DE19717805A1 - Verfahren zur Verminderung des Schadstoffausstosses beim Betrieb eines Selbstzündungsmotors - Google Patents

Description

Die Verminderung der Schadstoffemissionen von Selbstzündungs­ motoren, insbesondere von dieselkraftstoffbetriebenen Selbst­ zündungsmotoren stellt eine große Herausforderung dar. Hier­ bei ist gelungen, durch eine konsequente Weiterentwicklung hinsichtlich der Motorenkonstruktion die Partikelemission, aber auch die Stickoxidemission beträchtlich zu reduzieren. Eine weitere nennenswerte Senkung dieser als Schadstoffe ein­ zuordnenden Abgaskomponenten durch konventionelle Maßnahmen, d. h. durch eine innermotorische Optimierung des Brennverfah­ rens ist jedoch äußerst schwierig, zumal derartige Optimie­ rungen dann der Forderung nach gleichzeitiger Absenkung des Kraftstoffverbrauches entgegenstehen.

Um trotzdem hier Verbesserungen zu erreichen, wurden die Ab­ gase einer Nachbehandlung unterzogen, um so gezielt bestimmte Abgaskomponenten zu reduzieren. Dies erfolgte vor allem durch Oxidationskatalysatoren, Drei-Wege-Katalysatoren und Parti­ kelfilter sowie neuerdings auch Lean-NO_x-Katalysatoren.

Während beim Ottomotor der sogenannte Drei-Wege-Katalysator zur Oxidation der Komponenten Kohlenmonoxid (CO) und Kohlen­ wasserstoff (HC) bei gleichzeitiger Reduzierung der Stickoxi­ de (NO_x) sich durchgesetzt hat, da hier eine genaue Regelung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Abgas in einem engen Berei­ che um Lambda = 1 mit Hilfe einer Lambda-Sonde möglich ist, ist diese Technik bei einem Selbstzündungsmotor, insbesondere dem Dieselmotor, nicht möglich. Ein Dieselmotor weist verfah­ rensbedingt einen permanenten Luftüberschuß im Abgas auf. Aus diesem Grunde ist es bei einem Dieselmotor bei der Abgasbe­ handlung mit Hilfe des Katalysators "lediglich" möglich, die Oxidationsreaktionen für Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasser­ stoff (HC) über den freien Sauerstoff im Abgas durchzuführen.

Die von den Stickoxiden NO_x gebildeten Schadstoffemissionen können hierbei nicht erfaßt werden.

Mit Hilfe der neuerdings zur Verfügung stehenden Lean- NO_x-Katalysatoren ist es grundsätzlich möglich, auch die durch die Stickoxide gebildeten Schadstoffkomponenten in einem en­ gen Temperaturbereich unter Zugabe von Reduktionsmitteln zu konvertieren.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, den Schad­ stoffausstoß beim Betrieb eines Hubkolbenmotors mit einer ge­ steuerten Einspritzung eines selbstzündungsfähigen Kraft­ stoffs jeweils in einen Zylinder im Endbereich seiner Kom­ pressionsphase und mit wenigstens einem Katalysator, insbe­ sondere einem Lean-NO_x-Katalysator, zur Abgasbehandlung zu vermindern.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß jeweils während der Ansaugphase eines Zylinders eine in Abhängigkeit des jeweili­ gen von einer Motorsteuerung erfaßten Betriebspunktes bemes­ sene zusätzliche Kraftstoffmenge in den Ansaugtrakt einge­ spritzt wird. Mit dieser Verfahrensweise ist es möglich, das für den Betrieb eines Lean-NO_x-Katalysators erforderliche Re­ duktionsmittel in Form des ohnehin für den Betrieb des Motors zur Verfügung stehenden Kraftstoffs zur Verfügung zu stellen. Dadurch, daß zusätzlich zu der normalen, für den Betrieb er­ forderlichen Kraftstoffmenge eine zusätzliche Kraftstoffmenge dosiert zugegeben wird, läßt sich ein Überschuß an Kohlenwas­ serstoffen für die Reduktionsreaktion im Lean-NO_x-Katalysator realisieren, so daß eine gezielte Stickstoffdioxid-Bildung möglich wird. Der Kraftstoffverbrauch steigt aufgrund dieser Maßnahme nicht nennenswert an. Der zusätzlich in den Ansaug­ trakt eingebrachte Kraftstoff führt zu einem erhöhten Gehalt an Kohlenwasserstoffen in der Zylinderfrischladung. Während der Kompressionsphase finden chemische Vorreaktionen statt, die zu einer Verkürzung des Zündverzuges und damit zu einer Verminderung der im Brennraum entstehenden Stickoxide führen. Der Verbrennungsvorgang im Zylinder mit erhöhtem Kohlenwas­ serstoffgehalt verschiebt die NO_x-Zusammensetzung in Richtung eines erhöhten Stickstoffdioxid-Anteils (NO₂), was sich für die Nachbehandlung insgesamt positiv auswirkt. Die nach der Verbrennung im Restgas vorhandenen Kohlenwasserstoffanteile dienen als Reduktionsmittel eines nachgeschalteten Lean-NO_x- Katalysators. Durch die vorstehend beschriebene Verschiebung der NO_x-Zusammensetzung in Richtung auf einen erhöhten Stick­ stoffdioxidanteil wird auch ein nachgeschalteter Partikelfil­ ter im Regenerationsverhalten positiv beeinflußt.

Entscheidend ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, daß die zusätzlich über den Ansaugtrakt einzuführende Kraftstoffmenge dosiert zugeführt wird und zwar in Abhängigkeit des jeweili­ gen von der Motorsteuerung erfaßten Betriebspunktes. Hierbei wird mit Vorteil ausgenutzt, daß bei elektronischen Motor­ steuerungen für die unterschiedlichsten Parameter Kennfelder abgelegt werden können. Für das erfindungsgemäße Verfahren wird dementsprechend in der Motorsteuerung ein Kennfeld abge­ legt, das die den jeweiligen Motorbetriebspunkten zuzuordnen­ den relevanten Emissionswerte aufweist. Damit ist die Mög­ lichkeit gegeben, bei Erfassung des tatsächlichen Betrieb­ spunktes die zugehörige Emissionssituation aus dem Kennfeld abzugreifen und die zusätzlich einzubringende Kraftstoffmenge genau dosiert in den Ansaugtrakt einzubringen.

Diese Kraftstoffmenge kann nun je nach Aufwand saugsynchron, d. h. jeweils zu Beginn der Einlaßöffnungsphase des jeweili­ gen Zylinders in diesen eingedüst werden. Das bedeutet, daß jeder Ansaugöffnung eines Zylinders eine entsprechende Ein­ spritzdüse zuzuordnen ist, die über die Motorsteuerung ent­ sprechend angesteuert wird.

Das Verfahren bietet aber auch die Möglichkeit, mit nur einer zentral für den gesamten Ansaugtrakt des Motors anzuordnenden Düse die zusätzlichen Kraftstoffmengen einzuführen. Auch hier wird die Düse zum Zwecke der dosierten Zufuhr der zusätzli­ chen Kraftstoffmenge über die Motorsteuerung angesteuert. Da­ mit wird dem Motor nicht nur Luft, sondern ein Kraftstoff- Luft-Gemisch in der Ansaugphase zugeführt, wobei die Zudosie­ rung je nach Auswahl der Düse über eine kontinuierliche Ände­ rung der Menge oder aber über eine getaktete Einspritzung in den Ansaugtrakt eingebracht wird. Hierbei lassen sich ver­ schiedene Zerstäubungshilfen vorsehen, wie beispielsweise die Einspritzung vor oder hinter dem Ladeluftkühler, die Ein­ spritzung in die Abgasrückführleitung oder auch eine Ein­ spritzung über eine sogenannte "luftunterstützte" Einspritz­ düse.

Auch bei der Anordnung einer sogenannten zentralen Einsprit­ zung kann es zweckmäßig sein, daß je nach Größe des Motors über eine entsprechende Zahl von Einspritzdüsen an mehreren Stellen des Ansaugtraktes Kraftstoff zugeführt wird, um so zu einer gleichmäßigen Verteilung der Kraftstoffzusammensetzung in der Ansaugluft zu kommen.

Da der benötigte zusätzliche Kraftstoff aus dem motoreigenen Kraftstoffkreislauf entnommen werden kann, richtet sich auch Form und Gestaltung der Einspritzdüsen im wesentlichen nach den verwendeten Einspritzsystemen. Bei einem Common-Rail-Ein­ spritzsystem ist die Verwendung von Hochdruckdüsen zweckmä­ ßig, da der benötigte Kraftstoff dem Hochdruckspeicher, d. h. dem Rail entnommen werden kann.

Bei konventionellen nockengesteuerten Systemen, beispielswei­ se mit Verteilereinspritzpumpen kann der Kraftstoff entweder aus der motoreigenen Vordruckversorgung entnommen werden oder aber über eine zweite separate Hochdruckpumpe mittels einer Hochdruckeinspritzdüse eingebracht werden.

Die Erfindung wird anhand schematischer Blockschaltbilder von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Vier-Zylinder-Dieselmotor mit nockengesteuertem Einspritzsystem,

Fig. 2 einen Vier-Zylinder-Dieselmotor mit Hochdruck-Einspritzsystem.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Vier-Zylinder-Dieselmotor sind die einzelnen Zylinder 1, 2, 3, 4 jeweils mit entspre­ chenden Ansaugkanälen 5, 6, 7 und 8 als Teil eines Ansaug­ traktes 9 mit dem Ladeluftzufuhrsystem verbunden. Der Ansaug­ trakt 9 ist hier nur schematisch dargestellt. Ein möglicher Ladeluftkühler und eine mögliche Abgasrückführleitung sind hier nicht dargestellt, bilden jedoch einen Teil des Ansaug­ traktes im Sinne der Erfindung.

Die Zylinder 1, 2, 3, 4 stehen in gleicher Weise über geson­ derte Abgaskanäle 10, 11, 12, 13, die den Teil eines Abgas­ systemes 14 bilden, mit wenigstens einer Einrichtung 15 zur Abgasnachbehandlung, insbesondere einem Lean-NO_x-Katalysator, in Verbindung. Dem Katalysator kann ein Partikelfilter zuge­ ordnet sein.

Die Kraftstoffversorgung der einzelnen Zylinder erfolgt über eine nockengesteuerte Einspritzpumpe 16, die den Kraftstoff aus einem Tank 17 ansaugt und über Einzelleitungen über Ein­ spritzdüsen 1.1, 1.2, 1.3 und 1.4 entsprechend der Nocken­ steuerung in den Brennraum der Zylinder eindüst.

Im Ansaugtrakt 9 ist eine Zerstäuberdüse 18 angeordnet, die über eine Zuleitung 19 von der Einspritzpumpe 16 mit Kraft­ stoff unter entsprechendem Druck versorgt wird. Die Zerstäu­ berdüse 18 ist hierbei mit einer ansteuerbaren Ventileinrich­ tung 20 versehen, die über ein Steuergerät 21 angesteuert werden kann, so daß entsprechend den Vorgaben des Steuergerä­ tes 21 in den Ansaugtrakt 9 dosiert Kraftstoff in einer vor­ gebbaren Menge eingebracht werden kann.

Im Steuergerät 21 ist, wie eingangs bereits beschrieben, ein Kennfeld mit den relevanten betriebspunktabhängigen Emissi­ onswerten dieses Motors abgelegt. Wird nun als Steuersignal aus der übrigen Motorsteuerung dem Steuergerät 21 der jewei­ lige Betriebspunkt vorgegeben, dann kann über eine entspre­ chende Ansteuerung der Zerstäuberdüse 18 zusätzlicher Kraft­ stoff in der jeweils erforderlichen Menge zugeführt werden, so daß sichergestellt ist, daß jeweils nach Ablauf des Ar­ beitstaktes eines Zylinders in den Abgastrakt 14 Abgas aus ge­ stoßen wird, das noch eine vorgegebene Menge an Kohlenwasser­ stoffen enthält, die dann als Reduktionsmittel im Katalysator 15 wirksam werden.

Anstelle einer zentralen Kraftstoffzufuhr über die Zerstäu­ berdüse 18 ist es in gleicher Weise auch möglich, unmittelbar in die zu den einzelnen Zylindern führenden Ansaugkanäle 5, 6, 7, 8 entsprechende Düsen einzusetzen, so daß jedem Zylin­ der im Ansaugtrakt gezielt eine definierte zusätzliche Kraft­ stoffmenge zugeführt wird.

Der in Fig. 2 dargestellte Motor entspricht in seinem Aufbau im wesentlichen dem anhand von Fig. 1 beschriebenen Motor, so daß auf die vorstehende Beschreibung verwiesen werden kann.

Der Unterschied besteht hierbei jedoch darin, daß der Be­ triebskraftstoff über ein Konstant-Einspritzsystem zugeführt wird. Hierzu ist eine mit dem Tank 17 verbundene und vom Mo­ tor selbst angetriebene Hochdruckpumpe 22 vorgesehen, die den Kraftstoff in einen Hochdruckraum 23 drückt (Common Rail), der über Einzelleitungen mit den jedem Zylinder zugeordneten, mit steuerbaren Ventilen versehenen Einspritzdüsen 1.1, 1.2, 1.3 und 1.4 verbunden sind.

Auch bei diesem System ist eine Zerstäuberdüse 18 vorgesehen, die jedoch entsprechend dem höheren Druck als Hochdruckdüse ausgebildet ist und über eine Zuleitung 19 mit dem Hochdruck­ raum 23 verbunden ist. Über ein steuerbares Ventil 20 ist die Zerstäuberdüse 18 auch hier über das Steuergerät 21 ansteuer­ bar, das auch die Ventile der Einspritzdüsen 1.1 bis 1.4 an­ steuert.

Auch bei dieser Ausgestaltung ist es möglich, anstelle der dargestellten Zerstäuberdüse eine zusätzliche Zerstäuberdüse jedem der zu den einzelnen Zylinder führenden Ansaugkanäle zu­ zuordnen.

Bei der hier dargestellten zentralen Eindüsung kann nun die Dosierung der zusätzlichen Kraftstoffmenge dadurch verändert werden, daß die Öffnungszeit und/oder die Öffnungsfrequenz der Düse über das Steuergerät variiert wird. Bei einer zen­ tralen Anordnung dieser Zerstäuberdüse ergibt sich dann in dem hinter der Eindüsungsstelle liegenden Teil des Ansaug­ traktes eine im wesentlichen gleichmäßige Beladung der An­ saugluft mit Kraftstoff.

Der Begriff "Lean-NO_x" bezeichnet für die Reaktion im Kataly­ sator die teilweise Umwandlung von Stickoxiden, die im Ver­ brennungsgas als NO und NO₂ vorliegen, in Stickstoff (N₂) und Kohlendioxid (CO₂) oder Wasser (H₂O). Bei Luftverhältnissen kleiner 1 (Lambda < 1) erfolgt dies durch eine Reaktion mit Kohlenmonoxid (CO) oder Kohlenwasserstoffen (C_mH_n). Bei Luft­ verhältnissen größer 1 (Lambda < 1), wie sie normalerweise im Dieselmotorabgas vorliegen, erfolgt die Reduktion der Stickoxide durch Kohlenwasserstoffe (C_mH_n).

Claims (4)

1. Verfahren zur Verminderung des Schadstoffausstoßes beim Betrieb eines Hubkolbenmotors mit einer gesteuerten Einsprit­ zung eines selbstzündungsfähigen Kraftstoffs jeweils in einen Zylinder im Endbereich seiner Kompressionsphase und mit we­ nigstens einer Einrichtung zur Abgasbehandlung, insbesondere einem Lean-NO_x-Katalysator, dadurch gekennzeichnet, daß je­ weils während der Ansaugphase eines Zylinders eine in Abhän­ gigkeit des jeweiligen von einer Motorsteuerung erfaßten Be­ triebspunktes bemessene, zusätzliche Kraftstoffmenge in den Ansaugtrakt eingespritzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils einzuspritzende zusätzliche Kraftstoffmenge so bemes­ sen wird, daß im Abgas vor der Nachbehandlungseinrichtung noch Kohlenwasserstoffe enthalten sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzung der zusätzlichen Kraftstoffmenge jeweils über eine, einem Zylinder zugeordnete steuerbare Zerstäuber­ düse erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Einspritzung zentral für alle mit dem Ansaugtrakt verbundenen Zylinder über nur eine Zerstäuberdüse erfolgt.