DE19749400A1 - Verfahren zur Verringerung des NOX-Gehaltes im Abgas einer Dieselbrennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung des NO_x-Gehaltes im Abgas einer Dieselbrennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zur Verringerung des NO_x-Gehaltes im Abgas einer Dieselbrenn­ kraftmaschine ist das sogenannte Selective-Catalytic-Reduc­ tion-Verfahren bekannt. Dabei wird an einer Stelle vor einem Katalysator ein Reduktionsmittel in das Abgas eingespritzt und so im Abgas enthaltenes NO_x zu N₂ reduziert. Als Reduk­ tionsmittel kann Ammoniak verwendet werden, aus Gründen der Handhabbarkeit wird üblicherweise eine wäßrige Lösung von Harnstoff eingesetzt (z. B. DE 44 36 415 A).

Beim Harnstoff SCR-System wird vom Steuergerät der Diesel­ brennkraftmaschine fortlaufend die Sollmenge der Reduktions­ mitteldosierung berechnet. Dazu benötigt das Steuergerät den momentanen Katalysatorwirkungsgrad. Dieser wird aus Betrieb­ sparametern und der Katalysatortemperatur bestimmt. Die Kata­ lysatortemperatur wiederum kann beispielsweise durch eine Mo­ dellrechnung aus der Abgastemperatur und dem Abgasmassenstrom ermittelt werden.

Die Wirksamkeit der Abgasbehandlung hängt von der Kataly­ satortemperatur ab. Fig. 3 zeigt einen typischen Verlauf des Katalysatorwirkungsgrades als Funktion der Katalysatortempe­ ratur. Im Temperaturbereich um 250°C wird der Katalysatorwir­ kungsgrad, mit dem die NO_x-Reduktion erfolgt, maximal und fällt zu niedrigeren Temperaturen hin steil ab. Der Katalysa­ torwirkungsgrad geht bei Temperaturen unterhalb 120°C gegen Null. Bei der Verwendung von wässeriger Harnstofflösung als Reduktionsmittel darf die Dosierung nur erfolgen, wenn die Abgastemperatur für die Zersetzung von Harnstoff zur Bildung des für die katalytische Umwandlung nötigen Ammoniaks hoch genug ist. Die Zersetzung von Harnstoff wird katalytisch un­ terstützt und beginnt bei Temperaturen über 130°C. Niedrigere Temperaturen bedeuten also, daß erstens kein Reduktionsmittel dosiert werden kann und zweitens der Katalysator wirkungslos ist.

Die katalytische Abgasbehandlung bei einer Dieselbrennkraft­ maschine, speziell zur NO_x-Reduktion, ist unmittelbar nach dem Kaltstart unwirksam. Erst mit steigender Abgastemperatur setzt die katalytische Reaktion ein. Im Schubbetrieb kühlt das Abgas relativ schnell wieder ab, so daß z. B. beim Be­ schleunigen eines Fahrzeuges nach Gefällstrecken die kataly­ tische NO_x-Reduktion nahezu unwirksam ist, was einen uner­ wünscht hohen NO_x-Ausstoß zur Folge hat.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfah­ ren zur Verringerung des NO_x-Gehaltes im Abgas einer Diesel­ brennkraftmaschine mit Abgasnachbehandlung nach dem SCR- Prinzip anzugeben, das bei zu niedrigen Katalysatortemperatu­ ren den Katalysatorwirkungsgrad schneller erhöht.

Die genannte Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentan­ spruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Aus Motordaten, wie Luftmasse, Betriebstemperatur oder Last wird der Katalysatorwirkungsgrad berechnet. Beim SCR-Prinzip sind diese Berechnungen zur Reduktionsmittelzuführung erfor­ derlich. Unter Berücksichtigung dieses Katalysatorwirkungs­ grades kann durch Eingriff in die Steuerungsparameter, insbe­ sondere Einspritzbeginn, Einspritzverlauf, Abgasrückführrate oder Ventilsteuerung, der NO_x-Ausstoß zu Lasten der Ver­ brauchsminimierung reduziert werden. Durch den Eingriff in die Steuerungsparameter wird zum einen der NO_x-Gehalt im un­ behandelten Abgas verringert und zum anderen durch die Redu­ zierung des Wirkungsgrades der Dieselbrennkraftmaschine die Abgastemperatur schneller erhöht, was wiederum den Katalysa­ torwirkungsgrad steigert. Der geringere Wirkungsgrad bei kal­ ter Brennkraftmaschine kann akzeptiert werden, da aus Kom­ fortgründen ohnehin Maßnahmen für eine schnelle Erwärmung der Brennkraftmaschine gefordert werden.

Bei Otto-Motoren ist es aus "Bewertung der stöchiometrischen Benzindirekteinspritzer-Motorentechnologie", AVL-Tagung Motor und Umwelt, 1997, S. 106 f. bekannt, den Einspritzzeitpunkt auf Kosten von Kraftstoffmehrverbrauch zu verzögern, um die Stickoxidemissionen zu reduzieren.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Die Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Dieselbrenn­ kraftmaschine mit katalytischer Nachbehandlung des Abgases nach dem SCR-Prinzip,

Fig. 2 ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf der Katalysatortemperatur bei einem Testfahrzeug, das einen bestimmten Geschwindigkeitsverlauf durch­ fährt und

Fig. 3 einen Verlauf des Katalysatorwirkungsgrades als Funktion der Katalysatortemperatur.

In Fig. 1 ist eine Dieselbrennkraftmaschine 3 dargestellt. Die Dieselbrennkraftmaschine 3 weist einen Ansaugtrakt 9, ei­ ne Einspritzanlage 2 und einem Abgastrakt 4 auf. Im Ab­ gastrakt 4 ist ein Katalysator 8, der nach dem SCR-Prinzip arbeitet, angeordnet. Diesem Katalysator 8 ist eine Dosier­ einrichtung, bestehend aus einer Reduktionsmittelzufuhr 5 und einem Dosierventil 6, vorgelagert. Aus der Reduktionsmittel­ zufuhr 5 wird über das Dosierventil 6 Harnstoff als Re­ duktionsmittel in das Abgas stromauf des Katalysators 8 ein­ gespritzt. Das Dosierventil 6 wird über nicht näher bezeich­ nete Leitungen von einem Steuergerät 1 angesteuert. Zur Über­ wachung und Steuerung der Reduktionsmitteldosierung ist ein Sensor 7 vorgesehen, der die Verdampfungswärme des einge­ spritzten Reduktionsmittels mißt. Das Steuergerät 1 der Die­ selbrennkraftmaschine 3 steuert über nicht bezeichnete Lei­ tungen die Einspritzanlage 2. Weiter verfügt die Dieselbrenn­ kraftmaschine 3 über ein System zur Abgasrückführung sowie eine Abschaltung der Kraftstoffzufuhr im Schubbetrieb (nicht dargestellt).

Das Steuergerät 1 bestimmt den Katalysatorwirkungsgrad und den NO_x-Gehalt im unbehandelten Abgas der Dieselbrennkraftma­ schine 3 wie folgt:

• - Einem Kennfeld wird abhängig von Abgastemperatur und Ab­ gasmenge vor dem Katalysator der Katalysatorwirkungsgrad ent­ nommen. Dazu wird die Abgasmenge aus der Ansaugluftmasse be­ stimmt; sie kann aber auch aus Drehzahl, Ansaugdruck bzw. La­ dedruck und Kraftstoffmasse ermittelt werden.
• - Ein weiteres Kennfeld liefert den NO_x-Gehalt im unbehan­ delten Abgas.

Ausgehend von diesen Werten ergreift das Steuergerät bei zu hohem NO_x-Ausstoß zwei Maßnahmen:

• - Durch Eingriff in die Steuerungsparameter für Einspritz­ beginn, Abgasrückführrate, Schubabschaltung, Leerlaufdreh­ zahl, usw. wird der NO_x-Gehalt im unbehandelten Abgas an den momentanen Katalysatorwirkungsgrad angepaßt, d. h. trotz ein­ geschränkter oder fehlender NO_x-Reduktion wird eine überhöh­ ter Schadstoffausstoß vermieden. Einzeln oder als Kombination kann der Einspritzbeginn verzögert, die Abgasrückführrate er­ höht, die Schubabschaltung deaktiviert oder die Leerlaufdreh­ zahl angehoben werden.
• - Durch Veränderung der Steuerungsparameter wird die Abga­ stemperatur z. B. durch verzögertem Einspritzbeginn erhöht, um den Katalysator nach einem Kaltstart möglichst schnell auf Betriebstemperatur zu bringen bzw. ein zu starkes Abkühlen z. B. in Schubphasen zu verhindern.

Die Auswirkung dieser Maßnahmen sind in Fig. 2 veranschau­ licht. Kurve A zeigt den zeitlichen, von einer Prüfvorschrift (MVEG-Testzyklus) vorgegebenen Geschwindigkeitsverlauf, mit dem ein Testfahrzeug nach einem Kaltstart fährt. Kurve B zeigt den zeitlichen Verlauf der Katalysatortemperatur bei einer Abgasnachbehandlung nach dem Stand der Technik. Kurve C zeigt den zeitlichen Verlauf der Katalysatortemperatur beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Verringerung des NO_x- Gehaltes.

Der Geschwindigkeitsverlauf des MVEG-Testzyklus ist wie folgt: Zuerst wird ein für den Stadtverkehr typisches Ge­ schwindigkeitsprofil mit mehrmaligem Beschleunigen, Abbremsen und Stillstand durchfahren. Eine beispielhafte Beschleuni­ gungsphase ist mit b, eine Schubphase mit s bezeichnet. Nach 700 Sekunden wird mit höheren Geschwindigkeiten gefahren.

Kurve B zeigt den Verlauf der Katalysatortemperatur, die wie aus Fig. 3 bekannt mit dem Katalysatorwirkungsgrad verknüpft ist, bei einem Katalysator nach SCR-Prinzip. Es ist deutlich zu sehen, daß in Phasen des Abbremsens bzw. bei Stillstand des Testfahrzeuges die Temperatur abfällt. Das heißt, der Wirkungsgrad der katalytischen Nachbehandlung fällt ebenso, womit eine ansteigender NO_x-Gehalt im behandelten Abgas ein­ hergeht. Die Temperatur, bei der mit der Reduktionsmittelzu­ gabe nach dem SCR-Prinzip begonnen werden kann, wird erst nach 300 Sekunden dauerhaft überschritten.

Kurve C zeigt den Verlauf der Katalysatortemperatur nach ei­ nem Kaltstart beim erfindungsgemäßen Verfahren. Es wurden folgenden Eingriffe in die Steuerungsparameter durchgeführt:

• - In den Beschleunigungsphasen b wurde der Spritzbeginn gegenüber der üblicherweise verbrauchsoptimierten Abstimmung verzögert, was aufgrund der heißeren Abgase die Erwärmung des Katalysators beschleunigt. Dies resultiert in einem steileren Verlauf der Kurve C verglichen mit B. Zusätzlich ergibt sich durch den späteren Einspritzbeginn ein geringerer NO_x-Gehalt im unbehandelten Abgas.
• - In Schubphasen s wird die Schubabschaltung deaktiviert, wodurch die in Kurve A erkennbaren Abkühlphasen vermieden werden und ein höheres Temperaturniveau viel schneller er­ reicht wird.

Schon nach weniger als 180 Sekunden wird mit 120° die Tempe­ ratur überschritten, bei der mit der Reduktionsmittelzugabe nach dem SCR-Prinzip begonnen werden kann.

Die eingeleiteten Maßnahmen haben prinzipiell einen Kraft­ stoffmehrverbrauch zur Folge. Da sie aber nur bei unzurei­ chender Katalysatortemperatur eingeleitet werden, was nur in Betriebsphasen mit geringer Motorlast und nach Kaltstart not­ wendig ist, ist dieser Mehrverbrauch im praktischen Fahrbe­ trieb sehr gering. Da ein schnelleres Aufheizen der Brenn­ kraftmaschine aus Komfortgründen ohnehin erwünscht ist, kann dieser unwesentliche Mehrverbrauch akzeptiert werden.

Claims (7)

1. Verfahren zur Verringerung des NO_x-Gehaltes im Abgas ei­ ner Dieselbrennkraftmaschine, mit einem Katalysator zur kata­ lytischen Nachbehandlung des Abgases nach dem SCR-Prinzip, wobei dem Abgas stromauf des Katalysators ein Reduktionsmit­ tel zugeführt wird, und mit einem Steuergerät, das Steue­ rungsparameter der Dieselbrennkraftmaschine, insbesondere den Einspritzbeginn des Kraftstoffes, die Leerlaufdrehzahl sowie den jeweiligen Katalysatorwirkungsgrad bestimmt und abhängig vom Katalysatorwirkungsgrad den Sollwert für die Reduktions­ mittelzuführung berechnet, dadurch gekennzeichnet, daß bei Unterschreiten eines vorbestimmten Wertes für den Katalysa­ torwirkungsgrad abhängig vom Wert des Katalysatorwirkungsgra­ des vom Steuergerät (1) die Steuerungsparameter der Diesel­ brennkraftmaschine so verändert werden, daß der NO_x-Gehalt im unbehandelten Abgas verringert und die Abgastemperatur erhöht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Unterschreiten des vorbestimmten Wertes der Einspritz­ zeitpunkt des Kraftstoffes verzögert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß bei Unterschreiten des vorbestimmten Wertes die Leerlaufdrehzahl angehoben wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, für eine Dieselbrennkraftmaschine mit Abschaltung der Kraftstoffzufuhr im Schubbetrieb, dadurch gekennzeichnet, daß bei Unterschrei­ ten des vorbestimmten Wertes die Schubabschaltung deaktiviert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, für eine Dieselbrennkraftmaschine mit Abgasrückführung, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei Unterschreiten des vorbestimmten Wertes die Abgasrückführungsrate erhöht wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Katalysatorwirkungsgrad aus Steuerungs­ parametern, insbesondere des Abgasmassenstroms, und der ge­ messenen Abgastemperatur bestimmt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasmassenstrom durch eine Modellrechnung mit Hilfe der Motordrehzahl und dem Ansaugdruck oder Ladedruck ermittelt wird.