AT14862U1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1), insbesondere einer Diesel-Brennkraftmaschine, mit zumindest einer im Abgasstrang (2) angeordneten Abgasnachbehandlungseinrichtung (3), welche zumindest eine Partikelfiltereinrichtung (4), insbesondere eine Diesel-Partikelfiltereinrichtung, aufweist, wobei die Partikelfiltereinrichtung (4) regeneriert wird, wenn die Abgastemperatur über einer definierten Mindestregenerationstemperatur liegt, und wobei die Mindestregenerationstemperatur durch Einbringen eines die Oxidationstemperatur von Ruß herabsetzenden Zusatzstoffs in den Abgasstrom des Abgasstranges (2) stromaufwärts der Partikelfiltereinrichtung (4) gesenkt wird. Um die Mindestregenerationstemperatur zur Regeneration der Partikelfiltereinrichtung (4) auf möglichst einfache Weise abzusenken, wird der Zusatzstoff einer wässrigen Urea-Lösung beigemischt, welche stromaufwärts der Partikelfiltereinrichtung (4) in den Abgasstrom eingespritzt wird.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Diesel-Brennkraftmaschine, mit zumindest einer im Abgasstrang angeordneten Abgasnachbehandlungseinrichtung, welche zumindest eine Partikelfiltereinrichtung, insbesondere eine Diesel-Partikelfiltereinrichtung, aufweist, wobei die Partikelfiltereinrichtung regeneriert wird, wenn die Abgastemperatur über einer definierten Mindestregenerationstemperatur liegt, und wobei die Mindestregenerationstemperatur durch Einbringen eines die Oxidationstemperatur von Ruß herabsetzenden Zusatzstoffs in den Abgasstrom des Abgasstranges stromaufwärts der Partikelfiltereinrichtung gesenkt wird.

[0002] Moderne Dieselbrennkraftmaschinen weisen zur Erfüllung der gesetzlichen Abgasnormen einen Diesel-Partikelfilter (DPF) sowie ein System zur Stickoxidreduktion (DeNOx-System) auf. Bei DeNOx-Systemen unterscheidet man prinzipiell zwischen NOx-LNT-Speicherkatalysa-tor-Systemen (LNT=Lean NOx Trap) und SCR-Systemen (SCR=selektiv katalytische Reduktion). Bei SCR-Systemen wird eine Urea-Lösung als Reduktionsmittel vor einem SCR-Katalysa-tor eingespritzt, um eine NOx Reduktion zu ermöglichen.

[0003] Es sind Abgassysteme bekannt, welche die Funktion eines Diesel-Partikelfilters und eines SCR-Katalysators kombinieren, indem der Diesel-Partikelfilter mit einer für die NOx-Reduktion geeigneten Beschichtung versehen wird. Somit erfüllt dieses Bauteil, das auch als SDPF bekannt ist, die Funktion der Abgasfilterung und der NOx-Reduktion.

[0004] Ein Diesel-Partikelfilter muss in regelmäßigen Abständen regeneriert werden, um die Rußbeladung abzubrennen. Dafür sind im Allgemeinen Temperaturen über 580°C nötig. Um diese Mindestregenerationstemperaturen einzustellen wird üblicherweise eine sogenannte Heizstrategie verwendet, bei der mittels einer oder mehrerer Nacheinspritzungen der Brennkraftmaschine die Abgastemperatur erhöht wird.

[0005] Es ist bekannt, dass die Mindestregenerationstemperaturen durch Zugabe eines Zusatzstoffs gesenkt werden kann.

[0006] Die DE 60 2004 002 557 T2 beschreibt ein Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters in einer Auspuffanlage, wobei ein durch Eisen(lll)oxid (oder ein anderes Metalloxid, das in der Lage ist Sauerstoff abzugeben) gebildeter Zusatzstoff, der dazu bestimmt ist, sich auf dem Partikelfilter abzusetzen, um die Verbrennungstemperatur der in dem Filter gefangenen Partikel abzusenken, dem Kraftstoff der Brennkraftmaschine aus einem eigenen Nebentank hinzugefügt wird. Auch aus der WO 2013/020805 A1 oder der EP 0 997616 A2 ist es bekannt, einen die Zündtemperatur der Partikel absenkenden Zusatzstoff, zum Beispiel Eisenoxid, in den Kraftstofftank des Fahrzeuges einzubringen.

[0007] Die DE 10 2010 038 143 A1 beschreibt ein Verfahren zum Absenken der Rußzündtemperatur von auf einem Partikelfilter akkumuliertem Ruß, wobei ein Prekursor eines die Oxidationstemperatur von Ruß herabsetzenden Katalysators in den Abgasstrang stromauf des Partikelfilters eingebracht wird. Der in den Abgasstrang eingebrachte Prekursor wird in seine Gasphase überführt, bevor dieser den auf dem Partikelfilter akkumulierten Ruß beaufschlagt. Der gasförmige Katalysator-Prekursor wird von dem auf dem Partikelfilter akkumulierten Ruß adsorbiert, bevor sich aus dem in seiner Gasphase befindlichen Prekursor in Reaktion mit zumindest einem im Abgas enthaltenen weiteren gasförmigen Bestandteil der für die Herabsetzung der Zündtemperatur verantwortliche Katalysator bildet. Der Prekursor wird durch ein Metalloxid, beispielsweise Eisenoxid, gebildet.

[0008] Weiters ist es aus der US 2010/132 341 A bekannt, über einen Injektor ein Eisenoxid enthaltendes und in einem Additivtank gespeichertes Additiv in den Abgasstrom stromaufwärts eines Partikelfilters einzuspritzen. Der Additivtank enthält dabei Dieselkraftstoff und Additiv im Bereich zwischen 1% und 50 Gewichts- %, wobei das Additiv Eisen, Barium, Kalzium, Cerium, Mangan, Platin, oder ein anderes Metall enthält.

[0009] Die bekannten Verfahren haben den Nachteil, dass eine zusätzliche Einspritzvorrichtung und/oder ein zusätzlicher Additivtank notwendig sind.

[0010] Aufgabe der Erfindung ist es, die Mindestregenerationstemperatur zur Regeneration der Partikelfiltereinrichtung auf möglichst einfache Weise abzusenken.

[0011] Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass der Zusatzstoff einer wässrigen Urea-Lösung beigemischt wird, welche stromaufwärts der Partikelfiltereinrichtung in den Abgasstrom eingespritzt wird.

[0012] Insbesondere bei Verwendung einer Partikelfiltereinrichtung, die mit einer für eine NOx-Reduktion geeigneten Beschichtung ausgeführt wird, oder bei einer Abgasnachbehandlungseinrichtung mit zumindest einem SCR-Katalysator wird eine wässrige Urea-Lösung als Reduktionsmittel stromaufwärts der beschichteten Partikelfiltereinrichtung oder des SCR-Katalysators in den Abgasstrom eingespritzt.

[0013] Bei diesen Abgasnachbehandlungseinrichtungen ist standardmäßig ein Urea-Tank zur Aufnahme der Urea-Lösung und eine in den Abgasstrang stromaufwärts des SCR-Katalysators oder des beschichteten Partikelfilters einmündende Einspritzeinrichtung für die Urea-Lösung vorgesehen. Erfindungsgemäß wird dieser sowieso als Reduktionsmittel im Kraftfahrzeug erforderlichen Urea-Lösung der Zusatzstoff zur Herabsetzung der Mindestregenerationstemperatur beigemischt. Die Beimischung des Zusatzstoffs zur Urea-Lösung erfolgt dabei bevorzugt bereits außerhalb des Kraftfahrzeuges, sodass die den Zusatzstoff bereits enthaltende Urea-Lösung in den fahrzeugeigenen Urea-Tank eingefüllt wird. Somit ist im Kraftfahrzeug weder ein zusätzlicher Zusatzstofftank, noch eine zusätzliche Einspritzeinrichtung erforderlich. Der Zusatzstoff wird zusammen mit der Urea- Lösung in den Abgasstrom eingespritzt. Durch das kontinuierliche Einspritzen und die damit verbundene Absenkung der Rußabbrandtemperatur wird der natürliche Regenerationseffekt verstärkt und eine Regeneration des Partikelfilters auch im Normalbetrieb außerhalb dezidierter Regenerationsphasen begünstigt.

[0014] Vorzugsweise wird der Zusatzstoff durch einen die Oxidationstemperatur von Ruß herabsetzenden Katalysatorstoff gebildet. Der Zusatzstoff enthält vorteilhafter Weise beliebige Metalloxidpartikel im Nanometerbereich, beispielsweise Eisen(lll)partikel, welche dazu geeignet sind, sich auf dem Partikelfilter abzusetzen und Sauerstoff abzugeben.

[0015] Alternativ dazu oder zusätzlich kann der Zusatzstoff zumindest einen Prekursor eines die Oxidationstemperatur von Ruß herabsetzenden - durch Metalloxid, beispielsweise Eisenoxid gebildeten - Katalysatorstoffs enthalten. Als Prekursor für den die Oxidationstemperatur von Ruß herabsetzenden Katalysatorstoff kann etwa Ferrocen verwendet werden, welches typischerweise in gelöster Form eingebracht wird. Als Lösungsmittel kann beispielsweise Toluol eingesetzt werden. Das nach Verdampfen des Lösungsmittels im Abgasstrom vorliegende Ferrocen geht anschließend in seine Gasphase über.

[0016] Durch das Beimischen des Zusatzstoffs zur Urea-Lösung lässt sich die Mindestregenerationstemperatur um 100° bis ΙδΟ'Ο senken, sodass die Regeneration des - vorzugsweise beschichteten - Partikelfilters bei Temperaturen von 450° bis 480^ einsetzt. Dadurch wird der natürliche Regenerationseffekt begünstigt, der beispielsweise schon in Phasen höherer Last außerhalb der Regenerationsphasen zu einer Filterregeneration führt. Da die für die Reduktion erforderlichen Abgastemperaturen wesentlich niedriger sind als bisher und weniger Kraftstoff für die Heizstrategie eingesetzt werden muss, kann der Kraftstoffverbrauch entscheidend gesenkt werden. Weiters ist auch ein besserer Bauteilschutz realisierbar, da durch die geringeren Abgastemperaturen der Rußabbrand besser kontrolliert werden kann.

[0017] Die Erfindung wird im Folgenden an Hand der nicht einschränkenden Figur näher erläutert.

[0018] Die Figur zeigt schematisch einer Brennkraftmaschine 1 eines Kraftfahrzeuges mit einem Abgasstrang 2, in welchem eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 3 angeordnet ist, die einen als beschichteten Diesel-Partikelfilter (SDPF) ausgeführten Partikelfilter 4 und eine Einspritzeinrichtung 5 für eine in einem Urea-Tank 6 gespeicherte Urea-Lösung aufweist. Der

Partikelfilter 4 ist dabei mit einer für die NOx-Reduktion geeigneten Beschichtung versehen. Mit 7 ist eine Pumpe zur Förderung der Urea-Lösung bezeichnet. Die Einspritzung der mit Zusatzstoff angereicherten Urea-Lösung erfolgt im Abgasstrang 2 zwischen der Brennkraftmaschine 1 und dem Partikelfilter 4, also stromaufwärts des Partikelfilters 4 und stromabwärts der Brennkraftmaschine 1.

[0019] Der Urea-Lösung ist ein Zusatzstoff beigemischt, welcher die Oxidationstemperatur von Ruß deutlich herabsetzt. Der Zusatzstoff kann beispielsweise aus nanometergroßen Ei-sen(lll)oxidpartikeln bestehen. Die Eisen(lll)oxidpartikel haben die Eigenschaft, sich im Partikelfilter abzusetzen und dabei die Verbrennungstemperatur der im Partikelfilter 4 gefangenen Rußpartikel herabzusetzen. Alternativ zum für die Umwelt und für die Gesundheit unbedenklichen Eisenoxid können auch Ceroxid, Cer/Zirkonoxid, Manganoxid, Kupferoxid, Zinkoxid, Lanthanoxid, Bismuthoxid, Tantaloxid oder Nioboxid verwendet werden.

[0020] Vorteilhafterweise erfolgt die Einspritzung der mit Zusatzstoff angereicherten Urea-Lösung kontinuierlich während des Betriebs der Brennkraftmaschine. In Varianten der Erfindung kann die Menge variiert werden, sodass beispielsweise vor bzw. während Regenerationsphasen eine größere Menge eingespritzt wird.

[0021] Der Zusatzstoff wird beispielsweise bereits außerhalb des Kraftfahrzeugs der Urea-Lösung beigemischt. Es kann sich dabei auch um eine fertig vorbereitete Mischung aus Urea-Lösung und dem Zusatzstoff handeln. Der Urea-Tank 6 wird dann mit der vorbereiteten Mischung aus wässriger Urea-Lösung und dem Zusatzstoff befüllt. Bei Einspritzung der Urea-Lösung über die Einspritzeinrichtung 5 wird der Zusatzstoff freigesetzt, beeinflusst in der Gasphase zwischen Einspritzung und Eintritt in den Partikelfilter 4 die Rußabbrandtemperatur und gelangt in den beschichteten Partikelfilter 4, wo er die Mindestregenerationstemperatur zur Regenerierung des Partikelfilters 4 deutlich um beispielsweise 100° bis 150°C, also auf etwa 450- 480 °C, herabsetzt.

[0022] Somit kann der Ruß-Abbrand bereits sehr früh einsetzen, was eine Regeneration teilweise bereits im normalen Fährbetrieb außerhalb dezidierter Regenerationsphasen ermöglicht. Beispielsweise kann es bereits bei erhöhten Geschwindigkeiten auf der Autobahn bzw. bei Steigungen zu einem Ansteigen der Abgastemperatur über die durch den Zusatzstoff reduzierte Mindestregenerationstemperatur kommen. Falls dennoch motorseitig zusätzlich Kraftstoff zur Hebung der Abgastemperatur eingespritzt werden muss, so sind für die Heizstrategie wesentlich geringere Mengen als bei herkömmlichen Regenerationsmethoden erforderlich.

[0023] Die Erfindung erlaubt also geringere Emissionen und einen geringeren Treibstoffverbrauch durch Reduktion der Regenerationsphasen bzw. des dabei eingespritzten Treibstoffs. Gleichzeitig sind keine zusätzlichen Vorrichtungen zur Einbringung des die Regenerationstemperatur senkenden Zusatzstoffes notwendig. Durch die Einbringung der mit Zusatzstoff versehenen Urea-Lösung stromabwärts der Brennkraftmaschine wird verhindert, dass sich der Zusatzstoff innerhalb der Brennkraftmaschine absetzt und zu Schäden bzw. Verschleiß führt.

Claims (5)

1. Ansprüche

   1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1), insbesondere eine Diesel-Brennkraftmaschine, mit zumindest einer im Abgasstrang (2) angeordneten Abgasnachbehandlungseinrichtung (3), welche zumindest eine Partikelfiltereinrichtung (4), insbesondere eine Diesel-Partikelfiltereinrichtung, aufweist, wobei die Partikelfiltereinrichtung (4) regeneriert wird, wenn die Abgastemperatur über einer definierten Mindestregenerationstemperatur liegt, und wobei die Mindestregenerationstemperatur durch Einbringen eines die Oxidationstemperatur von Ruß herabsetzenden Zusatzstoffs in den Abgasstrom des Abgasstranges (2) stromaufwärts der Partikelfiltereinrichtung (4) gesenkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzstoff einer wässrigen Urea-Lösung beigemischt wird, welche stromaufwärts der Partikelfiltereinrichtung (4) in den Abgasstrom eingespritzt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzstoff durch einen die Oxidationstemperatur von Ruß herabsetzenden Katalysatorstoff und/oder einen Pre-kursor davon gebildet wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzstoff Sauerstoff abgebende Metalloxidpartikel, vorzugsweise Eisen(lll)oxid-Partikel, enthält.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzstoff der wässrigen Urea-Lösung außerhalb des Kraftfahrzeugs vor der Betankung des Fahrzeuges beigemischt wird.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelfiltereinrichtung (4) mit einer für eine NOx-Reduktion geeigneten Beschichtung ausgeführt wird. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen