DE102011013183A1

DE102011013183A1 - Lachgasoptimiertes Abgasnachbehandlungssystem einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine und Betriebsverfahren hierfür

Info

Publication number: DE102011013183A1
Application number: DE102011013183A
Authority: DE
Inventors: Dr. Keppeler Berthold
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-03-05
Filing date: 2011-03-05
Publication date: 2012-09-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein lachgasoptimiertes Abgasnachbehandlungssystem (16) einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine (1), umfassend wenigstens eine Abgasnachbehandlungskomponente, an welcher oder durch welche eine Bildung von Lachgas und Abgabe von gebildetem Lachgas an das Abgas erfolgen kann sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Abgasnachbehandlungssystems (16). Für das erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungssystem ist ein Steuergerät vorgesehen, welches dazu ausgelegt ist, einen auf einen Betriebszustand der Brennkraftmaschine (1) und/oder der wenigstens einen Abgasnachbehandlungskomponente einwirkenden und die Bildung von Lachgas beeinflussenden Betriebsparameter zu ermitteln und einzustellen sowie einen Schätzwert für eine aktuelle Lachgasemissionsgröße für mit dem Abgas an die Umgebung abgegebenen Lachgas ermitteln und den Betriebsparameter so zu ändern, dass eine verminderte Lachgasemissionsgröße resultiert. Für das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines solchen Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass zumindest in einem einen Niedriglast und Mittellast umfassenden Lastbereich der Brennkraftmaschine (1) ein Abgasrückführanteil von mehr als 40% eingestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein lachgasoptimiertes Abgasnachbehandlungssystem einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine, umfassend wenigstens eine Abgasnachbehandlungskomponente, an welcher oder durch welche eine Bildung von Lachgas und Abgabe von gebildetem Lachgas an das Abgas erfolgen kann sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Abgasnachbehandlungssystems.
Aus der DE 10 2009 002 948 A1 ist ein Abgasnachbehandlungssystem einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine bekannt, welches einen NOx-Reduktionskatalysator aufweist, an welchem eine katalytische NOx-Reduktion unter Lachgasbildung ablaufen kann. Stromab des NOx-Reduktionskatalysators ist eine Koronaentladungsvorrichtung vorgesehen, welche im Abgas vorhandenes Lachgas (N₂O) oxidieren kann. Dadurch ist eine Verminderung einer Abgabe von klimaschädlichem Lachgas an die Umwelt ermöglicht.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Abgasnachbehandlungssystem und ein Betriebsverfahren hierfür bereitzustellen, durch welche auf eine vereinfachte Weise eine verminderte Lachgasabgabe an die Umwelt ermöglicht ist.
Die Aufgabe wird durch ein Abgasnachbehandlungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Betriebsverfahren für ein solches Abgasnachbehandlungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
Erfindungsgemäß umfasst das Abgasnachbehandlungssystem ein Steuergerät, welches dazu ausgelegt ist, einen auf einen Betriebszustand der Brennkraftmaschine und/oder der wenigstens einen Abgasnachbehandlungskomponente einwirkenden und die Bildung von Lachgas beeinflussenden Betriebsparameter zu ermitteln und einzustellen, einen Schätzwert für eine aktuelle Lachgasemissionsgröße für mit dem Abgas an die Umgebung abgegebenen Lachgas ermitteln und den Betriebsparameter so zu ändern, dass eine verminderte Lachgasemissionsgröße resultiert.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine Lachgasbildung sowohl durch eine entsprechende Ausgestaltung des Abgasnachbehandlungssystems, als auch durch eine Einstellung eines oder mehrerer für eine Lachgasbildung sensibler Betriebsparameter minimiert oder zumindest günstig beeinflusst werden kann. Infolge des erfindungsgemäß vorgesehenen Steuergeräts, welches sowohl einen Schätzwert für eine aktuelle Lachgasemission ermitteln kann, als auch einen für die Lachgasbildung sensiblen Betriebsparameter ermitteln und einstellen kann, ist eine Minimierung oder zumindest eine Verminderung der Lachgasemission ermöglicht. Von den Erfindern wurden verschiedene für eine Lachgasbildung sensible Betriebsparameter identifiziert. Unter anderem wurden die Betriebstemperaturen von Komponenten des Abgasnachbehandlungssystems bzw. die Temperaturen des in diese Komponenten eintretenden Abgases, dessen Gehalt an Stickoxid (NO), Stickstoffdioxid (NO₂) und Kohlenwasserstoffen (HO) und deren Verhältnisse sowie Abgasdurchsatzmengen als die Lachgasbildung beeinflussende Betriebsparameter ermittelt. Ferner wurde festgestellt, dass durch eine Materialauswahl bzw. durch ein stoffliches Design von bestimmten, insbesondere katalytisch wirksamen Abgasnachbehandlungskomponenten die Bildung von Lachgas wirksam beeinflusst werden kann.
In Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Steuergerät den Schätzwert für die aktuelle Lachgasemissionsgröße aus einer abgespeicherten Kennlinie ermitteln kann, welche einen funktionalen Zusammenhang für ein Ausmaß der Bildung von Lachgas in Abhängigkeit vom Wert des Betriebsparameters wiedergibt. Die Lachgasemissionsgröße kann dabei beispielsweise durch eine fahrtstreckenbezogene Masse von emittiertem Lachgas oder durch einen Gehalt oder eine Konzentration von Lachgas im Abgas definiert sein. Als Betriebsparameter, für welchen der Schätzwert als funktional abhängig in Form einer Kennlinie vorgehalten wird, können einer oder mehrere der oben genannten Betriebsparameter des Abgasnachbehandlungssystems vorgesehen sein. Es ist zudem bevorzugt, für einen oder mehrere motorische Betriebsparameter, wie beispielsweise eine Abgasrückführrate, ein Luft-Kraftstoffverhältnis und/oder ein Last-Drehzahlverhältnis, eine Lachgasemissionskennlinie vorzuhalten. Dabei ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das Steuergerät den Schätzwert für die aktuelle Lachgasemissionsgröße mit einem abgespeicherten Grenzwert vergleichen kann und für den Fall, dass der Schätzwert einen vorgebbaren Grenzwert überschreitet, den Betriebsparameter so ändern kann, dass der Schätzwert für die aktuelle Lachgasemissionsgröße nach Änderung des Betriebsparameters unterhalb des Grenzwertes liegt.
In weiterer Ausgestaltung sind als Abgasnachbehandlungskomponente ein oxidationskatalytisch wirkendes Bauteil und ein SCR-Katalysator vorgesehen. Mittels des SCR-Katalysators ist eine effektive Reduktion von im Abgas enthaltenen Stickoxiden ermöglicht. Hierzu ist stromauf des SCR-Katalysators ein Zugabeeinheit vorgesehen, welche von außen Ammoniak oder eine Vorläufersubstanz wie Harnstoff in den Abgasstrang einbringen kann. Als oxidationskatalytisch wirksames Bauteil kann ein Oxidationskatalysator und/oder ein entsprechend beschichteter Partikelfilter vor und/oder hinter dem SCR-Katalysator angeordnet sein. Dabei ist erfahrungsgemäß sowohl am oxidationskatalytisch wirkenden Bauteil als auch am SCR-Katalysator eine Bildung von Lachgas möglich. Wie von den Erfindern festgestellt wurde, kann diese jedoch durch spezielle Maßnahmen minimiert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist für das oxidationskatalytisch wirkende Bauteil vorgesehen, dass es zu Beginn seines Einsatzes im Abgasnachbehandlungssystem einen thermisch vorgealterten Zustand aufweist. Wie festgestellt wurde, kann durch eine thermische oder auch durch eine hydrothermale Voralterung beispielsweise eines Oxidationskatalysators dessen Neigung zur Lachgasbildung insbesondere bei einer Reduktion von Stickoxid durch im Abgas vorhandene Kohlenwasserstoffe vermindert werden. Die thermische Voralterung vor einem erstmaligen Einsatz des oxidationskatalytisch wirkenden Bauteils im Abgasnachbehandlungssystem umfasst vorzugsweise eine Ofenalterung von zwei oder auch mehr Stunden bei ca. 600°C. Die auf eine Lachgasbildungsfähigkeit vermindernde Wirkung einer solchen Voralterung ist sowohl bei Bauteilen erfolgreich, welche eine Beschichtung mit Metallen der Platingruppe, wie Platin, Palladium, Iridium und/oder Rhodium aufweisen, als auch bei Oxidationskatalysatoren mit einer Beschichtung, welche frei von Edelmetallen ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das oxidationskatalytisch wirkende Bauteil einen Platin und/oder Palladium umfassenden Edelmetallanteil auf, wobei das Verhältnis von Platin zu Palladium geringer als zwei ist. Alternativ oder zusätzlich ist für das oxidationskatalytisch wirkende Bauteil eine Beschichtung mit Platin und/oder Palladium derart vorgesehen, dass in Richtung einer Abgasdurchströmung ein abnehmendes Verhältnis von Platin zu Palladium vorgesehen ist. Insbesondere kann für den Platinanteil der Beschichtung ein Mengengradient in Richtung der Abgasdurchströmung derart vorgesehen sein, dass der Platingehalt im Verhältnis zum Palladiumgehalt kontinuierlich abnimmt und gegebenenfalls am ausströmseitigen Ende auf Null abgefallen ist.
Zur Erzielung eine geringen Lachgasbildungsfähigkeit des SCR-Katalysators ist es in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass dieser eine zeolithhaltige Beschichtung derart aufweist, dass ein abgaseintrittsseitiger Abschnitt des SCR-Katalysators frei von Zeolith ist. An diesen schließt sich bevorzugt eine zeolithische Beschichtung an. Zusätzlich oder alternativ ist ein im Wesentlichen in Richtung einer Abgasdurchströmung zunehmender Zeolithanteil in der Beschichtung vorgesehen. Bei der zeolithischen Beschichtung handelt es sich bevorzugt um eine Beschichtung mit einem Kupfer und/oder Eisen enthaltenen Zeolithen wie beispielsweise einen Mordenit, oder ZSM-5-Zeolithen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der SCR-Katalysator ein Volumen aufweist, welches kleiner als ein Zweifaches, insbesondere kleiner als ein Eineinhalbfaches des Brennkraftmaschinenhubvolumens ist. Aus dieser Dimensionierung resultiert beim Betrieb ein vergleichsweise hoher auf das Katalysatorvolumen bezogener Abgasdurchsatz, d. h. eine vergleichsweise hohe Raumgeschwindigkeit. Dies wirkt sich ebenfalls günstig im Sinne einer verminderten Lachgasbildung aus.
Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der SCR-Katalysator eine Einbaulage aufweist, welche außerhalb eines die Brennkraftmaschine aufnehmenden Motorraums, insbesondere in einem Unterbodenbereich des Kraftfahrzeugs, angeordnet ist. Infolge der vorgesehenen motorfernen Anordnung stellt sich im überwiegenden Betriebsbereich eine vergleichsweise niedrige Betriebstemperatur ein, was einer Lachgasbildung am SCR-Katalysator entgegenwirkt. Bevorzugt ist eine Anordnung des SCR-Katalysators im Bereich zwischen einer Vorderachse und einer Hinterachse im Unterboden des entsprechenden Kraftfahrzeugs.
Für das erfindungsgemäße Betriebsverfahren ist vorgesehen, dass zumindest in einem einen Niedriglast und Mittellast umfassenden Lastbereich der Brennkraftmaschine ein Abgasrückführanteil von mehr als 40% eingestellt wird. Dabei ist eine Obergrenze des Mittellastbereichs bei etwa 40% der Nennlast zu sehen. Insbesondere im Niedriglastbereich mit weniger als 20% der Nennlast werden vorzugsweise Abgasrückführraten von wenigstens 50% eingestellt. Auf diese Weise ist eine niedrige NOx-Rohemission ermöglicht, wodurch auch eine potentiell mögliche Lachgasbildung vermindert ist. Zusätzlich ist der Aufwand zur Stickoxid-Reduktion vermindert.
In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass für ein Abgasnachbehandlungssystem, welches ein oxidationskatalytisch wirkendes Bauteil und einen nachgeschalteten SCR-Katalysator aufweist, beim Betrieb der Brennkraftmaschine nach erfolgtem Warmlauf im überwiegenden Betriebsbereich der Brennkraftmaschine eingangsseitig des oxidationskatalytisch wirksamen Bauteils eine Abgastemperatur von wenigstens 250°C eingestellt wird. Wie festgestellt werden konnte, ist eine für insbesondere edelmetallhaltige Oxidationskatalysatoren typische Lachgasbildung infolge einer NOx-Reduktion durch im Abgas vorhandene Kohlenwasserstoffe oberhalb 250°C stark vermindert. Nach erreichtem Warmlauf, d. h. beim normalen Betrieb der Brennkraftmaschine mit mehr als etwa 70°C Kühlmitteltemperatur lässt sich eine Eintrittstemperatur am oxidationskatalytisch wirksamen Bauteil von mehr als 250°C durch Eingriffe in den Brennkraftmaschinenbetrieb auch unter thermisch ungünstigen Bedingungen erzielen. Zu den bevorzugten Maßnahmen zählen eine Verlagerung des Verbrennungsschwerpunktes zu späteren Kurbelwinkelwerten, eine Durchführung einer mitbrennenden Nacheinspritzung von Kraftstoff in einem Kurbelwinkelbereich von vorzugsweise 10° bis 80° nach dem oberen Totpunkt, insbesondere von 10° bis 50° nach OT und gegebenenfalls die Aktivierung einer elektrischen Beheizung für das oxidationskatalytisch wirkende Bauteil. Die genannten Maßnahmen können dabei einzeln oder in Kombination sowohl bei warmgelaufener Brennkraftmaschine als auch in Verbindung mit einem Kaltstart bzw. Warmlauf vorgenommen werden.
Bevorzugt ist es, eine oder mehrere der genannten Temperatur erhöhend wirkenden Maßnahmen zu ergreifen, um einen für eine Lachgasbildung kritischen Temperaturbereich von etwa 150°C bis 250°C für das oxidationskatalytisch wirksame Bauteil zu vermeiden. Erfahrungsgemäß ist dies insbesondere für den Fall eines Kaltstarts bzw. Warmlaufs der Brennkraftmaschine jedoch nicht immer möglich. Um die Lachgasbildung dennoch zu minimieren, ist es in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine, bei welchem eingangsseitig des oxidationskatalytisch wirksamen Bauteils die Abgastemperatur weniger als etwa 250°C und mehr als etwa 150°C beträgt, im überwiegenden Betriebsbereich der Brennkraftmaschine für eine Kraftstoffverbrennung in Brennräumen der Brennkraftmaschine ein Luft-Kraftstoffverhältnis λ von weniger als zwei eingestellt wird und/oder eine Abgasrückführung mit einem Niederdruckanteil von mehr als 70%, insbesondere von mehr als 90% eingestellt wird. Die erfindungsgemäß vorgenommene Einstellung eines vergleichsweise niedrigen λ-Wertes von weniger als zwei führt zu einer verminderten Lachgasbildung hauptsächlich wegen eines verminderten NO₂-Gehalts im Abgas. Vorzugsweise wird die Verminderung des Luft-Kraftstoffverhältnisses λ gegenüber dem Normalbetrieb vor allem bei vergleichsweise niedriger Motorlast und/oder bei niedriger Motordrehzahl vorgenommen. Zur Erzielung des angestrebten niedrigen λ-Wertes wird vorzugsweise die Abgasrückführmenge gegenüber dem Normalbetrieb erhöht und/oder die Frischluftmenge, beispielsweise durch Ansaugluftdrosselung vermindert. Die erfindungsgemäß vorgenommene Erhöhung des Niederdruckanteils der Abgasrückführrate gegenüber dem Normalbetrieb wirkt infolge eines damit verbundenen erhöhten Abgasdurchsatzes durch das oxidationskatalytisch wirksame Bauteil einer Lachgasbildung entgegen.
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass beim Betrieb der Brennkraftmaschine nach erfolgtem Warmlauf im überwiegenden Betriebsbereich der Brennkraftmaschine ein NO2:NO-Verhältnis in dem in den SCR-Katalysator eintretenden Abgas von weniger als eins eingestellt wird und/oder eine Zugabe von Ammoniak enthaltendem Reduktionsmittel zum Abgas stromauf des SCR-Katalysators derart eingestellt wird, dass ein NH3:NOx-Verhältnis von weniger als eins resultiert. Wie festgestellt werden konnte, wird durch jede der genannten Maßnahmen einer Lachgasbildung im oder durch den SCR-Katalysator entgegengewirkt.
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass ein Schätzwert für eine im SCR-Katalysator abgelagerte Menge von Ammoniumnitrat ermittelt wird und für den Fall, dass der Schätzwert einen vorgebbaren Grenzwert überschreitet, zumindest im Bereich zwischen 200°C und 300°C für die Temperatur des SCR-Katalysators ein gegenüber dem normalen Betriebszustand erhöhter Gehalt an Ammoniak und/oder NO in dem in den SCR-Katalysator eintretenden Abgas eingestellt wird. Wie festgestellt wurde, kann es bei einer NOx-Reduktion durch im Abgas vorhandenen Ammoniak im SCR-Katalysator insbesondere bei niedrigen Temperaturen von weniger als typischerweise 200°C zu einer Ablagerung von Ammoniumnitrat kommen, welches sich bei Temperaturerhöhung in einem von mehreren möglichen Reaktionspfaden unter Lachgasbildung zersetzen kann. Die erfindungsgemäß vorgesehene Einstellung eines erhöhten Gehalts an NO und/oder NH3 im Abgas ermöglicht eine Behinderung dieses unerwünschten Reaktionspfades. Im Fall einer thermisch induzierten Zersetzung von abgelagertem Ammoniumnitrat ist daher eine Lachgasbildung vermindert.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in den Figurenbeschreibungen genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegeben Kombination sondern auch in anderen Kombinationen oder in der Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Figuren zeigen in:
1 eine schematische Prinzipskizze einer Brennkraftmaschine mit einer vorteilhaften Ausführung eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems,
2 ein Diagramm mit einer schematischen Darstellung einer vorteilhaften zonierten Beschichtung für eine oxidationskatalytisch wirkende Abgasnachbehandlungskomponente,
3a bis 3e in Diagrammform schematisch dargestellte Kennlinien betreffend eine Lachgasbildung infolge einer Reduktion von Stickoxiden mit Kohlenwasserstoffen insbesondere an einem oxidationskatalytisch wirksamen Bauteil,
4 ein beispielhaftes Last-Drehzahlkennfeld einer Brennkraftmaschine mit eingezeichneten Bereichsgrenzen für einzustellende Werte eines Luft-Kraftstoffverhältnisses für in der Brennkraftmaschine zu verbrennenden Kraftstoff und
5a bis 5c in Diagrammform schematisch dargestellte Kennlinien betreffend eine Lachgasbildung infolge einer Reduktion von Stickoxiden mit Kohlenwasserstoffen an einem SCR-Katalysator.
1 zeigt eine schematische Prinzipskizze einer vorteilhaften luftverdichtenden, überwiegend mager betriebenen Brennkraftmaschine 1, welche vorliegend eine zweistufiger Aufladung und eine zweistufige Abgasrückführung aufweist. Die Brennkraftmaschine 1 umfasst einen Motorblock 2 mit Arbeitszylindern 3 mit nicht näher gekennzeichneten Brennräumen, wobei den Arbeitszylindern 3 bzw. deren jeweiligem Brennraum mittels einer Hochdruckpumpe 4 Kraftstoff zuführbar ist. Über ein Luftzufuhrsytem 5 kann den Arbeitszylindern 3 bzw. deren jeweiligem Brennraum Verbrennungsluft zugeführt werden und über einen Abgastrakt 6 wird Abgas aus den Arbeitszylindern 3 abgeführt. Im Luftzufuhrsystem 5 sind ein Luftfilter 7, ein erster Verdichter 10 eines als Hochdruck-Abgasturbolader 11 ausgebildeten ersten Abgasturboladers, ein zweiter Verdichter 8 eines als Niederdruck-Abgasturbolader 9 ausgebildeten zweiten Abgasturboladers, ein Ladeluftkühler 12 und eine Drosselklappe 13 angeordnet.
Im Abgastrakt 6 sind ausgehend vom Motorblock 2 in Strömungsrichtung des Abgases eine dem Hochdruck-Abgasturbolader 11 zugeordnete erste Turbine 14, eine dem Niederdruck-Abgasturbolader 9 zugeordnete zweite Turbine 15 und ein Abgasnachbehandlungssystem 16 angeordnet. Das Abgasnachbehandlungssystem 16 weist vorliegend einen Partikelfilter 35 zur Ausfilterung von Partikeln aus dem Abgas sowie einen vorgeschalteten Oxidationskatalysator 34 auf. Dabei kann eine nicht dargestellte elektrische Beheizung für den Oxidationskatalysator 34 vorgesehen sein. Der Partikelfilter 35 kann in Sintermetallausführung oder als wanddurchströmte Filtereinheit in Wabenkörperbauweise ausgebildet sein. Vorzugsweise ist für den Partikelfilter eine katalytische Beschichtung, beispielsweise mit einem oxidationskatalytisch wirksamen Material vorgesehen.
Vorliegend ist stromab des Partikelfilters 35 ein SCR-Katalysator 36 im Abgastrakt 6 angeordnet. Der SCR-Katalysator 36 ist zur Reduktion von Stickoxiden (NOx) mit insbesondere Ammoniak als selektivem Reduktionsmittel befähigt. Zur Anreicherung des Abgases mit Ammoniak ist stromauf des SCR-Katalysators 36 eine Zugabevorrichtung 38 welche Ammoniak oder ein zur Abspaltung von Ammoniak befähigtes Reduktionsmittel wie beispielsweise Harnstoff-Wasserlösung, in den Abgastrakt 6 eindüsen kann. Zur Verbesserung einer Gleichverteilung kann ein nicht gesondert dargestellter nachgeschalteter Mischer im Abgastrakt 6 angeordnet sein.
Stromab des zweiten Verdichters 8 zweigt ein den Hochdruck-Abgasturbolader 11 umgehender Verdichterbypass 18 ab, in welchem ein Verdichterbypassventil 19 angeordnet ist, so dass mittels des zweiten Verdichters 8 komprimierte Frischluft bzw. ein Frischluft-Abgasgemisch, abhängig von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 und einer daraus resultierenden Stellung des Verdichterbypassventils 19 den ersten Verdichter 10 in mehr oder weniger großem Umfang passieren kann. Auf diese Weise ist ein Ladedruck der Brennkraftmaschine 1 regelbar bzw. bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine 1, bei welchen der Hochdruck-Abgasturbolader 11 aufgrund eines zu geringen Abgasdrucks noch nicht betreibbar ist, der erste Verdichter 10 über den Verdichterbypass 18 umgehbar.
Im Abgastrakt 6 sind ebenfalls Bypässe 20, 21 angeordnet, welche jeweils eine Turbine 14, 15 umgehen, nämlich ein erster Turbinenbypass 20, in welchem ein erstes Turbinenbypassventil 22 angeordnet ist und ein zweiter Turbinenbypass 21, in welchem ein zweites Turbinenbypassventil 23 angeordnet ist. Bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine 1 und daraus folgend einem niedrigen Abgasdruck ist der Hochdruck-Abgasturbolader 11 noch nicht betreibbar, daher ist in diesem Betriebszustand das erste Turbinenbypassventil 22 derart ansteuerbar, dass ein Abgasmassenstrom über den ersten Turbinenbypass 20 an der ersten Turbine 14 vorbei leitbar ist und so vollständig zum Antrieb der zweiten Turbine 15 des Niederdruck-Abgasturboladers 9 nutzbar ist.
Bei sehr hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine 1 ist der auf die Turbinen 14, 15 der Abgasturbolader 9, 11 einwirkende Abgasdruck hoch, wodurch diese hohe Drehzahlen erreichen. Daraus folgt eine hohe Verdichterleistung der Verdichter 8, 10 der Abgasturbolader 9, 11 und dadurch ein hoher Ladedruck des Frischluft-Abgasgemisches. Dieser darf jedoch einen vorgegebenen Wert nicht überschreiten, so dass bei Erreichen dieses vorgegebenen Wertes ein oder beide Turbinenbypässe 20, 21 als so genanntes Wastegate nutzbar sind. Dabei sind die Turbinenbypassventile 22, 23 derart ansteuerbar, dass sie beispielsweise teilweise öffnen, wodurch ein Teil des Abgasmassenstroms an den Turbinen 14, 15 vorbei leitbar und dadurch der auf die Turbinen 14, 15 einwirkende und diese antreibende Abgasdruck verringerbar ist. Daraus resultiert eine geringere Kompression des durch die Verdichter 8, 10 der Abgasturbolader 9, 11 verdichteten Gases, d. h. ein geringerer Ladedruck.
Mittels dieser Anordnung des Niederdruck-Abgasturboladers 9 und des Hochdruck-Abgasturboladers 11 ist eine Leistung der Brennkraftmaschine 1 in unterschiedlichen Drehzahlbereichen optimierbar und ein jeweils optimaler Ladedruck bereitstellbar. Dadurch ist insbesondere ein so genanntes Turboloch, d. h. ein fehlender oder geringer Ladedruck und daraus resultierend eine geringe Leistung einer derartigen Brennkraftmaschine 1 in niedrigen Drehzahlbereichen verhinderbar oder dieses Problem zumindest deutlich reduzierbar und damit beispielsweise ein Fahrverhalten und ein Treibstoffverbrauch eines durch diese Brennkraftmaschine 1 angetriebenen Fahrzeugs optimierbar.
Stromab des Partikelfilters 35 und stromauf von der Zugabevorrichtung 38, d. h. auf einer Niederdruckseite des Abgastrakts 6, zweigt vom Abgastrakt 6 eine Niederdruck-Abgasrückführungs-(AGR)-Leitung 24 ab, die stromauf des zweiten Verdichters 8 des Niederdruck-Abgasturboladers 9 und stromab des Luftfilters 7 wieder in das Luftzufuhrsystem 5 mündet. Mittels einer im Abgastrakt 6 hinter der Abzweigestelle der Niederdruck-Abgasrückführleitung 24 angeordneten Abgasaufstauklappe 17 ist die Menge bzw. der Anteil von über die Niederdruck-Abgasrückführleitung 24 rückgeführtem Abgas beeinflussbar.
In der Niederdruck-AGR-Leitung 24 ist stromab von der Abzweigung vom Abgastrakt 6 in Strömungsrichtung eines Niederdruck-AGR-Massenstroms gesehen ein Niederdruck-AGR-Kühler 25 und ein Niederdruck-AGR-Ventil 26 angeordnet. Optional kann die Kühlung des Niederdruck-AGR-Massenstroms unter Entfall des Niederdruck-AGR-Kühlers 25 über die verwendeten Rohrlängen oder Rohrgestaltungen erfolgen. Die Kühlung des Niederdruck-AGR-Massenstroms stellt sicher, dass an den Verdichtern 8, 10 im Abgasrückführungsbetrieb keine unzulässig hohen Temperaturen auftreten.
In der Niederdruck-AGR-Leitung 24 kann stromauf des Niederdruck-AGR-Kühlers 25 ein nicht dargestellter zweiter SCR-Katalysator vorgesehen sein. Dieser ermöglicht eine Verminderung von im rückgeführten Abgas gegebenenfalls vorhandenem Stickoxid und/oder Ammoniak bzw. Sauerstoff. Dadurch werden wiederum Ablagerungen und Korrosionserscheinungen vermieden oder vermindert und es ist ein verbesserter Ablauf der in den Brennräumen der Brennkraftmaschine 1 erfolgenden Kraftstoffverbrennung ermöglicht. Der zweite SCR-Katalysator kann darüber hinaus eine Filterfunktion übernehmen, so dass zumindest vergleichsweise grobe Partikel aus dem über den Niederdruckpfad rückgeführten Abgas entfernt werden. Ferner können stromauf und/oder stromab des Oxidationskatalysators 34 bzw. des Partikelfilters 35 ein oder mehrere weitere reinigungswirksame Abgasnachbehandlungskomponenten, wie beispielsweise ein weiterer Oxidationskatalysator, ein SCR-Katalysator und/oder ein Stickoxid-Speicherkatalysator im Abgastrakt 6 angeordnet sein, was nicht gesondert dargestellt ist. Insbesondere ist es bevorzugt, wenn stromab des SCR-Katalysators 36 eine oxidationskatalytisch wirksame Abgasreinigungskomponente angeordnet ist, mittels welcher ein Ammoniakschlupf des SCR-Katalysators 36 aus dem Abgas entfernt werden kann.
Stromauf der Turbine 14 des Hochdruck-Abgasturboladers 11, d. h. auf einer Hochdruckseite des Abgastrakts 6, zweigt von einem Abgaskrümmer 33 des Abgastrakts 6 eine Hochdruck-AGR-Leitung 27 ab, die stromab der Drosselklappe 13 in das Luftzufuhrsystem 5 mündet. Mittels dieser Hochdruck-AGR-Leitung 27 ist ein Hochdruck-AGR-Massenstrom über ein Hochdruck-AGR-Ventil 28 in das Luftzufuhrsystem 5 leitbar. In der dargestellten Ausführungsform ist in der Hochdruck-AGR-Leitung 27 ein Hochdruck-AGR-Kühler 29 angeordnet, welcher gegebenenfalls mit dem Niederdruck-AGR-Kühler 25 baulich und/oder funktionell vereinigt sein kann. Optional kann jedoch eine Kühlung des Hochdruck-AGR-Massenstroms beispielsweise auch über eine Rohrlänge der Hochdruck-AGR-Leitung 27 erfolgen. Für den Niederdruck-AGR-Kühler 25 und/oder den Hochdruck-AGR-Kühler 29 können Umgehungsleitungen, insbesondere mit Einstellmitteln zur variablen Durchsatzeinstellung vorgesehen sein, was nicht gesondert dargestellt ist.
Die dargestellte Brennkraftmaschine 1 weist somit eine Abgasrückführung auf, bei der Abgas stromauf der Turbine 14 des Hochdruck-Abgasturboladers 11 über einen entsprechenden Hochdruckpfad sowie stromab der Abgasreinigungseinheit 16 über einen entsprechenden Niederdruckpfad dem Abgastrakt 6 entnehmbar ist und, gegebenenfalls nach Abkühlung, stromauf des Verdichters 8 des Niederdruck-Abgasturboladers 9 sowie stromab der Drosselklappe 13 des Luftzufuhrsystems 5 und damit den Brennräumen 3 der Brennkraftmaschine 1 zuführbar ist. Die Brennkraftmaschine 1 ist dabei wahlweise ohne Abgasrückführung, mit Hochdruck-Abgasrückführung oder Niederdruck-Abgasrückführung oder gleichzeitig mit Hochdruck-Abgasrückführung und Niederdruck-Abgasrückführung mit jeweils variablen Abgasrückführmengen betreibbar. Somit ist den Brennräumen 3 der Brennkraftmaschine 1 ein Verbrennungsgas mit einer in weiten Grenzen veränderbaren Abgasrückführrate mit variablem Niederdruckanteil und variablem Hochdruckanteil zuführbar. Eine Einstellung einer Abgasrückführungsmenge, d. h. des rückgeführten Abgasmassenstromes und damit der AGR-Rate, erfolgt mittels der Abgasaufstauklappe 17 und/oder des Niederdruck-AGR-Ventils 26 sowie mittels des Hochdruck-AGR-Ventils 28 als Einstellmitteln, womit der Niederdruckanteil sowie der Hochdruckanteil des insgesamt rückgeführten Abgases ebenfalls in weiten Grenzen einstellbar sind. Dies erzielt insgesamt saubere Abgasrückführungsmassenströme, eine bessere Abkühlung der Abgasrückführungsmassenströme, vermeidet Versottung der Abgasrückführungskühler 25, 29 und ermöglicht eine gute Durchmischung der Abgasrückführungsmassenströme mit Frischluft im Luftzufuhrsystem 5. Es sind hohe Abgasrückführungsraten möglich und es ist ein homogener oder zumindest teilhomogener Betrieb der Brennkraftmaschine 1 möglich.
Die Abgasaufstauklappe 17 und das Niederdruck-AGR-Ventil 26 sind vorliegend Stellglieder einer als Vorsteuerregelung ausgeführten Abgasrückführungsregelung. Sowohl das Niederdruck-AGR-Ventil 26 wie auch die Abgasaufstauklappe 17 sind vorzugsweise kontinuierlich verstellbar. Mit Hilfe der Abgasaufstauklappe 17 und des Niederdruck-AGR-Ventils 26 vor dem Verdichter 8 ist der Niederdruckanteil am gesamten Abgasrückführungsmassenstrom einstellbar und letzterer somit ebenfalls beeinflussbar. Solange ein ausreichendes Druckgefälle zur Förderung des Niederdruck-Abgasrückführungsmassenstroms vorhanden ist, ist dieser zunächst ausschließlich über das Niederdruck-AGR-Ventil 26 einstellbar. Ist dies nicht mehr der Fall, ist zusätzlich die Abgasaufstauklappe 17 etwas anstellbar, um das Druckgefälle über das Niederdruck-AGR-Ventil 26 zu erhöhen. Dabei ist eine sehr gute Durchmischung des Niederdruck-Abbgasrückführungsmassenstroms mit der Frischluft sichergestellt. Ein weiterer Vorteil besteht unter anderem darin, dass das über den Niederdruckpfad rückgeführte Abgas sauber und nahezu pulsationsfrei ist. Zusätzlich steht eine erhöhte Verdichterleistung zur Verfügung, da bei einem hohen Niederdruckanteil rückgeführten Abgases ein vergleichsweise hoher Abgasmassenstrom durch die Turbinen 14, 15 leitbar ist. Da das rückgeführte Abgas nach den Verdichtern 8, 10 durch den leistungsfähigen Ladeluftkühler 12 leitbar ist, kann die Temperatur des Frischluft und Abgas umfassenden Verbrennungsgases auch relativ kalt gehalten werden. Die Brennkraftmaschine 1 ist je nach Bedarf sowohl mit der Hochdruck-Abgasrückführung als auch mit der Niederdruck-Abgasrückführung oder mit beiden betreibbar.
Mittels eines vorzugsweise vorgesehenen, den Ladeluftkühler 12 umgehenden Ladeluftkühlerbypasses 30 im Luftzufuhrsystem 5, ist eine Versottung des Ladeluftkühlers 12 vermeidbar. Die Gefahr einer so genannten Versottung besteht beispielsweise, wenn ein Wasserdampf und gegebenenfalls Partikel enthaltendes Gasgemisch im Ladeluftkühler 12 unter den Taupunkt abgekühlt wird und Kondensatbildung eintritt.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das gesamte Frischluft-Abgasgemisch oder auch nur ein Teil davon über den Ladeluftkühlerbypass 30, welcher stromauf des Ladeluftkühlers 12 abzweigt, an dem Ladeluftkühler 12 vorbei geleitet werden kann, wodurch es durch den Ladeluftkühler 12 nicht kühlbar ist und daher die Temperatur nicht unter den Taupunkt abfällt. Um sicherzustellen, dass das Frischluft-Abgasgemisch, wenn nötig, d. h. bei hohen Temperaturen des Frischluft-Abgasgemisches, weiterhin mittels des Ladeluftkühlers 12 effektiv kühlbar ist, ist stromab der Verdichter 8, 10 und stromauf des Ladeluftkühlers 12 im Luftzufuhrsystem 5 ein Temperatursensor 31 angeordnet, so dass bei Erreichen einer vorgegebenen Temperatur ein im Ladeluftkühlerbypass 30 angeordnetes Ladeluftkühlerbypassventil 32 entsprechend ansteuerbar ist und daraufhin dieses Ladeluftkühlerbypassventil 32 beispielsweise vollständig öffnet oder vollständig schließt oder in einer weiteren Ausführungsform teilweise öffnet.
Für einen optimalen Betrieb der Brennkraftmaschine 1 und des Abgasnachbehandlungssystems 16 sind vorzugsweise weitere Sensoren im Abgastrakt 6 sowie im Luftzufuhrsystem 5 vorgesehen, was der Übersichtlichkeit halber nicht näher dargestellt ist. Insbesondere können Temperatur- und/oder Drucksensoren ausgangsseitig des Abgaskrümmers 33, in den Turbinenbypässen 20, 21, eingangs- und ausgangsseitig oder innerhalb der Abgasreinigungseinheit 16, eingangs- und ausgangsseitig des Luftfilters 7, eingangs- und ausgangsseitig der Verdichter 8, 10, in den Abgasrückführungsleitungen 24, 27 und gegebenenfalls an weiteren Stellen angeordnet sein, um die Temperatur- und Druckverhältnisse zu erfassen. Vorzugsweise ist ferner ein Luftmassenstromsensor stromab des Luftfilters 7 vorgesehen, um den Frischluftmassenstrom zu erfassen. Weiterhin sind vorzugsweise Abgassensoren im Abgastrakt 6, wie beispielsweise eine Lambdasonde im Abgaskrümmer 33 und vor und/oder nach oder innerhalb einer der im Abgasnachbehandlungssystem 16 angeordneten Abgasreinigungskomponenten vorgesehen. Ebenso sind bevorzugt ein oder mehrere nicht gesondert dargestellte Stickoxidsensoren, insbesondere unmittelbar hinter dem Oxidationskatalysator 34 und/oder hinter dem SCR-Katalysator 36 vorgesehen.
Die Signale der vorhandenen Sensoren sind von einem nicht dargestellten Steuergerät verarbeitbar, welches anhand der Signale und gespeicherten Kennlinien und Kennfelder Betriebszustände der Brennkraftmaschine 1 allgemein, insbesondere im Abgastrakt 6 und im Luftzufuhrsystem 5 ermitteln und durch Ansteuerung von Stellgliedern gesteuert und/oder geregelt einstellen kann. Insbesondere sind Abgasrückführmassenströme im Nieder- und Hochdruckpfad sowie ein Lastzustand der Brennkraftmaschine 1 in Bezug auf Drehmoment bzw. Mitteldruck sowie Drehzahl ermittel- bzw. einstellbar. Weiterhin sind Kraftstoffeinspritzparameter wie Anzahl der Kraftstoffeinspritzungen je Arbeitszyklus sowie deren Einspritzdruck, -Dauer und -Zeitpunkt einstellbar.
Im Rahmen der Erfindung ist ein schadstoffemissionsarmer Betrieb der Brennkraftmaschine 1 ermöglicht. Insbesondere ist hohes Reinigungsvermögen in Bezug auf Stickoxide gegeben, wobei eine überwiegend damit verbundene Sekundäremission von Lachgas minimiert ist. Lachgas kann insbesondere durch Reaktion von jeweils im Abgas enthaltenem Stickoxid mit Kohlenwasserstoffen insbesondere am oder im Oxidationskatalysator 34 und/oder am oder im Partikelfilter 35, sowie an oder im SCR-Katalysator 36 als unerwünschtes Nebenprodukt bei der selektiven NOx-Reduktion mit Ammoniak entstehen. Weiterhin kann eine Zersetzung von gegebenenfalls im SCR-Katalysator abgelagerten Ammoniumnitrat bzw. -Nitrit zu einer Freisetzung von Lachgas führen. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Auslegung des Abgasnachbehandlungssystems 16 bzw. seiner Abgasreinigungskomponenten sowie des Abgastrakts 6 und seiner Komponenten sowie einer vorteilhaften Einstellung von deren Betriebsparametern ist eine Minimierung der Lachgasemission ermöglicht. Nachfolgend wird auf die hierfür erfindungsgemäß vorgesehenen Maßnahmen im Einzelnen eingegangen.
Zur Minimierung einer Lachgasbildung am Oxidationskatalysator 34 bzw. am Partikelfilter 35 ist es vorgesehen, einen der genannten Bauteile oder auch beide, einer thermischen oder hydrothermalen Voralterung zu unterziehen. Insbesondere bei Einsatz einer Platin und/oder Palladium umfassenden edelmetallhaltigen Beschichtung hat sich dies Maßnahme als äußerst wirksam in Bezug auf eine verminderte Lachgasbildung erwiesen. Die Voralterung kann rein thermisch an Luft oder als hydrothermale Alterung vorgenommen werden, bei welcher das entsprechende Bauteil einige Stunde einer erhöhten Temperatur ausgesetzt wird. Bevorzugt ist eine Exposition über etwa 2 Stunden an Luft oder an feuchter Luft bei ca. 600°C. Die Voralterung kann in Form einer Ofenalterung an einem neuen Oxidationskatalysator bzw. Partikelfilter vor einem Einbau in das Abgasnachbehandlungssystem erfolgen. Ebenfalls möglich ist eine Voralterung in eingebautem Zustand vor einem erstmaligen bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb des Fahrzeugs oder zu dessen Beginn während einer Einfahrphase.
Als edelmetallhaltige Beschichtung ist eine Platin enthaltende und an Palladium reiche Beschichtung bevorzugt. Besonders bevorzugt ist ein Verhältnis von Platin zu Palladium von weniger als zwei. Ebenfalls vorteilhaft ist ein sogenannte Zonierung, bei welcher der Platingehalt in Abgasströmungsrichtung gesehen ausgehend von einem normierten Anfangswert von eins an der Eintrittsseite kontinuierlich bis auf Null an der Austrittsseite abfällt. In 2 ist ein besonders bevorzugtes Beispiel einer sich über den Oxidationskatalysator 34 und den dahinter angeordneten Partikelfilter 35 erstreckenden zonierten Beschichtung schematisch dargestellt. Der Palladiumgehalt kann dabei über die Baulänge konstant gehalten sein.
Für eine Minimierung einer Lachgasbildung am SCR-Katalysator 36 ist es ebenfalls vorteilhaft, eine zonierte Beschichtung vorzusehen. Hierbei ist ein über die Baulänge in Abgasströmungsrichtung gesehen ansteigender Zeolithgehalt bevorzugt. Zusätzlich oder alternativ kann an der Abgaseintrittsseite eine zeolithfreie Beschichtungszone vorgesehen sein, welche etwa ein Zehntel bis ein Viertel der Baulänge ausmacht. In dieser Zone ist der SCR-Katalysator 36 bevorzugt mit einer Beschichtung versehen, welche Mischoxide der Übergangsmetalle und/oder es ist eine Vanadiumpentoxid enthaltende Beschichtung vorgesehen. Weiterhin ist es für eine geringe Lachgasbildung vorteilhaft, für eine verhältnismäßig hohe Raumgeschwindigkeit für Abgas zu sorgen. Hierzu ist es bevorzugt, wenn der SCR-Katalysator 36 so dimensioniert ist, dass die Raumgeschwindigkeit bei mittleren Lasten der Brennkraftmaschine 1 mehr als 50.000 1/h beträgt. Besonders bevorzugt ist es, wenn das Volumen des SCR-Katalysators 36 weniger als ein Zweifaches des Hubvolumens der Brennkraftmaschine 1 beträgt. Weiterhin ist es vorzugsweise vorgesehen, eine motorferne Einbaulage für den SCR-Katalysator 36 derart vorzusehen, dass dieser im überwiegenden Betriebsbereich eine Betriebstemperatur von 300°C unterschreitet. Hierfür wird bevorzugt ein Einbau in Unterbodenposition, etwa im Bereich zwischen Vorderachse und Hinterachse des Fahrzeugs gewählt.
Was den Betrieb der Brennkraftmaschine 1 und des Abgasnachbehandlungssystems 16 und der zugeordneten Komponenten betrifft, so ist vorgesehen, dass das Steuergerät anhand von sensorisch oder anderweitig erfassten Betriebsgrößen und gespeicherten Kennlinien laufend den Umfang einer Lachgasbildung an den hierfür maßgeblichen Abgasnachbehandlungskomponenten abschätzt. Wird ein vorgebbarer kritischer Wert, insbesondere ein vorgebbarer Summenwert überschritten, so sind Eingriffe insbesondere in den Betrieb der Brennkraftmaschine 1 derart vorgesehen, dass eine verminderte Lachgasbildung resultiert.
In den 3a bis 3e sind beispielhaft in Kennlinienform verschiedene Temperaturabhängigkeiten für eine Bildung von Lachgas infolge einer Reaktion von Stickoxiden mit Kohlenwasserstoffen speziell an einem oxidationskatalytisch wirksamen Bauteil wie z. B. dem Oxidationskatalysator 34 bzw. dem Partikelfilter 35 dargestellt.
3a zeigt die Abhängigkeit einer Konzentration von gebildetem Lachgas in Abhängigkeit von der Temperatur bei zwei unterschiedlich gealterten Bauteilen. Wie dargestellt, ist die Lachgasbildung bei einem gealterten bzw. vorgealterten Bauteil gegenüber einem ungealterten Bauteil erheblich verringert. Zur Abschätzung einer am Oxidationskatalysator 34 und/oder Partikelfilter 35 erfolgenden Lachgasbildung kann es daher vorgesehen sein, deren Alterungszustand laufend oder von Zeit zu Zeit zu ermitteln und eine Lachgasemissionsgröße auf der Grundlage entsprechend vorgehaltener Kennlinien zu ermitteln. Dabei ist es vorgesehen, die Ausführung der Edelmetallbeschichtung, insbesondere im Hinblick auf den Platingehalt zu berücksichtigen. 3b veranschaulicht den Sachverhalt in Bezug auf eine Temperaturabhängigkeit der Lachgasbildung beispielhaft für eine an Palladium freie Beschichtung (Pt only) und eine Platin und Palladium im Verhältnis 1:1 aufweisende Beschichtung.
In analoger Weise sind in den 3c bzw. 3d die Lachgasbildung in Abhängigkeit von der Bauteiltemperatur für unterschiedliche Gehalte an Stickoxid (3c) bzw. für unterschiedliche Abgas-Raumgeschwindigkeiten (3d) dargestellt.
In 3e ist eine Temperaturabhängigkeit der Lachgasbildung für unterschiedliche Verhältnisse der Konzentrationen von Kohlenwasserstoff (HC) und Stickoxid (NOx) dargestellt. Dabei gibt die gestrichelt dargestellte Kennlinie die Verhältnisse bei der NOx-Reduktion mit vergleichsweise kurzkettigen Kohlenwasserstoffen mit einer Kohlenstoffzahl von typischerweise weniger als 5 wieder. Die durchgezogenen Kennlinien entsprechen den Verhältnissen bei Reaktion mit vergleichsweise langkettigen Kohlenwasserstoffen.
Entsprechend den in den Diagrammen der 3a bis 3e dargestellten Abhängigkeiten ist es für einen in Bezug auf Lachgasbildung minimierten Betrieb vorgesehen, Temperaturen von etwa 200°C für den Oxidationskatalysator 34 bzw. den Partikelfilter 35 zu vermeiden bzw. in einer Aufwärmphase rasch zu durchschreiten. Im betriebswarmen Zustand ist vorgesehen, eine Temperatur von wenigstens 250°C eingangsseitig des Oxidationskatalysators 34 zumindest im überwiegenden Betriebsbereich der Brennkraftmaschine 1 einzustellen. insbesondere in einem vergleichsweise niedrigen Lastbereich der Brennkraftmaschine 1 von weniger als etwa 30% der Nennlast und/oder der Nenndrehzahl, wenn Abgas von niedrigerer Temperatur erzeugt wird, werden bevorzugt die Abgasrückführmenge und/oder die Lage des Verbrennungsschwerpunkts derart eingestellt, dass eingangsseitig des Oxidationskatalysators 34 wenigstens etwa 250°C erreicht werden. Zusätzlich zu einer Spätverstellung des Verbrennungsschwerpunkts, bevorzugt durch eine Spätverstellung des Zeitpunkts der Kraftstoffhaupteinspritzung, kann eine an die Haupteinspritzung angelagerte mitbrennende Nacheinspritzung von Kraftstoff vorgesehen sein. Infolge der dadurch bewirkten Teilverbrennung von nacheingespritztem Kraftstoff wird das Abgas hauptsächlich mit kurzkettigen Kohlenwasserstoffen angereichert. Dabei wird die Nacheinspritzmenge so gewählt, dass ein HC:NOx-Verhältnis des von der Brennkraftmaschine 1 abgegebenen Abgases von weniger als 5 resultiert. Falls vorhanden, kann zusätzlich eine elektrische Beheizung des Oxidationskatalysators aktiviert werden. Die genannten Maßnahmen werden einzeln oder in Kombination ergriffen, wenn vom Steuergerät festgestellt wird, dass die Lachgasemission einen vorgebbaren Grenzwert überschreitet.
Insbesondere in einer Aufwärm- oder Warmlaufphase können der Oxidationskatalysator 34 bzw. der Partikelfilter 35 eine Temperatur in dem für eine Lachgasbildung besonders kritischen Bereich um 200°C aufweisen. Die genannten temperatursteigernden Maßnahmen werden daher bevorzugt in der Aufwärm- oder Warmlaufphase vorzugsweise ebenfalls einzeln oder in Kombination ergriffen. Dabei ist es außerdem vorgesehen, auf eine NOx-arme Verbrennung umzustellen. Hierfür wird im überwiegenden Betriebsbereich der Brennkraftmaschine 1 ein Luft-Kraftstoffverhältnis von λ < 2 in den Brennräumen der Arbeitszylinder 3 eingestellt. In dem in 4 dargestellten Diagramm sind bevorzugte Bereiche veranschaulicht, bei welchen die Absenkung des Verbrennungslambdawerts vorgenommen wird. Dabei ist in dem ein LastDrehzahlkennfeld darstellenden Diagramm von 4 auf der Ordinate ein effektiver Mitteldruck pmeff und auf der Abszisse eine Motordrehzahl n abgetragen. Eine durchgezogen dargestellte Linie gibt den Nennlastverlauf in Abhängigkeit von der Drehzahl wieder. Im Bereich oberhalb der gepunktet dargestellten Linie wird vorzugsweise ein Luft-Kraftstoffverhältnis von λ < 2,5 und oberhalb der gestrichelt dargestellten Linie ein Luft-Kraftstoffverhältnis von λ < 2 eingestellt. Dadurch wird nicht nur der NOx-Gehalt des von der Brennkraftmaschine 1 abgegebenen Abgases vermindert, sondern auch dessen in Bezug auf eine Lachgasbildung besonders kritischer NO₂-Anteil. Die Absenkung des Verbrennungslambdawerts erfolgt dabei bevorzugt durch eine Erhöhung der Abgasrückführrate und/oder einer Ansaugluftdrosselung.
Weiterhin ist es vorteilhafterweise vorgesehen, in einer Aufwärm- oder Warmlaufphase mit eine Abgastemperatur von etwa 150°C bis 250°C eintrittsseitig des oxidationskatalytisch wirkenden Bauteils zur Verminderung der Lachgasbildung die Abgasraumgeschwindigkeit in Bezug auf das oxidationskatalytisch wirkende Bauteil gegenüber dem Normalbetrieb zu erhöhen. Hierfür wird der Niederdruckanteil des rückgeführten Abgases erhöht, vorzugsweise auf einen Wert über 70%, insbesondere über 90% in Bezug auf die insgesamt rückgeführte Abgasmenge. Zusätzlich oder alternativ kann eine Schaltlinienverschiebung derart vorgesehen sein, dass gegenüber dem Normalbetrieb eine erhöhte Abgasmenge erzeugt wird.
Zur Abschätzung einer speziell im oder am SCR-Katalysator 36 erfolgenden Lachgasbildung werden im Steuergerät ebenfalls diesbezügliche Kennlinien vorgehalten. In den 5a bis 5c sind beispielhaft eine die Lachgasbildung des SCR-Katalysator 36 kennzeichnende Abhängigkeiten in Kennlinienform schematisch wiedergegeben.
5a zeigt die Abhängigkeit einer Konzentration von gebildetem Lachgas in Abhängigkeit vom NO2-Anteil in den dem SCR-Katalysator 36 zugeführten NOx für Temperaturen von 200°C und 300° und einem NH3:NOx-Verhältnis α ≤ 1 und α ≥ 1 (Dosierverhältnis) entsprechend über die Zugabevorrichtung 38 zudosiertem Harnstoff. Wie zu erkennen, steigt die Lachgasbildung oberhalb eines NO2-Anteils von etwa 40% erheblich an. Andererseits wird deutlich, dass insbesondere für höhere NO2-Anteile höhere Temperaturen von etwa 300°C ungünstiger in Bezug auf eine Lachgasbildung sind als niedrigere Temperaturen von etwa 200°C. 5b veranschaulicht den Sachverhalt, dass zeolithische SCR-Katalysatoren unter vergleichbaren Bedingungen eine stärkere Neigung zur Lachgasbildung aufweisen als nicht-zeolithische. Weiterhin ist in 5c veranschaulicht, dass bei höheren Abgasraumgeschwindigkeiten von beispielsweise 100.000 1/h eine geringere Lachgasbildung als bei niedrigeren Raumgeschwindigkeiten von etwa 30.000 1/h resultiert.
Entsprechend der in den 5a bis 5c und gegebenenfalls weiteren zusätzlich verfügbaren Kennlinien wird im Steuergerät eine begleitend zur selektiven NOx-Reduktion mittels Ammoniak zu Stickstoff erfolgende Reduktion zu Lachgas abgeschätzt. Zur Verminderung der Lachgasbildung ist es insbesondere bei Überschreiten eines diesbezüglichen Grenzwertes vorgesehen, in dem dem SCR-Katalysator 36 zugeführten Abgas ein NO2:NO-Verhältnis und/oder ein NH3:NOx-Verhältnis von jeweils weniger als 1 einzustellen. Für eine Verminderung des NO2-Anteils ist dabei vorzugsweise eine Absenkung des Luft-Kraftstoffverhältnis λ auf weniger als 2 bzw. weniger als 2,5 entsprechend den in 4 dargestellten Verhältnissen vorgesehen. Insbesondere bei Vorliegen einer grenzwertnahen Lachgasemissionsgröße kann es weiterhin vorgesehen sein, die Abgasraumgeschwindigkeit zu erhöhen, insbesondere durch Anhebung des Niederdruckanteils von rückgeführtem Abgas auf Werte von mehr 70%, besonders bevorzugt von mehr als 90% zumindest in einem Betriebsbereich der Brennkraftmaschine 1 von weniger als 50% der Nennlast und/oder der Nenndrehzahl.
Generell kann es zur Minimierung einer Lachgasbildung sowohl am oxidationskatalytisch wirksamen Bauteil als auch am SCR-Katalysator 36 vorgesehen sein, eine möglichst niedrige NOx-Rohemission der Brennkraftmaschine 1, beispielsweise durch vergleichsweise hohe Abgasrückführraten von vorzugsweise mehr als 40% zumindest in einem Niedrig- und Mittellastbereich der Brennkraftmaschine 1 einzustellen.
Eine weitere Quelle einer Lachgasemission stellt die thermische Zersetzung von im SCR-Katalysator 36 abgelagertem Ammoniumnitrat und/oder -Nitrit dar. Zu einer Ablagerung von Ammoniumnitrat und/oder -Nitrit kann es insbesondere bei niedrigen Temperaturen von 200°C und weniger kommen. Bei einer nachfolgenden Temperaturerhöhung entsteht bei einer thermischen Zersetzung von abgelagertem Ammoniumnitrat und/oder -Nitrit in unerwünschter Weise Lachgas. Im Rahmen der Erfindung ist es vorgesehen, dass im Steuergerät ein Schätzwert für eine Beladung des SCR-Katalysators 36 an Ammoniumnitrat und/oder -Nitrit generiert wird. Hierfür kann ein mathematisches Modell vorgesehen sein, welches diesen Schätzwert vorzugsweise aus der dosierten Harnstoffmenge und der NOx- oder NO2-Belastung des SCR-Katalysators 36 ermittelt. Überschreitet der Schätzwert für diese Beladung einen Grenzwert so wird zumindest in einem Temperaturbereich von 200°C und 300°C ein gegenüber dem normalen Betriebszustand erhöhter Gehalt an NH3 und/oder NO in dem in den SCR-Katalysator 36 eintretenden Abgas eingestellt. Auf diese Weise werden Reaktionspfade bei der Zersetzung von Ammoniumnitrat und/oder -Nitrit gefördert, bei welchen eine Lachgasbildung unterdrückt ist.
Insgesamt wird durch die Erfindung ein in Bezug auf eine Lachgasemission optimiertes Abgasnachbehandlungssystem bereitgestellt und durch das zugeordnete Betriebsverfahren sichergestellt, dass Lachgasemissionen auf ein minimales, unter Umweltaspekten unbedenkliches Maß beschränkt bleiben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009002948 A1 [0002]

Claims

Lachgasoptimiertes Abgasnachbehandlungssystem (16) einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine (1), umfassend wenigstens eine Abgasnachbehandlungskomponente, an welcher oder durch welche eine Bildung von Lachgas und Abgabe von gebildetem Lachgas an das Abgas erfolgen kann sowie ein Steuergerät, welches dazu ausgelegt ist, – einen auf einen Betriebszustand der Brennkraftmaschine (1) und/oder der wenigstens einen Abgasnachbehandlungskomponente einwirkenden und die Bildung von Lachgas beeinflussenden Betriebsparameter zu ermitteln und einzustellen, – einen Schätzwert für eine aktuelle Lachgasemissionsgröße für mit dem Abgas an die Umgebung abgegebenen Lachgas ermitteln und – den Betriebsparameter so zu ändern, dass eine verminderte Lachgasemissionsgröße resultiert.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät den Schätzwert für die aktuelle Lachgasemissionsgröße aus einer abgespeicherten Kennlinie ermitteln kann, welche einen funktionalen Zusammenhang für ein Ausmaß der Bildung von Lachgas in Abhängigkeit vom Wert des Betriebsparameters wiedergibt.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät den Schätzwert für die aktuelle Lachgasemissionsgröße mit einem abgespeicherten Grenzwert vergleichen kann und für den Fall, dass der Schätzwert einen vorgebbaren Grenzwert überschreitet, den Betriebsparameter so ändern kann, dass der Schätzwert für die aktuelle Lachgasemissionsgröße nach Änderung des Betriebsparameters unterhalb des Grenzwertes liegt.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Abgasnachbehandlungskomponente ein oxidationskatalytisch wirkendes Bauteil (34; 35) und ein SCR-Katalysator (36) vorgesehen sind.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das oxidationskatalytisch wirkende Bauteil (34; 35) zu Beginn seines Einsatzes im Abgasnachbehandlungssystem (16) einen thermisch vorgealterten Zustand aufweist.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das oxidationskatalytisch wirkende Bauteil (34; 35) einen Platin und/oder Palladium umfassenden Edelmetallanteil aufweist, wobei das Verhältnis von Platin zu Palladium geringer als zwei ist und/oder in Richtung einer Abgasdurchströmung ein abnehmendes Verhältnis von Platin zu Palladium für das oxidationskatalytisch wirkende Bauteil (34; 35) vorgesehen ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der SCR-Katalysator (36) eine zeolithhaltige Beschichtung derart aufweist, dass ein abgaseintrittsseitiger Abschnitt des SCR-Katalysators (36) frei von Zeolith ist und/oder ein im Wesentlichen in Richtung einer Abgasdurchströmung zunehmender Zeolithanteil in der Beschichtung vorgesehen ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der SCR-Katalysator (36) ein Volumen aufweist, welches kleiner als ein Zweifaches, insbesondere kleiner als ein Eineinhalbfaches des Brennkraftmaschinenhubvolumens ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der SCR-Katalysator (36) eine Einbaulage aufweist, welche außerhalb eines die Brennkraftmaschine (1) aufnehmenden Motorraums, insbesondere in einem Unterbodenbereich des Kraftfahrzeugs, angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben eines Abgasnachbehandlungssystems nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in einem einen Niedriglast und Mittellast umfassenden Lastbereich der Brennkraftmaschine (1) ein Abgasrückführanteil von mehr als 40% eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass für ein Abgasnachbehandlungssystem (16), welches ein oxidationskatalytisch wirkendes Bauteil (34; 35) und einen nachgeschalteten SCR-Katalysator (36) aufweist, beim Betrieb der Brennkraftmaschine (1) nach erfolgtem Warmlauf im überwiegenden Betriebsbereich der Brennkraftmaschine (1) eingangsseitig des oxidationskatalytisch wirksamen Bauteils (34; 35) eine Abgastemperatur von wenigstens 250°C eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine (1), bei welcher eingangsseitig des oxidationskatalytisch wirksamen Bauteils (34; 35) die Abgastemperatur weniger als etwa 250°C und mehr als etwa 150°C beträgt, im überwiegenden Betriebsbereich der Brennkraftmaschine (1) – für eine Kraftstoffverbrennung in Brennräumen der Brennkraftmaschine (1) ein Luft-Kraftstoffverhältnis λ von weniger als zwei eingestellt wird und/oder – eine Abgasrückführung mit einem Niederdruckanteil von mehr als 70%, insbesondere von mehr als 90% eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12 dadurch gekennzeichnet, dass beim Betrieb der Brennkraftmaschine (1) nach erfolgtem Warmlauf im überwiegenden Betriebsbereich der Brennkraftmaschine (1) – ein NO2:NO-Verhältnis in dem in den SCR-Katalysator (36) eintretenden Abgas von weniger als eins eingestellt wird und/oder – eine Zugabe von Ammoniak enthaltendem Reduktionsmittel zum Abgas stromauf des SCR-Katalysators (36) derart eingestellt wird, dass ein NH3:NOx-Verhältnis von weniger als eins resultiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass dass ein Schätzwert für eine im SCR-Katalysator (36) abgelagerte Menge von Ammoniumnitrat ermittelt wird und für den Fall, dass der Schätzwert einen vorgebbaren Grenzwert überschreitet, zumindest im Bereich zwischen 200°C und 300°C für die Temperatur des SCR-Katalysators (36) ein gegenüber dem normalen Betriebszustand erhöhter Gehalt an Ammoniak und/oder NO in dem in den SCR-Katalysator (36) eintretenden Abgas eingestellt wird.