Bezeichnung: Verfahren zum Betrieb einer Kolbenbrennkraftmaschine mit Kraftstoff-Direkteinspritzung und Abgasnachbehandlung
Beschreibung
Direkteinspritzende Kolbenbrennkraftmaschinen, und zwar sowohl direkteinspritzende Dieselmotoren als auch direkteinspritzende Ottomotoren werden im Luftüberschußbereich, d. h. im mageren Bereich betrieben. Dementsprechend können die im Abgas befindlichen Stickoxide (N0X) infolge des Sauer- stoffüberschusses bei gleichzeitigem Mangel an Reduktionsmitteln nicht reduziert werden.
Die Drei-Wege-Katalysatortechnik beruht darauf, daß im Abgas bei einem Luftverhältnis λ = 1 in einem schmalen Luftverhältnisbereich Konzentrationen an Kohlenwasserstoff (HC) und an Kohlenmonxid (CO) sowie an Stickoxiden in einem solchen Verhältnis miteinander vorliegen, daß die Stickoxide durch die vorhandenen Kohlenwasserstoffe und das Kohlenmonoxid reduziert werden können und gleichzeitig die Kohlenwasserstoffe bzw. das Kohlenmonoxid so weit oxidiert werden, daß der Umsetzungsgrad für alle Komponenten etwa 90% und mehr beträgt.
Diese Technik ist zur Verminderung des Stickoxidanteils ist infolge des Luftüberschusses im Abgas bei mager betriebenen Motoren, vor allen Dingen bei direkteinspritzenden Kolben- brennkraftmaschinen nicht möglich.
Zur Verminderung der Stickoxide im Abgas werden auch sogenannte SCR-Katalysatoren (selected catalytic reduction) eingesetzt, die mit Hilfe eines in das Abgas eingedüsten Reduktionsmittels die Stickoxide selektiv vermindert. Als Reduktionsmittel kommen hierbei in Frage beispielsweise Harnstoffe, Ammoniak oder auch Kohlenwasserstoffe bzw. Kohlenwasserstoffgemische. Diese wurden bisher dem Abgas vor dem Katalysator durch eine gesonderte Düse im Abgassystem zugemischt. Zur Sicherstellung von NOx-Reduktionsgraden größer 15% mußte vor
allem bei direkteinspritzenden Verbrennungsmotoren auch Kohlenwasserstoff dem Abgas von außen zugemischt werden.
Eine weitere Möglichkeit der Stickoxidverminderung sind Stickoxid-Speicherkatalysatoren. Hierbei werden die Stickoxide in einer Speicherphase im Katalysator angesammelt und in periodisch aufeinanderfolgenden Regenerationsphasen durch einen kurzfristigen "fetten" Betrieb im Bereich von % < 0,95 durch dann im Abgas bestehende hohe Konzentrationen an Koh- lenwasserstoffen, Kohlenmonoxiden und Waεserstoff bei gleichzeitiger niedriger Sauerstoffkonzentration wieder regeneriert. Die sogenannte Anfettung wird bei homogenen Ottomotoren durch Anfettung des Brennstoff-Luft-Gemisches im Brennraum erreicht. Diese Technik führt jedoch bei direkteinsprit- zenden Verbrennungsmotoren, die im Brennraum immer ein inhomogenes Gemiεch vorliegen haben, zu nicht tolerierbaren Rußemissionen.
Die Rußemission von Dieselmotoren kann mit Hilfe von Rußfil- tern um bis zu 90% vermindert werden. Ein Diesel-Rußfilter muß ebenfalls, jedoch in längeren Perioden, regeneriert werden. Dies kann thermisch durch einen Zusatzbrenner im Abgas erfolgen oder durch eine elektrische Zündung des im Rußfilter zurückgehaltenen Rußes. Es gibt auch die Möglichkeit, durch entsprechende Kraftstoffadditive die Regeneration zu bewirken. Für die Zündung und die Verbrennung des vom Rußfilter zurückgehaltenen Rußes kann es vorteilhaft sein, daß der Ruß eine gewisse Menge an Kohlenwasserstoffen adsorbiert, die zu einer verbesserten Zündung und zu einer verbesserten Flammen- Stabilität des brennenden Rußes im Filter führen können.
Sowohl bei der Regeneration von Speicherkatalysatoren als auch von Partikelfiltern ist eine erhöhte Abgastemperatur zweckmäßig.
Zusammenfassend kann also festgestellt werden, daß sowohl zur Reduktion derStickoxide im Abgas sogenannter Magermotoren als auch zur Partikelverminderung bei selbstzündenden Magermoto-
ren die Nachbehandlungseinrichtung aufgrund ihrer begrenzten Speicherkapazität intermittierend regeneriert werden muß und daß hierzu ein bestimmter Kohlenwasserstoffgehalt aber auch an Kohlenmonoxid im Abgas erforderlich ist und dementspre- chend Kohlenwasserstoffe dem Abgas zugeführt werden müssen. Die bereits erwähnte Eindusung von zusätzlichem Kraftstoff in die Abgasleitung stellt eine Möglichkeit dar, entsprechende zusätzliche Kohlenwasserstoffmengen dem Abgas zuzuführen. Der Nachteil besteht jedoch darin, daß die im heißen Abgasstrom liegende Düse zu Verkokungen neigt und daß hier neben einer zusätzlichen Düse auch eine zusätzliche Ansteuerung dieser Einspritzdüse vorgesehen werden muß.
In der Veröffentlichung von Hiromitsu Ando et al in AVL- Tagung "Motor und Umwelt" '97, Seiten 55 biε 69, iεt ein Verfahren beεchrieben, bei dem nach der Einεpritzung der für den Arbeitstakt benötigten Kraftstoffmenge eine zusätzliche Kraftstoff enge eingespritzt wird. Die Einspritzung wird hierbei jedoch so früh vorgenommen, daß die eingespritzten Kraftstoff engen während des Expansionshubes im Zylinderraum verbrennen und zur Erzeugung vom Drehmoment beitragen, aber auch dazu dienen, die Abgastemperatur zu erhöhen und eine schnellere Aufwärmung der nachgeschalteten Abgasbehandlungseinrichtung während der Startphase zu erreichen. Da jedoch diese zusätzliche Kraftstoffmenge weitgehend verbrannt wird, fällt nur ein entsprechend geringer Teil an Kohlenwasserstoff an, der als Reduktionsmittel für die nachgeschalteten Abgasbehandlungseinrichtungen für den Dauerbetrieb zur Regeneration nicht ausreicht. Diese bekannte Technik ist abgeleitet aus den in der Praxis eingesetzten Katalysatoraufheizungen im
Kaltstart, bei denen durch Nachoxidation im Brennraum (späte Zündung) bzw. im Abgassystem die Katalysatortemperatur in kurzer Zeit auf die Katalysatoranspringtemperatur gebracht wird. Ziel ist ausεchließliche die Verminderung anfallender Schadstoffe (NOx+HC+CO) beim Motorkaltstart.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb derartiger Kolbenbrennkraftmaschinen mit Abgasbehand-
lungseinrichtung zur Beseitigung von Schadstoffen zu schaffen, das es erlaubt, im Betrieb die erforderlichen Regenerationsvorgänge in den Abgasbehandlungseinrichtungen, insbesondere in einem Partikelfilter und/oder einem Speicherkatalysa- tor durchführen zu können.
Die gestellte Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren zum Betrieb einer Kolbenbrennkraftmaschine, insbesondere einer selbstzündenden Kolbenbrennkraftmaschine, bei der die aus den Zylinder austretenden Abgase durch wenigstens eine mechanisch, chemisch und/oder katalytisch wirkende, in betriebsabhängigen Zeitabständen zu regenerierende Abgasbehandlungseinrichtung zur Beseitigung von Schadstoffen hindurch geleitet werden und bei der in die einzelnen Zylinder jeweils mittels einer Einspritzdüse für den jeweiligen Arbeitstakt in zeitlichem Abstand hintereinander, eine erste und wenigstens eine weitere Kraftstoffmenge direkt eingespritzt wird, deren Mengen und/oder deren Zeitabstand über eine Motorsteuerung vorgegeben werden, wobei zumindest eine der Kraftstoffmengen in der für den Arbeitstakt benötigten Menge in Abhängigkeit von der Lastanforderung eingespritzt wird und wobei die weitere Kraftstoffmenge eingespritzt wird, wenn der Kolben sich jeweils bei seinem Expansionshub in einem vorgebbaren Bereich der unteren Totpunktstellung befindet.
Ein Vorteil dieser Verfahrensweise besteht zum einen darin, daß die Einführung zusätzlicher Kohlenwasserstoffe für die Abgasnachbehandlung nicht über eine zusätzliche Einspritzdüse sondern über die ohnehin für den Motorbetrieb vorhandenen Einspritzdüsen unter entsprechender Ansteuerung über die vorhandene Motorεteuerung erfolgt. Hierbei besteht ein weiterer Vorteil darin, daß die Einspritzdüsen nicht verkoken können, da sie vor der Nacheinspritzung die jeweilige viel größere Kraftstoffmenge zur Motorlaεteinεtellung einspritzten und da- durch bei jedem Arbeitstakt die Düse durch die erhöhte Kraftstoffmenge von etwaigen Koksrückständen befreit wird. Ein weiterer Vorteil besteht dann darin, daß die zusätzlichen Kraftstoffmengen im Arbeitsspiel taktweise, d. h. im Ausstoß-
takt der Zylinder dem Abgassystem zugeführt werden, so daß hier eine sehr viel genauere Dosierung und gleichmäßigere Konzentration der Kohlenwasserstoffe und ggf. des Kohlenmon- oxids im Abgasstrom gegeben ist. Diese Verfahrensweise ist sowohl für direkteinspritzende Ottomotoren wie auch für
(direkteinspritzende) Dieselmotoren einsetzbar, muß jedoch, abhängig vom Einsatzfall, differenziert werden.
Bei einem direkteinspritzenden Ottomotor mit Oxidationskata- lysator und Speicherkatalysator bietet das erfindungsgemäße
Verfahren den Vorteil, daß die erste Kraftstoffmenge über die Motorsteuerung hinsichtlich Einspritzzeitpunkt und Kraftstoffmenge entsprechend den Lastanforderungen eingespritzt wird. Auch der Zündzeitpunkt kann entsprechend angepaßt wer- den. Die weitere, also zusätzlich zuzuführende Kraftstoffmenge wird erst zum Ende der Verbrennungsphase eingespritzt. Diese Phase ist je nach den Betriebsbedingungen zum Ende des Expansionshubes erreicht. Je nach Ansteuerung und Betriebsbedingungen kann diese zusätzliche Kraftstoffmenge auch bei schon geöffnetem Gasauslaßventil eingespritzt werden. Die Gastemperaturen im Zylinder liegen in diesem Bereich der unteren Totpunktstellung unterhalb der Rußbildungstemperatur von 1300° K. Die weitere Kraftstoffmenge muß so bemessen werden, daß diese Temperatur nicht überschritten wird, und zwar weder im Zylinder noch im Abgaskanal. Die weitere eingespritzte
Kraftstoffmenge wird hierbei im heißen Abgas gecrackt und aufbereitet, so daß im Abgas Kohlenwasserstoffe in entsprechenden Mengen und in einer Form zur Verfügung stehen, wie sie zur Regeneration der Stickoxidkatalysatoren benötigt wer- den. Durch eine Beeinflussung des Einspritzzeitpunktes zum
Ende der Expansionsphase bis in die Ausschiebephase sowie durch Steuerung der Einspritzdauer kann sowohl die Zusammensetzung wie auch die Menge an Kohlenwasserstoffen und an Kohlenmonoxid den jeweiligen Erfordernissen angepaßt werden.
Da für die Zuführung der zusätzlichen Kraftstoffmengen die ohnehin für jeden Zylinder vorhandene Einspritzdüse verwendet wird und die für den Arbeitstakt benötigten Kraftstoffmengen
durch die Motorsteuerung vorgegeben werden, gibt die Erfindung die Möglichkeit, die zusätzlich zuzuführende Kraftstoff- menge an die für den jeweiligen Arbeitstakt geltenden Betriebsbedingungen sowohl für den "motorischen" Bereich als auch für den Bereich der Regenerationen anzupassen. Für kontinuierlich arbeitende Entstickungskatalysatoren werden hierfür nur wenige 100 ppm an zusätzlichen Kohlenwasserstoffen benötigt.
Für die Regeneration von NOx-Speicherkatalysatoren muß über die weitere Einspritzung einer größeren Menge an zusätzlichem Kraftstoff ein Gesamt-λ von < 0,95 eingestellt werden, aber unter der Randbedingung, daß die Nacheinspritzmenge so gesteuert wird, daß die Gas-/Abgastemperatur < 1300 K bleibt. Bei NOx-Speicherkatalysatoren wird die Nacheinspritzmenge so eingestellt, daß das Kohlenwasserstoff-/NOx-Verhältnis ausgedrückt durch die äquivalente C:-Menge der Gesamtkohlenwasserstoffe größer/gleich 2 ist. Im Hinblick auf die vergleichsweise große in den Abgasstrom einzuführende Kraftstoffmenge zur Absenkung des Gesamt-Lambda-Wertes kann es zweckmäßig sein, wenn eine erste weitere Kraftstoffmenge vor dem Öffnen des Gasaußlaßventils eingespritzt wird und eine zweite weitere Kraftstoffmenge nach dem Öffnen des Gasauslaßventils eingespritzt wird, so daß sich eine Vergleichmäßigung der Kraft- stoff- bzw. Kohlenwasεerstoffkonzentration im Abgasstrom bildet. Die einzuspritzende weitere Kraftstoffmenge kann auch getaktet, d. h. über einen längeren Zeitraum um vorgesehenen Kurbelwinkelbereich in kleineren Teilmengen eingespritzt werden.
Bei der Anwendung für Dieselmotoren, die mit einem Partikelfilter und ggf. auch mit einem zusätzlichen NOx-Speicher- katalysator ausgerüstet sind, ist eine Anpassung an die anderen Betriebsbedingungen eines Selbstzündungsmotors vorzuneh- men. Im Normalbetrieb wird bei Dieselmotoren in den Zylindern relativ früh vor dem Erreichen der oberen Totpunktstellung eine erste geringe Kraftstoffmenge eingespritzt und dann kurz vor dem Erreichen der oberen Totpunktstellung durch die
Lastvorgabe über die Motorsteuerung die Haupteinspritzmenge zugeführt.
Während bei einem NOx-Speicherkatalysator die Regeneration in kurzen Zeitabständen praktisch ohne wesentlichen Einfluß auf den Fahrbetrieb durchgeführt werden kann, erfolgt die Regeneration eines Partikelfilters in deutlich längeren Zeitabständen, wobei dann so verfahren werden muß, daß durch die zusätzliche Kraftstoffzufuhr praktisch keine Störung in der Drehmomentabgabe deε Motorε erfolgt. Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren wird jeweils durch einen Druckanstieg im Abgassystem angezeigt, daß der Partikelfilter regeneriert werden muß. Dieses druckabhängige Signal wird nun auf die Motorsteuerung in der Weise aufgeschaltet, daß der Zeitpunkt und die Einspritzmenge für die erste Einspritzung so vorgegeben wird, daß der Motorbetrieb aufrechterhalten bleibt und die zweite Einspritzung wird dann in bezug auf ihren Einspritzzeitpunkt und die einzuspritzende Kraftstoffmenge entsprechend in einem vorgebbaren Bereich der unteren Totpunkt- Stellung des Kolbens während seines Expansionεhubes verlegt. Die weitere Kraftstoffmenge verbrennt allenfalls zu einem Teil. Diese verbrannte Teilmenge trägt entsprechend zur Drehmomenterzeugung bei und kompensiert zugleich die durch die Verdunstung dieser Kraftstoffmenge bedingte Temperaturab- Senkung der Abgase. Der verbrannte Teil liefert darüber hinaus den für die Regeneration notwendigen Gehalt an Kohlenmonoxid und der unverbrannte Teil liefert die notwendigen Gehalte an Kohlenwasserstoff im Abgasstrom.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß in die einzelnen Zylinder in der Ansaugphase heiße Abgase unter gleichzeitiger Reduzierung der zugeführten Luftmenge eingeführt werden. Diese Verfahrensweise ist insbesondere für Dieselmotore von Bedeutung, die mit einem NOx- Speicherkatalysator und einem Partikelfilter ausgerüstet sind. Wie vorstehend bereits beschrieben, muß ein NOx- Speicherkatalysator in betriebsabhängig bedingten relativ kurzen Zeitabständen regeneriert werden, wobei der Zeitpunkt
für die Einleitung beispielsweise durch die Motorsteuerung vorgegeben werden kann. Es ist aber auch möglich, die Beladung des NOx-Speicherkatalysators über einen NOx-Sensor zu überwachen. Dieser kann dem NOx-Speicherkatalysator vorge- schaltet sein, wobei dann die emittierte NOx-Masse integral errechnet und daraus die Beladung und der Regenerationsbedarf abgeleitet wird. Das so gewonnene Signal wird auf die Motorsteuerung aufgeschaltet bzw. die erforderlichen Rechneroperationen erfolgen innerhalb der Datenverarbeitung der Motor- Steuerung.
Es ist auch möglich, einen NOx-Sensor hinter dem NOx- Speicherkatalysator anzuordnen. Wird durch diesen Sensor ein Anstieg an NOx im Abgas hinter dem NOx-Speicherkatalysator festgestellt, der ein vorgegebenes Maß übersteigt, dann wird dies als Signal für ein drohendes "Überlaufen" des NOx- Speicherkatalysators gewertet und das Regenerationsverrfahren eingeleitet.
Hierzu werden neben der Umstellung hinsichtlich der Kraftstoffeinspritzung auch heiße Abgase aus der Abgasleitung in die Luftansaugleitung zu den einzelnen Zylindern zugeführt. Dies kann in einfacher Weise dadurch geschehen, daß zwischen der Abgasleitung und der Sammelleitung auf der Lufteinlaßsei- te eine Bypaßleitung angeordnet ist, in der ein entsprechend steuerbares Ventil angeordnet ist. Beim Öffnen der Bypaßleitung ergibt sich automatisch ein Druckgefälle von der Abgasleitung zur Luftansaugleitung, wobei entsprechend der Öffnung des Abgasrückführventils Abgase über die Bypaßleitung in die Luftansaugleitung überströmen und in gleichem Maß weniger
Luft den Zylindern zuströmen kann. Durch eine Drosselklappe im Ansaugsystem kann die Dosierung des Mischungsverhältnisses Abgas/Luft noch verbessert werden.
Durch die Zufuhr von heißen Abgasen in die Zylinder verläuft der Verbrennungsprozeß in den Zylindern von Anfang an auf einem höheren Temperaturniveau, so daß mit Beginn des Ausschub- hubeε Abgase mit einer wesentlich höheren Temperatur in die
Abgasleitung ausgeschoben werden können. Durch die Zumischung von Abgasen ist zugleich der Sauerstoffgehalt der aus dem Zylinder austretenden Abgase reduziert und damit der Lambda- Wert unter 1 eingestellt werden, so daß bei einer entspre- chenden Abstimmung der Abgasrückführrate und einer entsprechenden Abstimmung der eingespritzten weiteren Kraftstoffmenge zum Ende des Expansionshubes bis hin zum Beginn des Ausschubhubes die Kohlenmonoxidkonzentration im Abgas und/oder die Kohlenwasserstoffkonzentration im Abgas auf die erforder- liehe Höhe bei niedrigem Sauerstoffgehalt gebracht werden kann. Der Anstieg der Abgastemperatur ist hierbei der Desor- bierung der im Speicherkatalysator chemisch gebundenen Stickoxide förderlich.
Auch bei der Regeneration des Partikelfilters kann durch
"Verstimmung" des Verbrennungsprozeßes über die vorbeschriebene Variation der Kraftstoffeinspritzung und durch eine entsprechende Einstellung der Abgasrückführrate eine hohe Abgastemperatur eingestellt werden. Im Unterschied zum NOx- Speicherkatalysator ist es jedoch für die Regeneration des
Partikelfilters wichtig, daß neben den hohen Abgastemperaturen auch noch ein hoher Sauerstoffgehalt im Abgas vorhanden sein muß, damit der im Filter gesammelte Ruß auch oxidiert. Durch ein Zusammenspiel der Einspritzung einer weiteren Kraftstoffmenge im Bereich der unteren Totpunktstellung, vorzugsweise noch vor dem Öffnen der Gasauslaßventile, ergibt sich eine entsprechende Temperaturerhöhung der Abgase.
Für beide Betriebszustände, d. h. für die Regeneration des NOx-Speicherkatalysators und/oder des Partikelfilters ist die
Einhaltung einer Grenztemperatur über die Regelung der Abgasrückführrate möglich. Je nach dem Betriebszustand kann die Abgasrückführrate gegenüber dem Normalbetrieb sogar zurückgenommen werden, um so das Überschreiten zulässiger Bauteiltem- peraturen zu verhindern. Auch eine Erhöhung der Abgasrückführrate gegenüber dem Normalbetrieb kann bei entsprechendem Motorzustand notwendig sein.
Da die Regeneration des NOx-Speicherkatalysators in Zeitabständen von etwa ein bis fünf Minuten erfolgen muß, mit einer Regenerationsdauer im Bereich zwischen 1 und 10 sec und die Regeneration des Partikelfilters nur in Zeitabständen von mehreren Stunden erforderlich ist und vom Anwachsen des
Durchflußwiderstandes bis auf einen vorgegebenen Maximalwert abhängig ist, können über die Motorsteuerung mit einer entsprechenden Regenerationsstrategie mit den gleiche Maßnahmen sowohl die Regeneration des NOx-Speicherkatalysators als auch die Regeneration des Partikelfilters erfolgen. Je nach der
Regenerationsmaßnahme wird dann entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren die weitere Kraftstoffmenge in einem Zeitraum kurz vor dem Öffnen des Gasauslaßventils (wie insbesondere bei der Partikelfilter-Regeneration) bis kurz nach der Öffnung des Gasauslaßventils (wie bei der NOx-Speicherkata- lyεator-Regene-rierung) eingespritzt. Die hierzu erforderlichen Veränderung in der Einspritzstrategie und/oder in der Abgasrückführungεtrategie gegenüber dem Normalbetrieb können über ein entsprechendes Regenerationskennfeld in der Motor- εteuerung eingeleitet werden. Die Drehmomenteinleitung bleibt hierbei praktisch ungestört. Damit ist es möglich, daß über die Veränderung des Einspritzzeitpunktes und der Menge für die Zufuhr der ersten Kraftstoffmenge zum Zylinder die Betriebsbedingungen praktiεch ruckfrei aufrechterhalten werden können.
Da bei der Verwendung von Common-Rail-Einspritzsystemen eine frei wählbare Einspritzstrategie möglich ist, kann es in einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch zweckmäßig sein, daß einer erste weitere Kraftstoffmenge und eine zweite weitere Kraftstoff enge eingespritzt wird, wobei die erste weitere Kraftstoffemenge durch Teilverbrennung noch zur Erzeugung von Drehmoment beiträgt und die zweite weitere Kraftstoffmenge im wesentliche zur Bereitstellung von reduk- tiven Bestandteilen, insbesondere Kohlenwasserstoffen und
Kohlenmonoxid im Abgas dient. Damit ist es möglich, mit einer entsprechenden Regenerationsstrategie die unterschiedlichen Anforderungen für die Regeneration bei einem NOx-Speicher-
katalysator einerseits, die einen Lambda-Wert unter 1 erfordert und die Regeneration eines Partikelfilters, die einen Lambda-Wert über 1 erfordert, eingestellt werden, wobei auch über eine entsprechende Mengenverteilung für die erste weite- re Kraftstoffmenge und eine etwaige zweite weitere Kraftstoffmenge den Anforderungen an Gehalten von Kohlenwasserstoff im Abgas und von Kohlenmonoxid im Abgas Rechnung getragen werden kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß durch die variable und anpassungsfähige Einspritzstrategie auch bei Kolbenbrennkraftmaschinen, die zusätzlich einen kontinuierlich arbeitenden Entstickungskatalysator aufweisen, die erforderlichen Mengen an Kohlenwasserstoffen dem Abgas zugegeben werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren in seinen verschiedenen Ausgestaltungen ermöglicht durch die Einspritzung von zusätzlichen Kraftstoffmengen zum Ende der Expansionsphase bis in die Ausschiebephase eine Bereitstellung von Kohlenwasserstoff/ Kohlenmonoxid/Wasserstoffgemischen im Abgas. Diese Gemische im Abgas lassen sich somit für die unterschiedlichsten Formen von Abgasbehandlungseinrichtungen verwenden, so zur intermittierenden Regeneration von Stickoxid-Speicherkatalysatoren, zur kontinuierlichen Reduktion von Stickoxiden in SCR- Katalysatoren (SCR = selected catalytic reduction), zur ther- mischen und/oder katalytischen Regeneration von Partikelfiltern, ebenso wie zur Unterstützung der Regeneration von Partikelfiltern.
Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen näher er- läutert. Eε zeigen:
Fig. 1 ein Fließ- und Funktionsschema,
Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der Belegung von Speicherka- talysator und Partikelfilter,
Fig. 3 im bezug auf Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der Abgastemperatur,
Fig. 4 in bezug auf Fig. 2 den zeitlichen Verlauf des Lambda-Wertes ,
Fig. 5 ein schematisches Beispiel für eine Abgasbehandlungseinrichtung mit Partikelfilter und NOx- Speicherkatalysator.
In Fig. 1 sind als Ausführungsbeispiel schematisch zwei Zy- linder I, II einer Zylinder-Viertakt-Kolbenbrennkraftmaschine mit Selbstzündung dargestellt. Die einzelnen Zylinder sind dementsprechend jeweils mit wenigstens einem Gaseinlaßkanal 1 und wenigstens einem Gasauslaßkanal 2 versehen. Der Gaseinlaßkanal 1 ist hierbei durch ein Gaseinlaßventil 3 und der Gasauslaßkanal 2 durch ein Gasauslaßventil 4 verschließbar.
Die Gaseinlaßventile 3 und Gasauslaßventile 4 eines jeden Zylinders sind hierbei mit einem entsprechend steuerbaren Antrieb verbunden, beispielsweise einer Nockenwelle oder auch einem elektromagnetischen Aktuator, über den die Öffnungs- und Schließzeit der einzelnen Ventile frei variabel über eine
Motorsteuerung 5 angesteuert werden kann.
Jeder Zylinder weist eine als ansteuerbares Ventil ausgebildete Einspritzdüse 7 auf, deren Ventilantrieb mit der Motor- Steuerung 5 in Verbindung steht und die Bestandteil eines
Common-Rail-Einspritzsystems iεt. Der im Rail herrschende hohe Vordruck des Kraftstoffs erlaubt es, Einspritzzeiten und Einspritzmengen frei vorzugeben, so daß eine feinfühlige Anpassung an die jeweiligen Betriebszustände möglich ist.
Über die elektronische Motorsteuerung 5 wird entsprechend dem vorgegebenen Lastwunsch (beispielsweise durch das Gaspedal 8) die für den jeweiligen Betrieb benötigte Kraftstoffmenge durch entsprechende Betätigung des Einspritzventils 7 zuge- führt. In der Motorsteuerung werden außer dem Lastwunsch durch das Gaspedal 8 üblicherweise noch weitere, für den Betrieb benötigte Informationen berücksichtigt, so beispielsweise die Kurbelwellendrehzahlen (Drehzahlsensor 6), die Mo-
tortemperatur etc., die zusätzlich zur Lastvorgabe des Gaspedals 8 bei der Kraftstoffbemessung über die Einspritzventile 7 mit berücksichtigt werden..
Die Abgasleitungen 2 der einzelnen Zylinder, die für weitere Zylinder nur angedeutet sind, werden zu einem Abgaskanal 9 zusammengefaßt, dem wenigstens eine Abgasbehandlungseinrichtung zugeordnet ist, die hier aus einem Partikelfilter 10 mit nachgeschaltetem Speicherkatalysator 11 besteht.
Die zu den einzelnen Zylindern führenden Gaseinlaßkanäle sind mit einem zentralen Luftzuführungskanal 13 verbunden, der mit dem Abgaskanal 9 über eine Bypaßleitung 14 verbunden, in der ein steuerbares Abgasrückführventils 15 zur Einstellung der Abgasrückführrate angeordnet ist, das über die Motorsteuerung 5 angesteuert werden kann. Bei Öffnung des Abgasrückführventils strömt Abgas aus dem Abgaskanal 9 aufgrund des vorhandenen Druckgefälles in den Luftsammeikanal 13, so daß den einzelnen Zylindern unter Reduzierung der Luftmenge ein Gemisch aus Luft und Abgas zugeführt wird. Durch eine im Luftzuführungskanal 13 angeordnete und über die MotorSteuerung 5 ansteuerbare Drosselklappe 13.1 kann im Zusammenwirken mit dem Abgasrückführventil 15 das Mischungεverhältnis von Luft zu Abgas noch genauer eingestellt werden.
Um nun neben dem "echten" Motorbetrieb die für die Regeneration der Abgasbehandlungseinrichtung im Abgas benötigten Betriebsbedingungen einzustellen, werden über die Motorsteuerung 5 die einzelnen Einspritzventile 7 eines jeden Zylinders oder auch nur selektierter einzelner Zylinder im jeweiligen
Arbeitstakt oder auch alternierend in jedem zweiten, dritten oder n-ten Arbeitstakt entsprechend den jeweiligen Regenerationsprogrammen angesteuert, so daß die gewünschte Änderung der Einspritzzeiten und die Änderung der Einspritzmengen ge- genüber dem Normalbetrieb erfolgt. Damit gelangen entsprechend den Vorgaben durch die Motorsteuerung 5 bei jedem Arbeitstakt eines jeden Zylinders, oder in einer entsprechend anderen Verteilung auf die Zylinder vorgebbare Mengen an Koh-
lenwasserstoffen/Wasserstoff/Kohlenmonoxiden über die Abgas- leitungen in den Abgaskanal 9, so daß sie zur Regeneration der nachgeschalteten Abgasbehandlungseinrichtungen 10 und 11 zur Verfügung stehen. Das Ventil 15 zur Veränderung der Ab- gasrückführrate und/oder die Drosselkappe 13.1 werden entsprechend verstellt.
Das Verhältnis der zusätzlich einzuspritzenden Kraftstoffmenge zu der im jeweiligen Arbeitstakt dem Zylinder zugeführten, für den Arbeitshub benötigten ersten Kraftstoffmenge wird nun unter Anpassung bei Regenerationsbetrieb und unter Berücksichtigung des Lastwunsches durch die Motorsteuerung vorgegeben. Es ist möglich, durch die Anordnung einer Stickoxidsonde 12.1 sowie einer Lambda-Sonde 12.2 im Abgaskanal 9 vor den Abgasbehandlungseinrichtungen 10/11 den tatsächlichen Gehalt an Stickoxiden im Abgas sowie den Lambda-Wert zu erfassen, so daß über die Motorsteuerung 5 sowohl der Einspritzzeitpunkt als auch die Einspritzdauer und damit auch die Einspritzmenge noch entsprechend korrigiert werden können. Durch einen Drucksensor 16 im Abgaskanal 9 wird das Ansteigen des Durchflußwiderstandes mit dem Anwachsen der Rußablagerungen im Partikelfilter 10 erfaßt, so daß bei Erreichen eines oberen Grenzwertes über die Motorsteuerung 5 in der für die Regeneration notwendigen Weise die Einspritzzeittakte und Ein- spritzmengen kurzfristig verändert werden.
Bei einem Ottomotor als sogenanntem Fremdzundungsmotor weisen die Zylinder jeweils eine Zündeinrichtung auf und die Motorsteuerung sowie ein etwaiges Kennfeld sind an den Ottoprozeß entsprechend angepaßt.
In Fig. 2 ist ganz schematisch in Abhängigkeit von der Zeit die Belegung des Rußfilters 10 mit Ruß und die Belegung des NOx-Speicherkatalysators 11 mit Stickoxiden dargestellt. Die Belegung des Partikelfilterε ist schematisch durch die Linie 10.1 wiedergegeben und die Belegung des NOx-Speicherkataly- sators mit Stickoxiden durch die Linie 11.1. Da die heute üblichen Kraftstoffe nicht ganz schwefelfrei sind, erfolgt auch
eine Beladung mit den sich bildenden Sulfaten bzw. Sulfiden. Die Linie 11.2 zeigt schematisch auch die Belegung des Speicherkatalysators 11 mit Sulfaten und Sulfiden.
Der NOx-Speicherkatalysator weist auf einem Träger Speichersubstanzen in Form von Oxiden oder Carbonaten der Erdalkalimetalle oder auch Seltene-Erden-Metalle auf. Aufgrund der hohen thermischen Stabilität wird vorzusgweise Bariumoxid (BaO) oder Bariumcarbonat (BaC03) verwendet. Diese Substanzen zeichnen sich dadurch aus, daß im sauerstoffreichen Abgas
(N02) gespeichert wird, welches im sauerstoffarmen Abgas wieder desorbiert wird.
Für die Oxidation des im Abgas primär vorhandenen NO zur N02 sowie für die chemische Reduzierung des desorbierten NOx sind neben den eigentlichen Speichersubstanzen zusätzliche Edelmetalle im Katalysator eingebracht, beispielsweise Platium und/oder Palladium.
Der im Kraftstoff vorhandene Schwefel wird im Speichermaterial in Form von Sulfaten oder Sulfiden gespeichert und muß von Zeit zu Zeit entfernt werden, da das Speichermaterial sonst irreversibel geschädigt wird.
Aus den zugeordneten Figuren 3 und 4, in denen der Verlauf der Abgastemperatur über der Zeit im Bereich der Abgasnachbehandlungseinrichtungen 10/11 dargestellt ist (Fig. 3) und zugeordnet auch der Verlauf der Lambda-Werte des Abgases dargestellt ist (Fig. 4), läßt sich erkennen, daß die Regeneration des NOx-Speicherkatalysators in bezug auf Stickoxide in kürzeren Zeitabständen erfolgen muß, wobei diese Zeitabstände in Bereichen von einer Minute bis zu einigen Minuten liegen können. Für diese Regenerationen sind hohe Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxidkonzentrationen im Abgas bei einem Luftver- hältnis von λ kleiner 1 erforderlich, da die Anwesenheit von Sauerstoff die NOx-Reduk-tion erschwert. Eine Regenerationsdauer im Bereich von. max. ein bis zehn Sekunden reicht hier-
bei aus, so daß sich der in Fig. 2 dargestellte sägezahnarti- ge Verlauf der Linie 11.1 ergibt.
Wie aus der Zuordnung der Fig. 3 und 4 zu Fig. 2 zu erkennen ist, wird jeweils durch die vorbeschriebene Steuerung der Kraftstoffzufuhr und der Einregelung der Abgasrückführrate kurzfristig die Temperatur im Abgas erhöht, wobei gleichzeitig durch die entsprechende Regelmaßnahme der Lambda-Wert im Abgas auf einen Betrag unter 1 abgelenkt wird. Sowohl zum Zeitpunkt der Schwefelregeneration (Linie 11.2) als auch zum Zeitpunkt der Rußgeneration (Linie 10.1) im Partikelfilter muß jedoch ein Lambda-Wert von kleiner 1 eingehalten werden, um Ruß und Schwefel überhaupt oxidieren zu können. In beiden Fällen erfolgt die Regeneration in größeren Zeitabständen un- ter Wärmeentwicklung, so daß sich hier ein entsprechender
Temperaturanstieg ergibt. Diese beiden oxidierenden Regenerationsmaßnahmen können gleichzeitig ausgelöst werden und liegen zeitlich zweckmäßig zwischen der Regeneration des NOx- Speicherkatalysators .
Fig. 5 zeigt schematisch eine als Baueinheit ausgebildete Abgasbehandlungseinrichtung, in der in Form von getrennten Monolithen ein Partikelfilter 10 und ein Speicherkatalysator 11 in einem entsprechend angepaßten Teil des Abgaskanals 9 ange- ordnet sind. Die sogenannten Monolithen werden vorzugsweise durch Sinterkörper aus Keramik oder Metall gebildet. Der für den Speicherkatalysator verwendete Monolith ist zusätzlich noch mit den entsprechenden Speichersubstanzen und Katalysatoren belegt.
Bei dem beschriebenen Beispiel eines Dieselmotors ist es zweckmäßig, wenn die Anordnung so getroffen ist, daß das Abgas zunächst durch den Partikelfilter 10 und dann durch den Speicherkatalysator 11 geleitet wird. Bei einer umgekehrten Anordnung könnte das im NOx-Speicherkatalysator gebildete N02 mit dem Ruß reagieren, so daß eine NOx-Speicherung nicht stattfindet, da nach der Kohlenstoffoxidation wieder NO vorliegt. Bei der hier dargestellten Anordnung wird der Ruß zu-
nächst aus dem Abgas entfernt, bevor das NO im Speicherkatalysator zu N02 oxidiert und in der Speichersubstanz gespeichert wird.
In Fig. 5 ist jeweils für den Bereich vor der Abgasbehandlungseinrichtung 10/11, den Zwischenbereich zwischen dem Partikelfilter 10 und dem NOx-Speicherkatalysator 11 und für den Bereich hinter der Abgasbehandlungseinrichtung 10/11 die Zusammensetzung der Gase angegeben.
Die Anordnung gem. Fig. 5 kann auch dahingehend abgewandelt werden, daß anstelle einer zweiteiligen Anordnung ein einteiliger Filtermonolith eingesetzt wird, der in seinem Aufbau dem Partikelfilter 10 entspricht, der jedoch so konzipiert ist, daß die Oberflächen der Auslaßkanäle mit einer entsprechenden Speicherschicht belegt sind, so daß auch bei einem derartigen Monolith die Partikelabscheidung einlaßseitig erfolgt und die NOx-Speicherung auslaßseitig erfolgt.
Die vorstehend beschriebeenen Bauteile müssen nicht kombiniert verwendet werden. Je nach Bedarf kann nur ein NOx- Speicherkatalysator (Otto-Motor) oder nur ein Partikelfilter (Dieselmotor) vorgesehen sein.