EP1458959A1 - Verfahren und vorrichtung zum kühlen einer katalysatoreinrichtung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum kühlen einer katalysatoreinrichtung

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EP1458959A1
EP1458959A1 EP02787586A EP02787586A EP1458959A1 EP 1458959 A1 EP1458959 A1 EP 1458959A1 EP 02787586 A EP02787586 A EP 02787586A EP 02787586 A EP02787586 A EP 02787586A EP 1458959 A1 EP1458959 A1 EP 1458959A1
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EP
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exhaust gas
cooling
cooling capacity
internal combustion
combustion engine
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Ekkehard Pott
Michael Zillmer
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Original Assignee
Volkswagen AG
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    • F01N2240/00—Combination or association of two or more different exhaust treating devices, or of at least one such device with an auxiliary device, not covered by indexing codes F01N2230/00 or F01N2250/00, one of the devices being
    • F01N2240/02—Combination or association of two or more different exhaust treating devices, or of at least one such device with an auxiliary device, not covered by indexing codes F01N2230/00 or F01N2250/00, one of the devices being a heat exchanger

Definitions

  • the present invention relates to a method for cooling a catalyst device according to the preamble of claim 1 and an exhaust system and a motor vehicle for performing this method.
  • Catalytic converter devices usually have only a relatively limited optimal thermal working range to ensure proper exhaust gas purification, which for NO x storage catalytic converters is, for example, between approximately 220 ° C. and 550 ° C. Below this range, they are not yet sufficiently catalytically active to be fully functional and to store the undesired pollutants contained in the exhaust gas as desired and / or to convert them into harmless substances. If higher catalyst temperatures occur, lean gasoline engines must be operated stoichiometrically at the corresponding higher exhaust gas temperatures, although the combustion process would still allow a more economical lean operation associated with low fuel consumption. In addition, as catalyst temperatures continue to rise, thermal aging sets in, which can lead to severe deactivation of the catalyst device or even to catalyst destruction due to overheating.
  • the control in particular the lowering or at least limitation, of the exhaust gas temperature by engine measures and / or a targeted one is for the proper operation of exhaust gas catalysts and for a consumption-optimized operating mode of the associated internal combustion engine Exhaust gas cooling of particular importance.
  • both active and passive exhaust gas coolers are used for exhaust gas or catalyst cooling, which are connected upstream of the catalyst device to be cooled.
  • the exhaust gas cooler is usually arranged downstream of the pre-catalyst device in order to be able to use it with temperature-increasing measures with a correspondingly higher temperature level for better exothermic conversion of exhaust gas pollutants.
  • Active or switchable exhaust gas coolers have a cooling capacity that can be regulated as required within a wide range of cooling capacities that can be specified by design.
  • Such a large cooling capacity range can be achieved, for example, by using an exhaust gas cooler with a powerful exhaust gas heat exchanger for the actual exhaust gas cooling and an associated bypass line, in which, depending on the cooling requirement, any proportion of an incoming exhaust gas mass flow by means of a suitable exhaust gas control device, e.g. an exhaust gas flap device for cooling as required through the exhaust gas heat exchanger or through the bypass line almost uncooled past it.
  • a suitable exhaust gas control device e.g. an exhaust gas flap device for cooling as required through the exhaust gas heat exchanger or through the bypass line almost uncooled past it.
  • suitable cooling air guiding devices such as e.g. controllable air or louvre flaps and / or cooling air channels
  • controllable exhaust gas coolers can optionally also comprise a combination of different cooling mechanisms or cooling devices, the use of special cooling media also being conceivable for better heat dissipation to the environment.
  • Active exhaust gas coolers are often designed to be technically complex due to their control and regulating devices for setting the cooling output as required. Due to the desired high maximum cooling capacities, they are also of a correspondingly large size, so that they have a large space requirement and practical use is associated with a correspondingly high cost. Despite these disadvantages, they are used due to their high cooling capacities which can be reduced as required, in particular in conjunction with NO x storage catalytic converter systems, in order to keep them in the widest possible operating ranges in a working temperature range required for proper exhaust gas purification.
  • Passive, non-switchable exhaust gas coolers with their non-controllable (but dependent on the vehicle, engine and exhaust system operating state) cooling capacity are usually not only technically much simpler but also noticeably more compact than active exhaust gas coolers, so that they require a significantly lower cost compared to them and need noticeably less space for installation.
  • these major practical advantages are offset by the not inconsiderable disadvantage that their cooling capacity can in practice only be selected as a compromise between conflicting technical requirements.
  • their cooling capacity which cannot be actively reduced, they may only be designed to be significantly weaker than active exhaust gas coolers, so as not to reduce the effectiveness of catalytic converter temperature-increasing measures in light-off and de-sulfation by excessive exhaust gas cooling.
  • the object of the present invention is to provide an improved cooling method for a catalyst device by means of an upstream exhaust gas cooler, which on the one hand is as cost-effective and space-saving as possible, but on the other hand not only offers sufficiently high protection against impermissibly high catalyst temperatures but also a high effectiveness of measures which increase the catalyst temperature enables and thereby combines the advantages of passive or active exhaust gas cooling as well as possible.
  • the method sought is intended in particular to be suitable for cooling a NO x storage catalytic converter connected downstream of a Dl gasoline engine which is capable of shift operation and / or is lean-running, in order to ensure that the Dl gasoline engine is always sufficient to be able to operate high catalyst cooling in wide operating areas in an economical, lean operation.
  • the task also consists in creating an exhaust system and a motor vehicle for carrying out this method.
  • the exhaust gas cooling device here comprises a passive exhaust gas cooler and an upstream and / or downstream exhaust line. It encompasses all gas-carrying exhaust gas ducts of the exhaust system or exhaust system involved in the heat exchange.
  • the exhaust gas cooling device thus includes, for example, the entire exhaust gas path between the preliminary and main catalytic converter devices.
  • the exhaust gas cooler is selected so that its cooling capacity PKWT100 in kW in conjunction with an upstream exhaust line connecting the exhaust gas cooler with a pre-catalytic converter during stationary vehicle operation in the plane with a constant driving speed of 100 km / h in the warm operating state of the internal combustion engine at an ambient temperature of 20 ° C, a relative humidity of 20 ... 80% and a wind speed of less than 3 m / s according to
  • PKWT100 f • PBFZG100 • (1.6 / VH) n is correlated with the demand power PBFZG100 of the motor vehicle in kW given the operating conditions and the displacement VH in liters.
  • the cooling power PKWT100 of the associated exhaust gas cooler is therefore proportional to the demand power PBFZG100 of the motor vehicle for overcoming the driving resistance in the plane by a factor of f.
  • the cooling capacity of the exhaust gas cooler or the exhaust gas cooling device is preferably limited by a minimum value and a maximum value so that on the one hand there is always a sufficiently high cooling capacity to avoid impermissibly high catalyst temperatures and on the other hand the effectiveness of measures to increase the catalyst temperature due to excessive heat dissipation is not too great to reduce.
  • the minimum and maximum value as the lower or upper limit for the cooling capacity is selected in such a way that an incoming exhaust gas mass flow through the exhaust gas cooling device under the specified operating conditions by at least 75 K or by a temperature value corresponding to a cooling capacity of 2.5 kW or by 250 K or can be cooled or cooled by a temperature value corresponding to a cooling capacity of 8.5 kW.
  • the method according to the invention is preferably used for cooling a NO x storage catalytic converter connected downstream of a stratified and / or lean running internal combustion engine, in order to be able to operate it in a lean mode in a manner that is optimized for consumption in wide operating ranges by correspondingly lowering the catalytic converter temperature.
  • An exhaust system for carrying out this method comprises a catalytic converter and an upstream passive exhaust gas cooling device with a cooling capacity which cannot be influenced by the vehicle, engine and exhaust system operating state and which has the required power of the associated motor vehicle to overcome the driving resistance in the plane in a stationary vehicle mode and the displacement of the internal combustion engine of this motor vehicle is correlated.
  • the exhaust gas cooling device here comprises a passive exhaust gas cooler and an upstream and / or downstream exhaust line. It encompasses all gas-carrying exhaust gas ducts of the exhaust system or exhaust system involved in the heat exchange. In the case of the NO x storage catalytic converter system described here, it thus includes, for example, the entire exhaust gas path between the upstream and the main catalytic converter device.
  • the cooling capacity PKWT100 of the exhaust gas cooling device in kW with stationary vehicle operation in the plane with a constant driving speed of 100 km / h in the warm operating state of the internal combustion engine at an ambient temperature of 20 ° C, a relative humidity of 20 ... 80% and a wind speed of less than 3 m / s is according to
  • PKWT100 f »PBFZG100» (1.6 / VH) "with the demand power PBFZG100 of the motor vehicle given in kW to overcome the driving resistance in the plane under the specified operating conditions and the displacement VH of the internal combustion engine in liters, where n is a parameter between 0 , 3 and 0.8, but in particular between 0.35 and 0.55, while f is a parameter between 0.30 and 0.55, but in particular between 0.32 and 0.38.
  • the cooling capacity of the exhaust gas cooling device is preferably within a performance range limited by a minimum value and a maximum value, the minimum value being 2.5 kW under the above-mentioned operating conditions or corresponding to a cooling capacity at which an incoming exhaust gas mass flow can be cooled or cooled by 75 K while the Maximum value in the above-mentioned operating conditions is 8.5 kW or corresponds to a cooling capacity at which an incoming exhaust gas mass flow can be cooled down or cooled down by 250 K.
  • the catalyst device preferably comprises a NO x storage catalytic converter connected downstream of the exhaust gas cooling device.
  • a motor vehicle for carrying out the method according to the invention comprises an internal combustion engine, in particular a Dl gasoline engine which is capable of shift operation and / or lean-burn operation, and a downstream exhaust gas system of the type described.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a motor vehicle with an exhaust system according to the invention.
  • the motor vehicle 10 shown in FIG. 1 comprises a conventional shift petrol engine 12 with a displacement of 1.6 l and an engine output of 81 kW.
  • the demand power PBFZG100 of this motor vehicle 10 for overcoming the driving resistance in the plane is when driving at a constant speed of about 100 km / h in homogeneously lean operation in the warm operating state of the DI gasoline engine 12 at an ambient temperature of 20 ° C., a relative humidity from 20 - 80% and a wind speed of less than 3 m / s about 13.4 kW.
  • the DI gasoline engine 12 is followed by an exhaust system 14-20 designed according to the invention for catalytic exhaust gas aftertreatment of the exhaust gases emitted by it.
  • the exhaust system 14 - 20 comprises an exhaust line 14 with a conventional catalytic converter 16, 18, which consists of a small-volume pre-catalytic converter 16 and a downstream NO x storage catalytic converter 18 serving as the main catalytic converter.
  • a passive exhaust gas cooling device 14, 20 which cannot be influenced in terms of its vehicle, engine and exhaust system operating state, for further cooling of the incoming exhaust gas mass flow, which includes a passive exhaust gas cooler 20 and the exhaust line 14.
  • Their cooling capacity is about 4.7 kW at a driving speed of about 100 km / h in the plane.
  • the exhaust gas temperature at a driving speed of approximately 100 km / h in the plane behind the pre-catalytic converter 16 is approximately 600 ° C. with an exhaust gas mass flow of approximately 105 kg / h.
  • the exhaust gas cooling device 14, 20 cools the exhaust gas before it enters the NO x storage catalytic converter 18 to a temperature of approximately 460 ° C., so that a desired catalytic converter temperature, ie the temperature in the middle of the NO x storage catalytic converter 18, decreases from is less than about 480 ° C.
  • the DI gasoline engine 12 can be operated lean, which is associated with a clear consumption advantage over a motor vehicle with an uncooled NO x storage catalytic converter.
  • the catalyst temperature is increased to a value of about 650 ° C., for example by a late ignition, in order to release the stored sulfur under rich operating conditions in homogeneous operation.
  • This desulphation temperature is under the specified operating conditions at a Exhaust gas temperature before the pre-catalyst 16 of about 920 ° C reached.
  • the temperature behind the pre-catalyst 16 is approximately 950 ° C.
  • an exhaust gas cooling device 14, 20 with a noticeably lower cooling capacity were used, then the high catalyst temperatures that would result in no consumption-saving lean operation would be possible in wide operating ranges. If, for example, the exhaust gas cooler 20 were dimensioned weaker by approximately 1 kW than in the present exemplary embodiment, a significantly higher exhaust gas temperature would set in front of the NO x storage catalytic converter than approximately 500 ° C., which would at least be at the upper temperature limit to ensure proper NO x storage operation would and would be quickly exceeded at higher loads in dynamic driving.
  • PKWT100 f • PBFZG100 • (1.6 / VH) ⁇ correlates with the driving resistance PBFZG100 and the displacement VH.
  • a cooling capacity of 3.8-7.7 kW results.
  • the cooling output is 4.7 kW.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Kühlen einer Katalysatoreinrichtung 18 in der Abgasanlage 14 - 20 einer Brennkraftmaschine 12 eines Kraftfahrzeugs 10 durch Vorschalten einer passiven, in ihrer fahrzeug-, motor- und abgasanlagenbetriebszustandsabhängigen Kühlleistung nicht beeinflussbaren Abgaskühleinrichtung 14, 20 mit einem Abgaskühler 20 und einem vor- und/oder nachgeschalteten Abgasstrang 14 beschrieben. deren Kühlleistung erfindungsgemäss mit der Bedarfsleistung des Kraftfahrzeugs 10 zur Überwindung der Fahrwiderstände in der Ebene und dem Hubraum der Brennkraftmaschine 12 korreliert ist. Das erfindungsgemäss Verfahren ist insbesondere zur Kühlung eines einem schichtbetriebsfähigen und/oder magerlauffähigen DI-Ottomotor 12 nachgeschalteten NO¿x?- Speicherkatalysators 18 geeignet, da der DI-Ottomotor 12 bei einer entsprechenden Absenkung der Katalysatortemperatur in weiten Betriebsbereichen verbrauchsoptimiert in einem ökonomischen Magerbetrieb betreibbar ist. Es wird auch eine Abgasanlage 14 - 20 und ein Kraftfahrzeug 10 zur Durchführung dieses Verfahrens beschrieben.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Kühlen einer Katalysatoreinrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen einer Katalysatoreinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Abgasanlage und ein Kraftfahrzeug zur Durchführung dieses Verfahrens.
Katalysatoreinrichtungen besitzen üblicherweise nur einen relativ eingeschränkten optimalen thermischen Arbeitsbereich zur Gewährleistung einer ordnungsgemäßen Abgasreinigung, der bei NOx-Speicherkatalysatoren beispielsweise zwischen etwa 220 °C und 550 °C liegt. Unterhalb dieses Bereiches sind sie noch nicht ausreichend katalytisch aktiv, um voll funktionsfähig zu sein und die im Abgas enthaltenen unerwünschten Schadstoffe wunschgemäß zu speichern und/oder in unschädliche Stoffe umzuwandeln. Treten höhere Katalysatortemperaturen auf, müssen mager betreibbare Ottomotoren bei den korrespondierenden höheren Abgastemperaturen stöchiometrisch betrieben werden, obwohl das Brennverfahren noch einen mit einem niedrigen Kraftstoffverbrauch verbundenen ökonomischeren Magerbetrieb zulassen würde. Darüber hinaus setzt mit weiter ansteigenden Katalysatortemperaturen die thermische Alterung ein, die zu einer starken Desaktivierung der Katalysatoreinrichtung oder sogar zur Katalysatorzerstörung durch Überhitzung führen kann. Da die Katalysatortemperatur im wesentlichen durch die Temperatur des durchströmenden Abgases bestimmt wird, ist für den ordnungsgemäßen Betrieb von Abgaskatalysatoren und für eine verbrauchsoptimierte Betriebsweise der jeweils zugeordneten Brennkraftmaschine die Steuerung, insbesondere die Absenkung oder zumindest Begrenzung, der Abgastemperatur durch motorische Maßnahmen und/oder eine gezielte Abgaskühlung von besonderer Bedeutung.
Zur Abgas- bzw. Katalysatorkühlung werden in der Praxis sowohl aktive als auch passive Abgaskühler eingesetzt, die der zu kühlenden Katalysatoreinrichtung vorgeschaltet werden. Bei einem NOx-Speicherkataiysatorsystem mit einer Vorkatalysatoreinrichtung wird der Abgaskühler hierbei üblicherweise stromab der Vorkatalysatoreinrichtung angeordnet, um diesen bei temperatursteigernden Maßnahmen mit einem entsprechend höheren Temperaturniveau zur besseren exothermen Umsetzung von Abgasschadstoffen nutzen zu können. Aktive oder schaltbare Abgaskühler besitzen eine in einem auslegungsmäßig vorgebbaren weiten Kühlleistungsbereich bedarfsgerecht regelbare Kühlleistung. Sie können daher einerseits, ohne entsprechende Nachteile fürchten zu müssen, hinreichend leistungsstark ausgelegt werden, um eine eventuelle thermische Schädigung der zugeordneten Katalysatoreinrichtung im Vollastbetrieb mit entsprechend hohen Abgas- und Katalysatortemperaturen zuverlässig zu verhindern. Andererseits hingegen ist ihre Kühlleistung üblicherweise bis zumindest nahe an das Niveau eines einfachen Abgasrohres verringerbar, so dass sie, wie beispielsweise bei einer De- Sulfatierung, auch eine hohe Effektivität von betriebszυstandsbedingt erforderlichen katalysatortemperatursteigernden Maßnahmen ermöglichen.
Ein solch großer Kühlleistungsbereich lässt sich beispielsweise durch Verwendung eines Abgaskühlers mit einem leistungsstarken Abgaswärmetauscher zur eigentlichen Abgaskühlung und einer zugeordneten Bypassleitung erreichen, bei dem je nach Kühlbedarf beliebige Anteile eines ankommenden Abgasmassenstroms mittels einer geeigneten Abgas-Steuerungseinrichtung, wie z.B. einer Abgasklappeneinrichtung, zur bedarfsgerechten Kühlung durch den Abgaswärmetauscher hindurch bzw. durch die Bypassleitung nahezu ungekühlt an ihm vorbei geleitet werden können. Es sind jedoch auch anders gestaltete regelbare oder schaltbare Abgaskühler bekannt, deren Kühlleistung beispielsweise durch bedarfsgerechte Steuerung der Kühlluftumströmung und/oder der Kühlluftdurchströmung mittels geeigneter Kühlluft-Führungseinrichtungen, wie z.B. steuerbare Luft-oder Lamellenklappen und/oder Kühlluftkanäle, in weiten Bereichen einstellbar ist. Zur Steigerung der Kühlleistung können regelbare Abgaskühler gegebenenfalls auch eine Kombination unterschiedlicher Kühlmechanismen oder Kühlvorrichtungen umfassen, wobei zur besseren Wärmeabfuhr an die Umgebung auch der Einsatz spezieller Kühlmedien denkbar ist.
Aktive Abgaskühler sind jedoch wegen ihrer Steuerungs- und Regelungseinrichtungen zur bedarfsgerechten Einstellung der Kühlleistung oftmals technisch aufwendig gestaltet. Durch die gewünschten hohen maximalen Kühlleistungen sind sie zudem auch entsprechend groß ausgebildet, so dass sie einen großen Platzbedarf besitzen und eine praktische Nutzung mit einem entsprechend hohen Kostenaufwand verbunden ist. Trotz dieser Nachteile werden sie infolge ihrer bedarfsgerecht verringerbaren hohen Kühlleistungen insbesondere in Verbindung mit NOx-Speicherkatalysatorsystemen eingesetzt, um diese in möglichst weiten Betriebsbereichen in einem für eine ordnungsgemäße Abgasreinigung erforderlichen Arbeitstemperaturbereich zu halten. Passive, nicht schaltbare Abgaskühler mit ihrer nicht regelbaren (jedoch fahrzeug-, motor- und abgasanlagenbetriebszustandsabhängigen) Kühlleistung sind hingegen üblicherweise nicht nur technisch wesentlich einfacher gestaltet sondern auch merklich kompakter ausgebildet als aktive Abgaskühler, so dass sie im Vergleich zu diesen einen deutlich geringeren Kostenaufwand erfordern und spürbar weniger Platz für einen Einbau benötigen. Diesen großen praktischen Vorteilen steht jedoch der nicht unerhebliche Nachteil gegenüber, dass ihre Kühlleistung in der Praxis stets nur als Kompromiss zwischen gegensätzlichen technischen Anforderungen wählbar ist. Einerseits dürfen sie wegen ihrer nicht aktiv verringerbaren Kühlleistung nur deutlich schwächer ausgelegt werden als aktive Abgaskühler, um nicht durch eine zu starke Abgaskühlung die Effektivität von katalysatortemperatursteigemden Maßnahmen im Light-Off und bei einer De-Sulfatierung zu sehr zu verringern. Bei NOx- Speicherkatalysatorsystemen dürfen sie hierbei insbesondere nicht so leistungsstark ausgelegt werden, dass unter bestimmten Betriebsbedingungen in der zugeordneten Vorkatalysatoreinrichtung unzulässig hohe oder gar katalysatorschädigende Abgas- und Katalysatortemperaturen erforderlich sein könnten, um das NOx- Speicherkatalysatorsystem unter Kompensation der hohen Wärmeverluste durch den Abgaskühler bedarfsgerecht aufzuheizen. Andererseits hingegen müssen auch passive Abgaskühler wiederum möglichst leistungsfähig ausgelegt sein, um die zu kühlende Katalysatoreinrichtung durch eine ausreichend hohe Wärmeabfuhr in möglichst weiten Betriebsbereichen in einem für eine ordnungsgemäße Abgasreinigung erforderlichen Arbeitstemperaturbereich zu halten. Sie müssen hierbei insbesondere zumindest jedoch so stark ausgelegt sein, dass eine eventuelle thermische Schädigung der Katalysatoreinrichtung im Vollastbetrieb mit entsprechend hohen Abgas- und Katalysatortemperaturen zuverlässig verhindert wird.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines verbesserten Kühlverfahrens für eine Katalysatoreinrichtung mittels eines vorgeschalteten Abgaskühlers, das einerseits möglichst kostengünstig und platzsparend ist, andererseits aber auch nicht nur einen hinreichend hohen Schutz gegen unzulässig hohe Katalysatortemperaturen bietet sondern auch eine hohe Effektivität von katalysatortemperatursteigernden Maßnahmen ermöglicht und dadurch die genannten Vorteile einer passiven bzw. aktiven Abgaskühlung möglichst gut miteinander verbindet. Das gesuchte Verfahren soll insbesondere zur Kühlung eines einem schichtbetriebsfähigen und/oder magerlauffähigen Dl-Ottomotor nachgeschalteten NOx- Speicherkatalysators geeignet sein, um den Dl-Ottomotor durch eine stets ausreichend hohe Katalysatorkühlung in weiten Betriebsbereichen verbrauchsoptimiert in einem ökonomischen Magerbetrieb betreiben zu können. Die Aufgabe besteht auch in der Schaffung einer Abgasanlage und eines Kraftfahrzeugs zur Durchführung dieses Verfahrens.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Vorschalten einer passiven Abgaskühleinrichtung gelöst, deren Kühlleistung in Abhängigkeit von der Bedarfsleistung des zugeordneten Kraftfahrzeugs zur Überwindung der Fahrwiderstände in der Ebene bei einem stationären Fahrzeugbetrieb und dem Hubraum der Brennkraftmaschine dieses Kraftfahrzeugs geeignet gewählt wird. Mit steigender Bedarfsleistung und höherem Hubraum wird hierbei eine entsprechend angepasste leistungsstärkere Abgaskühleinrichtung eingesetzt, um die zu erwartenden höheren Abgastemperaturen kompensieren und die Katalysatoreinrichtung bedarfsgerecht kühlen zu können. Die Abgaskühleinrichtung umfasst hierbei einen passiven Abgaskühler und einen vor- und/oder nachgeschalteten Abgasstrang. Sie umfasst alle am Wärmeaustausch beteiligten gasführenden Abgaskanäle des Abgasstrangs oder der Abgasstrecke. Bei dem im folgenden näher beschriebenen NOx-Speicherkatalysatorsystem umfasst die Abgaskühleinrichtung somit beispielsweise die gesamte Abgasstrecke zwischen Vor- und Hauptkatalysatoreinrichtung.
Der Abgaskühler wird hierbei so gewählt, dass seine Kühlleistung PKWT100 in kW in Verbindung mit einem vorgeschalteten, den Abgaskühler mit einem Vorkatalysator verbindenden Abgasstrang bei einem stationären Fahrzeugbetrieb in der Ebene mit einer konstanten Fahrgeschwindigkeit von 100 km/h im betriebswarmen Zustand der Brennkraftmaschine bei einer Umgebungstemperatur von 20 °C, einer relativen Luftfeuchtigkeit von 20 ... 80 % und einer Windgeschwindigkeit von weniger als 3 m/s gemäß
PKWT100 = f • PBFZG100 • (1,6 / VH)n mit der in kW angegebenen Bedarfsleistung PBFZG100 des Kraftfahrzeugs bei den genannten Betriebsbedingungen und dem Hubraum VH in Litern korreliert ist. Für den Parameter n wird hierbei ein Wert zwischen 0,3 und 0,8, vorzugsweise jedoch zwischen 0,35 und 0,55 gewählt, während für den Parameter f ein Wert zwischen 0,30 und 0,55, vorzugsweise jedoch zwischen 0,32 und 0,38 gewählt wird. Bei einer Brennkraftmaschine mit einem Hubraum von 1,6 I ist die Kühlleistung PKWT100 des zugeordneten Abgaskühlers somit mit Faktor f proportional zu der Bedarfsleistung PBFZG100 des Kraftfahrzeugs zur Überwindung der Fahrwiderstände in der Ebene. Die Kühlleistung des Abgaskühlers oder der Abgaskühleinrichtung wird hierbei vorzugsweise durch einen Minimalwert und einen Maximalwert begrenzt, um einerseits stets eine ausreichend hohe Kühlleistung zur Vermeidung unzulässig hoher Katalysatortemperaturen zur Verfügung zu haben und um andererseits die Effektivität von katalysatortemperatursteigemden Maßnahmen durch eine zu starke Wärmeabfuhr nicht zu sehr zu verringern. Der Minimal- und Maximalwert als untere bzw. obere Grenze für die Kühlleistung wird hierbei insbesondere so gewählt, dass ein ankommender Abgasmassenstrom durch die Abgaskühleinrichtung unter den genannten Betriebsbedingungen um zumindest 75 K oder um einen einer Kühlleistung von 2,5 kW entsprechenden Temperaturwert bzw. um 250 K oder um einen einer Kühlleistung von 8,5 kW entsprechenden Temperaturwert abkühlbar ist oder abgekühlt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise zur Kühlung eines einer schichtbetriebsfähigen und/oder magerlauffähigen Brennkraftmaschine nachgeschalteten NOx-Speicherkatalysators verwendet, um diesen durch entsprechende Absenkung der Katalysatortemperatur in weiten Betriebsbereichen verbrauchsoptimiert im Magerbetrieb betreiben zu können.
Eine Abgasanlage zur Durchführung dieses Verfahrens umfasst eine Katalysatoreinrichtung und einer vorgeschalteten passiven Abgaskühleinrichtung mit einer nicht beeinflussbaren fahrzeug-, motor- und abgasanlagenbetriebszustandsabhängigen Kühlleistung, die mit der Bedarfsleistung des zugeordneten Kraftfahrzeugs zur Überwindung der Fahrwiderstände in der Ebene bei einem stationären Fahrzeugbetrieb und dem Hubraum der Brennkraftmaschine dieses Kraftfahrzeugs korreliert ist. Die Abgaskühleinrichtung umfasst hierbei einen passiven Abgaskühler und einen vor- und/oder nachgeschalteten Abgasstrang. Sie umfasst alle am Wärmeaustausch beteiligten gasführenden Abgaskanäle des Abgasstrangs oder der Abgasstrecke. Bei dem hier beschriebenen NOx-Speicherkatalysatorsystem umfasst sie somit beispielsweise die gesamte Abgasstrecke zwischen Vor- und Hauptkatalysatoreinrichtung.
Die Kühlleistung PKWT100 der Abgaskühleinrichtung in kW bei einem stationären Fahrzeugbetrieb in der Ebene mit einer konstanten Fahrgeschwindigkeit von 100 km/h im betriebswarmen Zustand der Brennkraftmaschine bei einer Umgebungstemperatur von 20 °C, einer relativen Luftfeuchtigkeit von 20 ... 80 % und einer Windgeschwindigkeit von weniger als 3 m/s ist gemäß
PKWT100 = f»PBFZG100 »(1,6/VH)" mit der in kW angegebenen Bedarfsleistung PBFZG100 des Kraftfahrzeugs zur Überwindung der Fahrwiderstände in der Ebene bei den genannten Betriebsbedingungen und dem Hubraum VH der Brennkraftmaschine in Litern korreliert, wobei n ein Parameter zwischen 0,3 und 0,8, insbesondere jedoch zwischen 0,35 und 0,55 ist, während f ein Parameter zwischen 0,30 und 0,55, insbesondere jedoch zwischen 0,32 und 0,38 ist.
Die Kühlleistung der Abgaskühleinrichtung liegt vorzugsweise innerhalb eines durch einen Minimalwert und einen Maximalwert begrenzten Leistungsbereiches, wobei der Minimalwert bei den genannten Betriebsbedingungen 2,5 kW beträgt oder einer Kühlleistung entspricht, bei der ein ankommender Abgasmassenstrom um 75 K abkühlbar ist oder abgekühlt wird, während der Maximalwert bei den genannten Betriebsbedingungen 8,5 kW beträgt oder einer Kühlleistung entspricht, bei der ein ankommender Abgasmassenstrom um 250 K abkühibar ist oder abgekühlt wird.
Die Katalysatoreinrichtung umfasst vorzugsweise einen der Abgaskühleinrichtung nachgeschalteten NOx-Speicherkatalysator.
Ein Kraftfahrzeug zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen schichtbetriebsfähigen und/oder magerlauffähigen Dl-Ottomotor, und eine nachgeschaltete erfindungsgemäße Abgasanlage der beschriebenen Art.
Weitere Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ergeben sich nicht nur aus den zugehörenden Ansprüchen - für sich und/oder in Kombination - sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der zugehörigen
Fig. 1, die in schematischer Darstellung ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Abgasanlage zeigt. Das in Fig. 1 dargestellte Kraftfahrzeug 10 umfasst einen herkömmlichen schichtbetriebsfähigen Dl-Ottomotor 12 mit einem Hubraum von 1,6 I und einer Motorleistung von 81 kW. Die Bedarfsleistung PBFZG100 dieses Kraftfahrzeugs 10 zur Überwindung der Fahrwiderstände in der Ebene beträgt bei einer Fahrt mit einer konstanten Geschwindigkeit von etwa 100 km/h im homogen mageren Betrieb im betriebswarmen Zustand des Dl-Ottomotors 12 bei einer Umgebungstemperatur von 20 °C, einer relativen Luftfeuchtigkeit von 20 - 80 % und einer Windgeschwindigkeit von weniger als 3 m/s etwa 13,4 kW.
Dem Dl-Ottomotor 12 ist eine erfindungsgemäße ausgelegte Abgasanlage 14 - 20 zur katalytischen Abgasnachbehandlung der von ihm emittierten Abgase nachgeschaltet. Die Abgasanlage 14 - 20 umfasst einen Abgasstrang 14 mit einer herkömmlichen Katalysatoreinrichtung 16, 18, die aus einem kleinvolumigen Vorkatalysator 16 und einem als Hauptkatalysator dienenden nachgeschalteten NOx-Speicherkatalysator 18 besteht. Zwischen diesen beiden Katalysatoren 16, 18 ist eine passive, in ihrer fahrzeug-, motor- und abgasanlagenbetriebszustandsabhängigen Kühlleistung nicht beeinflussbare Abgaskühleinrichtung 14, 20 zur weiteren Kühlung des ankommenden Abgasmassenstroms angeordnet, die einen passiven Abgaskühler 20 und den Abgasstrang 14 umfasst. Ihre Kühlleistung beträgt bei einer Fahrgeschwindigkeit von etwa 100 km/h in der Ebene etwa 4,7 kW.
Bei den angegebenen Betriebsbedingungen beträgt die Abgastemperatur bei einer Fahrgeschwindigkeit von etwa 100 km/h in der Ebene hinter dem Vorkatalysator 16 etwa 600 °C bei einem Abgasmassenstrom von etwa 105 kg/h. Durch die Abgaskühleinrichtung 14, 20 wird das Abgas vor dem Eintritt in den NOx- Speicherkatalysator 18 auf eine Temperatur von etwa 460 °C abgekühlt, so dass sich eine angestrebte Katalysatortemperatur, d.h. die Temperatur in der Mitte des NOx- Speicherkatalysators 18, von weniger als etwa 480 °C ergibt. Bei diesen Betriebsbedingungen kann der Dl-Ottomotor 12 mager betrieben werden, was mit einem deutlichen Verbrauchsvorteil gegenüber einem Kraftfahrzeug mit einem ungekühlten NOx-Speicherkatalysator verbunden ist.
Bei intermittierenden De-Sulfatierungen wird die Katalysatortemperatur, beispielsweise durch eine Spätzündung, auf einen Wert von etwa 650 °C erhöht, um den eingelagerten Schwefel unter fetten Betriebsbedingungen im Homogenbetrieb freizusetzen. Diese De- Sulfatierungstemperatur wird unter den angegebenen Betriebsbedingungen bei einer Abgastemperatur vor dem Vorkatalysator 16 von etwa 920 °C erreicht. Die Temperatur hinter dem Vorkatalysator 16 beträgt hierbei etwa 950 °C.
Würde eine Abgaskühleinrichtung 14, 20 mit einer Kühlleistung von merklich mehr als 4,7 kW bei den angegebenen Betriebsbedingungen verwendet werden, so müssten bei intermittierenden De-Sulfatierungen zur Kompensation der hohen Wärmeabfuhr an die Umgebung unzulässig hohe Vorkatalysatortemperaturen aufgebracht werden, bei denen eine thermische Schädigung des Vorkatalysators 16 nicht auszuschließen wäre.
Würde hingegen eine Abgaskühleinrichtung 14, 20 mit einer merklich geringeren Kühlleistung verwendet werden, wäre bei den sich ergebenden hohen Katalysatortemperaturen in weiten Betriebsbereichen kein verbrauchssparender Magerbetrieb möglich. Wäre beispielsweise der Abgaskühler 20 um etwa 1 kW schwächer dimensioniert als im vorliegenden Ausführungsbeispiel, würde sich vor dem NOx-Speicherkatalysator 18 eine deutlich höhere Abgastemperatur als etwa 500 °C einstellen, die zumindest an der oberen Temperaturgrenze zur Gewährleistung eines ordnungsgemäßen NOx-Speicherbetriebs läge und bei höheren Lasten im dynamischen Fahrbetrieb schnell überschritten werden würde.
Bei anderen Kraftfahrzeugen 10 mit einem anderen Fahrwiderstand PBFZG100 in der Ebene und einer Brennkraftmaschine 12 mit einem anderen Hubraum VH wird jeweils eine speziell angepasste Abgaskühleinrichtung 14,20 verwendet, deren Kühlleistung PKWT100 bei den angegebenen Betriebsbedingungen gemäß
PKWT100 = f • PBFZG100 • (1,6 / VH)π mit dem Fahrwiderstand PBFZG100 und dem Hubraum VH korreliert ist. Für ein Kraftfahrzeug 10 mit einem Fahrwiderstand PBFZG100 von 15 kW und einem Hubraum VH von 2 I ergibt sich beispielsweise je nach Wahl der Parameter n und f eine Kühlleistung von 3,8 - 7,7 kW. Für bevorzugte Werte von n (n = 0,5) und f (f = 0,35) ergibt sich eine Kühlleistung von 4,7 kW.

Claims

PATE NTAN S P RU C H E
1. Verfahren zum Kühlen einer Katalysatoreinrichtung (18) in der Abgasanlage (14 - 20) einer Brennkraftmaschine (12) eines Kraftfahrzeugs (10) durch Vorschalten einer passiven, in ihrer fahrzeug-, motor- und abgasanlagenbetriebszustandsabhängigen Kühlleistung nicht beeinflussbaren Abgaskühleinrichtung (14, 20), dadurch gekennzeichnet, dass eine Abgaskühleinrichtung (14, 20) verwendet wird, deren Kühlleistung PKWT 00 in kW bei einem stationären Fahrzeugbetrieb mit einer konstanten Fahrgeschwindigkeit von 100 km/h im betriebswarmen Zustand der Brennkraftmaschine (12) bei einer Umgebungstemperatur von 20 °C, einer relativen Luftfeuchtigkeit von 20 - 80 % und einer Windgeschwindigkeit von weniger als 3 m/s gemäß
PKWT100 = f» PBFZG100 »(1,6/VH)n mit der in kW angegebenen Bedarfsleistung PBFZG100 des Kraftfahrzeugs (10) zur Überwindung der Fahrwiderstände in der Ebene bei den genannten Betriebsbedingungen und dem Hubraum VH der Brennkraftmaschine (12) in Litern korreliert ist, wobei f und n Parameter mit 0,30 < f < 0,55 bzw. 0,3 < n ≤ 0,8 sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Abgaskühleinrichtung (14, 20) einen Abgaskühler (20) und einen vor- und/oder nachgeschalteten Abgasstrang (14) umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für f ein Wert zwischen 0,32 und 0,38 gewählt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für n ein Wert zwischen 0,35 und 0,55 gewählt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abgaskühler (20) oder eine Abgaskühleinrichtung (14, 20) verwendet werden, deren Kühlleistung innerhalb eines durch einen Minimalwert und einen Maximalwert begrenzten Leistungsbereiches liegt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Minimalwert so gewählt wird, dass ein ankommender Abgasmassenstrom unter den genannten Betriebsbedingungen über die Abgaskühleinrichtung (14, 20) um 75 K oder um einen einer Kühlleistung von 2,5 kW entsprechenden Temperaturwert abkühlbar ist oder abgekühlt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Maximalwert so gewählt wird, dass ein ankommender Abgasmassenstrom unter den genannten Betriebsbedingungen über die Abgaskühleinrichtung (14, 20) um 250 K oder um einen einer Kühlleistung von 8,5 kW entsprechenden Temperaturwert abkühlbar ist oder abgekühlt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas stromauf eines NOx-Speicherkatalysators (18) gekühlt wird.
9. Abgasanlage (14 - 20) für die Brennkraftmaschine (12) eines Kraftfahrzeugs (10) mit einer Katalysatoreinrichtung (18) und einer vorgeschalteten passiven Abgaskühleinrichtung (14, 20) mit einer nicht beeinflussbaren fahrzeug-, motor- und abgasanlagenbetriebszustandsabhängigen Kühlleistung, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlleistung PKWT100 der Abgaskühleinrichtung (14, 20) in kW bei einem stationären Fahrzeugbetrieb mit einer konstanten Fahrgeschwindigkeit von 100 km/h im betriebswarmen Zustand der Brennkraftmaschine (12) bei einer Umgebungstemperatur von 20 °C, einer relativen Luftfeuchtigkeit von 20 - 80 % und einer Windgeschwindigkeit von weniger als 3 m/s gemäß PKWT100 = f • PBFZG100 • (1,6 / VH)" mit der in kW angegebenen Bedarfsleistung PBFZG100 des Kraftfahrzeugs (10) zur Überwindung der Fahrwiderstände in der Ebene bei den genannten Betriebsbedingungen und dem Hubraum VH der Brennkraftmaschine (12) in Litern korreliert ist, wobei f und n Parameter mit 0,30 < f < 0,55 bzw. 0,3 < n < 0,8 sind.
10. Abgasanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgaskühleinrichtung (14, 20) einen Abgaskühler (20) und einen vor- und/oder nachgeschalteten Abgasstrang (14) umfasst.
11. Abgasanlage nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass f zwischen 0,32 und 0,38 liegt.
12. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 9 - 11, dadurch gekennzeichnet, dass n zwischen 0,35 und 0,55 liegt.
13. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 9 - 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlleistung des Abgaskühlers (20) oder der Abgaskühleinrichtung (14, 20) innerhalb eines durch einen Minimalwert und einen Maximalwert begrenzten Leistungsbereiches liegt.
14. Abgasanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Minimalwert bei den genannten Betriebsbedingungen 2,5 kW beträgt oder einer Kühlleistung entspricht, bei der ein ankommender Abgasmassenstroms um 75 K abkühlbar ist oder abgekühlt wird.
15. Abgasanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Maximalwert bei den genannten Betriebsbedingungen 8,5 kW beträgt oder einer Kühlleistung entspricht, bei der ein ankommender Abgasmassenstroms um 250 K abkühlbar ist oder abgekühlt wird.
16. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 9 - 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatoreinrichtung (18) einen NOx-Speicherkatalysator (18) umfasst.
17. Kraftfahrzeug (10) mit einer Brennkraftmaschine (12) und einer nachgeschalteten Abgasanlage (14 - 20) nach einem der Ansprüche 9 - 16.
18. Kraftfahrzeug nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (12) ein schichtbetriebsfähiger und/oder magerlauffähiger Dl-Ottomotor ist.
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