WO2018138013A1 - Verfahren zum reinigen von abgas einer verbrennungskraftmaschine - Google Patents

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WO2018138013A1
WO2018138013A1 PCT/EP2018/051331 EP2018051331W WO2018138013A1 WO 2018138013 A1 WO2018138013 A1 WO 2018138013A1 EP 2018051331 W EP2018051331 W EP 2018051331W WO 2018138013 A1 WO2018138013 A1 WO 2018138013A1
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catalyst
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exhaust gas
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PCT/EP2018/051331
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Martin Gückelhorn
Han-Rasmus KLEINE
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a method for purifying exhaust gas of an internal combustion engine, in particular for a motor vehicle.
  • a method for purifying exhaust gas of an internal combustion engine having at least one combustion chamber comprises at least the following method steps:
  • step a) introducing an additional amount of air over at least one of the combustion chambers to the at least one catalyst which does not participate in the combustion in step a), and
  • an internal combustion engine in a motor vehicle is preferred.
  • fuel is burned with air.
  • the combustion chambers are preferably cylinders.
  • the first amount of air is used to burn the fuel. This means that the oxygen in the first volume of air burns together with the fuel.
  • the first amount of air is introduced via an intake into the combustion chambers and (before or after the introduction) mixed with the fuel.
  • the mixture of fuel and air can be ignited, for example, by a spark (for example in the gasoline engine) or by pressure and / or temperature changes (for example in the case of the diesel engine).
  • the resulting in such a combustion exhaust gas regularly contains pollutants.
  • pollutants may be carbon monoxide (CO), hydrocarbons (HC) and / or nitrogen oxides (NO, NO 2 , NO x ).
  • CO carbon monoxide
  • HC hydrocarbons
  • NO, NO 2 , NO x nitrogen oxides
  • pollutants are harmful to the environment. Therefore, it is the aim of an exhaust gas purification to remove such pollutants from the exhaust gas before the exhaust gas is discharged into the environment of the motor vehicle.
  • Such cleaning of the exhaust gas can be achieved in particular by a catalyst in which the pollutants are converted into other, less or no harmful substances.
  • the catalyst promotes chemical reactions that take place for this purpose.
  • the exhaust gas is passed to the at least one catalyst according to step b). It is preferred that the entire exhaust gas passes through the catalyst, so that no unpurified exhaust gas enters the environment.
  • a ratio of fuel to air can preferably be set.
  • the so-called lambda value is a measure of this ratio. If the lambda value is equal to one, complete combustion of the fuel occurs (at least theoretically, with complete and uniform mixing of fuel and air). When the lambda value is less than "1", there is excess fuel, which means that the fuel can not be completely burned, and the fuel-air mixture may be referred to as "rich” when the lambda value is less than "1". If the lambda value is greater than "1", there is a lack of fuel, which means that part of the oxygen remains unused, and the fuel-air mixture may also be called lean if the lambda value is greater than "1".
  • a (lightly) rich fuel-air mixture can bring about increased performance of the internal combustion engine.
  • the higher fuel fanteil such a mixture cooling of particular temperature-sensitive components, such as valves, can be achieved.
  • the emission of pollutants is increased. This is due to the fact that in a rich fuel-air mixture pollutants (especially CO and HC) are already formed in increased concentration.
  • pollutants especially CO and HC
  • the described method can help to allow combustion of a (slightly) rich fuel-air mixture with optimal pollutant conversion.
  • the additional amount of air is introduced into the catalyst.
  • the oxygen contained in the additional amount of air can contribute to the catalyst in any case there is a stoichiometric ratio (ie in particular sufficient oxygen is available for the implementation of pollutants) while in the combustion in the at least one combustion chamber of the internal combustion engine is present a rich mixture.
  • the additional amount of air is preferably air that does not come into direct contact with combustion in the internal combustion engine. This means in particular that the additional amount of air is spatially and / or temporally separated from the burned first air quantity.
  • the introduction of the additional amount of air into the catalyst takes place in accordance with step c) via at least one of the combustion chambers of the internal combustion engine.
  • the additional amount of air preferably upstream of the combustion chambers, is introduced into an intake line of the internal combustion engine.
  • the additional amount of air is preferably passed through at least one combustion chamber of the internal combustion engine. This happens then at a time or in a period in which no combustion takes place in the affected combustion chamber. Due to the additional amount of air, a higher oxygen content in the catalyst is preferably achieved without more during combustion Oxygen must be provided (so that a rich fuel-air mixture may be present).
  • the additional amount of air is preferably passed through the at least one combustion chamber, without the additional amount of air is involved in combustion in the combustion chamber.
  • the additional amount of air is preferably provided via the (usual) intake line, via which the first quantity of air can also be introduced into the at least one combustion chamber. Thus no additional air lines are needed.
  • the additional amount of air is provided via its own air line, which separately (separate from the usual intake) can suck in ambient air.
  • a fuel supply for the at least one combustion chamber (temporarily) are turned off. In that case, air (as the additional amount of air) would pass through the combustion chamber without being involved in combustion.
  • Such shutdown of the fuel supply may also be referred to as cylinder deactivation.
  • a cylinder deactivation in particular in internal combustion engines with, for example, eight or twelve cylinders to save fuel and pollutant emissions contribute.
  • the introduction of the additional amount of air into the at least one catalyst in step c) takes place at least for the duration of a phase in which at least one of the combustion chambers, a respective inlet valve and a respective outlet valve are opened simultaneously.
  • Such phases may be provided during operation of the valves of a combustion chamber of an internal combustion engine.
  • a delivery device is provided for introducing an additional amount of air, with which the additional amount of air can be promoted in such phases targeted by the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • the additional amount of air may preferably be introduced into the catalyst without having to shut down a cylinder. Therefore, the method described in this embodiment can also be applied at full load or at least at medium load.
  • each of the combustion chambers has an intake valve and an exhaust valve, respectively.
  • the intake valves and the exhaust valves may be opened and closed via a camshaft, for example.
  • the opening and closing of the valves is preferably carried out according to a cyclic operation of the internal combustion engine.
  • the internal combustion engine is operated in four-stroke operation (or is preferably in the internal combustion engine preferably a four-stroke engine).
  • an intake stroke when the intake valve is open, air is introduced into the combustion chamber and mixed with fuel (before or after introduction).
  • a subsequent compression stroke the fuel-air mixture is compressed with the valves closed.
  • a subsequent power stroke for example, when the valves are closed, an explosion of the fuel-air mixture drives a piston. This is followed by an exhaust stroke in which the exhaust gas is led out of the combustion chamber when the exhaust valve is open. After the exhaust stroke follows a new intake stroke.
  • the phase in which a respective inlet valve and a respective outlet valve are open at the same time in at least one of the combustion chambers is preferably between the exhaust stroke and the intake stroke. If the exhaust valve is closed after the end of the exhaust stroke and / or the intake valve is opened before the start of the intake stroke, both valves are opened simultaneously. In this phase, air (as the additional amount of air) from the intake pipe through the inlet valve into the combustion chamber, flow through the exhaust valve immediately back out of the combustion chamber and so get into the catalyst.
  • At least one exothermic chemical reaction takes place in step d) to convert the pollutants in the exhaust gas, which catalyzes with a catalyst material (in particular a catalytically active coating) of the at least one catalyst.
  • the catalyst For optimal conversion of the pollutants in the catalyst, it may be necessary for the catalyst to have a minimum temperature which, depending on the catalyst material and the chemical reaction for the conversion of pollutants, may vary. In order to keep pollutant emissions as low as possible, it is desirable to achieve the required minimum temperature as soon as possible after a start of the internal combustion engine.
  • the effluent, exothermic chemical reactions may contribute to the warming of the catalyst.
  • An exothermic chemical reaction is a chemical reaction that proceeds with the release of energy. Such chemical reactions on the catalyst can be specifically promoted by the method described here. Combustion in the internal combustion engine may take place under rich conditions (with lambda less than 1).
  • the exhaust gas is supplied with an additional amount of air to cause an exothermic reaction with the remaining hydrocarbons from the first amount of air to a catalyst.
  • a particularly small amount of catalyst material can be provided in the catalyst by the method described. Because costly precious metals are particularly suitable as catalyst material, costs can be saved.
  • a mass flow of the additional amount of air introduced into the at least one catalyst in step c) is regulated at least as a function of a temperature of the at least one catalyst.
  • the temperature of the catalyst is preferably determined with a temperature sensor in or on the catalyst. Also, the temperature of the catalyst may be calculated from an exhaust gas temperature before and / or after the catalyst.
  • the regulation of the mass flow of the additional amount of air is preferably carried out via an (automatic) valve of the air line, via which the additional amount of air can be preferably introduced into the intake manifold of the internal combustion engine.
  • the control is preferably carried out in a control unit which is connected at least to the valve.
  • the mass flow of the additional amount of air is controlled so that the temperature of the catalyst as far as possible above the minimum temperature (which is required for a reaction of the pollutants), but below a maximum temperature.
  • the maximum temperature is preferably selected such that aging phenomena of the catalyst due to thermal stress are at least largely avoided.
  • the mass flow of the additional amount of air can be controlled so that the temperature of the catalyst is within a range of 300 ° C to 1000 ° C, in particular in a range of 400 ° C to 800 ° C. The greater the mass flow of the additional amount of air, the sooner can exothermic chemical reactions take place in the catalyst. If the temperature of the catalyst is thus below the conversion temperature, the mass flow of the additional amount of air is preferably increased. However, if the temperature of the catalyst is already above the maximum temperature, the supply of the additional amount of air is preferably stopped, so that the exothermic chemical reactions are at least not further promoted.
  • a mass flow of the additional amount of air introduced into the at least one catalyst in step c) is regulated at least as a function of a fuel-air ratio of the internal combustion engine.
  • the fuel-air ratio (ie the lambda value) is preferably measured via one or more lambda probes, which are connected to the control unit like the (automatic) valve for setting the mass flow of the additional air quantity.
  • a stoichiometric mixture is present in the catalyst. This requires in particular a certain oxygen content.
  • the mass flow of the additional amount of air is preferably set such that the oxygen from the additional amount of air together with the (residual) oxygen from the exhaust gas gives the required amount of oxygen, which is suitable for the desired chemical reactions to convert the pollutants in the exhaust gas.
  • a mass flow of the additional quantity of air introduced into the at least one catalyst in step c) is regulated downstream of the at least one catalyst, at least as a function of a pollutant content of the exhaust gas.
  • carbon monoxide (CO), hydrocarbons (HC) and / or nitrogen oxides (NO, NO 2 , NO x ) come into consideration as pollutants.
  • the respective proportions of these pollutants can be measured or modeled, for example, with a corresponding pollutant sensor downstream of the at least one catalytic converter.
  • the pollutant sensors are preferably connected to the control unit.
  • a nitrogen oxide sensor or a method for modeling can be used for monitoring the nitrogen oxides.
  • the additional amount of air is compressed prior to introduction into the at least one catalyst.
  • the compression of the air is preferably carried out by means of a conveying device arranged for this purpose, which is in particular an electrical and / or mechanical compressor or a blower. Alternatively, however, it is also preferred that the compression takes place by means of a turbocharger. In particular, the additional amount of air can be diverted from an otherwise compressed for combustion air quantity.
  • the method is particularly preferred if the internal combustion engine has at least two combustion chambers and steps a) and b) take place at least partially parallel to one another in different combustion chambers.
  • the invention finds particular application in a motor vehicle comprising at least one internal combustion engine, which is intended and set up to operate the described method for purifying exhaust gas of the internal combustion engine.
  • the motor vehicle furthermore has at least one air line for introducing the additional amount of air into the at least one catalytic converter, wherein the at least one air line opens into an intake line of the internal combustion engine.
  • Fig. 1 a schematic representation of a motor vehicle, which is intended and set up for the described method.
  • the 1 shows a motor vehicle 1 comprising an internal combustion engine 2.
  • the internal combustion engine 2 has four cylinders as combustion chambers 3.
  • Each combustion chamber 3 has a respective inlet valve 4 and a respective outlet valve 5.
  • a first amount of air can be passed through the intake valves 4 into the combustion chambers 3 via an intake line 6.
  • the first amount of air can be burned with fuel.
  • Resulting exhaust gas can be passed via an exhaust pipe 7 in a catalyst 8 and from there into the environment of the motor vehicle 1.
  • pollutants from the exhaust gas can be converted by chemical reactions of the exhaust gas at least with the additional amount of air. In this case, at least one exothermic reaction can take place for the conversion of the pollutants, which is catalyzed with a catalyst material of the catalyst 8.
  • the motor vehicle 1 furthermore has an air line 9 for introducing an additional amount of air into the catalytic converter 8.
  • the air line 9 opens into the suction line 6 a.
  • the additional amount of air can be passed through the combustion chambers 3 to the catalyst 8. This can be done by the additional amount of air for the duration of a phase is passed through the combustion chambers 3, in which at least one of the combustion chambers 3, the respective inlet valve 4 and the respective outlet valve 5 are opened simultaneously.
  • a compression device 10 is integrated in the air line 9. With the compression device 10, a particularly large mass flow of the additional amount of air can be achieved.

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Abstract

Verfahren zum Reinigen von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine (2) mit mindestens einem Brennraum (3) umfassend zumindest die folgenden Verfahrensschritte: a) Verbrennen von Kraftstoff mit einer ersten Luftmenge in dem mindestens einen Brennraum (3), b) Leiten des Abgases zu mindestens einem Katalysator (8), c) Einleiten einer zusätzlichen Luftmenge über mindestens einen der Brennräume (3) zu dem mindestens einen Katalysator (8), und d) Umsetzen von Schadstoffen im Abgas durch chemische Reaktionen des Abgases zumindest mit der zusätzlichen Luftmenge in dem mindestens einen Katalysator.

Description

Verfahren zum Reinigen von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reinigen von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine insbesondere für ein Kraftfahrzeug.
Es ist bekannt, Abgas einer Verbrennungskraftmaschine mit Katalysatoren zu reinigen. Dazu wird ausgenutzt, dass durch Katalysatoren chemische Reaktionen gefördert werden können, bei denen Schadstoffe aus dem Abgas in unschädliche Stoffe umgesetzt werden können. Regelmäßig erfordert eine derartige Umsetzung von Kraftstoffen allerdings eine hohe Katalysatortemperatur. Bevor diese Mindesttemperatur erreicht ist, können die entsprechenden chemischen Reaktionen nicht oder nur unzureichend von dem Katalysator katalysiert werden.
Insbesondere unmittelbar nach einem Einschalten einer Verbrennungskraftmaschine (Startphase) kann es aufgrund dieser Anforderung zu erhöhten Schadstoffemissionen kommen. Um dem entgegenzuwirken sind Maßnahmen bekannt, die Katalysatortemperatur zu erhöhen. Bekannte Maßnahmen sorgen allerdings regelmäßig für unangenehme Geräusche und/oder Vibrationen, für einen erhöhten Kraftstoffverbrauch, einen reduzierten Wirkungsgrad und/oder einen unrunden Lauf der Verbrennungskraftmaschine. Auch erfordern viele bekannte Verfahren Katalysatoren mit einer besonders großen Menge an katalytischem Material. Da als katalytische Materialien insbesondere Edelmetalle in Betracht kommen, können derartige Katalysatoren sehr teuer sein, insbesondere wenn derartige Katalysatoren für die Reduzierung der Abgasemissionen in einer Startphase ausgelegt sind.
Außerdem wird bei modernen kleinvolumigen Verbrennungskraftmaschinen mit hoher maximaler Leistung gelegentlich zusätzlicher Kraftstoff zur Kühlung von Motorkomponenten eingespritzt. Gelegentlich ist nicht genug Luft verfügbar, um diesen zusätzlichen Kraftstoff zu verbrennen, so dass im Abgas erhöhte Emissionen von Kohlenwasserstoffen entstehen. Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, die im Zusammenhang mit dem Stand der Technik geschilderten technischen Probleme weiterhin zu lösen bzw. zumindest zu verringern. Es soll insbesondere ein Verfahren zum Reinigen von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine vorgestellt werden, das eine besonders effiziente und kostengünstige Schadstoffreduzierung ermöglichen kann.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren zum Reinigen von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 . Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den abhängig formulierten Patentansprüchen angegeben. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Reinigen von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine mit mindestens einem Brennraum vorgestellt. Das Verfahren umfasst zumindest die folgenden Verfahrensschritte:
a) Verbrennen von Kraftstoff mit einer ersten Luftmenge in dem mindestens einen Brennraum,
b) Leiten des Abgases zu mindestens einem Katalysator,
c) Einleiten einer zusätzlichen Luftmenge über mindestens einen der Brennräume zu dem mindestens einen Katalysator welche nicht an der Verbrennung in Schritt a) teil nimmt, und
d) Umsetzen von Schadstoffen im Abgas durch chemische Reaktionen des Abgases zumindest mit der zusätzlichen Luftmenge in dem mindestens einen Katalysator.
Bei der Verbrennungskraftmaschine ist bevorzugt eine Verbrennungskraftmaschine in einem Kraftfahrzeug. In den Brennräumen der Verbrennungskraftmaschine wird Kraftstoff mit Luft verbrannt. Bei den Brennräumen handelt es sich bevorzugt um Zylinder.
Die erste Luftmenge wird zur Verbrennung des Kraftstoffs verwendet. Das bedeutet, dass der Sauerstoff in der ersten Luftmenge zusammen mit dem Kraftstoff verbrennt. Dazu wird die erste Luftmenge über eine Ansaugleitung in die Brennräume eingeleitet und (vor oder nach dem Einleiten) mit dem Kraftstoff vermischt. Das Gemisch von Kraftstoff und Luft kann beispielsweise durch einen Funken (z. B. beim Ottomotor) oder durch Druck- und/oder Temperaturänderung (z. B. beim Dieselmotor) gezündet werden.
Das bei einer derartigen Verbrennung entstehende Abgas enthält regelmäßig Schadstoffe. Beispielsweise kann es sich dabei um Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffe (HC) und/oder Stickoxide (NO, N02, NOx) handeln. Derartige Schadstoffe sind umweltschädlich. Daher ist es Ziel einer Abgasreinigung solche Schadstoffe aus dem Abgas zu entfernen, bevor das Abgas in die Umgebung des Kraftfahrzeugs abgegeben wird.
Eine derartige Reinigung des Abgases kann insbesondere durch einen Katalysator erreicht werden, in dem die Schadstoffe in andere, weniger oder gar nicht schädliche Stoffe umgesetzt werden. Der Katalysator fördert chemische Reaktionen, die zu diesem Zweck stattfinden. Dazu wird gemäß Schritt b) das Abgas zu dem mindestens einen Katalysator geleitet. Bevorzugt ist dabei, dass das gesamte Abgas den Katalysator passiert, so dass kein ungereinigtes Abgas in die Umgebung gelangt.
Für die Verbrennung von Kraftstoff in den Brennräumen der Verbrennungskraftmaschine kann bevorzugt ein Verhältnis von Kraftstoff zu Luft eingestellt werden. Der sogenannte Lambda-Wert ist ein Maß für dieses Verhältnis. Ist der Lambda-Wert gleich eins, so erfolgt (zumindest theoretisch, bei vollständiger und gleichmäßiger Vermischung von Kraftstoff und Luft) eine vollständige Verbrennung des Kraftstoffs. Bei einem Lambda-Wert unter „1 " herrscht Kraftstoffüberschuss. Das bedeutet, dass der Kraftstoff nicht vollständig verbrannt werden kann. Das Kraftstoff- Luft-Gemisch kann bei einem Lambda-Wert unter„1 " auch als fett bezeichnet werden. Bei einem Lambda-Wert über„1 " herrscht Kraftstoff mangel. Das bedeutet, dass ein Teil des Sauerstoffs ungenutzt bleibt. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch kann bei einem Lambda-Wert über„1 " auch als mager bezeichnet werden.
Ein (leicht) fettes Kraftstoff-Luft-Gemisch kann beispielsweise eine erhöhte Leistung der Verbrennungskraftmaschine bewirken. Auch kann durch den höheren Kraftstof fanteil eines derartigen Gemisches eine Kühlung von besonders temperaturempfindlichen Bauteilen, wie zum Beispiel von Ventilen, erreicht werden. Bei einem fetten Kraftstoff-Luft-Gemisch ist der Schadstoffausstoß allerdings vergrößert. Das liegt zum einen daran, dass bei einem fetten Kraftstoff-Luft-Gemisch Schadstoffe (insbesondere CO und HC) bereits in erhöhter Konzentration gebildet werden. Zum anderen liegt dies daran, dass die gebildeten Schadstoffe nicht optimal im Katalysator umgesetzt werden können, weil für die katalystischen Reaktionen Sauerstoff fehlt.
Für den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine ist also in einigen Betriebssituationen der Verbrennungskraftmaschine ein (leicht) fettes Kraftstoff-Luft-Gemisch bevorzugt, während für die Abgasreinigung ein stöchiometrisches Gemisch bevorzugt ist.
Das beschriebene Verfahren kann dazu beitragen, eine Verbrennung eines (leicht) fetten Kraftstoff-Luft-Gemisches mit einer optimalen Schadstoffkonvertierung zu ermöglichen. Insbesondere dazu wird gemäß Schritt c) die zusätzliche Luftmenge in den Katalysator eingeleitet. Der in der zusätzlichen Luftmenge enthaltene Sauerstoff kann im Katalysator dazu beitragen, dass jedenfalls dort ein stöchiometrisches Verhältnis vorliegt (also insbesondere ausreichend Sauerstoff für die Umsetzung der Schadstoffe zur Verfügung steht) während bei der Verbrennung in dem mindestens einen Brennraum der Verbrennungskraftmaschine ein fettes Gemisch vorliegt.
Bei der zusätzlichen Luftmenge handelt es sich bevorzugt um Luft, die nicht in direktem Kontakt mit einer Verbrennung in die Verbrennungskraftmaschine gelangt. Das bedeutet insbesondere, dass die zusätzliche Luftmenge räumlich und/oder zeitlich getrennt von der verbrannten ersten Luftmenge geführt wird.
Das Einleiten der zusätzlichen Luftmenge in den Katalysator erfolgt gemäß Schritt c) über mindestens einen der Brennräume der Verbrennungskraftmaschine. Das bedeutet, dass die zusätzliche Luftmenge, bevorzugt stromaufwärts der Brennräume, in eine Ansaugleitung der Verbrennungskraftmaschine eingeleitet wird. Die zusätzliche Luftmenge wird bevorzugt durch mindestens einen Brennraum der Verbrennungskraftmaschine durchgeleitet. Dies geschieht dann zu einem Zeitpunkt bzw. in einem Zeitraum in welchem keine Verbrennung in dem betroffenen Brennraum stattfindet. Durch die zusätzliche Luftmenge wird bevorzugt ein höherer Sauerstoffgehalt im Katalysator erreicht, ohne dass bei der Verbrennung mehr Sauerstoff zur Verfügung gestellt werden muss (so dass ein fettes Kraftstoff-Luft- Gemisch vorliegen kann). Dazu wird die zusätzliche Luftmenge bevorzugt durch den mindestens einen Brennraum geleitet, ohne dass die zusätzliche Luftmenge an einer Verbrennung in dem Brennraum beteiligt ist.
Alternativ zur Durchleitung der zusätzlichen Luftmenge durch mindestens einen Brennraum der Verbrennungskraftmaschine wäre es auch möglich, eine solche zusätzliche Luftmenge über einen Leitungsabzweig direkt in den Katalysator bzw. in eine Abgasanlage mit dem Katalysator einzuleiten. Das Einleiten der zusätzlichen Luftmenge stromaufwärts des mindestens einen Brennraums mit der anschließenden Durchleitung kann die zur Bereitstellung der zusätzlichen Luftmenge notwendige Konstruktion aber erheblich vereinfachen. Stromaufwärts der Brennräume liegen regelmäßig weit niedrigere Temperaturen vor als stromabwärts etwa in einer Abgasanlage bzw. an dem Katalysator. Damit können stromaufwärts der Brennräume wesentlich günstigere Materialien etwa für Leitungen, Ventile und/oder Kopplungen von Leitungen verwendet werden. Diese Materialien müssen nicht den besonders hohen Temperaturen des Abgases standhalten können. Aus diesem Grund ist es von Vorteil, die zusätzliche Luftmenge stromaufwärts des mindestens einen Brennraums einzuleiten und durch den mindestens einen Brennraum durchzuleiten.
Die zusätzliche Luftmenge wird bevorzugt über die (übliche) Ansaugleitung bereitgestellt, über die auch die erste Luftmenge in den mindestens einen Brennraum eingeleitet werden kann. Damit werden keine zusätzlichen Luftleitungen benötigt. Alternativ ist es aber auch bevorzugt, dass die zusätzliche Luftmenge über eine eigene Luftleitung bereitgestellt wird, welche separat (getrennt von der üblichen Ansaugleitung) Umgebungsluft ansaugen kann.
Um die zusätzliche Luftmenge durch den mindestens einen Brennraum zu leiten, ohne dass die zusätzliche Luftmenge an einer Verbrennung beteiligt ist, kann beispielsweise eine Kraftstoffzufuhr für den mindestens einen Brennraum (zeitweise) ausgeschaltet werden. In dem Fall würde Luft (als die zusätzliche Luftmenge) durch den Brennraum gelangen und dabei nicht an einer Verbrennung beteiligt sein. Ein derartiges Abschalten der Kraftstoffzufuhr kann auch als Zylinderabschaltung bezeichnet werden. Insbesondere in einer Niedriglastphase kann eine Zylinderabschaltung insbesondere bei Verbrennungskraftmaschinen mit beispielsweise acht oder zwölf Zylindern zur Einsparung von Kraftstoff und Schadstoffemissionen beitragen.
Alternativ ist in einer Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, dass das Einleiten der zusätzlichen Luftmenge in den mindestens einen Katalysator in Schritt c) zumindest für die Dauer einer Phase erfolgt, in der bei mindestens einem der Brennräume ein jeweiliges Einlassventil und ein jeweiliges Auslassventil gleichzeitig geöffnet sind. Solche Phasen können im Betrieb der Ventile eines Brennraums einer Verbrennungskraftmaschine vorgesehen sein. Bevorzugt ist zur Einleitung einer zusätzlichen Luftmenge eine Fördervorrichtung vorgesehen, mit welcher die zusätzliche Luftmenge in solchen Phasen zielgerichtet durch den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine gefördert werden kann.
In dieser Ausführungsform kann die zusätzliche Luftmenge bevorzugt in den Katalysator eingeleitet werden, ohne dass ein Zylinder abgeschaltet werden muss. Daher kann das beschriebene Verfahren in dieser Ausführungsform auch bei Volllast oder zumindest bei mittlerer Last angewendet werden.
Es ist bevorzugt, dass jeder der Brennräume jeweils ein Einlassventil und ein Auslassventil aufweist. Die Einlassventile und die Auslassventile können beispielsweise über eine Nockenwelle geöffnet und geschlossen werden. Das Öffnen und Schließen der Ventile erfolgt bevorzugt gemäß einem Taktbetrieb der Verbrennungskraftmaschine. Bevorzugt wird die Verbrennungskraftmaschine im Viertakt-Betrieb betrieben (bzw. handelt es sich bevorzugt bei der Verbrennungskraftmaschine bevorzugt um einen Viertaktmotor). In einem Ansaugtakt wird bei geöffnetem Einlassventil Luft in den Brennraum eingeleitet und (vor oder nach dem Einleiten) mit Kraftstoff vermischt. In einem folgenden Verdichtungstakt wird bei geschlossenen Ventilen das Kraftstoff-Luft-Gemisch verdichtet. In einem folgenden Arbeitstakt wird bei geschlossenen Ventilen durch eine Explosion des Kraftstoff-Luft- Gemisches beispielsweise ein Kolben angetrieben. Anschließend folgt ein Ausstoßtakt, in dem bei geöffnetem Auslassventil das Abgas aus dem Brennraum herausgeleitet wird. Nach dem Ausstoßtakt folgt ein erneuter Ansaugtakt.
Die Phase, in der bei mindestens einem der Brennräume ein jeweiliges Einlassventil und ein jeweiliges Auslassventil gleichzeitig geöffnet sind, liegt bevorzugt zwischen dem Ausstoßtakt und dem Ansaugtakt. Wird das Auslassventil nach dem Ende des Ausstoßtaktes geschlossen und/oder wird das Einlassventil vor Beginn des Ansaugtaktes geöffnet, so sind beide Ventile gleichzeitig geöffnet. In dieser Phase kann Luft (als die zusätzliche Luftmenge) aus der Ansaugleitung durch das Einlassventil in den Brennraum einströmen, durch das Auslassventil unmittelbar wieder aus dem Brennraum heraus strömen und so in den Katalysator gelangen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens läuft in Schritt d) zur Umsetzung der Schadstoffe im Abgas mindestens eine exotherme chemische Reaktion ab, die mit einem Katalysatormaterial (insbesondere einer katalytisch wirksamen Beschichtung) des mindestens einen Katalysators katalysiert.
Für eine optimale Umsetzung der Schadstoffe in dem Katalysator kann es erforderlich sein, dass der Katalysator eine Mindesttemperatur aufweist, welche je nach Katalysatormaterial und je nach chemischer Reaktion zur Umsetzung von Schadstoffen unterschiedlich hoch sein kann. Um Schadstoffemissionen möglichst gering zu halten, ist es wünschenswert, die erforderliche Mindesttemperatur möglichst schnell nach einem Start der Verbrennungskraftmaschine zu erreichen. In dieser Ausführungsform können die ablaufenden, exothermen chemischen Reaktionen zur Aufwärmung des Katalysators beitragen. Unter einer exothermen chemischen Reaktion ist eine chemische Reaktion zu verstehen, die unter Freisetzung von Energie abläuft. Solche chemischen Reaktionen am Katalysator können durch das hier beschriebene Verfahren gezielt gefördert werden. Eine Verbrennung in der Verbrennungskraftmaschine kann unter fetten Bedingungen (mit Lambda kleiner als 1 ) stattfinden. Dem Abgas wird eine zusätzliche Luftmenge zugeführt, um eine exotherme Reaktion mit den verbliebenen Kohlenwasserstoffen aus der ersten Luftmenge an einem Katalysator hervorzurufen. Durch das beschriebene Verfahren kann insbesondere eine besonders geringe Menge an Katalysatormaterial in dem Katalysator vorgesehen werden. Weil als Katalysatormaterial insbesondere teure Edelmetalle in Betracht kommen, können so Kosten eingespart werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird ein Massenstrom der in Schritt c) in den mindestens einen Katalysator eingeleiteten zusätzlichen Luftmenge zumindest in Abhängigkeit von einer Temperatur des mindestens einen Katalysators geregelt. Die Temperatur des Katalysators wird bevorzugt mit einem Temperatursensor in oder an dem Katalysator bestimmt. Auch kann die Temperatur des Katalysators aus einer Abgastemperatur vor und/oder nach dem Katalysator berechnet werden. Die Regelung des Massenstroms der zusätzlichen Luftmenge erfolgt bevorzugt über ein (automatisches) Ventil der Luftleitung, über die die zusätzliche Luftmenge bevorzugt in die Ansaugleitung der Verbrennungskraftmaschine eingeleitet werden kann. Die Regelung erfolgt bevorzugt in einer Steuereinheit, die zumindest mit dem Ventil verbunden ist.
Bevorzugt wird der Massenstrom der zusätzlichen Luftmenge derart geregelt, dass die Temperatur des Katalysators soweit wie möglich oberhalb der Mindesttemperatur (die für eine Umsetzung der Schadstoffe erforderlich ist), jedoch unterhalb einer Höchsttemperatur liegt. Die Höchsttemperatur ist bevorzugt derart gewählt, dass Alterungserscheinungen des Katalysators aufgrund von thermischer Belastung zumindest weitgehend vermieden werden. Beispielsweise kann der Massenstrom der zusätzlichen Luftmenge derart geregelt werden, dass die Temperatur des Katalysators innerhalb eines Bereichs von 300 °C bis 1000 °C, insbesondere in einem Bereich von 400 °C bis 800 °C, liegt. Je größer der Massenstrom der zusätzlichen Luftmenge ist, umso eher können in dem Katalysator exotherme chemische Reaktionen ablaufen. Liegt die Temperatur des Katalysators also unterhalb der Konvertierungstemperatur, wird der Massenstrom der zusätzlichen Luftmenge bevorzugt erhöht. Ist die Temperatur des Katalysators aber bereits oberhalb der Höchsttemperatur, wird die Zufuhr der zusätzlichen Luftmenge bevorzugt gestoppt, so dass die exothermen chemischen Reaktionen zumindest nicht weiter gefördert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird ein Massenstrom der in Schritt c) in den mindestens einen Katalysator eingeleiteten zusätzlichen Luftmenge zumindest in Abhängigkeit von einem Kraftstoff-Luft-Verhältnis der Verbrennungskraftmaschine geregelt.
Das Kraftstoff-Luft-Verhältnis (d.h. der Lambda-Wert) wird bevorzugt über eine oder mehrere Lambda-Sonden gemessen, die wie das (automatische) Ventil zur Einstellung des Massenstroms der zusätzlichen Luftmenge an die Steuereinheit angeschlossen sind. Bevorzugt liegt im Katalysator ein stöchiometrisches Gemisch vor. Das erfordert insbesondere einen bestimmten Sauerstoffgehalt. Je nach Lambda-Wert der Verbrennung liegt in dem Abgas (das bei einer Verbrennung mit der ersten Luftmenge gebildet wird) bereits ein Restsauerstoffgehalt vor. Der Massenstrom der zusätzlichen Luftmenge wird bevorzugt derart eingestellt, dass der Sauerstoff aus der zusätzlichen Luftmenge zusammen mit dem (Rest-)Sauerstoff aus dem Abgas die erforderliche Sauerstoffmenge ergibt, die für die gewünschten chemischen Reaktionen zur Umsetzung der Schadstoffe im Abgas geeignet ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird ein Massenstrom der in Schritt c) in den mindestens einen Katalysator eingeleiteten zusätzlichen Luftmenge zumindest in Abhängigkeit von einem Schadstoffanteil des Abgases stromabwärts des mindestens einen Katalysators geregelt.
Als Schadstoffe kommen hier insbesondere Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffe (HC) und/oder Stickoxide (NO, N02, NOx) in Betracht. Die jeweiligen Anteile dieser Schadstoffe können beispielsweise mit einem entsprechenden Schadstoffsensor stromabwärts des mindestens einen Katalysators gemessen oder modelliert werden. Auch die Schadstoffsensoren sind bevorzugt an die Steuereinheit angeschlossen. Zur Überwachung der Stickoxide können insbesondere ein Stickstoffoxidsensor oder ein Verfahren zur Modellierung eingesetzt werden.
In dieser Ausführungsform wird bevorzugt aus den verbleibenden Schadstoffmengen (bzw. Schadstoffanteilen) in Abgasströmungsrichtung hinter dem Katalysator bestimmt, ob im Katalysator ein stöchiometrisches Gemisch vorlag oder nicht.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die zusätzliche Luftmenge vor dem Einleiten in den mindestens einen Katalysator verdichtet.
Durch Verdichtung der zusätzlichen Luftmenge kann deren Massenstrom über einen besonders großen Bereich eingestellt werden. Insbesondere kann aufgrund der Verdichtung ein besonders großer Massenstrom erreicht werden, der in kurzer Zeit durch den mindestens einen Brennraum der Verbrennungskraftmaschine gefördert wird. Das kann beispielsweise vorteilhaft sein, wenn die zusätzliche Luftmenge in einer Phase durch die Brennräume geleitet wird, in der bei mindestens einem der Brennräume ein jeweiliges Einlassventil und ein jeweiliges Auslassventil gleichzeitig geöffnet sind. In dem Fall kann durch die Verdichtung der zusätzlichen Luftmenge die entsprechende Phase besonders kurz gehalten werden, so dass der Betrieb der Verbrennungskraftmaschine (durch eine besonders lange Dauer dieser Phase) nicht nachteilig beeinflusst wird.
Die Verdichtung der Luft erfolgt bevorzugt mittels einer hierfür eingerichteten Fördervorrichtung, welche insbesondere ein elektrischer und/oder mechanischer Kompressor oder ein Gebläse ist. Alternativ ist aber auch bevorzugt, dass die Verdichtung mittels eines Turboladers erfolgt. Insbesondere kann die zusätzliche Luftmenge von einer ansonsten für eine Verbrennung verdichteten Luftmenge abgezweigt werden.
Besonders bevorzugt ist das Verfahren, wenn die Verbrennungskraftmaschine mindestens zwei Brennräume aufweist und die Schritte a) und b) zumindest teilweise parallel zueinander in verschiedenen Brennräumen stattfinden.
Die Erfindung findet insbesondere Einsatz in einem Kraftfahrzeug umfassend zumindest eine Verbrennungskraftmaschine, die zum Betrieb des beschriebenen Verfahrens zum Reinigen von Abgas der Verbrennungskraftmaschine bestimmt und eingerichtet ist.
Die weiter vorne für das Verfahren beschriebenen besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale sind auf das beschriebene Kraftfahrzeug anwendbar und übertragbar.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Kraftfahrzeug weiterhin mindestens eine Luftleitung zum Einleiten der zusätzlichen Luftmenge in den mindestens einen Katalysator auf, wobei die mindestens eine Luftleitung in eine Ansaugleitung der Verbrennungskraftmaschine einmündet.
Die Erfindung und das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figur näher erläutert. Die Figur zeigt ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel, auf das die Erfindung jedoch nicht begrenzt ist. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figur und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigt:
Fig. 1 : eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs, das für das beschriebene Verfahren bestimmt und eingerichtet ist.
Fig. 1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1 umfassend eine Verbrennungskraftmaschine 2. Die Verbrennungskraftmaschine 2 weist vier Zylinder als Brennräume 3 auf. Jeder Brennraum 3 weist ein jeweiliges Einlassventil 4 und ein jeweiliges Auslassventil 5 auf. Über eine Ansaugleitung 6 kann insbesondere eine erste Luftmenge durch die Einlassventile 4 in die Brennräume 3 geleitet werden. In den Brennräumen 3 kann die erste Luftmenge mit Kraftstoff verbrannt werden. Dabei entstehendes Abgas kann über eine Abgasleitung 7 in einen Katalysator 8 und von dort in die Umgebung des Kraftfahrzeugs 1 geleitet werden. In dem Katalysator 8 können Schadstoffe aus dem Abgas durch chemische Reaktionen des Abgases zumindest mit der zusätzlichen Luftmenge umgesetzt werden. Dabei kann zur Umsetzung der Schadstoffe zumindest eine exotherme Reaktion ablaufen, die mit einem Katalysatormaterial des Katalysators 8 katalysiert wird.
Das Kraftfahrzeug 1 weist weiterhin eine Luftleitung 9 zum Einleiten einer zusätzlichen Luftmenge in den Katalysator 8 auf. Die Luftleitung 9 mündet in die Ansaugleitung 6 ein. Damit kann die zusätzliche Luftmenge über die Brennräume 3 zu dem Katalysator 8 geleitet werden. Das kann dadurch erfolgen, dass die zusätzliche Luftmenge für die Dauer einer Phase durch die Brennräume 3 geleitet wird, in der bei mindestens einem der Brennräume 3 das jeweilige Einlassventil 4 und das jeweilige Auslassventil 5 gleichzeitig geöffnet sind.
In die Luftleitung 9 ist eine Verdichtungsvorrichtung 10 integriert. Mit der Verdichtungsvorrichtung 10 kann ein besonders großer Massenstrom der zusätzlichen Luftmenge erreicht werden. Bezugszeichenliste Kraftfahrzeug
Verbrennungskraftmaschine
Brennraum
Einlassventil
Auslassventil
Ansaugleitung
Abgasleitung
Katalysator
Luftleitung
Verdichtungsvorrichtung

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Reinigen von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine (2) mit mindestens einem Brennraum (3) umfassend zumindest die folgenden Verfahrensschritte:
a) Verbrennen von Kraftstoff mit einer ersten Luftmenge in dem mindestens einen
Brennraum (3),
b) Leiten des Abgases zu mindestens einem Katalysator (8),
c) Einleiten einer zusätzlichen Luftmenge über mindestens einen der Brennräume
(3) zu dem mindestens einen Katalysator (8), welche nicht an der Verbrennung in Schritt a) teilnimmt und
d) Umsetzen von Schadstoffen im Abgas durch chemische Reaktionen des
Abgases zumindest mit der zusätzlichen Luftmenge in dem mindestens einen Katalysator (8).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Einleiten der zusätzlichen Luftmenge in den mindestens einen Katalysator (8) in Schritt c) zumindest für die Dauer einer Phase erfolgt, in der bei mindestens einem der Brennräume (3) ein jeweiliges Einlassventil (4) und ein jeweiliges Auslassventil (5) gleichzeitig geöffnet sind.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Massenstrom der in Schritt c) in den mindestens einen Katalysator (8) eingeleiteten zusätzlichen Luftmenge zumindest in Abhängigkeit von einer Temperatur des mindestens einen Katalysators (8) geregelt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Massenstrom der in Schritt c) in den mindestens einen Katalysator (8) eingeleiteten zusätzlichen Luftmenge zumindest in Abhängigkeit von einem Kraftstoff-Luft-Verhältnis der Verbrennungskraftmaschine (2) geregelt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Massenstrom der in Schritt c) in den mindestens einen Katalysator (8) eingeleiteten zusätzlichen Luftmenge zumindest in Abhängigkeit von einem Schadstoffanteil des Abgases stromabwärts des mindestens einen Katalysators (8) geregelt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zusätzliche Luftmenge vor dem Einleiten in den mindestens einen Katalysator (8) verdichtet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verbrennungskraftmaschine (2) mindestens zwei Brennräume (3) aufweist und die Schritte a) und b) zumindest teilweise parallel zueinander in verschiedenen Brennräumen (3) stattfinden.
8. Kraftfahrzeug (1 ) umfassend zumindest eine Verbrennungskraftmaschine (2), die zum Betrieb eines Verfahrens zum Reinigen von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche bestimmt und eingerichtet ist.
9. Kraftfahrzeug (1 ) nach Anspruch 8 weiterhin aufweisend mindestens eine Luftleitung (9) zum Einleiten der zusätzlicher Luftmenge in den mindestens einen Katalysator (8), wobei die mindestens eine Luftleitung (9) in eine Ansaugleitung (6) der Verbrennungskraftmaschine (2) einmündet.
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