DE102016213856A1

DE102016213856A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschineneinrichtung, Brennkraftmaschineneinrichtung

Info

Publication number: DE102016213856A1
Application number: DE102016213856.1A
Authority: DE
Inventors: Stefan Scherer; Markus Gloeckle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-07-28
Filing date: 2016-07-28
Publication date: 2018-02-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschineneinrichtung (1), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, die eine Brennkraftmaschine (2) und ein Abgasnachbehandlungssystem (3) zum Reduzieren von Schadstoffen im Abgas der Brennkraftmaschine aufweist, wobei das Abgasnachbehandlungssystem (3) zumindest einen stromabwärts der Brennkraftmaschine (2) angeordneten Katalysator (5, 8) und wenigstens ein Dosierventil (6) zum Einspritzen eines flüssigen Abgasnachbehandlungsmittels aufweist, wobei das Abgasnachbehandlungssystem (3) insbesondere bei Bedarf dazu angesteuert wird, das Abgasnachbehandlungsmittel in das Abgas einzuspritzen. Es ist vorgesehen, dass das Abgasnachbehandlungsmittel bei einem vorbestimmten Lambda-Wert des Abgases stromaufwärts des als NOx-Katalysators (5) ausgebildeten Katalysators in das Abgas eingespritzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschineneinrichtung, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, die eine Brennkraftmaschine und ein Abgasnachbehandlungssystem zum Reduzieren von Schadstoffen im Abgas der Brennkraftmaschine aufweist, wobei das Abgasnachbehandlungssystem zumindest einen stromabwärts der Brennkraftmaschine angeordneten Katalysator und wenigstens ein Dosierventil zum Einspritzen eines flüssigen Abgasnachbehandlungsmittels aufweist, wobei das Abgasnachbehandlungssystem insbesondere bei Bedarf dazu angesteuert wird, das Abgasnachbehandlungsmittel in das Abgas einzuspritzen.
Ferner betrifft die Erfindung eine entsprechende Brennkraftmaschineneinrichtung, die ein Steuergerät zum Durchführen des oben genannten Verfahrens aufweist.
Stand der Technik
Brennkraftmaschineneinrichtungen der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Um den immer strenger werden gesetzlichen Anforderungen gerecht zu werden, ist es notwendig, die Schadstoffe im Abgas einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs möglichst weit zu reduzieren. Hierzu sind unterschiedliche Methoden bekannt, die bereits in Serie angewendet werden. Viele Verfahren benötigen jedoch eine Mindesttemperatur des Abgases, um einen hohen Wirkungsgrad der Abgasnachbehandlung zu erreichen. Im städtischen Betrieb, beispielsweise bei geringen Fahrgeschwindigkeiten oder bei stockendem Verkehr, sind die Abgastemperaturen moderner Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren, auch motornah zum Teil kleiner als 200°C, sodass bekannte Abgasnachbehandlungsverfahren nicht ohne zusätzliche Maßnahmen den gewünschten Effekt erreichen können.
Als vorteilhaft hat sich mittlerweile das sogenannte SCR-Verfahren erwiesen (SCR = selektive katalytische Reduktion), bei welchem in das Abgas der Brennkraftmaschine eine wässrige Harnstofflösung eingespritzt wird, die stromabwärts der Brennkraftmaschine zusammen mit dem Abgas in einem SCR-Katalysator reagiert, um die Schadstoffemissionen zu reduzieren. Ist die Abgastemperatur zu niedrig, kann dies nur eingeschränkt durchgeführt werden. Weist das Abgasnachbehandlungssystem einen NOx-Katalysator auf, leidet dieser bei niedrigen Abgastemperaturen insbesondere unter einer eingeschränkten Regenerierbarkeit in Folge motorischer und abgaschemischer Limitierungen.
Aus der Offenlegungsschrift EP 0 968 362 B1 geht beispielsweise bereits ein Verfahren hervor, bei welchem Harnstoff aus einem Vorratstank in das Abgas einer Brennkraftmaschine zudosiert wird.
Offenbarung der Erfindung
Durch das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 wird der Vorteil erreicht, dass auch bei niedrigen Abgastemperaturen eine vorteilhafte Reduzierung von Schadstoffen im Abgas der Brennkraftmaschine gewährleistet ist. Dabei wird insbesondere der Wirkungsgrad eines NOx-Katalysators, der stromabwärts eines Abgasturboladers angeordnet ist, erhöht, sodass insbesondere auch bei reinem Stadtverkehr oder stockendem Verkehr unter Verwendung des Abgasnachbehandlungsmittels eine signifikante Minderung der NOx-Bestandteile im Abgas des Kraftfahrzeugs erfolgt. Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, dass das Abgasnachbehandlungsmittel bei einem vorbestimmten Lambda-Wert des Abgases stromaufwärts des Katalysators in das Abgas eingespritzt wird. Durch die nachmotorische Injektion des Abgasnachbehandlungsmittels und den speziell darauf abgestimmten Abgasbedingungen in Bezug auf den Lambda-Wert des Abgases, wird erreicht, dass aus dem Harnstoff des Abgasnachbehandlungsmittels am NOx-Katalysator Ammoniak freigesetzt und als hochwirksames Reduktionsmittels zur NOx-Reduktion im NOx-Katalysator und gegebenenfalls in einem nachgeschalteten SCR-Katalysator genutzt wird. Eine Oxidation des aus dem Abgasnachbehandlungsmittel erzeugten Ammoniaks durch Restsauerstoff im Abgas der Brennkraftmaschine an einem Edelmetall des NOx-Katalysators wird durch den vorgegebenen Lambda-Wert unterbunden. Darüber hinaus ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine weitgehend homogene Beaufschlagung eines optional stromabwärts angeordneten SCR-Katalysators mit gasförmigen Ammoniak (NH3) bei niedrigen Abgastemperaturen, bei welchen eine Einspritzung des Abgasnachbehandlungsmittels direkt vor dem SCR-Katalysator noch nicht erfolgen könnte.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine derart angesteuert wird, dass der Lambda-Wert des Abgases als vorbestimmter Lambda-Wert nahezu 1 oder gleich 1 (λ = 1; λ ≈ 1) ist. Damit wird vor dem NOx-Katalysator eine Abgaszusammensetzung mit einem globalen Lambda gleich 1 oder nahezu 1 eingestellt und währenddessen die wässrige Harnstofflösung als das eigentliche beziehungsweise als weiteres Reduktionsmittel in dieses Abgas stromaufwärts des NOx-Katalysators eindosiert. Aufgrund des gewählten Lambda-Wertes weist das Abgas kein oder kaum Sauerstoff auf, wodurch sich der zuvor beschriebene Vorteil ergibt. Insbesondere sind Lambda-Wert und ein Einspritzmenge des Abgasnachbehandlungsmittels derart gewählt, dass stromabwärts des NOx-Katalysators kein Sauerstoff mehr im Abgas enthalten ist.
Bevorzugt wird der Lambda-Wert durch innermotorische und/oder nachmotorische Maßnahmen auf den vorbestimmten Lambda-Wert eingestellt. Zu den innermotorischen Maßnahmen zählen beispielsweise eine Drosselung einer Ansaugluftmenge, eine Erhöhung einer Abgasrückführung und/oder das Setzen einer oder mehrerer Kraftstoff-Nacheinspritzungen. Als nachmotorische Maßnahme wird insbesondere eine hinreichend hohe Kraftstoffeinspritzung über ein separates Kraftstoffeinspritzventil stromabwärts der Brennkraftmaschine erachtet. Damit ist eine einfache und auf bereits bekannten Mitteln beruhende Einstellung des Lambda-Wertes möglich.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Maßnahmen in Abhängigkeit von einer aktuellen Temperatur des Abgases stromaufwärts des Katalysators durchgeführt werden. Die aktuelle Temperatur stromaufwärts des NOx-Katalysators wird beispielsweise gemessen oder berechnet beziehungsweise abgeschätzt. In Abhängigkeit von der ermittelten aktuellen Temperatur werden insbesondere die innermotorischen oder die nachmotorischen Maßnahmen zur Beeinflussung des Lambda-Wertes durchgeführt. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass bei Abgastemperaturen von weniger als 180°C die Abgaszusammensetzung bevorzugt über rein innermotorische Maßnahmen auf den vorbestimmten Lambda-Wert eingestellt wird.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Menge des eingespritzten Abgasnachbehandlungsmittels derart vorgegeben wird, dass gasförmiger Ammoniak im NOx-Katalysator entsteht und insbesondere einem stromabwärts des NOx-Katalysators angeordneten SCR-Katalysators zusammen mit dem durch den NOx-Katalysator bereits nachbehandelten Abgas zugeführt wird. Das Zusammenspiel aus dem Lambda-Wert des (Roh-)Abgases und der Menge des eingespritzten Abgasnachbehandlungsmittels erlaubt es, dass ein stromabwärts angeordneter SCR-Katalysator weitgehend homogen mit dem Ammoniak beaufschlagt wird, wodurch sich die Reduktion der Schadstoffemissionen durch den SCR-Katalysator auch bei niedrigen Abgastemperaturen erhöht.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass stromaufwärts des NOx-Katalysators zusätzlich zu dem Abgasnachbehandlungsmittel Kraftstoff der Brennkraftmaschine, insbesondere Dieselkraftstoff, eingespritzt wird. Insbesondere erfolgt die Einspritzung des Kraftstoffs bei Abgastemperaturen von über 300°C und dem globalen Lambda-Wert von 1 oder nahezu 1, wobei der Lambda-Wert in diesem Fall bevorzugt über reinen nachmotorischen Maßnahmen, nämlich über die Kraftstoffeinspritzung, bereitgestellt wird. Hierdurch wird erreicht, dass Sauerstoffreste im Abgas insbesondere im Katalysator reduziert werden. Weil der Kraftstoff und seine Folgeprodukte länger auf der reagierenden Oberfläche des NOx-Katalysators verweilt als das eingespritzte Abgasnachbehandlungsmittel beziehungsweise das daraus erzeugte Ammoniak, ist auch eine minimal zeitversetzte Dosierung beziehungsweise Einspritzung von Kraftstoff und Abgasnachbehandlungsmittel, je nach gewähltem NOx-Katalysatormaterial sinnvoll.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen dem NOx-Katalysator und dem stromabwärts dazu angeordneten SCR-Katalysator das Abgasnachbehandlungsmittel zusätzlich eingespritzt wird. Dadurch erfolgt eine Zudosierung des Abgasnachbehandlungsmittels, insbesondere der wässrigen Harnstofflösung, an zwei Stellen jeweils direkt stromaufwärts des NOx-Katalysators und des SCR-Katalysators. Hierdurch wird es ermöglicht, dass auch bei hohen Abgasströmen und/oder hohen NOx-Massenströmen der SCR-Katalysator die Hauptlast einer kontinuierlichen NOx-Reduzierung trägt. Um das Ergebnis zu verbessern, ist bevorzugt eine Mischeinrichtung stromaufwärts des SCR-Katalysators und stromabwärts des zwischen SCR-Katalysators und NOx-Katalysators angeordneten Dosierventils angeordnet, um eine optimale Vermischung des zusätzlich eingespritzten Abgasnachbehandlungsmittels mit dem bereits durch den NOx-Katalysator nachbehandelnden Abgases zu erreichen.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschineneinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 zeichnet sich dadurch aus, dass das Dosierventil stromaufwärts eines als NOx-Katalysators ausgebildeten ersten Katalysators angeordnet ist, und dass das Steuergerät speziell dazu hergerichtet ist, bei bestimmungsgemäßem Gebrauch das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile.
Insbesondere ist vorgesehen, dass der NOx-Katalysator als Speicher- und/oder Reduktionskatalysator ausgebildet ist.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass dem NOx-Katalysator ein Abgasturbolader der Brennkraftmaschine vorgeschaltet ist. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass das Dosierventil zwischen dem NOx-Katalysator und der Turbine des Abgasturboladers angeordnet ist. Durch die Verwendung des Abgasturboladers erfolgt eine Reduzierung der Temperatur des Abgasstroms, sodass die vorteilhafte Ausgestaltung der Brennkraftmaschineneinrichtung insbesondere dann zu tragen kommt, wenn die Brennkraftmaschineneinrichtung den Abgasturbolader aufweist.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass dem NOx-Katalysator ein SCR-Katalysator oder ein Partikelfilter mit einer SCR-Beschichtung nachgeschaltet ist. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der NOx-Katalysator zumindest bereichsweise ein Thermohydrolyse-Material aufweist. Dieses kann beispielsweise schwach saure Zeolithe oder Metalloxide, wie beispielsweise ZrOx, CeOx, ZnO oder dergleichen, mit geringer NH3-Speicherfähigkeit enthalten.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der NOx-Katalysator zumindest bereichsweise ein SCR-Material aufweist. Damit ist in den NOx-Katalysator eine SCR-Funktionalität integriert. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass der NOx-Katalysator mit einer Zeolithe-haltigen Komponente mit NH3-Speicher- und SCR-Funktionalität versehen wird, die es erlaubt, selbst unter mageren Bedingungen des Abgases, also in Gegenwart von Restsauerstoff im Abgas und trotz der Gegenwart der Edelmetalle des NOx-Katalysators die NH3-basierte SCR-Reaktionen im NOx-Katalysator ablaufen zu lassen. In diesem Fall ist es auch gemäß einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass bevorzugt alternativ zu dem zuvor genannten vorbestimmten Lambda-Wert das zuvor beschriebene Verfahren auch bei global magerem Abgas, also bei einem globalen Lambda-Wert größer 1, das Abgasnachbehandlungsmittel stromaufwärts des entsprechend modifizierten NOx-Katalysators eindosiert wird.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass stromaufwärts des NOx-Katalysators ein Kraftstoffeinspritzventil angeordnet ist, um Kraftstoff der Brennkraftmaschine, insbesondere Dieselkraftstoff, zusätzlich zu dem Abgasnachbehandlungsmittel in das Abgas einzuspritzen. Es ergeben sich dabei die bereits genannten Vorteile.
Außerdem ist bevorzugt vorgesehen, dass zwischen dem NOx-Katalysator und dem SCR-Katalysator ein weiteres Dosierventil des Abgasnachbehandlungssystems angeordnet ist, um das Abgasnachbehandlungsmittel in das durch den NOx-Katalysator bereits nachbehandelte Abgas einzuspritzen. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile.
Weitere Vorteile und bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich insbesondere aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschineneinrichtung,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschineneinrichtung und
3 ein drittes Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschineneinrichtung, jeweils in einer vereinfachten Darstellung.
1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung eine Brennkraftmaschineneinrichtung 1, die eine Brennkraftmaschine 2, vorliegend ein Dieselmotor, aufweist, welcher ein Abgasnachbehandlungssystem 3 nachgeschaltet ist, durch welches das von der Brennkraftmaschine 2 erzeugte Abgas hindurchgeführt wird, sodass Schadstoffemissionen im Abgas der Brennkraftmaschine 2 reduziert werden.
Die Brennkraftmaschine 2 weist einen Abgasturbolader 4 auf, der eine Turbine aufweist, welche der Brennkraftmaschine 2 direkt nachgeschaltet ist, sodass das Abgas der Brennkraftmaschine 2 zunächst durch die Turbine geführt wird, bevor es das Abgasnachbehandlungssystem 3 erreicht. Die Turbine ist mit einem Verdichter wirkverbunden, welcher Frischluft ansaugt, verdichtet und der Brennkraftmaschine 2 zur Verbrennung zufügt. Abgasturbolader sind grundsätzlich bekannt, sodass auf die genaue Ausgestaltung des Abgasturboladers 4 an dieser Stelle nicht näher eingegangen werden soll.
Dem Abgasturbolader 4 beziehungsweise dessen Turbine ist ein NOx-Katalysator 5 nachgeschaltet, der als Speicher-/Reduktionskatalysator (NSC) ausgebildet ist. Zwischen dem Katalysator 5 und dem Abgasturbolader 4 ist ein Dosierventil 6 des Abgasnachbehandlungssystems 3 angeordnet, um bei Bedarf insbesondere flüssiges Abgasnachbehandlungsmittel in das von dem Abgasturbolader 4 kommende Abgas einzuspritzen. Das Dosierventil 6 ist beispielsweise mit einem Druckerzeuger und/oder einem Tank zur Aufbewahrung des Abgasnachbehandlungsmittels verbunden, sodass jederzeit das Abgasnachbehandlungsmittel in einer gewünschten Menge dem Abgas zugefügt werden kann. Bei dem Abgasnachbehandlungsmittel handelt es sich gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel um eine wässrige Harnstofflösung.
Um die Schadstoffemissionen wirksam zu reduzieren wird das folgende Verfahren von einem Steuergerät 7 durchgeführt, welches die Brennkraftmaschine 2 sowie zumindest das Dosierventil 6 des Abgasnachbehandlungssystems ansteuert. Das Verfahren sieht vor, dass mittels des Dosierventils 6 wenigstens eine nachmotorische Injektion des Abgasnachbehandlungsmittels stromaufwärts des NOx-Katalysators 5 direkt nach dem Abgasturbolader 6 erfolgt und der Betrieb der Brennkraftmaschine 2 derart eingestellt wird, dass für die Reduzierung Schadstoffe günstige Bedingungen im Abgas entstehen. Weist das Abgasnachbehandlungssystem 3 mehrere Katalysatoren auf, so ist der NOx-Katalysator 5, der in Strömungsrichtung gesehen erste Katalysator, der von dem Abgas durchströmt wird. Die Kombination von vorteilhaften Abgasbedingungen und der nachmotorischen Einspritzung des Abgasnachbehandlungsmittels erlaubt es, dass aus dem Harnstoff des Abgasnachbehandlungsmittels am NOx-Katalysator 5 freigesetztes Ammoniak als hochwirksames Reduktionsmittel zur NOx-Reduktion im NOx-Katalysator 5 oder dem optional nachgeschalteten SCR-Katalysator 8 erfolgt.
Hierzu ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine 2 derart angesteuert wird, dass sich eine Abgaszusammensetzung mit dem globalen Lambda-Wert von λ = 1 oder λ ≈ 1 ergibt. Vorzugsweise wird ein moderater Lambda-Wert λ < 1, von beispielsweise λ = 0,99 eingestellt und währenddessen das Abgasnachbehandlungsmittel als eigentliches beziehungsweise weiteres Reduktionsmittel neben CO, H2 und Rest-HC des Rohabgases der Brennkraftmaschine in das Abgas stromabwärts des Abgasturboladers 4 eindosiert, beziehungsweise eingespritzt. Das Abgas ist aufgrund des vorteilhaften Lambda-Wertes zumindest im Wesentlichen frei von Sauerstoff, sodass eine Oxidation des Ammoniaks durch Restsauerstoff im Abgas am Edelmetall des NOx-Katalysators 5 wirksam unterbunden wird.
Die vorteilhafte Abgaszusammensetzung mit dem Lambda-Wert λ = 1 oder λ ≈ 1 stromaufwärts des NOx-Katalysators wird dabei bevorzugt allein durch innermotorische Maßnahmen, allein durch nachmotorische Maßnahmen oder durch eine Kombination dieser Maßnahmen realisiert. Als innermotorische Maßnahme werden insbesondere eine Drosselung der Saugluftmenge, eine Erhöhung der Abgasrückführung und/oder das Setzen einer oder mehrerer Kraftstoff-Nacheinspritzungen durchgeführt. Als eine rein nachmotorische Maßnahme wird eine hinreichend große Kraftstoffeinspritzung über ein separates Kraftstoffeinspritzventil stromaufwärts des NOx-Katalysators durchgeführt, wie später näher erörtert.
Wird die Zudosierung des Abgasnachbehandlungsmittels bei Abgastemperaturen vor dem NOx-Katalysator von T < 180°C appliziert, so wird die Abgaszusammensetzung mit einem globalen Lambda-Wert von λ ≈ 1 stromaufwärts des NOx-Katalysators bevorzugt über rein innermotorische Maßnahmen bereitgestellt. Dabei wird das motorische Abgas bevorzugt so eingestellt, dass es einen möglichst hohen Gehalt an Kohlenmonoxid (CO) bei gleichzeitig möglichst geringem Anteil an unverbranntem Kraftstoff (HC) und Sauerstoff enthält. Der Motorbetrieb mit einem Lambda-Wert von λ ≈ 1 ist insbesondere bei niedrigen Motorlasten HC ärmer und motorisch stabiler darstellbar als ein echter innermotorischer Fettbetrieb mit einem globalen Lambda von λ ≤ 1, wie beispielsweise λ = 0,95, bei dem das gesamte Reduktionsmittel, also Rest-HC, CO, H2 aus den Kohlenwasserstoffen des Dieselkraftstoffs bereitgestellt werden muss. Zudem erhöhen sehr niedrige Abgastemperaturen und damit verbunden niedrigere Katalysatortemperaturen erheblich die Gefahr, unerwünschten HC-Schlupf über den NOx-Katalysator zu erzeugen.
Vorteilhafterweise wird das Abgasnachbehandlungsmittel in einem Abgasrohrbereich vor dem in Strömungsrichtung liegend ersten Katalysator 5 zugeführt, was in Folge des vorteilhafterweise engen Rohrquerschnitts eine vergleichsweise leichte Gemischaufbereitung und Homogenisierung im Abgas erlaubt. Zwischen der Dosierungsstelle des Abgasnachbehandlungsmittels und dem NOx-Katalysator 5 kann optional ein Mischelement verbaut sein, welches die Vermischung von Abgas und Abgasnachbehandlungsmittel unterstützt.
Vorteilhafterweise wird die Kombination aus Lambda-Wert und eingespritzter Abgasnachbehandlungsmittelmenge derart gewählt, dass in dem NOx-Katalysator gasförmiges Ammoniak (NH3) entsteht, das den stromabwärts liegenden SCR-Katalysator 8 weitestgehend homogen beaufschlagt. Der SCR-Katalysator ist beispielsweise als Partikelfilter mit einer SCR-Beschichtung ausgebildet und durch das vorteilhafte Verfahren mit dem gasförmigen Ammoniak beaufschlagt, sodass er auch bei niedrigen Temperaturen des Abgases vor dem SCR-Katalysator 8, bei welchen ein direktes Einspritzen von Abgasnachbehandlungsmittel stromaufwärts des SCR-Katalysators (und stromabwärts des NOx-Katalysators) nicht zum Erfolg führen würde. Dass gewöhnlich höhere Temperaturniveau nur vor und im NOx-Katalysator in Kombination mit der thermolytischen und gegebenenfalls hydrolytischen Wirkung des NOx-Katalysators gegenüber Harnstoff bei dem oben genannten Lambda-Wert erlaubt die Freisetzung von Ammoniak im Strömungsverlauf des NOx-Katalysators 5. Dadurch kann in der von einem Ammoniak- beziehungsweise Harnstoff-Oxidation schützenden Inertgas-Atmosphäre bei Bedingungen nahe Lambda = 1 Harnstoff am NOx-Katalysator 5 effektiv zu Ammoniak umgewandelt werden und dann sowohl zur NOx-Reduktion des im NOx-Katalysators 5 gespeicherten NOx als auch, bei entsprechend erhöhter Dosiermenge beziehungsweise Einspritzmenge des Abgasnachbehandlungsmittels, zur Befüllung beziehungsweise Beaufschlagung des SCR-Katalysators mit dem gasförmigen Ammoniak genutzt werden, wodurch eine anschließende NOx-Minderung im SCR-Katalysator unterstützt wird.
Damit wird erreicht, dass selbst bei niedrigen Abgastemperaturen um die 160°C sowohl der NOx-Katalysator 5 zumindest anteilig bezüglich des darin gespeicherten NOx regeneriert und/oder mit gasförmigem Ammoniak der stromabwärts liegende SCR-Katalysator 8 befüllt wird.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Ausführungsbeispiels von 1 ist vorgesehen, dass der NOx-Katalysator zur Verbesserung der vorstehend beschriebenen Ammoniak-Erzeugungsfunktion eine explizite integrierte Thermohydrolyse-Funktionalität aufweist, indem die reagierende Oberfläche beispielsweise schwach saure Zeolithe oder Metalloxide, wie beispielsweise ZrOx, CeOx, ZnO oder dergleichen, mit geringer Ammoniakspeicherfähigkeit versehen wird.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist vorteilhaftweise vorgesehen, dass der NOx-Katalysator 5 eine integrierte, vollwertige SCR-Funktionalität aufweist, indem die reagierende Oberfläche des NOx-Katalysators 5 ein SCR-Material enthält, indem der NOx-Katalysator beispielsweise um eine Zeolithe-haltige Komponente mit NH3-Speicher- und SCR-Funktionalität erweitert wird, die es erlaubt, selbst unter mageren Bedingungen im Abgas, also in Gegenwart von Rest-Sauerstoff im Abgas, und trotz Gegenwart der Edelmetalle des NOx-Katalysators die Ammoniak-basierte SCR-Reaktionen im NOx-Katalysator ablaufen zu lassen.
Für diese Ausführungsform kann alternativ zu dem oben genannten vorteilhaften Lambda-Wert von λ = 1 oder λ ≈ 1 auch bei globalen magerem Abgas, also bei einem globalen Lambda-Wert von λ > 1, das Abgasnachbehandlungsmittel vor dem so modifizierten NOx-Katalysator eindosiert werden. In diesem Ausführungsbeispiel wird also der Lambda-Wert auf einen Wert von λ > 1 eingestellt.
Der derartig modifizierte NOx-Katalysator 5 unterstützt insbesondere bei Verwendung saurer Zeolithe zudem deutlich die thermohydrolitische Spaltung des Harnstoffs und erlaubt zudem die Dosierung des Abgasnachbehandlungsmittels neben den oben beschriebenen Bedingungen bei einem Lambda-Wert nahe 1, auch unter netto-oxidierenden Bedingungen. Damit wird unter mageren Bedingungen im Abgas eine echte, kontinuierliche Ammoniak-SCR-Reaktion am NOx-Katalysator 5 bereits ab einer Temperatur im Abgas von circa 160°C ermöglicht.
Dies liegt darin begründet, dass durch die räumliche Anordnung der Zeolithe-Komponenten in Form beispielsweise einer Schichtstruktur innerhalb des NOx-Katalysators zuerst der Kontakt des Harnstoffs mit der Zeolithe-haltigen Komponente erfolgt, dort das Ammoniak aus dem Harnstoff generiert und auch adsorbiert wird. In Folge der starken Bindung des Ammoniaks in der Zeolithe-haltigen SCR-Komponente erfolgt nur eine geringe beziehungsweise keine Oxidation des prinzipiell diffusionsfähigen Ammoniaks an den Edelmetallzentren des NOx-Katalysators 5. Dies ist insbesondere bei niedrigen Abgastemperaturen von unterhalb etwa 250°C gegeben.
Die Befüllung des dem NOx-Katalysators 5 nachgeschalteten SCR-Katalysators 8 mit Ammoniak ist in diesem Ausführungsbeispiel, im Vergleich zu den ersten beiden Ausführungsbeispielen, erschwert beziehungsweise zeitverzögert, da eine vollwertige Ammoniak-Funktionalität auch mit einer tendenziell höheren Ammoniak-Speicherfähigkeit im NOx-Katalysator 5 einhergeht. Durch eine entsprechend angepasste Menge beziehungsweise Schichtdicke des SCR-Materials im NOx-Katalysator 5 kann jedoch eine Optimierung hinsichtlich der Ammoniak-Speicherfähigkeit und ausreichende Ammoniak-Bereitstellung zur NOx-Reduktion sowohl innerhalb des NOx-Katalysators 5 als auch zur Befüllung des nachgeschalteten SCR-Katalysators 8 erreicht werden.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, wobei aus dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel bereits bekannte Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind und insofern auf die oben stehende Beschreibung verwiesen wird. Im Folgenden soll im Wesentlichen auf die Unterschiede eingegangen werden.
Im Unterschied zu dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel von 1 ist es nunmehr vorgesehen, dass zwischen dem Abgasturbolader 4 und dem NOx-Katalysator 5 ein Kraftstoffeinspritzventil 9 angeordnet ist, das zusätzlich zu dem Dosierventil 6 vorgesehen ist, sodass sowohl Abgasnachbehandlungsmittel als auch zusätzlicher Kraftstoff, insbesondere Dieselkraftstoff, in das Abgas stromaufwärts des NOx-Katalysators 5 zugegeben werden können. Hierbei wird in Abhängigkeit von der Abgastemperatur das Abgasnachbehandlungsmittel erst ab einer Temperatur oberhalb von etwa 300°C durchgeführt. Insbesondere in Kombination mit hohen NOx- und Abgasmassenströmen wird zur Regeneration des NOx-Katalysators 5 eine Abgaszusammensetzung mit einem globalen Lambda-Wert von λ =1 oder λ ≈ 1 stromaufwärts des NOx-Katalysators 5 bevorzugt über rein nachmotorische Maßnahmen eingestellt. Dabei erfolgt zumindest im Wesentlichen zeitgleich zum Einspritzen des Abgasnachbehandlungsmittels auch ein Einspritzen des Kraftstoffs durch das Kraftstoffeinspritzventil (Injektor) 9 in das noch Sauerstoffreste enthaltene Abgas. Die Vernichtung der Sauerstoffreste erfolgt dabei primär über den in großer Menge, korrespondierend zu etwa 1 bis 10 % des Restsauerstoffs, separat eingespritzten Kraftstoffs. Zur NOx-Reduktion des gespeicherten NOx wird dagegen bevorzugt das aus Harnstoff erzeugte Ammoniak verwendet, da es unter dem so erzeugten globalen Lambda-Wert von λ = 1 oder λ ≈ 1 deutlich schneller und selektiver mit NOx reagiert als der eingespritzte Kraftstoff. Da der eingespritzte Kraftstoff beziehungsweise seine Folgeprodukte länger auf der Oberfläche beziehungsweise auf dem reagierenden Material des NOx-Katalysators 5 verweilt als das eingespritzte Abgasnachbehandlungsmittel oder das daraus erzeugte Ammoniak, kann auch eine minimal zeitversetzte Dosierung von Kraftstoff und Abgasnachbehandlungsmittel, je nach gewähltem NOx-Katalysatormaterial, sinnvoll sein.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, wobei aus den vorhergehenden Ausführungsbeispielen bereits bekannte Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind und insofern auf die oben stehende Beschreibung verwiesen wird. Im Folgenden soll im Wesentlichen auf die Unterschiede eingegangen werden.
Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel von 1 ist hierbei vorgesehen, dass zwischen dem NOx-Katalysator und dem SCR-Katalysator ein zweites Dosierventil 10 angeordnet ist, durch welches das Abgasnachbehandlungsmittel auch direkt stromaufwärts des SCR-Katalysators 8 dem von dem NOx-Katalysator 5 bereits nachbehandelten Abgas eingespritzt werden kann. Durch diese zusätzliche Zudosierung ist es möglich, dass für hohe Abgasströme und hohe NOx-Massenströme der SCR-Katalysator 8 die Hauptlast bei der kontinuierlichen NOx-Minderung trägt. Auch hier ist es gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen, jedoch in 3 nicht gezeigt, dass zwischen der Einspritzstelle des zusätzlichen Dosierventils 10 und dem SCR-Katalysator eine Mischereinrichtung zur Verbesserung der Gemischaufbereitung verbaut ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0968362 B1 [0005]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschineneinrichtung (1), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, die eine Brennkraftmaschine (2) und ein Abgasnachbehandlungssystem (3) zum Reduzieren von Schadstoffen im Abgas der Brennkraftmaschine aufweist, wobei das Abgasnachbehandlungssystem (3) zumindest einen stromabwärts der Brennkraftmaschine (2) angeordneten Katalysator (5,8) und wenigstens ein Dosierventil (6) zum Einspritzen eines flüssigen Abgasnachbehandlungsmittels aufweist, wobei das Abgasnachbehandlungssystem (3) insbesondere bei Bedarf dazu angesteuert wird, das Abgasnachbehandlungsmittel in das Abgas einzuspritzen, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasnachbehandlungsmittel bei einem vorbestimmten Lambda-Wert des Abgases stromaufwärts des als NOx-Katalysators (5) ausgebildeten Katalysators in das Abgas eingespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (2) derart angesteuert wird, dass der Lambda-Wert des Abgases als vorbestimmter Lambda-Wert nahezu oder gleich 1 ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Lambda-Wert durch innermotorische und/oder nachmotorische Maßnahmen eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maßnahmen in Abhängigkeit von einer aktuellen Temperatur des Abgases stromaufwärts des Katalysators (5) durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des eingespritzten Abgasnachbehandlungsmittels derart vorgegeben wird, dass gasförmiges Ammoniak im NOx-Katalysator (5) entsteht und insbesondere einem stromabwärts des NOx-Katalysators (5) angeordneten SCR-Katalysators (8) zusammen mit dem durch den NOx-Katalysator (5) bereits nachbehandelten Abgas zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts des NOx-Katalysators (5) zusätzlich zu dem Abgasnachbehandlungsmittel Kraftstoff der Brennkraftmaschine, insbesondere Dieselkraftstoff, eingespritzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem NOx-Katalysator (5) und dem stromabwärts dazu angeordneten SCR-Katalysator (8) Abgasnachbehandlungsmittel eingespritzt wird.
Brennkraftmaschineneinrichtung (1) für ein Kraftfahrzeug, mit einer Brennkraftmaschine (2) und mit einem Abgasnachbehandlungssystem (3) zum Reduzieren von Schadstoffen im Abgas der Brennkraftmaschine (2), wobei das Abgasnachbehandlungssystem (3) zumindest einen stromabwärts der Brennkraftmaschine (2) angeordneten Katalysator (5, 8) und ein Dosierventil (6) zum dosierten Einspritzen eines flüssigen Abgasnachbehandlungsmittels in das Abgas der Brennkraftmaschine aufweist, und mit wenigstens einem Steuergerät (7) zum Ansteuern der Brennkraftmaschine (2) und des Abgasnachbehandlungssystems (3), dadurch gekennzeichnet, dass das Dosierventil (6) stromaufwärts des als NOx-Katalysators (5) ausgebildeten Katalysators angeordnet ist, und dass das Steuergerät (7) speziell dazu hergerichtet ist, bei bestimmungsgemäßem Gebrauch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen.
Brennkraftmaschineneinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der NOx-Katalysator (5) als Speicher- und/oder Reduktionskatalysator ausgebildet ist.
Brennkraftmaschineneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem NOx-Katalysator (5) ein Abgasturbolader (4) der Brennkraftmaschine (2) vorgeschaltet ist.
Brennkraftmaschineneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem NOx-Katalysator (5) ein SCR-Katalysator (8) oder ein Partikelfilter mit einer SCR-Beschichtung nachgeschaltet ist.
Brennkraftmaschineneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der NOx-Katalysator (5) zumindest bereichsweise ein Thermohydrolyse-Material aufweist.
Brennkraftmaschineneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der NOx-Katalysator (5) zumindest bereichsweise ein SCR-Material aufweist.
Brennkraftmaschineneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts des NOx-Katalysators (5) ein Kraftstoffeinspritzventil (9) angeordnet ist, um Kraftstoff der Brennkraftmaschine, insbesondere Dieselkraftstoff, zusätzlich zu dem Abgasnachbehandlungsmittel in das Abgas einzuspritzen.
Brennkraftmaschineneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem NOx-Katalysator (5) und dem SCR-Katalysator (8) ein weiteres Dosierventil (10) des Abgasnachbehandlungssystems (3) angeordnet ist, um das Abgasnachbehandlungsmittel in das durch den NOx-Katalysator (5) bereits nachbehandelte Abgas einzuspritzen.