungs- und Mischstrecke stromaufwärts einer Turbine eines Abgasturboladers vorsieht, wobei eine höhere Abgastemperatur und ein höherer Abgasdruck für die Aufbereitung des Reaktionsmittels genutzt werden, wobei die Turbine insbesondere als Mischer und das Turbinengehäuse als Verdampfer genutzt werden können. Es wird weiterhin ein mit variabler Frequenz ansteuerbares Dosierventil genutzt, wobei eine geeignete betriebspunktabhängige Eindosierung des Reaktionsmittels in die Abgasleitung durch Anpassung der Dosierfrequenz vorgesehen wird. Somit erfolgt eine Abstimmung des Dosierverlaufs mit der Gasdynamik, insbesondere mit einem Auslasstakt zur Nutzung für den sekundären Tropfenzerfall des Reaktionsmittels.
Vorteilhaft ergibt sich hieraus eine Verlängerung der Verdampfungs- und Mischungsstrecke bei gleichem Bauraum. Es kann eine ausreichend hohe Gleichverteilung des Reaktionsmittels im gesamten Kennfeld der Brennkraftmaschine vorgesehen werden, wobei insbesondere eine applikationsunabhängige Aufbereitung des Reaktionsmittels möglich ist. Aufgrund des höheren Temperaturniveaus am Ort der Eindosierung kann eine Dosierfreigabe in einem breiteren Kennfeldbereich erfolgen, woraus bevorzugt eine Vergrößerung des SCR-Zyklusumsatzes bei gleichzeitiger Vermeidung von Ablagerungen des Reaktionsmittels in dem Abgaspfad resultiert.
Eine motornahe Applikation des Dosiersystems ist möglich, woraus sich eine Applikationsunabhängigkeit ergibt. Der Bauraum der Abgasnachbehandlungs-Gesamtanlage kann reduziert werden. Zugleich können Druckverluste für einen verbesserten Abgasgegendruck reduziert werden, was sich auch günstig auf den Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine auswirkt. Insgesamt verringern sich auch die Herstellungs- und Betriebskosten der Abgasnachbehandlung, weil beispielsweise Mischelemente eingespart werden können.
Die Beschreibung des Verfahrens einerseits und der Brennkraftmaschine andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Merkmale der Brennkraftmaschine, die explizit oder implizit im Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine. Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine erläutert wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Schritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Dieses zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens einen Verfahrensschritt aus, der durch wenigstens ein Merkmal eines erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine bedingt ist. Die Brennkraftmaschine zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens ein Merkmal aus, welches durch wenigstens einen Schritt einer erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens bedingt ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine, und
2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Verfahrens.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine 1. Die Brennkraftmaschine weist wenigstens einen Brennraum 3, hier vier Brennräume, von denen der besseren Übersichtlichkeit wegen nur einer mit dem Bezugszeichen 3 bezeichnet ist, auf. Außerdem weist die Brennkraftmaschine 1 einen Abgaspfad 5 auf, in dem eine Dosiereinrichtung 7 zur Eindosierung eines Reaktionsmittels in den Abgaspfad 5 angeordnet ist.
Bei dem Reaktionsmittel handelt es sich bevorzugt um ein Reduktionsmittel, insbesondere zur Nutzung als Reduktionsmittel für die selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden, besonders bevorzugt um eine Harnstoff-Wasser-Lösung. Alternativ oder zusätzlich ist es aber auch möglich, dass in den Abgaspfad 5 ein Reaktionsmittel für eine andere Abgasnachbehandlungsreaktion eingebracht wird. Insbesondere ist es möglich, dass als Reaktionsmittel ein Kohlenwasserstoff oder ein Kohlenwasserstoffgemisch zur Umsetzung an einem Oxidationskatalysator eingebracht wird.
Die Dosiereinrichtung 7 ist hier so angeordnet, dass das Reaktionsmittel in einen Bereich des Abgaspfads 5 eingebracht wird, in welchem durch einen Ladungswechsel der Brennkraftmaschine 1 erzeugte Druckstöße im Abgasstrom zu einem Zerfall von Tröpfchen des Reaktionsmittels beitragen. Dabei zeigt sich hier insbesondere, dass die Dosiereinrichtung 7 stromaufwärts einer Turbine 9 eines Abgasturboladers 11 angeordnet ist. Insbesondere ist die Dosiereinrichtung 7 an einem unmittelbar an den wenigstens einen Brennraum 3 der Brennkraftmaschine 1 anschließenden Abgassammelbereich 13, der als Abgaskrümmer ausgebildet sein kann, angeordnet. Dabei ist sie bevorzugt mittig an dem Abgassammelbereich 13 angeordnet, sodass das Reaktionsmittel bevorzugt mittig in den Abgassammelbereich 13 eindosierbar ist.
Stromabwärts des Abgasturboladers 11 weist der Abgaspfad 5 vorzugsweise einen Katalysator 15 auf, an dem das Reaktionsmittel mit dem Abgas umsetzbar ist. Der Katalysator 15 ist besonders bevorzugt als SCR-Katalysator ausgebildet.
Die Brennkraftmaschine 1 weist eine Steuereinrichtung 17 auf, die eingerichtet ist, um die Dosiereinrichtung abhängig von einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 1 mit variabler Dosierfrequenz anzusteuern. Hierzu ist die Steuereinrichtung 17 vorzugsweise einerseits mit einem Motorblock 19 der Brennkraftmaschine 1, insbesondere zur Erfassung der Drehzahl derselben, und mit der Dosiereinrichtung 7 wirkverbunden.
Die Steuereinrichtung 17 ist insbesondere eingerichtet, um die Dosiereinrichtung 7 drehzahlabhängig, also abhängig von einer Drehzahl der Brennkraftmaschine 1, anzusteuern. Weiterhin ist die Steuereinrichtung 17 bevorzugt ausgebildet, um die Dosiereinrichtung synchron mit einem bestimmten Takt der Brennkraftmaschine - insbesondere gepulst - anzusteuern, vorzugsweise synchron mit einer Zündfolge der Brennkraftmaschine 1, insbesondere mit einem bestimmten Takt wenigstens eines Brennraums 3. Besonders bevorzugt ist die Steuereinrichtung 17 eingerichtet, um die Dosiereinrichtung 7 synchron mit einem Ausstoßtakt wenigstens eines Brennraums der Brennkraftmaschine anzusteuern.
Die Brennkraftmaschine 1 ist vorzugsweise als Viertakt-Hubkolbenmotor ausgebildet, wobei eine Abfolge von vier Takten jedes Brennraums 3 einen Ansaugtakt, einen Kompressionstakt, einen Arbeitstakt, und einen Ausstoßtakt aufweist. Die entsprechende Betriebsweise einer Brennkraftmaschine 1 ist grundsätzlich bekannt, sodass hierauf nicht weiter eingegangen wird.
Die Eindosierung des Reaktionsmittels in einen brennraumnahen Bereich und insbesondere in einen Bereich, in welchem Druckstöße im Abgasstrom, die durch einen Ladungswechsel der Brennkraftmaschine 1 erzeugt sind, zu einem Sekundärzerfall von Tröpfchen des Reaktionsmittels beitragen, bedingt eine Eindosierung bei erhöhter Abgastemperatur, sodass eine Dosierfreigabe in einem breiteren Kennfeldbereich erfolgen kann. Zugleich wirken die Druckstöße zugunsten einer raschen und homogenen Verteilung des Reaktionsmittels in dem Abgas, sodass - insbesondere im Vergleich zu einer Ansteuerung der Dosiereinrichtung 7 mit konstanter Frequenz - eine über das Kennfeld der Brennkraftmaschine 1 verbesserte Homogenität der Verteilung des Reaktionsmittels in dem Abgasstrom möglich wird. Eine Anordnung der Dosiereinrichtung 7 stromaufwärts der Turbine 9 führt außerdem zu deren effizienter Nutzung als Mischeinrichtung, sodass gegebenenfalls weitere, zusätzliche Mischelemente eingespart oder zumindest kleiner ausgelegt werden können. Dies wiederum führt zu einer bauraumsparenden Ausgestaltung des Abgaspfads 5 sowie zu einer Verringerung des Abgasgegendrucks für die Brennkraftmaschine 1 und damit auch zu einer Senkung des Kraftstoffverbrauchs.
Die Steuereinrichtung 17 ist bevorzugt eingerichtet zur pulsweitenmodulierten Ansteuerung der Dosiereinrichtung 7, insbesondere um eine in den Abgaspfad 5 eindosierte Menge an Reaktionsmittel einzustellen.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens. Dabei ist in 2a) eine schematische, diagrammatische Darstellung einer Zündfolge einer Brennkraftmaschine 1 mit vier Brennräumen, die mit den Buchstaben A, B, C, D gekennzeichnet sind, wiedergegeben. Dabei ist in dem Diagramm die zeitliche Ableitung $\frac{d {\dot{m}}_{A}}{d t}$
eines Abgasmassenstroms ṁ_A in dem Abgaspfad 5 gegen die Zeit t aufgetragen, wobei die einzelnen, differenziellen Massenstromverteilungen jeweils den Auslasstakten der verschiedenen Brennräume A, B, C, D zugeordnet sind.
In 2b) ist schematisch in einem Diagramm die zeitliche Ableitung $\frac{d {\dot{m}}_{R}}{d t}$
eines Massenstroms ṁ_R des Reaktionsmittels in den Abgaspfad 5 in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt, wie sie sich durch Ansteuerung der Dosiereinrichtung 7 ergibt. Dabei zeigt sich, dass hier die Ansteuerung der Dosiereinrichtung 7 und damit die zeitliche Ableitung des Massenstroms des Reaktionsmittels mit dem Ausstoßtakt des Brennraums B synchronisiert ist. Somit ergibt sich eine drehzahlabhängige Dosierperiode T_D, wobei sich entsprechend eine drehzahlabhängige Dosierfrequenz ergibt.
Insgesamt zeigt sich, dass mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Brennkraftmaschine 1 eine verbesserte Verteilung eines Reaktionsmittels in einem Abgasstrom über einen weiten Kennfeldbereich einer Brennkraftmaschine 1 realisiert werden kann.

Claims

Verfahren zur Eindosierung eines Reaktionsmittels in einen Abgaspfad (5) einer Brennkraftmaschine (1), wobei - das Reaktionsmittel in einen Bereich des Abgaspfads (5) eingebracht wird, in dem durch einen Ladungswechsel der Brennkraftmaschine (1) erzeugte Druckstöße im Abgasstrom zu einem Zerfall von Tröpfchen des Reaktionsmittels beitragen, wobei - eine Dosiereinrichtung (7) zur Eindosierung des Reaktionsmittels abhängig von einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine (1) mit variabler Dosierfrequenz angesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinrichtung (7) synchron zu einem bestimmten Takt der Brennkraftmaschine (1) angesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsmittel stromaufwärts einer Turbine (9) eines Abgasturboladers (11) in den Abgaspfad (5) eindosiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsmittel in einen an wenigstens einen Brennraum (3) der Brennkraftmaschine (1) anschließenden Abgassammelbereich (13) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinrichtung (7) synchron mit einer Zündfolge, insbesondere mit einem bestimmten Takt wenigstens eines Brennraums (3) der Brennkraftmaschine (1), angesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinrichtung (7) synchron mit einem Ausstoßtakt wenigstens eines Brennraums (3) der Brennkraftmaschine (1) angesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinrichtung (7) pulsweitenmoduliert angesteuert wird, um eine zudosierte Menge an Reaktionsmittel einzustellen.
Brennkraftmaschine (1) mit - wenigstens einem Brennraum (3) und - einem Abgaspfad (5), in dem eine Dosiereinrichtung zur Eindosierung eines Reaktionsmittels in den Abgaspfad (5) derart angeordnet ist, dass durch einen Ladungswechsel der Brennkraftmaschine (1) erzeugte Druckstöße im Abgasstrom zu einem Zerfall von Tröpfchen des Reaktionsmittels beitragen, wobei - die Brennkraftmaschine (1) eine Steuereinrichtung (17) aufweist, die eingerichtet ist, um die Dosiereinrichtung (7) abhängig von einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine (1) mit variabler Dosierfrequenz anzusteuern.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinrichtung (7) stromaufwärts einer Turbine (9) eines Abgasturboladers (11) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine als Langsamläufer, als Mittelschnellläufer oder als Schnellläufer ausgebildet ist.