DE19918591A1

DE19918591A1 - Verfahren zur Optimierung des Betriebsprozesses einer Kolbenbrennkraftmaschine durch Wassereindüsung

Info

Publication number: DE19918591A1
Application number: DE19918591A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Lueders; Markus Hernier
Original assignee: FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 1999-04-23
Filing date: 1999-04-23
Publication date: 2000-10-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Kolbenbrennkraftmaschine, bei dem während des Betriebs zumindest aus einem Teil des Abgasstromes wenigstens ein Teil des Wassergehaltes mittels einer Trennmembran abgetrennt und zur Minderung des Schadstoffausstoßes zumindest zeitweise dem Betriebsprozeß wieder zugeführt wird.

Description

Beim Betreiben einer Kolbenbrennkraftmaschine kann es für die Optimierung des Betriebsprozesses, insbesondere im Hinblick auf eine Reduzierung der Schadstoffemissionen zweckmäßig sein, dem Betriebsprozeß Wasser zuzufügen. Unter "Betriebs prozeß" im Sinne der vorliegenden Erfindung werden sowohl die chemisch-physikalischen Vorgänge im Brennraum der Kolben brennkraftmaschine als auch die chemisch-physikalischen Vor gänge im Bereich einer der Kolbenbrennkraftmaschine nachge schalteten katalytischen Abgasnachbehandlungseinrichtung ver standen.

Im Rahmen der Reduzierung der Schadstoffemissionen bei spielsweise, stellt die Reduzierung der NO_x-Emission bei Kol benbrennkraftmaschinen, die nach dem Dieselverfahren betrie ben werden, eine hohe Herausforderung dar, da die 3-Wege- Katalysatortechniken, wie sie verwendet werden für Kolben brennkraftmaschinen, die nach dem Ottoverfahren arbeiten, aufgrund des Sauerstoffüberschusses beim Dieselverfahren nicht eingesetzt werden können.

Für diesen Einsatzfall ist eine Möglichkeit der NO_x-Reduzie rung mittels katalytischer Abgasnachbehandlung gegeben über eine selektive katalytische Reduzierung durch die Zugabe von Harnstoff zum Abgas, die sogenannte Harnstoff-SCR. Bei diesem Verfahren wird eine wäßrige Harnstoff-Wasser-Lösung in das Abgas vor einem entsprechenden Katalysator eingedüst. Bei bisher realisierten SCR-Systemen dieser Art wird als Redukti onsmittel eine vorgemischte wäßrige Harnstoff-Wasser-Lösung mit einem Mischungsverhältnis von einem Massenteil Harnstoff auf zwei Massenteilen Wasser eingesetzt. Bei einem Redukti onsmittelverbrauch von etwa 2,9 g Lösung auf 1 g NO_x sind bei dieselmotorisch betriebenen Kolbenbrennkraftmaschinen, wie sie in Personenkraftwagen eingesetzt werden, unter Testbedin gungen etwa 1 g bis 1,5 g Reduktionsmittel je Kilometer Fahr strecke erforderlich. Das bedeutet, daß für eine Fahrstrecke von 15.000 km, also entsprechend einem heute üblichen Inspek tionsintervall, ein Behältervolumen von 15 bis 25 l erforder lich ist. Um nun auch Betriebsweisen mit hohen Anteilen an Hochgeschwindigkeit abzudecken, wären für das genannte Fahr intervall Behälter mit bis zu 40 l Fassungsvermögen erfor derlich. Dies ist sowohl aus Platzgründen wie auch aus Ge wichtsgründen nicht vertretbar.

Obwohl Harnstoff das preiswerteste Reduktionsmittel für die sen Anwendungsfall darstellt, hat man wegen der vorstehend beschriebenen Nachteile versucht, mit anderen, weniger preis günstigen Reduktionsmitteln, beispielsweise Cyanursäure, die se Nachteile zu umgehen. Hierbei wird durch thermische Ein wirkung die Cyanursäure in Dampf umgesetzt und dieser Cyanur säuredampf nach weiterer thermischer Einwirkung in den Ab gastrakt vor dem SCR-Katalysator eingeführt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das es ermöglicht, eine Schadstoffreduzierung beim Betrieb einer Kolbenbrennkraftmaschine zu bewirken und zwar durch die Verwendung von Wasser, wobei die eingangs ge schilderten Nachteile vermieden werden.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Verfah ren zum Betreiben einer Kolbenbrennkraftmaschine, bei dem während des Betriebs zumindest aus einem Teil des Abgasstro mes wenigstens ein Teil des Wassergehaltes mittels einer Trennmembran abgetrennt und zur Minderung des Schadstoffaus stoßes zumindest zeitweise dem Betriebsprozeß wieder zuge führt wird. Überraschend hat sich herausgestellt, daß mit Hilfe der modernen Membrantechnik selbst aus einem Abgasteil strom während des Betriebs der Kolbenbrennkraftmaschine so viel Wasser abgeschieden werden kann, wie für die Schad stoffreduzierung durch Rückführung in den Betriebsprozeß be nötigt wird.

Je nach Betriebsweise kann es zweckmäßig sein, das aus dem Abgas mittels einer Trennmembran und durch Kondensation abge trennte Wasser als Vorrat zu sammeln.

In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß Wasser aus dem Vorrat in die Ansaugluft der Kolbenbrenn kraftmaschine eingeführt wird. Gegenüber der bekannten Was sereinspritzung in den Brennraum hat diese Maßnahme den Vor teil, daß die Düsen nicht der hohen Brennraumtemperatur aus gesetzt sind und daß darüber hinaus die Eindüsung mit nur ge ringem Druck und damit mit entsprechend geringem Energieauf wand erfolgen kann. Die Eindüsung der Wassermengen kann hier bei zentral über eine einzige Düse in den Ansaugtrakt erfol gen oder aber in die Ansaugkrümmer zu den einzelnen Zylindern der Kolbenbrennkraftmaschine erfolgen, wobei dann die Ein spritzdüsen über die üblicherweise vorhandene Motorsteuerung entsprechend dem Arbeitstakt angesteuert werden. Damit ist eine sehr genaue Dosierung und Anpassung an den jeweiligen innermotorischen Betriebsprozeß möglich.

In einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfah rens ist vorgesehen, daß Wasser aus dem Vorrat in einem. Ab gasteilstrom eingedüst wird, der mit der Ansaugluft in die Kolbenbrennkraftmaschine zurückgeführt wird. Der Vorteil hierbei ist, daß die Wasseraufnahme in das zurückgeführte heiße Abgas quantitativ sehr hoch ist, eine schnelle Verdamp fung erfolgt, so daß auch hier keine hohen Anforderung an die Sprühqualität der Düsen gestellt werden muß. Ein weiterer Vorteil ist, daß das zurückgeführte Abgas ohne Wärmetauscher durch die Verdampfungswärme des zugeführten Wassers abgekühlt wird. Damit ergibt sich auf einfache Art und Weise eine in nermotorische Stickoxydreduktion durch die Kombination von Abgasrückführung und Wasserzugabe zum zurückgeführten Abgas. Dies bewirkt bei gleicher Abgasrückführung eine deutliche Steigerung der NO_x-Verminderung im Brennraum der Kolbenbrenn kraftmaschine.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist für ein Verfahren zum Betrieb einer Kolbenbrennkraftmaschine mit ei ner Einrichtung zur katalytischen Nachbehandlung der Abgase vorgesehen, daß in den Wasservorrat in fester Form vorliegen der Harnstoff eindosiert und gelöst wird und daß die Harn stoff-Wasser-Lösung vor der Einrichtung zur katalytischen Nachbehandlung der Abgase in den Abgastrakt eingeführt wird. Diese Verfahrensweise bietet den Vorteil, daß bei der Verwen dung des preiswerten Harnstoffs als Reduktionsmittel das zur Lösung des Harnstoffs erforderliche Wasser nach dem erfin dungsgemäßen Verfahren aus dem Abgas zurückgewonnen wird und so der Harnstoff in fester Form in einer Kartusche mitgeführt werden kann. Der Harnstoff wird der Kartusche entnommen und dosiert dem Wasservorrat zugeführt und in diesem gelöst, so daß für die Abgasnachbehandlung eine Harnstoff-Wasser-Lösung im Vorratsbehälter zur Verfügung steht, die über eine Ein spritzdüse vor dem SCR-Katalysator in den Abgastrakt einge düst werden kann. Die einzudüsende Menge wird über die Motor steuerung aus einem NO_x-Emissionskennfeld und dem erfaßten Luftmassenstrom ermittelt. Ein besonderer Vorteil dieser Ver fahrensweise besteht ferner darin, daß neben der unproblema tischen Lösbarkeit von Harnstoff in Wasser für die Mitführung des Reduktionsmittels Harnstoff im Fahrzeug gegenüber einer vorgemischten Harnstoff-Wasser-Lösung ein geringeres Volumen und damit auch ein geringeres Gewicht benötigt wird.

Während beim Mitführen von Wasser in einem Tank oder beim Mitführen einer vorgemischten Harnstoff-Wasser-Lösung bei Au ßentemperaturen unter etwa -11°C Gefrierprobleme entstehen, mit der Folge, daß für den Vorratsbehälter eine zusätzliche Heizung vorgesehen werden muß, weist die erfindungsgemäße Lö sung den Vorteil auf, daß aus dem Abgas immer nur so viel Wasser zur Verfügung gestellt werden muß, wie für den Be triebsprozeß benötigt wird. Damit kann der Vorratsbehälter klein gehalten werden, dicht am Motor eingebaut werden und dementsprechend selbst schnell erwärmt werden, wobei die Zu fuhr von warmem Wasser unmittelbar nach dem Start erfolgt. Ein weiterer Vorteil dieser Ausgestaltung des erfindungsgemä ßen Verfahrens liegt darin, daß eine deutlich höhere Harn stoffkonzentration in der Harnstoff-Wasser-Lösung erreicht werden kann, so daß ein sehr viel geringeres Flüssigkeitsvo lumen in den Abgastrakt einzuspritzen und zu verdampfen ist.

Die Erfindung wird anhand schematischer Blockschaltbilder nä her erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Verfahren mit Eindüsung von Wasser in den Ansaugtrakt,

Fig. 2 ein Verfahren mit Eindüsung von Wasser in die Abgasrückführung,

Fig. 3 ein Verfahren zur Eindüsung einer on-board erzeug ten Harnstoff-Wasser-Lösung.

In Fig. 1 ist schematisch eine Vier-Zylinder-Kolbenbrenn kraftmaschine 1 dargestellt, die nach dem Dieselverfahren be trieben wird.

Aus dem Abgastrakt 2 wird über eine Bypaßleitung 3 ein Teil- Strom abgezweigt, der durch ein Trennmembransystem 4 hin durchgeführt wird. Im Trennmembransystem 4 bekannter Art wird aus dem Abgas über eine Trennmembran 4.1 zumindest ein Teil des Wassergehaltes abgeschieden und durch Kühlung auskonden siert. Das auskondensierte Wasser wird einem Pufferspeicher bzw. Vorratsbehälter 5 zugeführt. Der so entfeuchtete Abga steilstrom wird über eine Ableitung 6 wieder in den Ab gastrakt 2 zurückgeführt.

Zur innermotorischen Stickoxydreduktion wird aus dem Vorrats behälter 5 mit Hilfe einer Pumpe 7 Wasser abgezogen und über eine Einspritzdüse 8 in den Ansaugkanal 9 der Kolbenbrenn kraftmaschine 1 eingedüst. Mit Hilfe einer Motorsteuerung 10, die auch alle übrigen Betriebsfunktionen der Kolbenbrenn kraftmaschine steuert und/oder regelt, wird entsprechend den Anforderungen des jeweiligen Betriebes durch Ansteuerung der Düse 8 und der Pumpe 7 dosiert Wasser in den Luftansaugkanal 9 eingespritzt.

In der schematischen Darstellung ist hier lediglich die Ein düsung von Wasser an einer Stelle des Luftansaugkanals darge stellt. Es ist aber auch möglich, die Wassereindüsung jeweils in den einzelnen unmittelbar zu den Zylindern führenden Luft ansaugkanälen vorzunehmen, so daß dann jedem Zylinder eine eigene Einspritzdüse zugeordnet ist und dementsprechend ge zielt und im Arbeitstakt der Ansaugluft eines jeden Zylinders eine entsprechend dosierte Flüssigkeitsmenge zugeführt werden kann.

In Fig. 2 ist das Verfahren der innermotorischen Stickoxydre duzierung durch Eindüsen von Wasser in einer anderen Ausge staltung schematisch dargestellt. Die Gewinnung von Wasser aus einem Abgasteilstrom mit Hilfe der Trennmembraneinrich tung 4 sowie das Sammeln des abgeschiedenen Wassers in einem Vorratsbehälter 5 entsprechen dem anhand von Fig. 1 beschrie benen Verfahren.

Die Abwandlung bei dem Verfahren gemäß Fig. 1 besteht darin, daß mit dem Abgastrakt 2 eine Abgasrückführleitung 11 verbun den ist, die in den Ansaugtrakt 9 einmündet, wobei über die Motorsteuerung 10 und ein in der Abgasrückführleitung 11 an geordnetes Ventil 12 entsprechend den Anforderungen des Mo torbetriebes eine dosierte Abgasmenge dem Ansaugtrakt 9 zuge führt wird.

Bei dieser Verfahrensweise wird aus dem Vorratsbehälter 5 über die Pumpe 7 und die Einspritzdüse 8 das erforderliche Wasser in die Abgasrückführleitung 11 eingespritzt, so daß das Wasser zum einen die rückgeführte Abgasmenge kühlt und zum anderen die Wassermenge schnell verdampft.

Sofern kein ausreichendes Temperaturgefälle für die Kühlung des Trennmembransystems zur Verfügung steht oder wenn, wie beim Verfahren gem. Fig. 1 oder Fig. 2 das in den Betrieb sprozeß einzuführende Wasser nicht in flüssiger Form benötigt wird, dann kann der Vorratsbehälter 5 entfallen. Die Pumpe 7 ist dann nicht als Pumpe zur Förderung von Flüssigkeiten son dern zur Förderung von Gasen auszubilden, so daß saugseitig der für die Funktion der Trennmembraneinrichtung erforderli che Unterdruck auf der Wasserdampfseite der Trennmembran 4.1 zur Verfügung steht. In diesem Fall kann das benötigte Wasser schon in Dampfform dem Betriebsprozeß zugeführt werden. Die Zuführung in Dampfform ist zumindest für das Verfahren gem. Fig. 1 zweckmäßig, da bei einer Zuführung in flüssiger Form in den Luftansaug für eine gute Zerstäubung gesorgt werden muß, die bei einer Einführung in das heiße Abgas wegen der durch Temperatureinwirkung erfolgende schnelle Verdampfung nicht so kritisch ist.

In Fig. 3 ist eine weitere Verfahrensvariante dargestellt. Bei dieser Verfahrensvariante ist der Abgastrakt 2 der Kol- benbrennkraftmaschine 1 mit einem SCR-Katalysator 13 verbun den. Wie vorstehend beschrieben, wird aus dem Abgastrakt 2 über die Zweigleitung 3 ein Abgasteilstrom abgezogen und in der Trennmembraneinrichtung 4 Wasser aus dem Abgasteilstrom abgetrennt, auskondensiert und im Vorratsbehälter 5 gesam melt. Bei dieser Ausführungsform wird aus dem Vorratsbehälter 5 mit Hilfe der Pumpe 7 und der Einspritzdüse 8 Flüssigkeit in den Abgastrakt 2 vor dem SCR-Katalysator 13 kontrolliert eingedüst.

Über eine Dosier- und Mischeinrichtung 14 wird in fester Form vorliegender Harnstoff, beispielsweise in Form eines Granula tes vorliegender Harnstoff, aus einer Vorratskartusche 15 ab gezogen und in den Behälter 5 eindosiert. Der Harnstoff löst sich hierbei in dem von der Trennmembraneinrichtung 4 in den Behälter 5 eingeführten Wasser auf, so daß eine Harnstoff- Wasser-Lösung entsteht. Die Zudosierung der Harnstoffmenge und damit die Bestimmung der Harnstoffkonzentration im Behäl ter 5 kann über eine Messung der Leitfähigkeit und/oder eine Messung (Signallinie 17) der Flüssigkeitstemperatur im Behäl ter 5 bewirkt werden.

Die Zudosierung der Harnstoff-Wasser-Lösung in den Abgastrakt 2 erfolgt wiederum über Motorsteuerung.

Insbesondere bei dem Verfahren gem. Fig. 3 ist die einzu spritzende Flüssigkeitsmenge über ein in der Motorsteuerung 10 abgelegtes NO_x-Emissionskennfeld und über den mit einer hier nur schematisch dargestellten Sensorik 16 im Luftansaug erfaßten Luftmassenstrom zu bestimmen, da sonst der Wirkungs grad des SCR-Katalysators zu niedrig wäre oder ein NH₃-Schlupf zu befürchten ist.

Bei dem Verfahren gem. Fig. 1 oder 2 genügt es, möglichst viel Wasser einzudüsen, zumal die Abscheiderate der Trennmem braneinrichtung ohnehin begrenzt ist.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben einer Kolbenbrennkraftmaschine, bei dem während des Betriebs zumindest aus einem Teil des Ab gasstromes wenigstens ein Teil des Wassergehaltes mittels ei ner Trennmembran abgetrennt und zur Minderung des Schad stoffausstoßes zumindest zeitweise dem Betriebsprozeß wieder zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das abgetrennte Wasser als Vorrat gesammelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Wasser in die Ansaugluft der Kolbenbrennkraftmaschine eingeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Wasser in einen Abgasteilstrom eingeführt wird, der mit der Ansaugluft in die Kolbenbrennkraftmaschine zurückgeführt wird.

5. Verfahren zum Betreiben einer Kolbenbrennkraftmaschine mit einer Einrichtung zur katalytischen Nachbehandlung der Abgase nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Wasservorrat in fester Form vorliegender Harnstoff eindosiert und aufgelöst wird und daß die Harnstoff-Wasser-Lösung vor der Einrichtung zur katalytischen Nachbehandlung in den Ab gasstrom eingeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Harnstoffkonzentration der einzuführenden Harnstoff-Wasser- Lösung in Abhängigkeit von vorgegebenen elektrischen Leitfä higkeitswerten und/oder einem vorgegebenen Wert der Mischtem peratur in einem Mischbehälter bestimmt wird.