WO2009063052A2 - Verfahren zum betreiben eines verbrennungsmotors und eines daran angeschlossenen abgasnachbehandlungssystems mit einem partikelfilter und einem scr-katalysator - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines verbrennungsmotors und eines daran angeschlossenen abgasnachbehandlungssystems mit einem partikelfilter und einem scr-katalysator Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for operating an internal combustion engine, in particular a motor vehicle, and an associated exhaust aftertreatment system with a particulate filter and an SCR catalyst according to the O berbegriff of claim 1.
  • the inventive method is particularly for diesel engines with connected exhaust aftertreatment with nitrogen oxide and Particle reduction function suitable.
  • N oxides nitrogen oxides contained in the oxygen-rich exhaust gas are selectively reduced to nitrogen and water with the aid of ammonia or a corresponding precursor substance convertible to ammonia.
  • NOx nitrogen oxides
  • the urea solution is hydrolyzed by means of hydrolysis catalysts or directly on the SCR catalyst to ammonia and carbon dioxide.
  • the urea solution is injected into the exhaust stream by means of special metering systems upstream of the hydrolysis catalyst or the SCR catalyst.
  • the object of the present invention is therefore to provide a method for operating an internal combustion engine, in particular a motor vehicle, and an exhaust aftertreatment system connected thereto with a particulate filter and an SCR catalyst, which enables a simple optimization of the SCR catalyst temperature, in particular after the regeneration of the particulate filter.
  • a method for operating an internal combustion engine, in particular a motor vehicle, and an exhaust aftertreatment system connected thereto with at least one particulate filter and at least one SCR catalytic converter, in which, after a regeneration of the particulate filter, the fresh air mass flow is increased by the internal combustion engine.
  • the inventive increase of the fresh air mass flow through the internal combustion engine cooler exhaust gas is generated.
  • the SCR catalyst temperature can be actively lowered to provide a faster return of the SCR catalyst temperature from the areas that are detrimental to the coating of the catalyst, as well as from the reduced-impact areas, compared to previous operating methods of such systems and storage capacity of the SCR catalyst is made possible.
  • This inventive optimization of the temperature behavior of the SCR catalyst after a regeneration of the particulate filter advantageously requires no internals for the active cooling of the exhaust gas in the exhaust gas purification system. Furthermore, an additional complicated control with a variety of parameters is avoided.
  • the increase in the fresh air mass flow through the internal combustion engine can be carried out in various ways known to the person skilled in the art. Preferably, such an increase can take place with the aid of turbocharging in turbocharged internal combustion engines.
  • a reduction of the exhaust gas recirculation rate can be carried out simultaneously to increase the fresh air mass flow through the internal combustion engine.
  • the reduction of the exhaust gas recirculation rate may even include a complete shutdown of the exhaust gas recirculation. Then the fresh air mass flow is further increased and the cooling of the SCR catalyst temperature is particularly fast. As already stated above, this measure can affect the engine-side nitrogen oxide emissions, but this can be favorable in consideration of the other operating parameters.
  • an exhaust gas recirculation rate between normal rate and complete shutdown can thus be set using the method according to the invention in the presented embodiments, which achieves optimum temperature recirculation of the SCR catalytic converter on the one hand and a desired engine-side nitrogen oxide crude emission on the other hand.
  • transitions in the method according to the invention may preferably be carried out between the operating adjustments for particle filter regeneration, for raising the fresh air mass flow rate through the internal combustion engine and for reducing the exhaust gas recirculation rate via setpoint ramps.
  • the invention further relates to an exhaust gas aftertreatment system for carrying out an aforementioned method, preferably for a motor vehicle comprising at least one particle filter and at least one SCR catalytic converter, wherein the exhaust gas aftertreatment system has means for controlling the increase of the fresh air mass flow through the internal combustion engine.
  • the exhaust aftertreatment system may additionally comprise means for reducing the exhaust gas recirculation rate.
  • the exhaust gas recirculation rate in conjunction with the control of the fresh air mass flows of the internal combustion engine, a compromise setting can be achieved between a very rapid cooling of the SCR catalyst temperature and a low engine-side nitrogen oxide emissions.
  • Fig. 1 is a schematic representation of the temperature profile in an SCR catalyst and for the engine-side nitrogen oxide emission course.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of the temperature profile in an SCR catalyst, starting from the temperature in normal operation 1.
  • a heating period 2 shown along the X-axis, closes in the diagram after a heating period 2, a regeneration 3 of the particulate filter at.
  • both an increase in the SCR catalyst temperature in the upper part of the schematic diagram and an increase in the engine-side nitrogen oxide roemission in the lower part of the schematic diagram are shown, which are inevitably associated with an active or passive regeneration of the particulate filter.
  • three different curves are shown in the diagram for the subsequent cooling phase 4, the upper curve representing no other measure for cooling the exhaust gas or the SCR catalyst than passive waiting (prior art).
  • the temperature development due to the inventive increase in the fresh air mass flow through the internal combustion engine is shown by the mean alternative curve profile.
  • the reduction of the SCR catalyst temperature is significantly faster than without action.
  • the lower temperature curve shows the fastest cooling rate of the SCR catalytic converter for a likewise combined increase of the fresh air mass flow rate by the internal combustion engine together with a complete interruption of the exhaust gas recirculation.
  • the nitrogen oxide emission curve corresponding in this phase 4 has a reverse behavior. While here, the decrease in nitrogen oxide without further Measure (state of the art) recorded the slowest decline, yet shows the increase of the fresh air mass flow according to the invention with still existing exhaust gas recirculation the best results as can be seen from the lower curve.
  • a combination of the inventive increase of the fresh air mass flow by the internal combustion engine with a complete interruption of the exhaust gas recirculation leads to an improved decrease of the nitrogen oxide emission in this phase as shown in the middle curve, but this combination does not make the optimum with regard to the variable nitrogen oxide emission of the combustion engine.
  • the last phase 5 only the curve behavior for the SCR temperature and the raw emission is shown without any measures.
  • a method for operating an internal combustion engine, in particular a motor vehicle, and an associated exhaust aftertreatment system with at least one particulate filter and at least one SCR catalyst is proposed, in which after regeneration of the particulate filter, an increase of the fresh air mass flow is made by the internal combustion engine.
  • active cooling of the SCR catalyst temperature after regeneration of the particulate filter can be achieved, leading to a rapid return of the SCR catalyst temperature the threshold values of the damage to the coating and the optimum operating condition.

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Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors und eines daran angeschlossenen Abgasnachbehandlungssystems mit einem Partikelfilter und einem SCR-Katalysator. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, und eines daran angeschlossenen Abgasnachbehandlungssystems mit mindestens einem Partikelfilter und mindestens einem SCR- Katalysator, bei dem nach einer Regeneration des Partikelfilters eine Anhebung des Frischluftmassenstroms durch den Verbrennungsmotor vorgenommen wird.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors und eines daran angeschlossenen Abgasnachbehandlungssystems mit einem Partikelfilter und einem SCR-Katalysator
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, und eines daran angeschlossenen Abgasnachbehandlungssystems mit einem Partikelfilter und einem SCR-Katalysator gemäß dem O- berbegriff des Patentanspruchs 1. Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für Dieselmotoren mit angeschlossener Abgasnachbehandlung mit Stickoxid- und Partikelverminderungsfunktion geeignet.
Stand der Technik
Zur Reduktion von Schadstoffen, insbesondere zur Reduktion von Stickoxiden haben sich verschiedene Verfahren etabliert, bei denen reduzierende Fluide (Gase oder Flüssigkeiten) in das Abgassystem eines Verbrennungsmotors eingeleitet werden.
Zur Verminderung der Stickoxide hat sich besonders die SCR- Technologie bewährt, bei der im Sauerstoffreichen Abgas enthaltene Stickoxide (NOx) mit Hilfe von Ammoniak oder einer entsprechenden zu Ammoniak umsetzbaren Vorläufersubstanz selektiv zu Stickstoff und Wasser reduziert werden. Bevorzugt wird hierbei auf wässrige Harnstofflösungen zurückgegriffen. Die Harnstofflösung wird mittels Hydrolysekatalysatoren oder direkt auf dem SCR-Katalysator zu Ammoniak und Kohlendioxid hydrolysiert . Die Harnstofflösung wird mittels spezieller Dosiersysteme vor dem Hydrolysekatalysator oder dem SCR- Katalysator in den Abgasstrom eingespritzt.
Darüber hinaus ist es gerade bei Dieselmotoren wichtig, die entstehenden Russpartikel aus dem Abgas herauszufiltern . Entsprechende Partikelfilter sind bekannt, wobei die Regeneration des beladenen Partikelfilters aktiv durch Abbrennen ange- sammelter Partikel mit im Abgas enthaltenem Sauerstoff bei Abgastemperaturen von 5000C oder darüber und/oder passiv mit im Abgas enthaltenem Stickstoffdioxid bei niedrigeren Temperaturen erfolgen kann.
In der DE 43 10 926 Al ist ein Verfahren zur Schadstoffminderung im Abgas für eine Brennkraftmaschine beschrieben, bei dem die Abgas-Rückführungsrate und die Temperatur des Abgases in Abhängigkeit von der Temperatur des Katalysators geregelt wird. Vor allem bei Betriebsphasen mit geringer Belastung soll gemäß dieser Druckschrift die Temperatur des Abgases durch geeignete Mittel wie einen Blaubrenner, eine elektrische Heizung oder einen Partikelfilter erhöht werden, um eine optimierte Katalysatorwirkung zu erzielen. Andererseits soll Abgas mit zu hoher Temperatur mit geeigneten Mittel wie Luft- /Luft-Wärmetauschern oder Wasserkühlern auf eine Zieltemperatur hinunter gekühlt werden.
Diese Vorschläge zur Temperaturoptimierung des Abgases vor Eintritt in das Abgasbehandlungssystem sind aufwendig und benötigen weitere Einrichtungen und Hilfsmittel, die das Abgasbehandlungssystem zusätzlich kompliziert gestalten. Die ständige Einregelung der Abgastemperatur erfordert zusätzliche Sensorik und Steuerung, die weitere potentielle Fehlerquellen darstellen und die Lebensdauer des gesamten Abgasnachbehandlungssystems beeinträchtigen können.
Weiterhin besteht das Problem einer für den SCR-Katalysator zu hohen Abgastemperatur, wenn die hohe Temperatur durch eine aktive oder passive Regeneration des Partikelfilters hervorgerufen ist. Es sind bisher keine geeigneten Maßnahmen außer der Abschaltung oder Umgehung des SCR-Katalysators bekannt, die für diesen Betriebszustand eine Optimierung vorsehen. Dadurch kommt es zu verkürzten Lebenszyklen der verbauten SCR- Katalysatoren, deren Oberflächen vorzeitig altern. Gleichzeitig kann für den Betriebszustand während und nach der Parti- keifilter-Regeneration kein optimales Arbeiten der Stickoxid- Reduktion sicher gestellt werden.
Aufgabenstellung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, und eines daran angeschlossenen Abgasnachbehandlungssystems mit einem Partikelfilter und einem SCR- Katalysator bereitzustellen, das auf einfache Weise eine Optimierung der SCR-Katalysatortemperatur insbesondere nach der Regeneration des Partikelfilters ermöglicht.
Dies wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren entsprechend des Patentanspruchs 1 und einem Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 7 erreicht. In den abhängigen Ansprüchen sind jeweils bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, und eines daran angeschlossenen Abgasnachbehandlungssystems mit mindestens einem Partikelfilter und mindestens einem SCR- Katalysator vorgeschlagen, bei dem nach einer Regeneration des Partikelfilters eine Anhebung des Frischluftmassenstroms durch den Verbrennungsmotor vorgenommen wird.
Durch die erfindungsgemäße Anhebung des Frischluftmassenstroms durch den Verbrennungsmotor wird kühleres Abgas erzeugt. Durch diese Maßnahme kann die SCR- Katalysatortemperatur aktiv gesenkt werden, so dass im Vergleich zu den bisherigen Betriebsverfahren solcher Systeme eine schnellere Rückkehr der SCR-Katalysatortemperatur aus den Bereichen, die schädlich für die Beschichtung des Katalysators sind, und auch aus den Bereichen mit eingeschränkter Wirkung und Speicherkapazität des SCR-Katalysators ermöglicht wird. Diese erfindungsgemäße Optimierung des Temperaturverhaltens des SCR-Katalysators nach einer Regeneration des Partikelfilters benötigt vorteilhafterweise keine Einbauten zur aktiven Kühlung des Abgases im Abgasreinigungssystem. Weiterhin wird auch eine zusätzliche komplizierte Steuerung mit einer Vielzahl von Parametern vermieden.
Aufgrund der Tatsache, dass bei hohen Temperaturen generell auch eine erhöhte Stickoxidrohemission von Seiten des Verbrennungsmotors zu beobachten ist, sollte im Fall einer
Vorgabe für eine möglichst geringe gesamte Stickoxiderzeugung eine Abgasrückführung weiter erfolgen. Auf diese Weise wird im Wege einer Kompromiss-Vorgabe ein schnelles Abkühlen mittels Anhebung des Frischluftmassenstroms durch den Verbren- nungsmotor einerseits mit einer minimalen Stickoxidrohemission verbunden.
Die Anhebung des Frischluftmassenstroms durch den Verbrennungsmotor kann auf verschiedene, dem Fachmann bekannten Ar- ten erfolgen. Vorzugsweise kann eine solche Anhebung mit Hilfe der Aufladung bei Turbo-aufgeladenen Verbrennungsmotoren erfolgen .
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfah- rens kann gleichzeitig zur Anhebung des Frischluftmassenstroms durch den Verbrennungsmotor eine Verminderung der Abgasrückführungsrate vorgenommen werden.
Auf diese Weise kann eine noch schnellere Abkühlrate erzielt werden. Die Verminderung der Abgasrückführrate kann sogar eine gänzliche Abschaltung der Abgasrückführung einschließen. Dann wird der Frischluftmassenstrom noch zusätzlich erhöht und die Kühlung der SCR-Katalysatortemperatur verläuft besonders schnell. Wie oben bereits ausgeführt kann diese Maßnahme die motorseitige Stickoxidrohemission beeinträchtigen, jedoch kann dies in Abwägung mit den übrigen Betriebsparametern günstig sein. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in den vorgestellten Ausgestaltungen kann somit je nach Betriebszustand bei Regenerationsende des Partikelfilters entsprechend eine Abgasrückführungsrate zwischen Normalrate und gänzlicher Abschaltung ein- gestellt werden, die eine optimale Temperaturrückführung des SCR-Katalysators einerseits und eine gewünschte motorseitige Stickoxidrohemission andererseits erzielt.
Vorzugsweise können die Übergänge in dem erfindungsgemäßen Verfahren zwischen den Betriebsanpassungen zur Partikelfilterregeneration, zur Anhebung des Frischluftmassenstroms durch den Verbrennungsmotor und zur Verminderung der Abgas- rückführrate über Sollwert-Rampen durchgeführt werden.
Dadurch können Beeinträchtigungen im Fahrkomfort vermieden werden .
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Abgasnachbehandlungssystem zur Ausführung eines vorgenannten Verfahrens bevorzugt für ein Kraftfahrzeug umfassend mindestens einen Partikelfilter und mindestens einen SCR-Katalysator, wobei das Abgasnachbehandlungssystem Einrichtungen zur Steuerung der Anhebung des Frischluftmassenstroms durch den Verbrennungsmotor aufweist .
Vorzugsweise kann das Abgasnachbehandlungssystem zusätzlich Einrichtungen zur Verminderung der Abgasrückführrate aufweisen. Mit einer aktiven Steuerung der Abgasrückführrate kann in Verbindung mit der Steuerung der Frischluftmassenströme des Verbrennungsmotors eine Kompromiss-Einstellung zwischen einer sehr schnellen Abkühlung der SCR-Katalysatortemperatur und einer geringen motorseitigen Stickoxidrohemission erzielt werden .
Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise anhand von mehreren Ausführungsvarianten in Verbindung mit der Zeichnung erläutert, ohne darauf beschränkt zu sein. In diesen zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung für den Temperaturverlauf in einem SCR-Katalysator sowie für den motorseitigen Stickoxidrohemissionsverlauf .
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung für den Temperaturverlauf in einem SCR-Katalysator ausgehend von der Temperatur im Normalbetrieb 1. Im zeitlichen Verlauf, dargestellt entlang der X-Achse, schließt sich in dem Diagramm nach einer Heiz-Periode 2 eine Regeneration 3 des Partikelfilters an. In dieser Phase sind sowohl eine Erhöhung der SCR- Katalysatortemperatur im oberen Abschnitt des schematischen Diagramms als auch eine Erhöhung der motorseitigen Stickoxid- rohemission im unteren Bereich des schematischen Diagramms aufgezeigt, die zwangsläufig mit einer aktiven oder passiven Regeneration des Partikelfilters einhergehen. Nach Abschluss der Partikelfilter-Regenerationsphase 3 sind im Diagramm für die sich anschließende Abkühlungsphase 4 jeweils drei ver- schiedene Kurvenverläufe gezeigt, wobei der obere Kurvenverlauf keine andere Maßnahme zur Kühlung des Abgases oder des SCR-Katalysators als passives Zuwarten repräsentiert (Stand der Technik) . Im oberen SCR-Temperaturverlauf wird durch den mittleren alternativen Kurvenverlauf die Temperaturentwick- lung aufgrund der erfindungsgemäßen Anhebung des Frischluftmassenstroms durch den Verbrennungsmotor gezeigt. Die Reduktion der SCR-Katalysatortemperatur verläuft deutlich schneller als ohne Maßnahme. Die untere Temperaturkurve zeigt für eine ebenfalls erfin- dungsgemäß kombinierte Anhebung des Frischluftmassenstroms durch den Verbrennungsmotor zusammen mit einer gänzlichen Unterbrechung der Abgasrückführung die schnellste Abkühlungsrate des SCR-Katalysators.
Umgekehrt weist die in dieser Phase 4 entsprechende Stick- oxidrohemissionskurve ein umgekehrtes Verhalten auf. Während auch hier die Abnahme der Stickoxidrohemission ohne weitere Maßnahme (Stand der Technik) den langsamsten Rückgang verzeichnet, so zeigt doch die erfindungsgemäße Anhebung des Frischluftmassenstroms bei noch bestehender Abgasrückführung die besten Ergebnisse wie aus dem unteren Kurvenverlauf zu sehen ist. Eine im Kühlverhalten sehr schnelle Kombination der erfindungsgemäßen Anhebung des Frischluftmassenstroms durch den Verbrennungsmotor mit einer gänzlichen Unterbrechung der Abgasrückführung führt zu einem verbesserten Rückgang der Stickoxidrohemission in dieser Phase wie im mittle- ren Kurvenverlauf gezeigt, jedoch bildet diese Kombination nicht das Optimum hinsichtlich der Variable Stickoxidrohemission des Verbrennungsmotors. In der letzten Phase 5 wird nur noch das Kurvenverhalten für die SCR-Temperatur und die Rohemission ohne jede Maßnahme gezeigt.
Zusammenfassend wird demnach ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, und eines daran angeschlossenen Abgasnachbehandlungssystems mit mindestens einem Partikelfilter und mindestens einem SCR- Katalysator vorgeschlagen, bei dem nach einer Regeneration des Partikelfilters eine Anhebung des Frischluftmassenstroms durch den Verbrennungsmotor vorgenommen wird. Auf diese Weise kann ohne komplizierte Einbauten zur aktiven Kühlung des Ab- gasstroms und ohne aufwendige Steuerungen in Abhängigkeit von einer Vielzahl von Variablen eine aktive Kühlung der SCR- Katalysatortemperatur nach einer Regeneration des Partikelfilters erreicht werden, die zu einer schnellen Rückkehr der SCR-Katalysatortemperatur unter die Schwellenwerte der Schä- digung der Beschichtung und des optimalen Betriebszustands führen .
Neben einer Verlängerung der Lebensdauer der SCR- Katalysatorbeshichtung kann mit dem erfindugnsgemäßen Verfahren eine verbesserte Abgasreinigung nach einer Regeneration des Partikelfilters erzielt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, und eines daran angeschlossenen Abgasnachbehandlungssystems mit mindestens einem Partikelfilter und mindestens einem SCR-Katalysator, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer Regeneration des Partikelfilters eine Anhebung des Frischluftmassenstroms durch den Verbrennungsmotor vorgenommen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig zur Anhebung des Frischluftmassenstroms durch den Verbrennungsmotor eine Verminderung der Abgasrückführungsrate vorgenommen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergänge zwischen den Betriebsanpassungen zur Partikelfilterregeneration, zur Anhebung des Frischluftmassenstroms durch den Verbrennungsmotor und zur Verminderung der Abgasrückführrate über Sollwert-Rampen durchgeführt werden.
4. Abgasnachbehandlungssystem zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3 bevorzugt für ein Kraftfahrzeug umfassend mindestens einen Parti- kelfilter und mindestens einen SCR-Katalysator, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasnachbehandlungssystem Einrichtungen zur Steuerung der Anhebung des Frischluftmassenstroms durch den Verbrennungsmotor aufweist.
5. Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es zusätzlich Einrichtungen zur Verminderung der Abgasrückführrate aufweist.
PCT/EP2008/065557 2007-11-15 2008-11-14 Verfahren zum betreiben eines verbrennungsmotors und eines daran angeschlossenen abgasnachbehandlungssystems mit einem partikelfilter und einem scr-katalysator WO2009063052A2 (de)

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