DE102009048169A1

DE102009048169A1 - Verfahren zum Betreiben eines Abgasnachbehandlungssystems

Info

Publication number: DE102009048169A1
Application number: DE102009048169A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr.-Ing. Koch
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2009-10-02
Filing date: 2009-10-02
Publication date: 2011-04-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Brennkraftmaschine zur Durchführung einer Aufheizung eines Abgasnachbehandlungssystems der Brennkraftmaschine (1). Das Abgasnachbehandlungssystem umfasst einen Vorkatalysator (5), einen dem Vorkatalysator (5) in Abgasströmungsrichtung nachgeschalteten Hauptkatalysator (7), und einen dem Hauptkatalysator in Abgasströmungsrichtung nachgeschalteten Partikelfilter (6). In einem ersten Betriebsmodus zur Abgasaufheizung wird ein Brennstoff von einer Brennstoffzugabevorrichtung (9) zwischen dem Vorkatalysator (5) und dem Hauptkatalysator (7) dem Abgas zugegeben und der von der Brennstoffzugabevorrichtung (9) dem Abgas zugegebene Brennstoff wenigstens teilweise am Hauptkatalysator (7) unter Freisetzung einer ersten Wärmemenge oxidiert. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine Späteinspritzung von Kraftstoff in wenigstens einen Brennraum der Brennkraftmaschine (1) derart durchgeführt wird, dass von der Brennkraftmaschine (1) ein mit brennbaren Bestandteilen angereichertes Abgas mit einem Sauerstoffüberschuss abgegeben wird und dass die im Abgas vorhandenen brennbaren Bestandteile wenigstens teilweise am Vorkatalysator (5) unter Freisetzung einer zweiten Wärmemenge oxidiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines an eine Brennkraftmaschine angeschlossenen Abgasnachbehandlungssystems nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Brennkraftmaschine mit Abgasnachbehandlungssystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 14.
Aus der DE 10 2006 051 790 A1 ist ein Abgasnachbehandlungssystem bekannt, welches zwei hintereinander angeordnete Oxidationskatalysatoren aufweist. Diesen nachgeschaltet ist ein Partikelfilter. Mittels einer Brennstoffzugabevorrichtung kann zwischen dem ersten und dem zweiten Oxidationskatalysator ein Brennstoff dem Abgas zugegeben werden. Durch exotherme Oxidation des zugegebenen Brennstoffs am zweiten Oxidationskatalysator kann der Partikelfilter auf eine zur thermischen Regeneration durch Rußabbrand erforderliche Temperatur aufgeheizt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bzw. eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasnachbehandlungssystem anzugeben, welche eine weiter verbesserte Abgasaufheizung ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasnachbehandlungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass in einem ersten Betriebsmodus zur Abgasaufheizung eine Späteinspritzung von Kraftstoff in wenigstens einen Brennraum der Brennkraftmaschine derart durchgeführt wird, dass von der Brennkraftmaschine ein mit brennbaren Bestandteilen angereichertes Abgas mit einem Sauerstoffüberschuss abgegeben wird und dass die im Abgas vorhandenen brennbaren Bestandteile wenigstens teilweise am Vorkatalysator unter Wärmefreisetzung oxidiert werden. Da der gleichzeitig von der Brennstoffzugabevorrichtung zwischen dem Vorkatalysator und dem Hauptkatalysator zugegebene Brennstoff wenigstens teilweise und ebenfalls unter Wärmefreisetzung am Hauptkatalysator oxidiert wird, erfolgt eine zweistufige Abgasaufheizung, welche selbst bei ungünstigen Bedingungen, beispielsweise bei Außentemperaturen unterhalb des Gefrierpunkts und/oder in kurzem zeitlichen Abstand zu einem Kaltstart der Brennkraftmaschine eine effektive Abgasaufheizung bewirkt. Dem Hauptkatalysator nachgeschaltete Abgasreinigungseinheiten können somit rasch auf ihre Betriebstemperatur bzw. auf eine für eine Regeneration gegebenenfalls erforderliche erhöhte Temperatur aufgeheizt werden. Ein Verhältnis der infolge von Oxidation von Brennstoff am Hauptkatalysator freiwerdenden ersten Wärmemenge und der infolge von Oxidation von spät eingespritztem Kraftstoff am Vorkatalysator freiwerdenden zweiten Wärmemenge lässt sich in einem weiten Bereich einstellen. Durch Anpassung der Brennstoffzugaberate und/oder der Einspritzmenge in Abhängigkeit der Temperaturen von Vorkatalysator und Hauptkatalysator bzw. der vor und/oder nach ihnen ermittelten Abgastemperaturen, kann ein dem jeweiligen Aufwärmzustand und der jeweiligen Katalysatoraktivität bestmöglich angepasstes Verhältnis der Wärmemengen eingestellt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren erweist sich somit als besonders flexibel und effektiv. Das erfindungsgemäße Verfahren ist hauptsächlich für überwiegend mager betriebene Verbrennungsmotoren, insbesondere für als Dieselmotor ausgebildete Brennkraftmaschinen vorteilhaft, da diese, zumindest bei Teillast, üblicherweise ein relativ gering erwärmtes Abgas abgeben.
Die Anreicherung des Abgases mit brennbaren Bestandteilen stromauf des Vorkatalysators wird in einem normalen Zugbetrieb der Brennkraftmaschine bevorzugt wenigstens annähernd vollständig durch eine Kraftstoffnacheinspritzung geleistet, wohingegen eine durch eine zeitlich von der Nacheinspritzung abgesetzte und zuvor erfolgende Haupteinspritzung eingespritzte Kraftstoffmenge wenigstens annähernd vollständig drehmomentwirksam in dem wenigsten einen Brennraum verbrennt. Im Bremsbetrieb der Brennkraftmaschine unterbleibt typischerweise eine drehmomenterzeugende Kraftstoffhaupteinspritzung. Unabhängig hiervon erfolgt auf zur Nacheinspritzung analoge Weise eine späte Einspritzung, mit welcher eine Anreicherung von brennbaren Bestandteilen im Abgas erfolgt. In jedem Fall verbleibt ein Sauerstoffüberschuss im Abgas, derart, dass dieses insgesamt mager, d. h. oxidierend ist. Die Brennkraftmaschine wird demgemäß mit einem mageren Motorlambdawert von größer als 1,0 betrieben.
In Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Späteinspritzung von Kraftstoff eine insbesondere als Nacheinspritzung ausgebildete, nicht brennende Kraftstoffeinspritzung umfasst. Im Zugbetrieb mit Kraftstoffhaupteinspritzung erfolgt eine Nacheinspritzung zeitlich abgesetzt von der Kraftstoffhaupteinspritzung in demselben Arbeitszyklus wie diese. Dabei ist unter nicht mitbrennend eine (Nach-)Einspritzung zu verstehen, bei welcher der eingespritzte Kraftstoff nicht oder nur in geringem Umfang an einer Verbrennung im Brennraum teilnimmt. Typischerweise bleiben 60% bis 95%, bevorzugt 70% bis 90% des Brennwerts erhalten. Im Brennraum können dabei durchaus Crackprozesse ablaufen, welche eine Verkürzung der Kettenlänge bei kettenförmigen Kohlenwasserstoffen im Kraftstoff bewirken. Es kann dabei auch eine Abspaltung von Wasserstoff und eine Teiloxidation erfolgen, derart, dass das Abgas mit Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid angereichert wird. Dadurch ist ein Ablaufen von Nachoxidationsreaktionen am Vorkatalysator verbessert. Eine mögliche Minderung der Aktivität des Vorkatalysators durch Oberflächenbelegung mit langkettigen Kohlenwasserstoffen wird vermieden. Typischerweise erfolgt die Späteinspritzung frühestens in die ausklingende Verbrennung einer Kraftstoffhaupteinspritzung. Bei Durchführung einer Kraftstoffhaupteinspritzung beginnt die Späteinspritzung nach Beendigung der Verbrennung des mit der Haupteinspritzung eingespritzten Kraftstoffs. Bevorzugt erfolgt die Späteinspritzung, mit welcher das Abgas mit brennbaren Bestandteilen angereichert wird, bei Kurbelwinkeln von 30° bis 120°, besonders bevorzugt zwischen 40° und 90° nach dem oberen Totpunkt im Arbeitstakt. Es kann jedoch auch eine Einspritzung im Ausschiebetakt vorgesehen sein. Dabei ist es bevorzugt, den Spritzbeginn in Abhängigkeit von der Drehzahl vorzugeben. Insbesondere bei Durchführung einer Kraftstoffhaupteinspritzung wird der Spritzbeginn der Späteinspritzung mit zunehmender Drehzahl zu zunehmenden Kurbelwinkelgraden verlegt. Neben der nicht brennenden Späteinspritzung können außerdem eine oder mehrere Voreinspritzungen sowie eine insbesondere an die Haupteinspritzung angelagerte, frühe Nacheinspritzung vorgesehen sein.
Obschon die Brennstoffzugabevorrichtung zur Zugabe eines gasförmigen Brennstoffs wie Methan, Wasserstoff oder eines von einem bevorzugt separat vorzusehenden Reformer bereitgestellten Reformats ausgelegt sein kann, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass als Brennstoff ein zum Betrieb der Brennkraftmaschine eingesetzter Flüssigkraftstoff verwendet wird. Dieser wird mittels eines Injektors oder einer Düse bevorzugt mengenmäßig und zeitgesteuert regulierbar dem Abgas zugegeben. Damit entfällt eine Bevorratung bzw. Erzeugung eines weiteren Brennstoffs. Insbesondere ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass als Brennstoff ein zum Betrieb der Brennkraftmaschine eingesetzter Flüssigkraftstoff verwendet wird. Da die Erfindung bevorzugt bei als Dieselmotoren ausgebildeten Brennkraftmaschinen eingesetzt wird, ist insbesondere vorgesehen, dass von der Brennstoffzugabevorrichtung Dieselkraftstoff fein verteilt dem Abgas zugegeben wird. Obschon eine teilweise Aufbereitung des Flüssigkraftstoffs, beispielsweise durch Vorverdampfung, vor der Zugabe ins Abgas vorgesehen sein kann, ist es bevorzugt, wenn der Flüssigkraftstoff wenigstens annähernd vollständig unverändert in seinem ursprünglichen flüssigen Zustand dem Abgas zugegeben wird.
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass eine wenigstens teilweise Verdampfung des von der Brennstoffzugabevorrichtung dem Abgas zugegebenen Flüssigkraftstoffs vor Eintritt in den Hauptkatalysator erfolgt. Die wenigstens teilweise Verdampfung des in flüssiger Form dem Abgas zugegebenen Brennstoffs kann dabei durch eine Mischeinrichtung in der Abgasleitung und/oder durch eine ausreichend große Verweilzeit des zugegebenen Brennstoffs im Abgas verstärkt werden. Bevorzugt werden die Brennstoffzugabevorrichtung und der stromabwärtige Teil der Abgasführung so ausgelegt, dass wenigstens 50%, bevorzugt mehr als 70% des in flüssiger Form dem Abgas zugegeben Kraftstoffs vor Eintritt in den Hauptkatalysator im Abgas verdampft.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die am Vorkatalysator freigesetzte zweite Wärmemenge mindestens etwa der Wärmemenge entspricht, die zur wenigstens teilweisen Verdampfung des durch die Brennstoffzugabevorrichtung dem Abgas zugegebenen Flüssigkraftstoffs benötigt wird. Damit ist sichergestellt, dass die wenigstens teilweise Verdampfung des zugebenen Flüssigkraftstoffs im Abgas keine oder zumindest keine wesentliche Abgastemperaturabsenkung zur Folge hat.
Bevorzugt ist es, dass die am Vorkatalysator freigesetzte zweite Wärmemenge die Wärmemenge, die zur wenigstens teilweisen Verdampfung des durch die Brennstoffzugabevorrichtung dem Abgas zugegebenen Flüssigkraftstoffs benötigt wird, überkompensiert. Insbesondere ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die zweite Wärmemenge ausreicht, um die Abgastemperatur auslassseitig des Vorkatalysators um wenigstens 50 K im Vergleich zur Abgastemperatur einlassseitig des Vorkatalysators zu erhöhen. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn auch einlassseitig des Hauptkatalysators eine Abgastemperaturerhöhung um wenigstens 50 K im Vergleich zur Abgastemperatur einlassseitig des Vorkatalysators vorhanden ist. Dadurch ist ein besonders rasches Anspringen der katalytischen Oxidationswirkung des Hauptkatalysators ermöglicht.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die erste Wärmemenge ausreicht, um die Abgastemperatur auslassseitig des Hauptkatalysators um wenigstens 200 K im Vergleich zur Abgastemperatur einlassseitig des Hauptkatalysators zu erhöhen. Hierzu wird eine ausreichend große Menge an Brennstoff zwischen dem Vorkatalysator und dem Hauptkatalysator dem Abgas zugegeben. Insbesondere ist es in weiterer Ausgestaltung vorgesehen, dass die erste und/oder die zweite Wärmemenge ausreichen, um das Abgas auslassseitig des Hauptkatalysators soweit aufzuheizen, dass eine Regeneration des Partikelfilters durch thermischen Rußabbrand erfolgen kann. Typischerweise ist hierfür eine Temperaturanhebung auf etwa 600°C ausreichend.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Brennstoffzugabe und die Kraftstoffspäteinspritzung derart durchgeführt werden, dass ein vorgebbares und von der Außentemperatur und/oder vom Lastpunkt der Brennkraftmaschine abhängiges Verhältnis von erster und zweiter Wärmemenge resultiert. Dadurch kann den aktuellen Temperaturverhältnissen im Abgasstrang in besonders vorteilhafter Weise Rechnung getragen werden. Bei bereits ausreichend aufgewärmtem Vorkatalysator kann beispielsweise die Brennstoffzugabe im Verhältnis zur Späteinspritzmenge und damit die erste Wärmemenge im Verhältnis zur zweiten Wärmemenge angehoben werden, wodurch eine effektivere Aufheizung eines dem Hauptkatalysators nachgeschalteten Partikelfilters ermöglicht ist. Falls infolge einer vergleichsweise großen Brennkraftmaschinenlast die Brennkraftmaschine ohnehin ein vergleichsweise stark erhitztes Abgas liefert, kann die Späteinspritzmenge und somit die zweite Wärmemenge ebenfalls reduziert werden. Bei besonders niedrigen Außentemperaturen von beispielsweise weniger als minus 10°C, ist es hingegen bevorzugt, zunächst eine höhere Späteinspritzmenge zu wählen und somit das Verhältnis von zweiter Wärmemenge zu erster Wärmemenge anzuheben.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die in einem Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine mit der Späteinspritzung eingespritzte Kraftstoffmenge kleiner als 10 mg je Liter Hubraum der Brennkraftmaschine gewählt wird. Dadurch kann eine Gefahr einer Schmierölverdünnung vermieden oder zumindest verringert werden, welche bei höheren Späteinspritzmengen gegeben ist.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass bei einer vorliegenden Anforderung zur Abgasaufheizung und Vorliegen einer einen vorgebbaren ersten Schwellenwert unterschreitenden Abgastemperatur einlassseitig und/oder auslassseitig des Vorkatalysators die Kraftstoffspäteinspritzung aktiviert wird und durch Beginn der Brennstoffzugabe der erste Betriebsmodus aktiviert wird, wenn die Abgastemperatur einlassseitig und/oder auslassseitig des Hauptkatalysators einen vorgebbaren zweiten Schwellenwert überschreitet. Damit ist sichergestellt, dass der erste Betriebsmodus mit Späteinspritzung und gleichzeitiger Brennstoffzugabe zwischen Vorkatalysator und Hauptkatalysator nicht vorzeitig, d. h. vor Erreichen der Anspringtemperatur des Hauptkatalysators erfolgt. Dementsprechend wird der gegenüber dem ersten Schwellenwert vorzugsweise etwas höhere zweite Schwellenwert bevorzugt so vorgegeben, dass er der Anspringtemperatur des Hauptkatalysators etwa entspricht. Dabei kann eine den Alterungszustand des Hauptkatalysators berücksichtigende Anpassung im Lauf der Betriebszeit vorgesehen sein.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass bei aktivem ersten Betriebsmodus bei Überschreiten eines vorgebbaren dritten Schwellenwerts für die Abgastemperatur einlassseitig und/oder auslassseitig des Vorkatalysators mit Beendigung der Späteinspritzung ein Umschalten vom ersten Betriebsmodus zu einem zweiten Betriebsmodus erfolgt, wobei im zweiten Betriebsmodus die Brennstoffzugabe ins Abgas durch die Brennstoffzugabevorrichtung weitergeführt wird. Der erste Betriebsmodus mit gleichzeitiger Späteinspritzung und Brennstoffzugabe wird somit nur solange aufrechterhalten, bis die Abgastemperatur einlassseitig und/oder auslassseitig des Vorkatalysators den dritten Schwellenwert überschritten hat. Damit wird eine weitere Abgasaufheizung durch Nachoxidation nur noch durch den Hauptkatalysator geleistet. Dadurch wird einer thermischen Überlastung des Vorkatalysators vorgebeugt und die Effektivität des in Bezug auf Exothermieerzeugung leistungsfähigeren Hauptkatalysator vorteilhaft ausgenutzt.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Brennkraftmaschine überwiegend derart betrieben, dass das von der Brennkraftmaschine abgegebene Abgas ein NOx/PM-Verhältnis von mehr als 20, insbesondere von mehr als 40 aufweist. Unter NOx/PM-Verhältnis ist dabei ein Masseverhältnis des von der Brennkraftmaschine emittierten NOx, berechnet als NO, zu der emittierten Partikelmasse (PM = particulate matter) zu verstehen. Die erfindungsgemäße Einstellung des NOx/PM-Verhältnisses von mehr als 20 bzw. 40 wird dabei vor allem beim normalen Betrieb, d. h. bei inaktiver Abgasaufheizung vorgenommen. Infolge des NOx-reichen Brennkraftmaschinenbetriebs ist die Häufigkeit von Partikelfilterregenerationen durch thermischen Rußabbrand verringert, da von der Brennkraftmaschine emittiertes NO am Vorkatalysator und/oder am Hauptkatalysator zu NO₂ oxidiert wird und dieses eine Rußoxidation bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen ermöglicht.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auch gelöst durch eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasnachbehandlungssystem, welches einen als Oxidationskatalysator ausgeführten Vorkatalysator, einen dem Vorkatalysator in Abgasströmungsrichtung nachgeschalteten und als Oxidationskatalysator ausgeführten Hauptkatalysator, einen dem Hauptkatalysator in Abgasströmungsrichtung nachgeschalteten Partikelfilter, und eine Brennstoffzugabevorrichtung zur Zugabe eines Brennstoffs in das Abgas zwischen dem Vorkatalysator und dem Hauptkatalysator aufweist, wobei die Brennstoffzugabevorrichtung zur Abgabe eine Sprühnebels von Flüssigkraftstofftröpfchen ausgelegt ist, welche im Mittel einen kleineren Durchmesser als 0,2 mm aufweisen. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Brennstoffzugabevorrichtung Flüssigkraftstofftröpfchen mit im Mittel weniger als 0,1 mm Durchmesser abgeben kann. Infolge dieser Ausführung ist eine effektive Verdampfung von durch die Brennstoffzugabevorrichtung in Form eines Sprühnebels insbesondere zugegebenem Dieselkraftstoff ermöglicht, bevor dieser den Hauptkatalysator erreicht. Dies ermöglicht eine effektive Oxidation des Dieselkraftstoffs am Hauptkatalysator mit entsprechender Wärmefreisetzung und wirksamer Aufheizung des nachgeschalteten Partikelfilters. Die möglichst weitgehende Verdampfung von durch die Brennstoffzugabevorrichtung zugegebenem Dieselkraftstoff vermeidet zudem eine Oberflächenbelegung und gegebenenfalls nachgelagerte Verrußung des Hauptkatalysators.
Für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist vorgesehen, dass zwischen Vorkatalysator und Hauptkatalysator kein weiteres reinigungswirksames Abgasbehandlungselement im Abgasnachbehandlungssystem angeordnet ist. Ferner ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine zur Durchführung von Mehrfacheinspritzungen, insbesondere von Kraftstoffspäteinspritzungen befähigt ist. Ferner ist in Ausgestaltung der Erfindung für die Brennkraftmaschine ein Abgasturbolader mit einer vom Abgas antreibbaren Turbine vorgesehen und der Vorkatalysator ist turbinennah stromabwärts der Turbine angeordnet. Diese Ausführung mit einem geringen Abstand des Vorkatalysators zur Turbine ermöglicht eine rasche Aufwärmung des Vorkatalysators. Vorzugsweise beträgt der Abstand des Vorkatalysators zur Turbine weniger als 400 mm, besonders bevorzugt weniger als 200 mm.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der Hauptkatalysator eine Edelmetallbeladung auf, welche weniger als 40 g/ft³ beträgt und der Vorkatalysator weist eine demgegenüber um wenigstens 50% höhere Edelmetallbeladung auf. Bevorzugt ist die Beschichtung wenigstens des Vorkatalysators als Beschichtung mit geringer oder vernachlässigbarer Sauerstoffspeicherfähigkeit ausgelegt. Die Edelmetallbeladung ist bevorzugt durch die Platinmetalle Platin (Pt), Palladium (Pd) und/oder Rhodium (Rh) gebildet. Dabei kann die Edelmetallbeladung insbesondere des Vorkatalysators auch frei von Rhodium sein. Bevorzugt ist für den Vorkatalysator und/oder den Hauptkatalysator eine Edelmetallbeladung mit einem Pt/Pd-Verhältnis von 10:1 bis 1:1. Besonders bevorzugt ist eine Verhältnis von etwa 3:1. Bevorzugt ist der Vorkatalysator relativ klein im Verhältnis zum Hauptkatalysator ausgelegt. Ausreichend ist es, wenn das Volumen des Vorkatalysators 30% bis 10% des Hauptkatalysatorvolumens beträgt. Auf diese Weise kann mit einem insgesamt vergleichsweise geringen Edelmetalleinsatz eine effektive Aufheizung des Partikelfilters auch bei niedrigen Außentemperaturen erzielt werden. Dabei ermöglicht die erfindungsgemäße Ausführung eine zweistufige Abgasaufheizung, bei welcher durch Nachoxidation von späteingespritztem Kraftstoff am Vorkatalysator eine erste Abgastemperaturerhöhung erfolgen kann. Eine zweite, weitere Abgastemperaturerhöhung erfolgt durch Oxidation des von der Brennstoffzugabevorrichtung zugegebenen Brennstoffs am Hauptkatalysator.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnungen veranschaulicht und werden nachfolgend beschrieben. Dabei sind die vorstehend genannten und nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Merkmalskombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung einer vorteilhaften Ausführungsform eines Systems von Brennkraftmaschine und Abgasnachbehandlungssystem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Die Brennkraftmaschine 1 in der Figur ist bevorzugt als direkteinspritzender 4-Takt-Dieselmotor ausgeführt. Ein zugeordnetes nicht dargestelltes Kraftstoffeinspritzsystem ist vorzugsweise als so genanntes Common-Rail-System mit einstellbarem Raildruck bzw. Kraftstoffeinspritzdruck oder in Form eines Einspritzsystems nach dem Pumpe-Düse- oder Pumpe-Leitung-Düse-Prinzip ausgeführt.
Den Zylindern des Dieselmotors 1 sind jeweils ein Brennraum mit ein oder zwei Einlass- und Auslassventilen, einer Glühkerze und einem Kraftstoffinjektor sowie ein oder mehrere Einlasskanäle für die Verbrennungsluft zugeordnet, was im Einzelnen nicht näher dargestellt ist. Die Kraftstoffinjektoren sind dabei zur Durchführung von Mehrfacheinspritzungen befähigt.
Der Dieselmotor 1 erhält seine Verbrennungsluft über eine Luftzufuhrleitung 3, in der ein nicht dargestellter Luftmassenmesser angeordnet ist. Die Verbrennungsluft wird mittels eines Abgasturboladers 15 verdichtet und einem Ladeluftkühler 16 zur Kühlung zugeführt. Der Abgasturbolader ist dabei vorzugsweise als so genannter VTG-Lader oder als Wastegate-Lader mit einstellbarem Ladedruck ausgeführt.
In den Brennräumen der Zylinder des Dieselmotors 1 erzeugtes Abgas wird über eine Abgasleitung 4 abgeleitet. Dabei kann der Verbrennungsluft über eine Abgasrückführleitung 13 Abgas beigemischt und somit zum Dieselmotor 1 zurückgeführt werden. Der Anteil des rückgeführten Abgases (AGR-Rate) kann über ein AGR-Ventil 14 eingestellt werden. Vorzugsweise sind für den Ladeluftkühler 16 und/oder den AGR-Kühler jeweils eine schaltbare Umgehungsleitung vorgesehen, was in 1 nicht dargestellt ist. Dadurch ist in vorteilhafter Weise eine Beeinflussung der Temperatur der dem Dieselmotor 1 zugeführten Verbrennungsluft ermöglicht. Der vorzugsweise vorgesehene umgehbare AGR-Kühler ermöglicht es, der Verbrennungsluft wahlweise gekühltes oder heißes Abgas zuzumischen. Eine Umgehung des Ladeluftkühlers 16 und/oder des AGR-Kühlers verbessert eine beispielsweise im Zusammenhang mit einem Kaltstart bzw. Warmlauf oder einer Partikelfilterregeneration vorgesehene Abgasaufheizung.
Eine bevorzugte Ausführungsform des dem Dieselmotor 1 zugeordneten Abgasnachbehandlungssystems 2 umfasst in Strömungsrichtung des Abgases gesehen in dieser Reihenfolge einen als Oxidationskatalysator ausgelegten Vorkatalysator 5, einen als Oxidationskatalysator ausgelegten Hauptkatalysator 7, einen Partikelfilter 6, und einen SCR-Katalysator 8. Hauptkatalysator 7 und Partikelfilter 6 sind bevorzugt wie dargestellt mit geringem Abstand zueinander in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet.
Als Partikelfilter 6 kommt vorzugsweise ein so genannter Wallflow-Filter auf SiC-Cordiererit- oder Aluminiumtitanatbasis zum Einsatz. Der Partikelfilter 6 kann jedoch auch als Sintermetallfilter oder als Filtereinheit mit einer offenen Filterstruktur ausgebildet sein. Vorzugsweise ist für den Partikelfilter 6 eine oxidationskatalytische und/oder eine einen Rußabbrand fördernde Beschichtung vorgesehen. Für eine hohe Aufnahmefähigkeit von Ruß- und Aschepartikeln ist ein möglichst großes Volumen von etwa dem 1,5-fachen des Motorenhubraums vorteilhaft. Da die vorgeschalteten Katalysatoren 5, 7 bereits einen gewissen Staudruck bewirken, ist eine hinsichtlich des Abgasgegendrucks optimierte Auslegung des Partikelfilters 6 bevorzugt. Porosität und Größe werden vorzugsweise so festgelegt, dass bei einer Rußbeladung von etwa 5 g/l im überwiegenden Betriebsbereich des Verbrennungsmotors ein Gegendruck von etwa 100 mbar unterschritten wird. Dabei ist eine runde Bauform mit einem Verhältnis von Länge zu Durchmesser (L/D-Verhältnis) im Bereich von 0,8 bis 2,0 bevorzugt. Mit einem L/D-Verhältnis von 1,0 bis 1,3 lässt sich eine besonders unkritische und gleichmäßige Temperaturverteilung bei thermischen Regenerationen erzielen.
Der SCR-Katalysator 8 ist vorzugsweise ein zur Durchführung einer selektiven katalytischen NOx-Reduktionsreaktion mittels Ammoniak geeigneter Katalysator. Es kann sich beispielsweise um einen Vollkatalysator auf V2O5-WO3-Basis oder einen Schichtkatalysator auf Eisen- oder Kupfer-Zeolithbasis oder um einen beschichteten Katalysator mit edelmetallhaltiger Beschichtung handeln.
Der Vorkatalysator 5 ist vorzugsweise relativ klein mit einem Volumen von weniger als 10% des Hubvolumens des Dieselmotors 1 ausgeführt und weist bevorzugt ein Längen-Durchmesserverhältnis von LID < 1,0 und eine niedrige Zelldichte von vorzugsweise etwa 50 cpsi auf. Die Beschichtung des Vorkatalysators 5 ist derart ausgelegt, dass ein Umsatz von Kohlenwasserstoffen bereits bei etwa 200°C in merklichem Umfang erfolgt (Anspringtemperatur). Eine Oxidation von CO bzw. H₂ erfolgt typischerweise bereits ab ca. 180°C in nennenswertem Umfang. Ein washcoat mit geringer oder ohne Sauerstoffspeicherfähigkeit und mit einem Platin-Palladium-Gehalt von etwa 90 g/ft³ bezogen auf das Katalysatorvolumen sowie einem Pt/Pd-Verhältnis von 10:1 hat sich hierfür als besonders geeignet erwiesen.
Der Hauptkatalysator 7 ist bevorzugt für eine hohe Aktivität in Bezug auf eine Oxidation von NO und HC ausgelegt. Daraus resultiert einerseits ein niedriger Kohlenwasserstoff-Schlupf bei einer thermischen Partikelfilterregeneration. Andererseits wird unter normalen Betriebsbedingungen eine hohe NO₂-Erzeugungsrate und somit eine hohe kontinuierliche Ruß-Abbaurate im nachgeschalteten Partikelfilter 6 erzielt. Eine Auslegung für hohe Alterungs- und Temperaturstabilität ist für den Hauptkatalysator 7 ebenfalls bevorzugt. Eine hinsichtlich der genannten Kriterien optimierte Ausführung sieht ein L/D-Verhältnis von etwa 1,5 bis 2,25, eine Zelldichte von 300 cpsi bis 400 cpsi sowie einem Volumen, welches etwa dem 1,1- bis 2,2-fachen des Hubvolumens des Dieselmotors 1 beträgt, vor. Dabei ist eine Beschichtung analog zur Beschichtung des Vorkatalysators 5, allerdings mit einer verminderten Edelmetallbeladung vorgesehen. Ein washcoat mit einem Edelmetall-Gehalt von 40 g/ft³ oder weniger bezogen auf das Katalysatorvolumen und einem Pt/Pd-Verhältnis von 3:1 hat sich als ausreichend erwiesen. Dadurch wird eine erhebliche Einsparung von Edelmetall erzielt, was entsprechende Kostenvorteile mit sich bringt. Eine dadurch auf etwa 250°C erhöhte Anspringtemperatur in Bezug auf Kohlenwasserstoffe bzw. Kraftstoff bedeutet dabei keinen Nachteil, da eine Vorwärmung durch den Vorkatalysator 5 erfolgen kann. Dadurch ist eine Umsatzfähigkeit des Hauptkatalysators 7 verbessert. Eine Sauerstoffspeicherfähigkeit, beispielsweise durch einen Ceroxid-Anteil im washcoat kann für den Hauptkatalysator 7 vorgesehen sein.
Ausgangsseitig des Vorkatalysators 5 ist eine Brennstoffzugabevorrichtung 9 vorgesehen, über welche beispielsweise Dieselkraftstoff als Brennstoff dem Abgas zugeführt werden kann. Infolge exothermer Oxidation von dem Abgas bedarfsgerecht zugeführtem Brennstoff ist eine gezielte und wirksame Aufheizung des Abgases am Hauptkatalysator 7 ermöglicht. Nicht vollständig am Hauptkatalysator 7 umgesetzter Brennstoff kann außerdem im nachgeschalteten Partikelfilter 6 oxidiert werden. Betätigt wird die Brennstoffzugabevorrichtung 9 vorwiegend im Zusammenhang mit einer aktiven Regeneration des Partikelfilters 6 durch thermischen Rußabbrand oder zur Aufheizung eines nachgeschalteten Abgasreinigungsbauteils. Zur Zugabe von Ammoniak oder eines anderen vorzugsweise zur Freisetzung von Ammoniak befähigten Reduktionsmittels zur NOx-Reduktion ist eingangsseitig des SCR-Katalysators 8 eine Reduktionsmittelzugabeeinheit 11 vorgesehen. Vorzugsweise wird wässrige Harnstofflösung als Reduktionsmittel eingesetzt. Die Brennstoffzugabevorrichtung 9 und die Reduktionsmittelzugabeeinheit 11 sind vorzugsweise an in nicht näher dargestellte Dosiersysteme angeschlossen.
Im Abgasnachbehandlungssystem 2 sind verschiedene Temperatur- und Abgassensoren zur Erfassung von Abgas- und Bauteiletemperaturen sowie von Konzentrationen wichtiger Abgasbestandteile vorgesehen. Beispielhaft sind eingangsseitig des Hauptkatalysators 7 ein Temperatursensor 10 sowie ausgangsseitig des SCR-Katalysators 8 ein gegenüber NOx und/oder NH₃ empfindlicher Gassensor 12 vorgesehen. Mittels dieser und gegebenenfalls weiterer Sensoren kann der Betriebszustand des Abgasnachbehandlungssystems 2 ermittelt werden.
Zur Steuerung bzw. Erfassung des Motorbetriebs ist ein elektronisches Motorsteuergerät 17 vorgesehen. Das Motorsteuergerät 17 erhält einerseits Informationen über maßgebliche Zustandsgrößen wie z. B. Drehzahl, Temperaturen, Drücke von den entsprechenden Sensoren bzw. Fühlern und kann andererseits Steuersignale als Einstellgrößen an Aktuatoren wie z. B. an das AGR-Ventil 14 oder an den Abgasturbolader 15 ausgeben. Dies betrifft Betriebs- bzw. Zustandsgrößen auf der Gaszufuhrseite als auch auf der Kraftstoffzufuhrseite. Insbesondere ist das Motorsteuergerät 17 in der Lage, die Kraftstoffinjektoren zur Durchführung von Mehrfacheinspritzungen anzusteuern und gegebenenfalls den Kraftstoffeinspritzdruck bedarfsgerecht einzustellen. Hierfür kann das Motorsteuergerät 17 auf abgespeicherte Kennfelder oder Berechnungsroutinen zurückgreifen.
In analoger Weise ist zur Erfassung und Einstellung von Betriebs- und Zustandsgrößen des Abgasnachbehandlungssystems 2 ein zweites Steuergerät 18 vorgesehen. Das Motorsteuergerät 17 und das zweite Steuergerät 18 sind mittels einer bidirektionalen Datenleitung 19 miteinander verbunden. Auf diese Weise ist ein wechselseitiger Austausch von einem jeweiligen Steuergerät zur Verfügung stehenden Daten ermöglicht.
Nachfolgend wird auf vorteilhafte Einstellungen und Vorgehensweisen beim Betreiben des Dieselmotors 1 und des angeschlossenen Abgasnachbehandlungssystems 2 im Zusammenhang mit einer Abgasaufheizung eingegangen. Ohne Einschränkung der Allgemeinheit wird dabei davon ausgegangen, dass eine Abgasaufheizung zur Einleitung und Durchführung einer thermischen Regeneration des Partikelfilters 6 erfolgt. Aufgrund seiner bestimmungsgemäßen Funktion Rußpartikel zurückzuhalten, ergibt sich mit zunehmender Betriebsdauer eine zunehmende Rußbeladung des Partikelfilters 6 und ein damit einhergehender störender Anstieg seines Strömungswiderstands. Obschon bei üblichen Betriebsbedingungen abgelagerter Ruß durch im Abgas enthaltenes, insbesondere durch den Vorkatalysator 5 und den Hauptkatalysator 7 durch Oxidation erzeugtes NO₂ kontinuierlich Ruß aufoxidiert und entfernt werden kann, ergibt sich in mehr oder weniger regelmäßigen Abständen eine Notwendigkeit zur Partikelfilterregeneration durch thermischen Rußabbrand. Da die erforderlichen hohen Temperaturen von 550°C bis 650°C üblicherweise im normalen Fahrbetrieb nicht erreicht werden, wird hierfür eine entsprechende Erhöhung der Abgastemperatur durch Oxidation von mittels motorischer Späteinspritzung und/oder von durch die Brennstoffzugabevorrichtung 9 ins Abgas abgegebenem Kraftstoff bzw. Brennstoff bei Bedarf veranlasst.
Die Beladung des Partikelfilters 6 mit Ruß bzw. Partikeln wird laufend ermittelt bzw. abgeschätzt, was durch Ermittlung eines Differenzdrucks über eine den Partikelfilter 6 enthaltende Abgasstrecke und/oder über ein Beladungsmodell erfolgen kann. Vorzugsweise ist vorgesehen, Summenwerte für bestimmte, von für die Partikelemission maßgebenden Betriebskenngrößen wie Brennkraftmaschinenbetriebszeit und/oder Fahrzeuglaufstrecke und/oder Kraftstoffverbrauch in Bezug auf eine daraus resultierende Rußbeladung des Partikelfilters 6 zu bewerten. Wird ein vorgebbarer Beladungswert bzw. ein vorgegebener, typischerweise empirisch ermittelter und applizierter Grenzwert einer der maßgebenden Betriebskenngrößen überschritten, so wird dies als eine unzulässig erhöhte Rußbeladung des Partikelfilters 6 gewertet und eine thermische Regeneration, typischerweise mit Abgasaufheizung, angefordert.
In einer nachfolgend als erstem Betriebsmodus bezeichneten Einstellung wird eine zweistufige Abgasaufheizung durchgeführt. Der erste Betriebsmodus wird vorteilhaft insbesondere bei niedrigen Außentemperaturen und damit typischerweise verbundenen relativ niedrigen Temperaturen im Abgasnachbehandlungssystem 2 eingestellt. Im ersten Betriebsmodus erfolgt eine Anhebung der Abgastemperatur am Vorkatalysator 5 um eine erste Temperaturstufe und eine Anhebung der Abgastemperatur am Hauptkatalysator 7 um eine zweite Temperaturstufe. Insgesamt wird dabei die Abgastemperatur auf ca. 600°C oder mehr eingangsseitig des Partikelfilters 6 angehoben, so dass eine Regeneration des Partikelfilters 6 durch thermischen Rußabbrand erfolgen kann.
Zur Realisierung der Abgastemperaturanhebung um die erste Temperaturstufe am Vorkatalysator 5 ist eine Späteinspritzung von Kraftstoff in wenigstens einen Brennraum des Dieselmotors 1 vorgesehen. Bevorzugt werden alle Zylinder des Dieselmotors 1 mit Späteinspritzung betrieben. Dabei werden die Kraftstoffinjektoren so angesteuert, dass im Zugbetrieb des Dieselmotors 1 abgesetzt zu einer zur Erzeugung eines Drehmoments vorgesehenen Haupteinspritzung eine Nacheinspritzung von Kraftstoff erfolgt. Für diese Späteinspritzung wird eine Einspritzmenge von weniger als 10 ml je Liter Hubraum des Dieselmotors eingestellt, wobei die Einspritzmenge so festgelegt wird, dass eine Temperaturerhöhung von wenigstens 50 K am Vorkatalysator 5 ermöglicht ist.
Zur Realisierung der Abgastemperaturanhebung um die zweite Temperaturstufe am Hauptkatalysator 5 ist vorgesehen, dass von der Brennstoffzugabevorrichtung 9 vorliegend Dieselkraftstoff als Brennstoff dem Abgas in Form von Tröpfchen fein verteilt zugegeben wird. Für eine feine Verteilung ist es vorteilhaft, die Brennstoffzugabevorrichtung 9 als Mehrlochinjektor auszubilden, welcher einen Sprühnebel von Dieseltröpfchen mit einem mittleren Durchmesser von 0,2 mm oder weniger abgeben kann. Hierzu ist es vorteilhaft, wenn der Injektor mit einem unter einem erhöhten Druck von vorzugsweise 5 bar bis etwa 100 bar stehenden Dieselkraftstoff versorgt wird. Zusammen mit der Abgastemperaturerhöhung der ersten Stufe am Vorkatalysator 5 wird so erreicht, dass der im wesentlichen in flüssiger Form zugegebene Dieselkraftstoff längs seines Wegs in der Abgasleitung 4 wenigstens teilweise, vorzugsweise größtenteils verdampft, bevor er den Hauptkatalysator erreicht.
Die vom Injektor bzw. der Brennstoffzugabevorrichtung 9 abgegebene Brennstoffmenge wird so eingestellt, dass eine Temperaturerhöhung durch Oxidation des Brennstoffs am Hauptkatalysator resultiert, welche ausreicht, eine Partikelfilterregeneration zu initiieren bzw. aufrechtzuerhalten. In jedem Fall ist vorgesehen, dass ein Überschuss von Sauerstoff eingangsseitig des Partikelfilters 6 vorhanden ist. Bevorzugt wird eine Abgastemperatur von etwa 600°C einlassseitig des Partikelfilters 6 einreguliert. Typischerweise beträgt die Höhe der zweiten Temperaturstufe 200°C bis 300°C. Für eine bedarfsgerechte Mengenregulierung ist es vorgesehen, den Kraftstoffinjektor getaktet zu betreiben. Das entsprechende Öffnungsverhältnis und damit die pro Zeiteinheit abgegebene Brennstoffmenge werden vorzugsweise in Abhängigkeit vom Signal eines ausgangsseitig vom Hauptkatalysator 7 angeordneten Temperaturfühlers eingestellt.
Eine besonders vorteilhafte Vorgehensweise sieht eine Einstellung von Späteinspritzmenge und vom Injektor abgegebener Brennstoffmenge derart vor, dass sich zunächst ein rampenförmiger Anstieg der Hauptkatalysator-Austrittstemperatur auf einen Zielwert für die Partikelfilterregeneration im Bereich zwischen von 525°C bis 625°C ergibt. Vorzugsweise wird eine Temperaturanstiegsgeschwindigkeit von mehr als 1 K/min eingestellt. Besonders bevorzugt ist eine Temperaturanstiegsgeschwindigkeit von etwa 75 K/min. Auf diese Weise wird die Gefahr einer rasch einsetzenden und unkontrollierbar verlaufenden, lawinenartigen Rußabbrandreaktion mit lokal unzulässig überhöhten Spitzentemperaturen und daraus resultierenden Beschädigungen des Partikelfilters 5 vermieden.
Vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, eine sich an die rampenförmige Aufheizphase anschließende Abbrandphase ihrerseits aufzuteilen in zwei, vorzugsweise etwa 6 Phasen mit unterschiedlichen Rußabbrandgeschwindigkeiten bzw. unterschiedlichen Hauptkatalysator-Austrittstemperaturen. In einer ersten Rußabbrandphase wird dabei die Regeneration nach Anstieg der Hauptkatalysator-Austrittstemperatur auf einen ersten Zielwert von etwa 525°C begonnen. Vorzugsweise wird die Temperatur in vorgegebenen oder vorgebbaren Schritten nach Ablauf einer jeweils vorgebbaren Beharrungszeit bis auf einen Endzielwert von vorzugsweise etwa 600°C bis 625°C erhöht. Die Temperaturzielwerte und Beharrungszeiten der jeweiligen Temperaturstufen werden vorzugsweise unter Berücksichtigung des Sauerstoffgehalts des Abgases, des Abgasmassenstroms und gegebenenfalls weiterer die Rußabbrandgeschwindigkeit beeinflussender Größen so gewählt, dass keine unkontrollierbare Reaktion stattfinden kann, aber dennoch ein möglichst guter Abbrand erfolgt. Je nach Größe und Typ des Filters werden Rußabbrandgeschwindigkeiten eingestellt, die einer Abnahme der Rußbeladung um 1 g je Liter Filtervolumen in etwa 0,5 min bis 4 min entsprechen. Vorteilhaft ist es, die Umschaltung von einer Phase zur nächsten zeitgesteuert nach Ablauf einer vorgegebenen oder vorgebbaren Zeitspanne unter Berücksichtigung der genannten Einflussfaktoren vorzunehmen. Die Umschaltung wird vorgenommen, indem Späteinspritzmenge und/oder Brennstoffzugabemenge so eingestellt werden, dass sich eine Erhöhung der Hauptkatalysator-Austrittstemperatur auf den jeweiligen Temperaturzielwert ergibt. Bezüglich der infolge von Oxidation der Späteinspritzmenge bzw. der Brennstoffzugabemenge an Vorkatalysator 5 bzw. Hauptkatalysator 7 freigesetzten Wärmemengen erfolgt eine Einstellung derart, dass die am Vorkatalysator 5 freigesetzte Wärmemenge zumindest dazu ausreicht, die Verdampfungswärme zu kompensieren, welche zur Verdampfung von durch die Brennstoffzugabevorrichtung 9 zugegebenem Dieselkraftstoff benötigt wird. Damit ist sichergestellt, dass die Hauptkatalysator-Eintrittstemperatur zumindest der Vorkatalysator-Austrittstemperatur entspricht.
Eine zweistufige Abgasaufheizung ist vorliegend für den Fall einer niedrigen Abgastemperatur vorgesehen. Bei ausreichend hohen Abgastemperaturen im Bereich der Brennstoffzugabevorrichtung 9 bzw. des Hauptkatalysators 7 kann auf eine Späteinspritzung verzichtet werden. Der Partikelfilter 6 wird dann lediglich durch Exothermierzeugung infolge von Oxidation von durch die Brennstoffzugabevorrichtung dem Abgas zugeführten Brennstoff auf die zum Rußabbrand erforderliche Temperatur aufgeheizt. Es ist daher vorgesehen, Die Späteinspritzung nur dann zu aktivieren, wenn einlassseitig und/oder auslassseitig des Vorkatalysators 5 eine unterhalb eines vorgebbaren ersten Schwellenwerts liegende Abgastemperatur festgestellt wird. Typischerweise wird als erster Schwellenwert eine Temperatur im Bereich zwischen 300°C und 350°C festgelegt.
Es ist außerdem vorgesehen, die Späteinspritzung lediglich in bestimmten Bereichen des Last-Drehzahlkennfelds des Dieselmotors zuzulassen. Vorliegend ist eine Freigabe der Späteinspritzung zur Abgasaufheizung in einem Kennfeldbereich vorgesehen, welcher durch einen Drehzahlbereich von Leerlaufdrehzahl bis 90% der Nenndrehzahl gegeben ist. In Bezug auf den Lastbereich ist der Kennfeldbereich nach unten bevorzugt durch das maximale negative Moment bei Schubbetrieb bzw. Bremsbetrieb begrenzt. Nach oben ist der für eine Späteinspritzung zugelassene Kennfeldbereich vorzugsweise durch eine Gerade begrenzt, welche von einem Mitteldruck von etwa 8 bar bei Leerlaufdrehzahl bis 0 bar beim 90%-Wert der Nenndrehzahl verläuft.
Für die Freigabe einer parallel zur Späteinspritzung erfolgenden Brennstoffzugabe durch die Brennstoffzugabevorrichtung 9 und damit eine Aktivierung des ersten Betriebsmodus wird vorliegend das Überschreiten eines zweiten Schwellenwert für die Abgastemperatur einlassseitig und/oder auslassseitig des Hauptkatalysators 7 abgefragt. Abhängig von der Anspringtemperatur des Hauptkatalysators 7 und damit auch abhängig von seiner Edelmetallbeladung bzw. seinem Alterungszustand wird typischerweise ein zweiter Schwellenwert von ca. 300°C vorgegeben. Vor einer Freigabe der Brennstoffzugabe kann es auch vorgesehen sein, einen Vergleich von Hauptkatalysator-Eintrittstemperatur und Hauptkatalysator-Austrittstemperatur vorzunehmen. Liegt die Hauptkatalysator-Austrittstemperatur mehr als etwa 20°C unter der Hauptkatalysator-Eintrittstemperatur, so wird der Hauptkatalysator 4 als nicht ausreichend durchgewärmt beurteilt und eine Freigabe für die Brennstoffzugabe nicht erteilt, selbst wenn die Hauptkatalysator-Eintrittstemperatur über der Anspringtemperatur des Hauptkatalysators 7 liegt.
Da bei ausreichend hohen Abgastemperaturen im Bereich der Brennstoffzugabevorrichtung 9 bzw. des Hauptkatalysators 7 eine Abgastemperaturerhöhung am Vorkatalysator 5 nicht erforderlich ist, ist es vorgesehen, den aktiven ersten Betriebsmodus durch Deaktivieren der Späteinspritzung zu beenden, wenn einlassseitig und/oder auslassseitig des Vorkatalysators 5 eine oberhalb eines vorgebbaren dritten Schwellenwerts liegende Abgastemperatur festgestellt wird. Damit erfolgt ein Übergang in einen zweiten Betriebsmodus zur Abgasaufheizung, bzw. Partikelfilterregeneration mit lediglich einstufiger Aufheizung am Hauptkatalysator 7. Diese wird durch Weiterführung der Brennstoffzugabe durch die Brennstoffzugabevorrichtung 9 erzielt.
Im Falle einer Regeneration des Partikelfilters 6 wird die Abgasaufheizung beendet, wenn ein vorbestimmtes Endekriterium erfüllt ist. Das Endekriterium kann durch ein die Rußbeladung des Partikelfilters 6 abschätzendes Beladungsmodell oder eine Differenzdruckmessung über dem Partikelfilter 6 ermittelt werden. Im einfachsten Fall wird die Regeneration nach Ablauf einer vorgegebenen oder vorgebbaren Dauer von typischerweise etwa 25 min beendet und die Brennstoffzugabevorrichtung 9 außer Betrieb gesetzt.
Insgesamt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren bzw. eine Brennkraftmaschine zur Verfügung, mit welchen eine besonders effektiv Abgasaufheizung auch und besonders bei sehr niedrigen Außentemperaturen ermöglicht ist. Durch die erfindungsgemäße zweistufige Abgasaufheizung ist beispielsweise eine Partikelfilterregeneration durch Rußabbrand in weiten Kennfeldbereichen sowohl bei niedrigen Lasten als auch bei Schub- bzw. Bremsbetrieb ermöglicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006051790 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines an eine Brennkraftmaschine (1) angeschlossenen Abgasnachbehandlungssystems (2), umfassend – einen als Oxidationskatalysator ausgeführten Vorkatalysator (5), – einen dem Vorkatalysator (5) in Abgasströmungsrichtung nachgeschalteten und als Oxidationskatalysator ausgeführten Hauptkatalysator (7), und – einen dem Hauptkatalysator in Abgasströmungsrichtung nachgeschalteten Partikelfilter (6), wobei in einem ersten Betriebsmodus zur Abgasaufheizung ein Brennstoff von einer Brennstoffzugabevorrichtung (9) zwischen dem Vorkatalysator (5) und dem Hauptkatalysator (7) dem Abgas zugegeben und der von der Brennstoffzugabevorrichtung (9) dem Abgas zugegebene Brennstoff wenigstens teilweise am Hauptkatalysator (7) unter Freisetzung einer ersten Wärmemenge oxidiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Späteinspritzung von Kraftstoff in wenigstens einen Brennraum der Brennkraftmaschine (1) derart durchgeführt wird, dass von der Brennkraftmaschine (1) ein mit brennbaren Bestandteilen angereichertes Abgas mit einem Sauerstoffüberschuss abgegeben wird und dass die im Abgas vorhandenen brennbaren Bestandteile wenigstens teilweise am Vorkatalysator (5) unter Freisetzung einer zweiten Wärmemenge oxidiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Späteinspritzung von Kraftstoff eine insbesondere als Nacheinspritzung ausgebildete, nicht brennende Kraftstoffeinspritzung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoff ein insbesondere zum Betrieb der Brennkraftmaschine (1) eingesetzter Flüssigkraftstoff verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine wenigstens teilweise Verdampfung des von der Brennstoffzugabevorrichtung (9) dem Abgas zugegebenen Flüssigkraftstoffs vor Eintritt in den Hauptkatalysator (7) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die am Vorkatalysator (5) freigesetzte zweite Wärmemenge mindestens etwa der Wärmemenge entspricht, die zur wenigstens teilweisen Verdampfung des durch die Brennstoffzugabevorrichtung (9) dem Abgas zugegebenen Flüssigkraftstoffs benötigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wärmemenge ausreicht, um die Abgastemperatur auslassseitig des Vorkatalysators (5) um wenigstens 50 K im Vergleich zur Abgastemperatur einlassseitig des Vorkatalysators (5) zu erhöhen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wärmemenge ausreicht, um die Abgastemperatur auslassseitig des Hauptkatalysators (7) um wenigstens 200 K im Vergleich zur Abgastemperatur einlassseitig des Hauptkatalysators (7) zu erhöhen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Wärmemenge ausreichen, um das Abgas auslassseitig des Hauptkatalysators (7) soweit aufzuheizen, dass eine Regeneration des Partikelfilters (6) durch thermischen Rußabbrand erfolgen kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzugabe und die Späteinspritzung derart durchgeführt werden, dass ein vorgebbares und von der Außentemperatur und/oder vom Lastpunkt der Brennkraftmaschine (1) abhängiges Verhältnis von erster und zweiter Wärmemenge resultiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die in einem Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine (1) mit der Späteinspritzung eingespritzte Kraftstoffmenge kleiner als 10 mg je Liter Hubraum der Brennkraftmaschine (1) gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer vorliegenden Anforderung zur Abgasaufheizung und Vorliegen einer einen vorgebbaren ersten Schwellenwert unterschreitenden Abgastemperatur einlassseitig und/oder auslassseitig des Vorkatalysators (5) die Kraftstoffnacheinspritzung aktiviert wird und durch Beginn der Brennstoffzugabe der erste Betriebsmodus aktiviert wird, wenn die Abgastemperatur einlassseitig und/oder auslassseitig des Hauptkatalysators (7) einen vorgebbaren zweiten Schwellenwert überschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei aktivem ersten Betriebsmodus bei Überschreiten eines vorgebbaren dritten Schwellenwerts für die Abgastemperatur einlassseitig und/oder auslassseitig des Vorkatalysators (7) mit Beendigung der Späteinspritzung ein Umschalten vom ersten Betriebsmodus zu einem zweiten Betriebsmodus erfolgt, wobei im zweiten Betriebsmodus die Brennstoffzugabe ins Abgas durch die Brennstoffzugabevorrichtung (9) weitergeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) überwiegend derart betrieben wird, dass das von der Brennkraftmaschine (1) abgegebene Abgas ein NOx/PM-Verhältnis von mehr als 20, insbesondere von mehr als 40 aufweist.
Brennkraftmaschine (1) mit Abgasnachbehandlungssystem (2) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Abgasnachbehandlungssystem – einen als Oxidationskatalysator ausgeführten Vorkatalysator (5), – einen dem Vorkatalysator (5) in Abgasströmungsrichtung nachgeschalteten und als Oxidationskatalysator ausgeführten Hauptkatalysator (7), – einen dem Hauptkatalysator in Abgasströmungsrichtung nachgeschalteten Partikelfilter (6), und – eine Brennstoffzugabevorrichtung (9) zur Zugabe eines Brennstoffs in das Abgas zwischen dem Vorkatalysator (5) und dem Hauptkatalysator (7) aufweist dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzugabevorrichtung (9) zur Abgabe eine Sprühnebels von Flüssigkraftstofftröpfchen ausgelegt ist, welche im Mittel einen kleineren Durchmesser als 0,2 mm aufweisen.
Brennkraftmaschine (1) mit Abgasnachbehandlungssystem (2) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abgasturbolader (15) mit einer vom Abgas antreibbaren Turbine vorgesehen ist und der Vorkatalysator (5) turbinennah stromabwärts der Turbine angeordnet ist.
Brennkraftmaschine mit Abgasnachbehandlungssystem (2) nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptkatalysator (7) eine Edelmetallbeladung aufweist, welche weniger als 40 g/ft³ beträgt und der Vorkatalysator (5) eine demgegenüber um wenigstens 50% höhere Edelmetallbeladung aufweist.