DE10357402A1 - Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors und Verbrennungsmotor - Google Patents

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Abstract

Vorgestellt wird ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (10) mit mehreren Brennräumen (12, 14, 16, 18) und einer Abgasreinigungsanlage (20), die einen Ammoniakerzeugungs-Katalysator (22) aufweist, der nur Abgas von wenigstens einem ersten Brennraum (12) aufnimmt, mit den Schritten: Betreiben wenigstens eines zweiten Brennraums (14, 16, 18) mit einem mageren Luft/Kraftstoff-Gemisch; Betreiben des wenigstens einen ersten Brennraums (12) mit einem weniger mageren Verbrennungs-Luft/Kraftstoff-Gemisch; und Erzeugen einer Ammoniak erzeugenden sauerstoffarmen Atmosphäre im Abgas des wenigstens einen ersten Brennraums (12). Das Verfahren zeichnet sich durch eine Drosselung einer Luftzufuhr zu dem wenigstens einen ersten Brennraum (12) und durch ein Erzeugen des Sauerstoffmangels im Abgas des wenigstens einen Brennraums (12) durch nach Verbrennungen erfolgendes Zuführen von Reduktionsmittel zum Abgas des wenigstens einen ersten Brennraums (12) aus. Ferner wird eine Vorrichtung vorgestellt, die ein solches Verfahren ausführt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit mehreren Brennräumen und einer Abgasreinigungsanlage, die einen Ammoniakerzeugungs-Katalysator aufweist, der nur Abgas von wenigstens einem ersten Brennraum aufnimmt, mit den Schritten: Betreiben wenigstens eines zweiten Brennraums mit einem mageren Luft/Kraftstoff-Gemisch, Betreiben des wenigstens einen ersten Brennraums mit einem weniger mageren Verbrennungs-Luft/Kraftstoff-Gemisch, und Erzeugen einer Ammoniak erzeugenden Atmosphäre durch reduzierten Sauerstoffgehalt des Abgases des wenigstens einen ersten Brennraums.
  • Ferner betrifft die Erfindung einen Verbrennungsmotor mit mehreren Brennräumen und einer Abgasreinigungsanlage, die einen Ammoniakerzeugungskatalysator aufweist, der nur Abgas von wenigstens einem ersten Brennraum aufnimmt, mit wenigstens einem zweiten Brennraum, der mit einem mageren Luft/Kraftstoff-Gemisch betrieben wird, wenigstens einem ersten Brennraum, der mit einem weniger mageren Verbrennungs-Luft/Kraftstoff-Gemisch, und mit Mitteln zum Erzeugen eines Sauerstoffmangels im Abgas des wenigstens einen ersten Brennraums.
  • Ein solches Verfahren und ein solcher Verbrennungsmotor sind aus der DE 199 09 933 A1 bekannt. Nach dieser Schrift werden erste Brennräume des Verbrennungsmotors kontinuierlich oder diskontinuierlich mit fettem Luft/Kraftstoff-Gemisch betrieben, so dass in einem nachgeschalteten Ammoniak-Erzeugungskatalysator Ammoniak erzeugt wird. Zweite Brennräume werden kontinuierlich mit magerem Luft/Kraftstoff-Gemisch betrieben und erzeugen damit hohe Stickoxidemissionen. Die Abgase der ersten und der zweiten Brennräume werden stromabwärts des Ammoniak-Erzeugungskatalysators zusammengeführt. In der Gesamtabgasstrecke befindet sich ein SCR-Katalysator (SCR = selective catalytic reduction), in dem das resultierende Ammoniak-Stickoxidgemisch in unschädliche Komponenten wie Stickstoff und Wasser konvertiert wird.
  • Nach der DE 199 09 933 A1 wird das fette Luft/Kraftstoff-Gemisch bereits im Brennraum des Motors durch eine frühe motorische Nacheinspritzung eingestellt. Dies hat den Nachteil, dass der mit der Nacheinspritzung zugemessene Kraftstoff ganz oder teilweise an der Verbrennung teilnimmt und so zu unerwünscht hohen Temperaturen der beteiligten Brennraumwände und Kolben führt, was ungünstig für die Lebensdauer des Verbrennungsmotors ist. Außerdem steigt der Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors relativ stark an, weil der nacheingespritzte Kraftstoff im Verbrennungsmotor mit einem schlechten Wirkungsgrad umgesetzt wird. Eine sehr spät erfolgende motorische Einspritzung des Kraftstoffs hat zwar den Vorteil, dass der so zugeführte Kraftstoff nicht mehr an der Verbrennung teilnimmt, es kann jedoch zu Schmierfilmabrissen im Verbrennungsmotor und damit zu einem Versagen des Verbrennungsmotors kommen. Darüber hinaus ist der Aufwand für die Applikation eines solchen Systems sehr hoch, was sich besonders bei einer großen Fahrzeugvielfalt mit gleichen Verbrennungsmotoren als nachteilig erweist.
  • Aus der JP 04365920 ist eine motorische „On Board"-Ammoniak-Erzeugung bekannt, bei der die Ammoniaksynthese jedoch lediglich in Fettfahrphasen des gesamten Verbrennungsmotors erfolgt. Ein Ansaugluft-seitiges Drosselorgan befindet sich im Luftkanal vor allen Zylindern des Motors. Eine solche Betriebsweise des Verbrennungsmotors führt zu einem sehr hohen Kraftstoffmehrverbrauch, da der gesamte Verbrennungsmotor zeitweise fett betrieben wird. Weiter wird der Fettbetrieb nach der JP 04365920 ausschließlich mit Hilfe des Drosselorgans eingestellt, was insbesondere bei dieselmotorischen Brennverfahren zu unakzeptablen Partikelemissionen, Kohlenmonoxidemissionen und Kohlenwasserstoffemissionen führt.
  • Aus der EP 0796 983 ist eine „On Board"-Ammoniak-Erzeugung bekannt, bei der eine zweite Gruppe von Brennräumen des Verbrennungsmotors kontinuierlich mager betrieben werden und mit Hilfe einer ersten Gruppe von Brennräumen Ammoniak in einem Ammoniak-Erzeugungskatalysator hergestellt wird. Auch diese Schrift zeigt als Option eine Drosselung des Gesamtansaugluftstroms zu sämtlichen Brennräumen des Verbrennungsmotors. Die Abgasstränge der ersten und zweiten Brennraumgruppen werden zusammengeführt und die im Abgas enthaltenen Stickoxide werden in einem SCR-Katalysator mit dem erzeugten Ammoniak reduziert. Der im Ammoniak-Erzeugungskatalysator notwendige fette Zustand wird mit Hilfe externer Maßnahmen eingestellt. Als externe Maßnahme zur Einstellung des Fettbetriebs im Abgas der ersten Gruppe von Brennräumen wird in dieser Schrift eine Brennkammer erwähnt, die in Gestalt eines zusätzlichen fett betriebenen Motors oder eines fett betriebenen separaten Brenners ausgestaltet sein kann.
  • Nachteilig bei diesem Gegenstand ist der zusätzliche hohe technische Aufwand der Aggregate Zusatzmotor oder Brenner. Auch hier stellen sich als Folge der gegebenenfalls erfolgende Drosselung des gesamten Verbrennungsmotors bei dieselmotorischen Brennverfahren Nachteile mit Bezug auf Partikelemissionen, Kohlenmonoxidemissionen und Kohlenwasserstoffemissionen ein. Eine zusätzliche Brennkammer hat den weiteren Nachteil eines erhöhten Kostenaufwandes bei der Umsetzung der Idee sowie erhöhte Betriebskosten (insbesondere ein Kraftstoffmehrverbrauch), weil der verwendete Kraftstoff für den Betrieb der Brennkammer nicht optimal in das Reduktionsmittel Kohlenmonoxid oder/und Kohlenwasserstoffe zur anschließenden notwendigen Oxidation der Substanz im Ammoniak-Erzeugungskatalysator eingesetzt werden kann.
  • Unter den Verbrennungsmotoren bietet der Dieselmotor mit seinen sehr guten Wirkungsgraden, im Vergleich zu Motorkonzepten mit anderen Brennverfahren, derzeit das größte Potenzial zur Minderung der Kohlendioxidemissionen. Bisher konnte man stets mit verbesserten innermotorischen Maßnahmen die geforderten Emissionsgrenzwerte für Dieselfahrzeuge einhalten.
  • Die innermotorische Reduzierung der Schadstoffemissionen unterliegt jedoch gewissen Grenzen. Ein wichtiger Zielkonflikt der dieselmotorischen Emissionsminderung liegt zwischen der Stickoxid- und der Partikelemission. Die Verminderung einer Komponente bewirkt in der Regel eine Erhöhung der anderen Komponente.
  • Aus diesen Gründen müssen neben den motorischen Konzepten weitere Konzepte zur Verbesserung der Abgasqualität eingesetzt werden.
  • Wenn Schadstoffe in Abgasen eines bestehenden Motorkonzepts durch innermotorische Maßnahmen nicht nachhaltig reduziert werden können, besteht mit Abgasnachbehandlungskonzepten die Möglichkeit diese weiter zu reduzieren. So werden die heutigen dieselbetriebenen Pkw mit sogenannten passiven Abgasnachbehandlungssystemen, zum Beispiel mit Oxidationskatalysatoren, zur Verringerung der Kohlenmonoxid- und Kohlenwasserstoffemissionen ausgerüstet.
  • Weitere Konzepte zur Abgasnachbehandlung beinhalten Systeme zur Reduzierung von Partikel- beziehungsweise Stickoxidemissionen.
  • Zur Zeit befinden sich zwei wichtige Verfahren der Abgasnachbehandlung zur Reduzierung der Stickoxide in dieselmotorischen Abgasen in der Entwicklung. Für die Realisierung dieser Konzepte in Großserien sind katalytisch unterstützte Verfahren wie die periodische, katalytische Speicherung von Stickoxiden (Speicherkatalysatoren) sowie die Technologie der selektiven, katalytischen Reduktion (SCR) erfolgversprechend.
  • Wenn Stickoxid von mager betriebenen Motoren emittiert wird, bietet das SCR-Verfahren eine effiziente Methode zur Reduzierung dieser Emissionen. Dabei wirkt Ammoniak zur Reduktion der Stickoxide an geeigneten Katalysatoren.
  • Sowohl die Speicherkatalysatortechnologie, als auch die SCR-Technologie weisen unter individueller Berücksichtigung der einzelnen Fahrzeugklassen (Pkw, leichte Nutzfahrzeuge, schwere Nutzfahrzeuge) im derzeitigen Entwicklungsstadium Schwächen auf.
  • Bei der Speicherkatalysatortechnologie liegen die Schwächen in erster Linie bei der schlechten Umsetzbarkeit in der Serienanwendung. Der intermittierende Mager-/Fettbetrieb ist in derzeitigen Speicherkatalysator-Konzepten aufgrund der Komplexität dieser Technologie in der Großserie schwer umsetzbar.
  • Die im motorischen Kennfeld eingeschränkte NOx-Reduktionsleistung dieser Systeme resultiert im Wesentlichen daraus, dass die Speicherfähigkeit der Speicherkatalysatoren bei hohen Abgastemperaturen stark eingeschränkt ist. Zudem steigt, unter Berücksichtigung der thermischen Belastung des Motors in Fettbetriebsphasen, mit zunehmender Motorlast der Kraftstoffbedarf, welcher für einen Lambda < 1 Zustand (Sauerstoffmangel) im Speicherkatalysator notwendig ist.
  • Schließlich sind die stark edelmetallhaltigen Speicherkatalysatoren sehr schwefelempfindlich und werden mit zunehmendem Schwefelgehalt im Kraftstoff schneller inaktiviert, oder müssen häufiger desulfatisiert werden. Häufige Desulfatisierungen belasten das System aus Motor und Speicherkatalysator jedoch zusätzlich.
  • Der derzeitige Nachteil der SCR-Technologie im Pkw-Einsatz ist die zusätzliche Betankung des Fahrzeugs mit dem notwendigen NOx-Reduktionsmittel.
  • So ist die Kundenakzeptanz zur Betankung eines Pkw mit einem zweiten Betriebsmittel, nämlich dem NOx-Reduktionsmittel äußerst begrenzt. Aus diesem Grund muss in Zukunft sichergestellt werden, dass das jeweilige SCR-System seine NOx-Reduktionsleistung mit einer NOx-Reduktionsmittelfüllung zumindest über Tankintervalle, besser über Serviceintervalle oder der Lebenszeit des Fahrzeugs aufrecht erhält.
  • Eine Alternative zur Umgehung dieser Problematik wäre die Einführung eines Doppeltankstutzens für die gleichzeitige Betankung des Fahrzeugs sowohl mit Kraftstoff, als auch mit NOx-Reduktionsmittel. Die aufzubauende Infrastruktur zur Verteilung des NOx-Reduktionsmittels bei Pkw-Anwendungen ist jedoch sehr kostenintensiv und deshalb nur schwer an jeder Tankstelle umsetzbar. Aus diesem Grund wird in der vorliegenden Erfindung eine „On Board"-Erzeugung von Ammoniak für eine nachfolgende selektive katalytische Reduktion bevorzugt.
    •
  • Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung sowohl in der Angabe eines Verfahrens als auch eines Verbrennungsmotors der jeweils eingangs genannten Art, die jeweils einen durch die Ammoniakerzeugung verursachten Kraftstoffmehrverbrauch und die erwähnten Nachteile mit Bezug auf Partikelemissionen, Kohlenmonoxidemissionen und Kohlenwasserstoffemissionen verringern.
  • Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art durch folgende weitere Schritte gelöst: Drosseln einer Luftzufuhr zu dem wenigstens einen ersten Brennraum so, dass sich in dem wenigstens einen ersten Brennraum ein kleineres Verbrennungs-Luft/Kraftstoff- Verhältnis einstellt als in dem wenigstens einen zweiten Brennraum, und Erzeugen des Sauerstoffmangels im Abgas des wenigstens einen Brennraums durch nach Verbrennungen erfolgendes Zuführen von Reduktionsmittel zum Abgas des wenigstens einen ersten Brennraums.
  • Ferner wird diese Aufgabe bei einem Verbrennungsmotor der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Verbrennungsmotor ein Stellglied aufweist, das eine Luftzufuhr zu dem wenigstens einen ersten Brennraum so drosselt, dass sich in dem wenigsten einen ersten Brennraum ein kleineres Verbrennungs-Luft/Kraftstoffverhältnis einstellt als in dem wenigstens einen zweiten Brennraum, und dass der Verbrennungsmotor ferner ein Reduktionsmittel-Stellglied aufweist, das eine Ammoniak erzeugende Atmosphäre, zum Beispiel durch Sauerstoffmangel, im Abgas des wenigstens einen Brennraums durch nach Verbrennungen erfolgendes Zuführen von Reduktionsmittel zum Abgas des wenigstens einen ersten Brennraums erzeugt.
  • Vorteile der Erfindung
  • Durch diese Merkmale wird die Aufgabe der Erfindung vollkommen gelöst. Insbesondere können die ersten Brennräume kontinuierlich oder diskontinuierlich mit einem definierten Luft/Kraftstoff-Verhältnis betrieben werden, bei dem beteiligte Bauteile nicht überhitzt werden oder auf Grund einer erhöhten Partikelproduktion schneller verschleißen. Dieser Vorteil wird dadurch erzielt, dass das Sauerstoffangebot in dem wenigstens einen ersten Brennraum durch die Drosselung reduziert wird. Dadurch, dass die Drosselung nur auf den wenigstens einen ersten Brennraum wirkt, wird gleichzeitig der Kraftstoffmehrverbrauch beschränkt.
  • Mit Blick auf Ausgestaltungen des Verfahrens ist bevorzugt, dass das Drosseln der Luftzufuhr durch schließendes Ansteuern einer Drosselklappe in einer separaten Luftzuführung zu dem wenigstens einen ersten Brennraum erfolgt.
  • Diese Ausgestaltung erlaubt eine Entkopplung der Drosselung verschiedener Brennräume mit konstruktiv einfach zu realisierenden technischen Maßnahmen.
  • Ferner ist bevorzugt, dass die Drosselung unter Berücksichtigung des Signals eines Lambdasensors im Abgas des wenigstens einen ersten Brennraums, oder unter Berücksichtigung eines Luftmassenstroms und eines Kraftstoffmassenstroms zu dem wenigstens einen ersten Brennraum erfolgt.
  • Als Folge ist eine bedarfsgerechte Drosselung möglich, die sich an dem Sauerstoffbedarf des Ammoniak-Erzeugungskatalysators und der zugemessenen Reduktionsmittelmenge orientiert.
  • Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich durch eine unter Berücksichtigung eines Signals eines stromabwärts des Ammoniak-Erzeugungskatalysators angeordneten Lambdasensors erfolgende Zufuhr von Dieselkraftstoff als Reduktionsmittel aus.
  • Diese Ausgestaltung erlaubt eine bedarfsgerechte Drosselung in einer geschlossenen Schleife. Zu starke oder zu schwache Drosselungen können dadurch wirksam begrenzt werden.
  • Darüber hinaus können drei Betriebszustände im Ammoniak-Erzeugungs-Katalysators in definierter Weise eingestellt werden. Bei Lambda größer wird kein Ammoniak produziert und die vom Motor emittierten Stickoxide passieren den Ammoniak-Erzeugungskatalysator. Wenn Lambda größer oder gleich 1 eingestellt wird, entsteht zwar kein Ammoniak, es werden jedoch die von Motor emittierten Stickoxide nach dem Drei-Wege-Katalysatorprinzip reduziert. Wird Lambda kleiner oder gleich 1 eingestellt, so werden die vom Motor emittierten Stickoxide reduziert und es entsteht Ammoniak.
  • Bevorzugt ist auch, dass eine Stickoxidemission des wenigstens einen ersten Brennraums mit Hilfe eines stromaufwärts des Ammoniak-Erzeugungskatalysators angeordneten Stickoxidsensors und/oder eines Luftmassenmessers, der die in den wenigstens einen ersten Brennraum strömende Luftmasse misst, erfasst wird.
  • Mit dieser Ausgestaltung kann die Menge des erzeugten Ammoniaks quantitativ abgeschätzt werden, da die Stickoxidemissionen des wenigstens einen ersten Brennraums ein Vorprodukt für die Ammoniakerzeugung darstellen.
  • Ferner ist bevorzugt, dass eine Ammoniak-Emission stromabwärts des Ammoniak-Erzeugungskatalysators mit Hilfe eines stromabwärts des Ammoniak-Erzeugungs-Katalysators angeordneten Ammoniaksensors und/oder eines Luftmassenmessers, der die in den wenigstens einen ersten Brennraum strömende Luftmasse misst, und/oder mit Hilfe eines Luftmassenmessers, der die in den wenigstens einen zweiten Brennraum strömende Luftmasse misst, erfasst wird.
  • Bevorzugt ist auch, dass eine Menge einer von dem wenigstens einen zweiten Brennraum emittierten Stickoxide mit Hilfe eines im Abgas des wenigstens einen zweiten Brennraums angeordneten Stickoxidsensors und eines Luftmassenmessers, der die in den wenigstens einen ersten Brennraum strömende Luftmasse misst, und/oder mit Hilfe eines Luftmassenmessers zur Messung des in den wenigstens einen zweiten Brennraum strömenden Luftmasse erfasst wird.
  • Ferner ist bevorzugt, dass eine Stickoxid-Emission stromabwärts eines SCR-Katalysators mit Hilfe eines Stickoxidsensors und optional zusätzlich mit wenigstens einem Luftmassenmesser zur Messung eines in den wenigstens einen ersten Brennraum und den wenigstens einen zweiten Brennraum einströmenden Gesamt-Luftmassenstroms erfasst wird.
  • Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Ammoniak-Emission stromabwärts eines SCR-Katalysators mit Hilfe eines Ammoniaksensors und optional zusätzlich mit wenigstens einem Luftmassenmesser zur Messung eines in den wenigstens einen ersten Brennraum und den wenigstens einen zweiten Brennraum einströmenden Gesamt-Luftmassenstroms erfasst wird.
  • Auch diese Maßnahmen tragen sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination miteinander zu einer bedarfsgerechten Steuerung der Ammoniak-Erzeugung bei. Die genannten Sensoren liefern Signale über relative Anteile und die Einbeziehung von Luftmassenmessungen erlaubt eine Bestimmung absoluter Größen.
  • Mit Blick auf Ausgestaltungen des Verbrennungsmotors ist bevorzugt, dass die Abgasreinigungsanlage ein Volumen aufweist, in dem die Abgase des wenigstens einen ersten Brennraums und des wenigstens einen zweiten Brennraums gemischt werden und dass das Volumen einen SCR-Katalysator sowie einen stromabwärts des SCR-Katalysators angeordneten Oxidations-Katalysator aufweist.
  • Durch die Vermischung wird das heiße Abgas des wenigstens einen ersten Brennraums gekühlt, so dass eine thermische Belastung der nachfolgenden Abgasreinigungskomponenten beschränkt wird. Der Oxidationskatalysator verhindert einen Austritt von Ammoniak (Ammoniakschlupf) aus dem gesamten Abgasreinigungssystem für den Fall, dass die erzeugte Ammoniakmenge den Bedarf des SCR-Katalysators übersteigt.
  • Bevorzugt ist auch, dass die Abgasreinigungsanlage eine bauliche Einheit aus einem Partikelfilter mit SCR-Katalysator aufweist.
  • Durch eine solche Kombination kann mit geringem Einbauplatzbedarf eine hohe Reinigungswirkung mit Blick auf die Partikelemissionen und die NOx-Emissionen erzielt werden. Als bauliche Einheit kommt zum Beispiel ein integrierter Partikelfilter mit einer SCR-Beschichtung in Frage.
  • Ferner ist bevorzugt, dass die Abgasreinigungsanlage einen stromaufwärts des SCR-Katalysators angeordneten Wärmeaustauscher zur Kühlung der Abgase des wenigstens einen ersten Brennraums aufweist.
  • Diese Maßnahme verringert die thermische Belastung nachfolgender Abgasreinigungskomponenten.
  • Bevorzugt ist auch, dass der Wärmeaustauscher als bauliche Einheit mit dem Ammoniak-Erzeugungskatalysator ausgebildet ist.
  • Durch diese Maßnahme wird die Zahl separater Bestandteile des Abgasreinigungssystems und der Einbauraumbedarf verringert.
  • Weiter kann die Turbine eines Abgasturboladers stromabwärts des Ammoniak-Erzeugungs-Katalysators in dem Volumen angeordnet ist, und der Verdichter des Abgasturboladers den gesamten Ansaugluftstrom des Motors verdichtet, oder ein Verdichter des Abgasturboladers einen in den wenigstens einen zweiten Brennraum strömenden Ansaugluftstrom verdichtet.
  • Weiter kann die Turbine des Abgasturboladers stromabwärts des Ammoniak-Erzeugungs-Katalysators im Abgas des wenigstens einen zweiten Brennraums angeordnet sein, wobei ein Verdichter des Abgasturboladers den gesamten Ansaugluftstrom des Motors oder den in den wenigstens einen zweiten Brennraum strömenden Ansaugluftstrom verdichtet.
  • Für den Wirkungsgrad des Motors ist jeweils eine Anordnung der Turbine im Gesamtabgasstrom sowie eine Anordnung des Verdichters im Gesamtstrom der Luftzufuhr bevorzugt. Die anderen Alternativen können aus konstruktiven Gründen Vorteile besitzen.
  • In weiteren Ausgestaltungen erfolgt eine Aufladung des Verbrennungsmotors ohne Abgasturbolader, beispielsweise elektrisch oder mechanisch über eine Koppelung eines Ansaugluftverdichters mit der Kurbelwelle des Motors.
  • Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich durch eine Abgasrückführung aus, die Abgas stromabwärts des Ammoniak-Erzeugungs-Katalysators aus dem Volumen entnimmt und dem in den wenigstens einen zweiten Brennraum strömenden Ansaugluftstrom, oder dem in den wenigstens einen ersten Brennraum strömenden Ansaugluftstrom und dem in den wenigstens einen zweiten Brennraum strömenden Ansaugluftstrom zuführt.
  • Bevorzugt ist auch, dass die Abgasrückführung Abgas des wenigstens einen zweiten Brennraums dem in den wenigsten einen zweiten Brennraum strömenden Ansaugluftstrom zuführt, oder dem in den wenigstens einen ersten Brennraum strömenden Ansaugluftstrom und dem in den wenigstens einen zweiten Brennraum strömenden Gesamt-Ansaugluftstrom zuführt.
  • Ferner ist bevorzugt, dass die Abgasreinigungsanlage individuell steuerbare Strömungsbarrieren (zum Beispiel steuerbare Durchflussquerschnitte wie Ventile) zur Verteilung einer rückgeführten Abgasmenge auf die in den wenigstens einen zweiten Brennraum oder die in den wenigstens eine zweiten Brennraum und den wenigstens einen ersten Brennraum strömenden Ansaugluftstrom aufweist.
  • Diese Ausgestaltungen zeigen, dass sich eine Abgasrückführung mit großem konstruktiven Freiheitsgrad in die vorliegende Erfindung integrieren lässt.
  • Bevorzugt ist auch, dass die Mittel zum Erzeugen eines Sauerstoffmangels im Abgas des wenigstens einen ersten Brennraums ein in den wenigstens einen ersten Brennraum einspritzendes Einspritzventil, und/oder ein im Abgas des wenigstens einen ersten Brennraums angeordnetes separates Dosierventil, und/oder einen zusätzlichen, separaten Brennraum, der mit einem fetten Luft/Kraftstoff-Gemisch betrieben wird, als Reduktionsmittelstellglied aufweisen.
  • Auch diese Ausgestaltungen belegen große konstruktive Freiheitsgrade bei der Realisierung der Erfindung. Obwohl eine Sauerstoffmangelerzeugung bevorzugt mit einem Drosselorgan im Ansaugluftbereich in Verbindung mit einem separaten Dosierventil für Kraftstoff eingestellt werden soll, sind in einigen Betriebspunkten Varianten wie beispielsweise eine späte innermotorische Nacheinspritzung des Kraftstoffs bei diesem Verfahren sinnvoll.
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
    •
  • Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 schematisch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors;
  • 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem in den Ammoniak-Erzeugungskatalysator integrierten Wärmetauscher und verschiedenen Ausgestaltungen von Anordnungen eines Abgasturboladers;
  • 3 verschiedene Anordnungen zur Integration einer Abgasrückführung;
  • 4 ein Ausführungsbeispiel mit einer Sensorik zur Steuerung und Überwachung der Abgasreinigung, und
  • 5 ein Flussdiagramm als Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • 1 zeigt einen Verbrennungsmotor 10 mit mehreren Brennräumen 12, 14, 16, 18 und einer Abgasreinigungsanlage 20, die einen Ammoniakerzeugungskatalysator 22 aufweist. Der Ammoniakerzeugungskatalysator 22 nimmt nur Abgas von wenigstens einem ersten Brennraum 12 auf. Wenigstens ein zweiter Brennraum 14, 16, 18 wird mit einem mageren Luft/Kraftstoff-Gemisch Lambda_1 > 1 betrieben. Der wenigstens eine erste Brennraum 12 wird mit einem weniger mageren Verbrennungs-Luft/Kraftstoff-Gemisch Lambda_2 von beispielsweise Lambda_2 = 1,1 < Lambda_1 betrieben.
  • Als Mittel zum Erzeugen eines Sauerstoffmangels (Lambda_3 < Lambda_2) im Abgas des wenigstens einen ersten Brennraums 12 weist der Verbrennungsmotor 10 ein Stellglied 24 auf, das eine Luftzufuhr zu dem wenigstens einen ersten Brennraum 12 so drosselt, dass sich in dem wenigsten einen ersten Brennraum 12 ein kleineres Verbrennungs-Luft/Kraftstoffverhältnis Lambda einstellt als in dem wenigstens einen zweiten Brennraum 14, 16, 18. Ferner weist der Verbrennungsmotor 10 wenigstens ein Reduktionsmittel-Stellglied 26, 28 auf, das einen Sauerstoffmangel im Abgas des wenigstens einen Brennraums 12 durch nach Verbrennungen erfolgendes Zuführen von Reduktionsmittel, vorzugsweise von Kraftstoff (Otto- oder Dieselkraftstoff), zum Abgas des wenigstens einen ersten Brennraums 12 erzeugt.
  • Das Reduktionsmittelstellglied 26 ist zum Beispiel ein Einspritzventil, das in einen Abgaszweig 30 zwischen dem wenigstens einen ersten Brennraum 12 und dem Ammoniak-Erzeugungskatalysator 22 einspritzt. Alternativ oder ergänzend kann auch ein Einspritzventil, das Kraftstoff in den wenigstens einen Brennraum 12 einspritzt, als Reduktionsmittelstellglied 28 verwendet werden. In diesem Fall wird Kraftstoff nach einer Verbrennung einer Haupteinspritzmenge, die die Leistung bestimmt, zusätzlich in die Restgasfüllung des Brennraums 12 als sehr späte motorinterne Kraftstoffnacheinspritzung eingespritzt. Bevorzugt wird jedoch eine motorexterne Dosierung über das Reduktionsmittelstellglied 26.
  • Im Fall der motorinternen Kraftstoffnacheinspritzung sollte zur Einhaltung der oberen Temperaturgrenzen der Motorbauteile der Einspritzzeitpunkt so gewählt werden, dass der nachträglich eingespritzte Kraftstoff nicht an der motorischen Verbrennung beteiligt ist. Der so eingestellte Sauerstoffmangel kann mit einem Lambdasensor 32 in einem Regelkreis in Kombination mit der zuvor erläuterten Kraftstoffzufuhr überwacht werden.
  • In dem nachgeschalteten, edelmetallhaltigen Ammoniak-Erzeugungskatalysator 22 entsteht Ammoniak aus den vom Verbrennungsmotor 10 emittierten Stickoxiden (NOx) und entweder Kohlenmonoxid (CO), und/oder Kohlenwasserstoffen (HC) nach folgenden chemischen Reaktionen:
    Zunächst entsteht aus Kohlenwasserstoffen und Restsauerstoff Wasserstoff gemäß der Brutto-Reaktion (CH2)n + n O = n CO + n H2 sowie aus CO und Wasser gemäß der Wassergasreaktion CO + H2O = CO2 + H2.
  • Anschließend entsteht aus dem Wasserstoff und Stickoxiden Ammoniak nach dem Beispiel der folgenden Brutto-Reaktionen: NO + 5/2 H2 = NH3 + H2O und NO2 + 7/2 H2 = NH3 + 2 HO.
  • Als Ammoniak-Erzeugungskatalysator 22 kann beispielsweise ein edelmetallhaltiger Oxidationskatalysator, ein Drei-Wege-Katalysator oder ein NOx-Speicherkatalysator verwendet werden.
  • Die Abgasreinigungsanlage 20 weist ein Volumen 34 auf, in dem die Abgase des wenigstens einen ersten Brennraums 12 und des wenigstens einen zweiten Brennraums 14, 16, 18 gemischt werden und in dem ein SCR-Katalysator 36 angeordnet ist. In dem vom durchmischten Abgas durchströmten SCR-Katalysator 36 reagiert das Ammoniak aus dem Ammoniak-Erzeugungs-Katalysator 22 mit Stickoxiden aus dem Abgas des wenigstens einen zweiten Brennraums 14, 16, 18 zu molekularem Stickstoff und Wasser. Dabei ist der SCR-Katalysator 36 in einer Ausgestaltung als bauliche Einheit aus einem Partikelfilter mit SCR-Katalysator oder als integriertes Partikelfilter mit SCR-Beschichtung ausgebildet.
  • Ein Steuergerät 38 steuert die genannten und gegebenenfalls weitere Stellglieder in Abhängigkeit von einer Vielzahl von Eingangssignalgebern, von denen in der 1 ein Lambdasensor 32 und ein Fahrerwunschgeber 40 auch stellvertretend für weitere Geber dargestellt sind.
  • Aufgrund des Fettbetriebs können sich bei diesem Verfahren zur „On Board"-Ammoniak-Erzeugung im Ammoniak-Erzeugungskatalysator 22 hohe Temperaturen einstellen. Als Folge kann es zur Oxidation des Reduktionsmittels kommen. Deshalb kann in bestimmten Betriebssituationen des Motors die Ammoniak-Selektivität bei der Ammoniak-Erzeugung im dafür vorgesehenen Katalysator 22 aufgrund hoher Abgastemperaturen mit der im folgenden beschriebenen Maßnahme gemindert werden. Eine schlechte Ammoniak-Selektivität, beziehungsweise eine schlechte Ammoniak-Ausbeute führt zu einer niedrigen NOx-Umsatzrate im nachgeschalteten SCR Katalysator 36.
  • In 2 ist die optionale Integration eines Wärmetauschers zur Herabsetzung der Abgastemperatur des Abgases in den Ammoniak-Erzeugungskatalysator 22 dargestellt. Dabei wird das heiße Abgas aus dem wenigstens einen ersten Brennraum 12, das den Ammoniak-Erzeugungskatalysator 22 durchströmt, mit dem Abgasstrom des mager betriebenen und deshalb kühleren Abgas des wenigstens einen zweiten Brennraums 14, 16, 18 gekühlt. Auf diese Weise kann insbesondere bei Hochlast-Motorbetriebspunkten, bei denen sich in der Regel eine hohe Abgastemperatur im Ammoniak-Erzeugungskatalysator 22 einstellt, die Ammoniak-Selektivität und damit die Ammoniak-Ausbeute des Prozesses gesteigert werden. Typische Wärmeaustauscher, welche Wärme vom heißen Abgasstrom aus dem Abgasstrang 30 an den kühleren sauerstoffhaltigen Abgasstrom aus einem Abgasstrang 42 und/oder an die Umgebung übertragen, sind beispielsweise Rohrbündel-Wärmeaustauscher, Platten-Wärmeaustauscher oder Rippen-Wärmeaustauscher, die in den Ammoniakerzeugungskatalysator 22 integriert sind.
  • In einer anderen Ausgestaltung kann der Wärmestrom, der durch den wenigstens einen ersten Brennraum 12 erzeugt wird, zusätzlich oder ausschließlich an andere Medien, wie beispielsweise die Umgebungsluft oder das Kühlwasser des Verbrennungsmotors 10 gekoppelt werden.
  • Mit Bezug auf die Integration eines Abgasturboladers 44 in ein Verbrennungsmotorsystem mit Ammoniak-Erzeugungskatalysator 22 bieten sich insgesamt vier Varianten an, die in den 2a, 2b, 2c und 2d dargestellt sind. In der Variante a der 2a wird der Abgasturbolader 44 so angeordnet, dass sich der Ammoniak-Erzeugungs-Katalysator 22 in Strömungsrichtung des Abgases zwischen dem Verbrennungsmotor 10 und der Turbine 46 des Abgasturboladers 44 befindet. In dieser Variante verdichtet der Verdichter 48 des Abgasturboladers 44 den gesamten Ansaugluftstrom des Verbrennungsmotors 10.
  • In der Variante b, die in 2b dargestellt ist, wird der Verdichter 48 des Abgasturboladers 44 so angeordnet, dass er lediglich den Ansaugluftstrom zu dem wenigstens einen zweiten Brennraum 14, 16, 18 verdichtet. Der Ansaugluftstrom für den wenigstens einen ersten Brennraum 12 wird über einen Bypass 50 geführt und daher nicht verdichtet, so dass dieser Motorteil die Ansaugluft frei ansaugt. Als Folge verringert sich die in den Brennraum 12 einströmende Luftmasse, was die zur Absenkung des Lambdawertes benötigte Kraftstoffmenge verringert.
  • Die Variante c nach der 2c ist so ausgestaltet, dass mit Hilfe des Abgasturboladers 44 der gesamte Ansaugluftstrom des Verbrennungsmotors 10 Motors verdichtet wird. Die Energie zum Verdichten dieser Ansaugluft erhält der Verdichter 48 von der Turbine 46 des Abgasturboladers 44, die abgasseitig ausschließlich von dem Abgas des mager betriebenen Motorteils mit dem wenigstens einen zweiten Brennraum 14, 16, 18 durchströmt wird. Die Turbine ist daher in dem Abgasstrang 42 angeordnet, der nur Abgas des wenigstens einen zweiten Brennraums 14, 16, 18 führt.
  • Die vierte Variante d nach der 2d sieht eine Anordnung des Abgasturboladers 44 vor, die diesen nur für den mager betriebenen Motorteil mit dem wenigstens einen zweiten Brennraum 14, 16, 18 nutzt. Der wenigstens erste Brennraum 12 wird dagegen ansaugluftseitig mit einem Luftkanal-Bypass 50, der in Strömungsrichtung der Ansaugluft vor dem Verdichter 48 Luft aus dem Saugrohr entnimmt, versorgt. Der Abgasstrom des wenigstens einen ersten Brennraums wird abgasseitig dem Abgasstrom des wenigstens einen zweiten Brennraums 14, 16, 18 erst stromabwärts der Turbine 46 zugeteilt.
  • In weiteren Ausführungsvarianten erfolgt die Aufladung ohne Abgasturbine, beispielsweise elektrisch oder mechanisch über eine Koppelung der Energie mit der Kurbelwelle des Motors.
  • 3 zeigt vier verschiedene Varianten der Integration einer Abgasrückführung 54. In Varianten a und b nach den 3a und 3b wird Abgas, das in den Ansaugbereich zurückzuführen ist, unmittelbar stromabwärts des Ammoniak-Erzeugungskatalysators 22 entnommen. Bei diesen Varianten gelangt ein Teil des zuvor produzierten Ammoniaks wieder in den Motor und wird während des Verbrennungsvorganges im Verbrennungsmotor 10 wieder zersetzt. Bei der Variante a gelangt das zurückgeführte Abgas über ein erstes Abgasrückführventil 56 sowohl in den wenigstens einen ersten Brennraum 12 als auch über ein zweites Abgasrückführventil 58 in den wenigstens einen zweiten Brennraum 14, 16, 18. Motorteilselektiv können unterschiedliche Abgasmengen in den wenigsten einen ersten Brennraum 12 und den wenigstens einen zweiten Brennraum 14, 16, 18 zurückgeführt werden. So muss neben dem zweiten Abgasrückführventil 58 für die Zuteilung des Abgases in den wenigstens einen zweiten Brennraum 14, 16, 18 noch ein weiteres Abgasrückführventil 56 eingesetzt werden, das getrennt vom Abgasrückführventil 58 angesteuert wird. Optional kann für diese Maßnahme anstelle des ersten Abgasrückführventils 56 auch eine statische Drossel eingesetzt werden. Mit dieser Maßname können die Abgasrückführmengen für den wenigstens einen ersten Brennraum 12 und den wenigstens einen zweiten Brennraum 14, 16, 18 in ein bestimmtes Verhältnis gebracht werden. Die eigentliche Einstellung der Abgasrückführraten erfolgt dabei lediglich mit einem Abgasrückführventil, das dann in einer gemeinsamen Abgasrückführleitung 60 angeordnet ist.
  • Im Vergleich zur Variante a wird bei der Variante b nach der 3b das zum Verbrennungsmotor 10 zurückgeführte Abgas ausschließlich über ein Abgasrückführventil 58 in den mager betriebenen wenigstens einen zweiten Brennraum 14, 16, 18 geleitet. Der wenigstens eine erste Brennraum 12 erhält bei dieser Variante b kein zurückgeführtes Abgas für die Verbrennung des Kraftstoffs.
  • Bei zwei weiteren Varianten c und d, die in den 3c und 3 d dargestellt sind, wird dem Abgasstrang 42 des mager betriebenen wenigstens einen zweiten Brennraums 14, 16, 18 entnommen. Auf diese Weise gelangt das zuvor im Ammoniak-Erzeugungs-Katalysator produzierte Ammoniak nicht wieder in den Verbrennungsmotor 10, sondern ausschließlich in den SCR-Katalysator 36.
  • In der Variante der 3c wird das zurückgeführte Abgas entsprechend der Variante nach 3a auf den wenigstens einen ersten Brennraum 12 und den wenigstens einen zweiten Brennraum 14, 16, 18 verteilt. Dagegen wird das zurückgeführte Abgas in der Variante der 3d entsprechend der Variante nach der 3b lediglich dem mager betriebenen wenigstens einen zweiten Brennraum 14, 16, 18 zur Verfügung gestellt.
  • 4 zeigt einen Überblick über ein Gesamtsystem mit einer ersten Sensorik. Die Überwachung des Prozesses der „On Board"-Ammoniak-Erzeugung kann gesteuert und/oder geregelt erfolgen. Das Luftmengen-Stellglied 24 im Ansaugluftbereich des wenigstens einen ersten Brennraums kann mit Hilfe eines im Steuergerät 38 abgelegten Motorkennfeldes auf einen definierten Lambdawert zwischen Lambda < 1 und einem ungedrosselten Zustand gesteuert oder auch geregelt werden. Bei Verwendung eines geschlossenen Regelkreises kann ein sauerstoffempfindlicher Abgassensor 32, der zwischen dem wenigstens einen ersten Brennraum 12 und dem Ammoniak-Erzeugungskatalysator 22 angeordnet ist, den aktuellen Lambdawert erfassen und mit dem Steuergerät 38 als Regler und zum Beispiel mit einer Drosselklappe als Stellglied 24 einen geschlossenen Regelkreis bilden.
  • Eine weitere Möglichkeit zur Erfassung des aktuellen Lambdawertes ist die Verwendung eines Luftmassenmessers 62 in der Ansaugluftführung 64 des wenigstens einen ersten Brennraums 12 in Kombination mit der vor dem Ammoniak-Erzeugungskatalysator 22 eingespritzten Kraftstoffmenge. Der jeweils aktuelle Lambdawert kann auf diese Weise aus den Luftmassen- und Kraftstoffmassenströmen bestimmt werden und den Lambdasensor 32 ersetzen. Schließlich ist eine Variante der Lambdabestimmung, bei der der Lambdawert mit Hilfe des Signals des Fahrerwunschgebers 40 in Korrelation mit einem Öffnungsgrad des Stellglieds 24, beispielsweise einer Drosselklappenstellurg, ermittelt wird, denkbar.
  • Die Einstellung des Sauerstoffmangels im Ammoniak-Erzeugungskatalysator 22 kann mit Hilfe eines sauerstoffempfindlichen Lambdasensors 66, der stromabwärts des Ammoniak-Erzeugungskatalysators angebracht wird, überwacht und geregelt werden. Mit Hilfe eines solchen Abgassensors 66 können die bereits erwähnten drei Betriebszustände (Lambda < 1, Lambda = 1, Lambda > 1) im Ammoniak-Erzeugungskatalysator 22 eingestellt werden.
  • Die Erfassung der produzierten Ammoniakmenge kann sowohl als Ammoniakanteil des Abgases, als auch als absolut produzierte Ammoniakmenge erfolgen. Für diese Maßnahme ist ein im Steuergerät 38 abgelegtes katalysatorspezifisches Kennfeld erforderlich, in welchem die Ammoniak-Selektivität der Ammoniak-Produktion aus Stickoxiden in Abhängigkeit von der Temperatur und dem Sauerstoffgehalt des Abgases abgelegt ist.
  • Ergänzend zu der unter Bezug auf die 4 erläuterten Vorgehensweise zur Bestimmung der jeweils produzierten Ammoniakmenge kann die Stickoxidkonzentration im Abgas des wenigstens einen ersten Brennraums 12 entweder gemessen oder mit Hilfe eines geeigneten Stickoxid-Kennfeldes ermittelt werden. Ein solches Motorbetriebspunktspezifisches Kennfeld wird in der Regel in Abhängigkeit der Parameter Motorlast und Motordrehzahl im Steuergerät 38 abgelegt. Wird ein Stickoxidsensor 68 eingesetzt, so wird dieser zwischen dem wenigstens einen ersten Brennraum 12 und dem Ammoniak-Erzeugungskatalysator 22 im Abgasstrang 30 angeordnet. Auf diese Weise kann in Kombination mit der jeweils aktuellen Erfassung der Ammoniak-Selektivität des Ammoniak-Erzeugungskatalysators 22 der produzierte Ammoniakanteil ermittelt werden.
  • Der Luftmassenmesser 62 in der Ansaugluftführung 64 lässt auch hier die Ermittlung der absolut produzierten Ammoniakmenge zu.
  • Alternativ oder ergänzend zu der zuvor erläuterten Methode zur Erfassung der Ammoniakkonzentration in Abgas beziehungsweise zur Erfassung der produzierten Ammoniakmenge kann ein Ammoniaksensor 70 zwischen dem Ammoniak-Erzeugungs-Katalysator 22 und dem SCR-Katalysator 36 im Gesamtabgasstrom angeordnet werden. Diese Maßnahme erlaubt eine Funktionskontrolle des Ammoniak-Erzeugungskatalysators 22 im Rahmen einer „On Board"-Diagnose-Fähigkeit.
  • Ein weiterer Stickoxidsensor 72 ist entweder im Abgastrakt 42 des wenigstens einen zweiten Brennraums 14, 16, 18 oder im Gesamtabgasstrom vor dem SCR-Katalysator 36 angeordnet. Da Stickoxidsensoren im allgemeinen querempfindlich auf Ammoniak reagieren, ist die Anordnung eines solchen Stickoxidsensors 72 im Abgastrakt 42 empfehlenswert. Auch bei dieser Anwendung kann die so gemessene Stickoxidkonzentration mit Hilfe eines Luftmassenmessers 74 in eine absolute Größe, nämlich eine emittierte Stickoxidmenge, umgerechnet werden. Für diesen Zweck ist eine Anordnung des Luftmassenmessers 74 im Ansaugbereich des mager betriebenen wenigstens einen zweiten Brennraums 14, 16, 18 erforderlich. Alternativ kann auch jeweils ein Luftmassenmesser 76 im Gesamt-Ansaugluftstrom in Verbindung mit einem der Luftmassenmesser 62, 74 verwendet werden. Die nicht gemessene Luftmasse ergibt sich in diesem Fall durch Differenzbildung.
  • Zur Überwachung der „Tail Pipe"-Emissionen des Gesamtsystems des Verbrennungsmotors 10 am Ende der Abgasreinigungsanlage 20 wird optional ein Stickoxidsensor 78 und/oder ein Ammoniaksensor 80 stromabwärts des SCR-Katalysators 36 an. Diese Sensoren 78, 80 können auch in Kombination als bauliche Einheit realisiert sein.
  • Für eine kombinierte Stickoxid- und Ammoniak-Emissionsüberwachung stromabwärts des SCR-Katalysators 36 können auch Stickoxidsensoren verwendet werden, die querempfindlich auf Ammoniak reagieren. Solche Sensoren sind beispielsweise aus der EP 820 799 bekannt.
  • Weiter optional kann die Abgasreinigungsanlage 20 stromabwärts des SCR-Katalysators 36 einen sogenannten Ammoniaksperr-Katalysator 82 vor einem Stickoxidsensor 78 aufweisen. Dieser edelmetallhaltige Katalysator 82 arbeitet im sauerstoffhaltigen Abgas und wandelt Ammoniak in Gegenwart von Sauerstoff quantitativ in Stickoxid um. Der Vorteil dieser Maßnahme liegt darin, dass ein nachgeschalteter Stickoxidsensor 78 ausreicht, um die NOx-Emission stromabwärts des SCR-Katalysators 36 überwachen zu können. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass ein Ammoniakschlupf auch bei einem nicht auszuschließenden Fehlverhalten des Gesamtsystems vermieden werden kann.
  • Weitere Vorteile der oben erläuterten Anordnungen bestehen in der geringen Komplexität sowie der damit verbundenen Applikationsfreundlichkeit der beteiligten Regelkreise im Hinblick auf vielfältige Motorenkonzepte für die Serienanwendung. Die Regelkreise können sowohl unabhängig voneinander, als auch gekoppelt, beispielsweise mit einer Lambdasonde (anstelle von zwei separaten Sonden) stromabwärts des Ammoniak-Erzeugungskatalysators, aufgebaut werden. Als weitere Option bietet sich der Aufbau einer ausschließlich gesteuerten Stellgröße, zum Beispiel einer Drosselklappe im Luftansaugbereich, und eines geschlossenen Regelkreises für eine späte Kraftstoffeinspritzung mit einer Lambdasonde an.
  • 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Dazu wird in einem Schritt 84 wenigstens ein zweiter Brennraum 14, 16, 18 mit einem mageren Luft/Kraftstoff-Gemisch und wenigstens ein erster Brennraum 12 mit einem weniger mageren Verbrennungs-Luft/Kraftstoff-Gemisch betrieben. In einer Schrittfolge 86, 88 wird ein Sauerstoffmangel im Abgas des wenigstens einen ersten Brennraums 12 und damit im Ammoniak-Erzeugungskatalysator 22 erzeugt. Dabei umfasst der Schritt 86 das Drosseln einer Luftzufuhr zu dem wenigstens einen ersten Brennraum 12 so, dass sich in dem wenigsten einen ersten Brennraum das kleinere Verbrennungs-Luft/Kraftstoffverhältnis einstellt und der Schritt 88 umfasst ein nach Verbrennungen erfolgendes Zuführen von Reduktionsmittel zum Abgas des wenigstens einen ersten Brennraums 12.

Claims (20)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (10) mit mehreren Brennräumen (12, 14, 16, 18) und einer Abgasreinigungsanlage (20), die einen Ammoniakerzeugungs-Katalysator (22) aufweist, der nur Abgas von wenigstens einem ersten Brennraum (12) aufnimmt, mit den Schritten: Betreiben wenigstens eines zweiten Brennraums (14, 16, 18) mit einem mageren Luft/Kraftstoff-Gemisch; Betreiben des wenigstens einen ersten Brennraums (12) mit einem weniger mageren Verbrennungs-Luft/Kraftstoff-Gemisch; und Erzeugen einer Ammoniak erzeugenden sauerstoffarmen Atmosphäre im Abgas des wenigstens einen ersten Brennraums (12); gekennzeichnet durch folgende weitere Schritte: Drosseln einer Luftzufuhr zu dem wenigstens einen ersten Brennraum (12) so, dass sich in dem wenigsten einen ersten Brennraum (12) ein kleineres Verbrennungs-Luft/Kraftstoffverhältnis einstellt als in dem wenigstens einen zweiten Brennraum (14, 16, 18); und Erzeugen der Ammoniak erzeugenden sauerstoffarmen Atmosphäre im Abgas des wenigstens einen Brennraums (12) durch nach Verbrennungen erfolgendes Zuführen von Reduktionsmittel zum Abgas des wenigstens einen ersten Brennraums (12).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Drosseln der Luftzufuhr durch schließendes Ansteuern einer Drosselklappe in einer separaten Luftzuführung (64) zu dem wenigstens einen ersten Brennraum (12) erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselung unter Berücksichtigung des Signals eines Lambdasensors (32) im Abgas des wenigstens einen ersten Brennraums (12), oder unter Berücksichtigung eines Luftmassenstroms und eines Kraftstoffmassenstroms zu dem wenigstens einen ersten Brennraum (12) erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine unter Berücksichtigung eines Signals eines stromabwärts des Ammoniak-Erzeugungskatalysators (22) angeordneten Ammoniaksensors (70) erfolgende Zufuhr von Dieselkraftstoff als Reduktionsmittel.
  5. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stickoxidemission des wenigstens eines ersten Brennraums (12) mit Hilfe eines stromaufwärts des Ammoniak-Erzeugungskatalysators (22) angeordneten Stickoxidsensors (68) und eines Luftmassenmessers (64), der die in den wenigstens einen ersten Brennraum (12) strömende Luftmasse misst, erfasst wird.
  6. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ammoniak-Emission stromabwärts des Ammoniak-Erzeugungskatalysators (22) mit Hilfe eines stromabwärts des Ammoniak-Erzeugungs-Katalysators (22) angeordneten Ammoniaksensors (70) und/oder eines Luftmassenmessers (64), der die in den wenigstens einen ersten Brennraum (12) strömende Luftmasse misst, und/oder mit Hilfe eines Luftmassenmessers (74), der die in den wenigstens einen zweiten Brennraum (14, 16, 18) strömende Luftmasse misst, erfasst wird.
  7. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Menge einer von dem wenigstens einen zweiten Brennraum (14, 16, 18) emittierten Stickoxide mit Hilfe eines im Abgas des wenigstens einen zweiten Brennraums (14, 16, 18) angeordneten Stickoxidsensors (72) und eines Luftmassenmessers (62), der die in den wenigstens einen ersten Brennraum (12) strömende Luftmasse misst, und/oder mit Hilfe eines Luftmassenmessers (74) zur Messung des in den wenigstens einen zweiten Brennraum (14, 16, 18) strömenden Luftmasse erfasst wird.
  8. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stickoxid-Emission stromabwärts eines SCR-Katalysators (36) mit Hilfe eines Stickoxidsensors (78) und optional zusätzlich mit wenigstens einem Luftmassenmesser (62, 74, 76) zur Messung eines in den wenigstens einen ersten Brennraum (12) und den wenigstens einen zweiten Brennraum (14, 16,18) einströmenden Gesamt-Luftmassenstroms erfasst wird.
  9. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ammoniak-Emission stromabwärts eines SCR-Katalysators (36) mit Hilfe eines Ammoniaksensors (80) und optional zusätzlich mit wenigstens einem Luftmassenmesser (62, 74, 76) zur Messung eines in den wenigstens einen ersten Brennraum (12) und den wenigstens einen zweiten Brennraum (14, 16, 18) einströmenden Gesamt-Luftmassenstroms erfasst wird.
  10. Verbrennungsmotor (10) mit mehreren Brennräumen (12, 14, 16, 18) und einer Abgasreinigungsanlage (20), die einen Ammoniakerzeugungs-Katalysator (22) aufweist, der nur Abgas von wenigstens einem ersten Brennraum (12) aufnimmt, mit wenigstens einem zweiten Brennraum (14, 16, 18), der mit einem mageren Luft/Kraftstoff-Gemisch betrieben wird, wobei der wenigstens eine erste Brennraum (12) mit einem weniger mageren Verbrennungs-Luft/Kraftstoff-Gemisch betrieben wird, und mit Mitteln (24, 26, 28) zum Erzeugen eines Sauerstoffmangels im Abgas des wenigstens einen ersten Brennraums (12), dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (24, 26, 28) ein Stellglied (24) aufweisen, das eine Luftzufuhr zu dem wenigstens einen ersten Brennraum (12) so drosselt, dass sich in dem wenigsten einen ersten Brennraum (12) ein kleineres Verbrennungs-Luft/Kraftstoffverhältnis einstellt als in dem wenigstens einen zweiten Brennraum (14, 16, 18), und dass die Mittel (24, 26, 28) ferner ein Reduktionsmittel-Stellglied (26, 28) aufweisen, das einen Sauerstoffmangel im Abgas des wenigstens einen Brennraums (12) durch nach Verbrennungen erfolgendes Zuführen von Reduktionsmittel zum Abgas des wenigstens einen ersten Brennraums (12) erzeugt.
  11. Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasreinigungsanlage (20) ein Volumen (34) aufweist, in dem die Abgase des wenigstens einen ersten Brennraums (12) und des wenigstens einen zweiten Brennraums (14, 16, 18) gemischt werden und dass das Volumen (34) einen SCR-Katalysator (36) sowie einen stromabwärts des SCR-Katalysators (36) angeordneten Oxidations-Katalysator (82) aufweist.
  12. Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasreinigungsanlage (20) eine bauliche Einheit aus einem Partikelfilter mit SCR-Katalysator (36) aufweist.
  13. Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasreinigungsanlage (20) einen stromaufwärts des SCR-Katalysators (36) angeordneten Wärmeaustauscher zur Kühlung der Abgase des wenigstens einen ersten Brennraums (12) aufweist.
  14. Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher als bauliche Einheit mit dem Ammoniak-Erzeugungskatalysator (22) ausgebildet ist.
  15. Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Turbine (46) eines Abgasturboladers (44) stromabwärts des Ammoniak-Erzeugungs-Katalysators (22) in dem Volumen (34) angeordnet ist, und ein Verdichter (48) des Abgasturboladers (44) den gesamten Ansaugluftstrom des Verbrennungsmotors (10) verdichtet, oder ein Verdichter (48) des Abgasturboladers (44) einen in den wenigstens einen zweiten Brennraum (14, 16, 18) strömenden Ansaugluftstrom verdichtet.
  16. Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Turbine (46) eines Abgasturboladers (44), die stromabwärts des Ammoniak-Erzeugungs-Katalysators (22) im Abgas des wenigstens einen zweiten Brennraums (14, 16, 18) angeordnet ist, wobei ein Verdichter (48) des Abgasturboladers (44) den gesamten Ansaugluftstrom des Verbrennungsmotors (10) oder den in den wenigstens einen zweiten Brennraum (14, 16, 18) strömenden Ansaugluftstrom verdichtet.
  17. Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Abgasrückführung (54), die Abgas stromabwärts des Ammoniak-Erzeugungs-Katalysators (22) aus dem Volumen (34) entnimmt und dem in den wenigstens einen zweiten Brennraum (14, 16, 18) strömenden Ansaugluftstrom, oder dem in den wenigstens einen ersten Brennraum (12) strömenden Ansaugluftstrom und dem in den wenigstens einen zweiten Brennraum (14, 16, 18) strömenden Ansaugluftstrom zuführt.
  18. Verbrennungsmotor (10) nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführung (54) Abgas des wenigstens einen zweiten Brennraums (14, 16, 18) dem in den wenigsten einen zweiten Brennraum (14, 16, 18) strömenden Ansaugluftstrom zuführt, oder dem in den wenigstens einen ersten Brennraum (12) strömenden Ansaugluftstrom und dem in den wenigstens einen zweiten Brennraum (14, 16, 18) strömenden Gesamt-Ansaugluftstrom zuführt.
  19. Verbrennungsmotor (10) nach wenigstens einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasreinigungsanlage (20) individuell steuerbare Strömungsbarrieren (56, 58) zur Verteilung einer rückgeführten Abgasmenge auf die in den wenigstens einen zweiten Brennraum (14, 16, 18) oder die in den wenigstens einen ersten Brennraum (12) und den wenigstens einen zweiten Brennraum (14, 16, 18) strömenden Ansaugluftstrom aufweist.
  20. Verbrennungsmotor (10) nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (14, 26, 28) zum Erzeugen einer Ammoniak erzeugenden sauerstoffarmen Atmosphäre im Abgas des wenigstens einen ersten Brennraums (12), ein in den wenigstens einen ersten Brennraum einspritzendes Einspritzventil (28) und/oder ein im Abgas des wenigstens einen ersten Brennraums (12) angeordnetes separates Dosierventil (26), und/oder einen zusätzlichen, separaten Brennraum, der mit einem fetten Luft/Kraftstoff-Gemisch betrieben wird, als Reduktionsmittelstellglied aufweisen.
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