DE102007056102B4 - Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors und eines daran angeschlossenen Abgasnachbehandlungssystems mit einem Partikelfilter und einem SCR-Katalysator - Google Patents

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Abstract

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 über das passive Zuwarten im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors hinaus eine Anhebung des Frischluftmassenstroms durch den Verbrennungsmotor vorgenommen wird.

Description

  • 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 Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie ein Abgasnachbehandlungssystem gemäß Patentanspruch 4. 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 angesammelter Partikel mit im Abgas enthaltenem Sauerstoff bei Abgastemperaturen von 500°C oder darüber und/oder passiv mit im Abgas enthaltenem Stickstoffdioxid bei niedrigeren Temperaturen erfolgen kann.
  • In der DE 43 10 926 A1 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.
  • In der DE 103 00 298 A1 sind eine Abgasnachbehandlungseinrichtung mit einem Stickoxidspeicherkatalysator und einem SCR-Katalysator und ein zugehöriges Abgasnachbehandlungsverfahren beschrieben. Dabei ist ein Partikelfilter stromaufwärts des Stickoxidspeicherkatalysators oder zwischen diesem und dem SCR-Katalysator oder stromabwärts des SCR-Katalysators und/oder ein NO2-Bildungskatalysator stromaufwärts des SCR-Katalysators vorgesehen. Der Zeitpunkt von Regenerationsbetriebsphasen des Stickoxidspeicherkatalysators kann abhängig vom Stickoxidgehalt des Abgases stromabwärts des Stickoxidspeicherkatalysators oder des SCR-Katalysators und/oder von dessen Ammoniakbeladung bestimmt werden. Außerdem kann für eine jeweilige Regenerationsbetriebsphase eine Soll-Ammoniakerzeugungsmenge ermittelt werden. Die Vorrichtung erlaubt es, dem SCR-Katalysator vor hohen Temperaturen nach Partikelfilter bei der thermischen Regeration des Partikelfilters zu schützen.
  • Die DE 34 02 692 A1 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Regenerierung eines katalytischen Partikelfilters im Abgasstrom einer Verbrennungsquelle, insbesondere eines Dieselmotors. Während der Regenerierung wird die Eingangsluft pulsierend zugeführt und zwar vorzugsweise aber nicht notwendigerweise zu einem Teil aller Zylinder eines Motors, wenn die Verbrennungsquelle ein mehrzylinderiger Motor ist. Hierdurch enthält der gesamte Abgasstrom aller Zylinder genügend Brennstoff, insbesondere in der Form von Kohlenmonoxid und einer Kohlenwasserstoff-Fraktion, der bzw. das bzw. die katalytisch oxidiert und dabei exotherme Wärme erzeugt. Durch die Freisetzung von Wärme wie an dieser Oxidation wird das Filter über den Entzündungspunkt der im Filter zurückgehaltenen Partikel hinaus erhitzt, diese Partikel werden entzündet und verbrannt, sodass das Filter gereinigt und regeneriert wird.
  • 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 Partikelfilter-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 4 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 über das passive Zuwarten im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors hinaus 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 Verbrennungsmotor einerseits mit einer minimalen Stickoxidrohemission verbunden.
  • Die Anhebung des Frischluftmassenstroms durch den Verbrennungsmotor kann auf verschiedene, dem Fachmann bekannten Arten erfolgen. Vorzugsweise kann eine solche Anhebung mit Hilfe der Aufladung bei Turbo-aufgeladenen Verbrennungsmotoren erfolgen.
  • In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens 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 eingestellt 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 Abgasrückführrate 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:
  • 1 eine schematische Darstellung für den Temperaturverlauf in einem SCR-Katalysator sowie für den motorseitigen Stickoxidrohemissionsverlauf.
  • 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 Stickoxidrohemission 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 verschiedene 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 Temperaturentwicklung 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 erfindungsgemäß 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 Stickoxidrohemissionskurve 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 mittleren 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 Abgasstroms 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 Schädigung 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 (5)

  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 über das passive Zuwarten im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors hinaus 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 Partikelfilter 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.
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