DE102012011603A1

DE102012011603A1 - Abgasanlage und Verfahren zum Betreiben einer solchen

Info

Publication number: DE102012011603A1
Application number: DE102012011603A
Authority: DE
Inventors: Lars Schlüter; Stefan PAUKNER; Asmus CARSTENSEN
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2012-06-12
Filing date: 2012-06-12
Publication date: 2013-12-12
Also published as: US20130327023A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage (10) für eine fremdgezündete Brennkraftmaschine (12), umfassend einen HC-Adsorber (22) sowie einen diesem nachgeschalteten, zumindest zur Konvertierung von Kohlenwasserstoffen (HC) ausgebildeten Katalysator (20) sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasanlage (10). Es ist vorgesehen, dass stromab des HC-Adsorbers (22) und stromauf des Katalysators (20) eine mit Luft und Kraftstoff betriebene oder betreibbare Brennereinrichtung (30) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage für fremdgezündete Brennkraftmaschinen (Ottomotoren) sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Abgasanlage.
In dem Bestreben, Schadstoffemissionen von Brennkraftmaschinen zu senken, werden üblicherweise motorische Maßnahmen zu Senkung der Rohemissionen ergriffen. Um die dennoch nicht vollständig vermeidbaren Rohemissionen effektiv nachmotorisch umzusetzen, werden darüber hinaus Katalysatoren und andere Abgasreinigungskomponenten in den Abgasanlagen verbaut. Katalysatoren umfassen einen vom Abgas durchströmbaren Träger, z. B. einen keramischen Monolithen oder Metallträger, mit einer, ein katalytisch aktives Material enthaltenden Beschichtung. Beispielsweise werden insbesondere bei Dieselmotoren Oxidationskatalysatoren eingesetzt, welche gezielt unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) sowie Kohlenmonoxid (CO) konvertieren. Reduktionskatalysatoren, die Stickoxide (NO_X) umsetzen, kommen bei Dieselmotoren und Ottomotoren zum Einsatz. Darüber hinaus sind Drei-Wege-Katalysatoren bekannt, welche die Funktion von Oxidations- und Reduktionskatalysatoren vereinen und somit alle drei Komponenten katalytisch umsetzen und hauptsächlich bei Ottomotoren eingesetzt werden.
Grundsätzlich benötigen sämtliche Katalysatoren eine spezifische Mindesttemperatur, die so genannte Light-Off- oder Anspringtemperatur, bei der sie definitionsgemäß 50% ihrer maximalen Konvertierungsleistung aufweisen. Nach einem Kaltstart des Motors ist diese Temperatur üblicherweise noch nicht erreicht, so dass, wenn keine weiteren Maßnahmen ergriffen werden, die als Startemissionen bezeichneten Emissionen unkonvertiert die Abgasanlage verlassen. Um die Katalysatoren schnell auf ihre Light-Off-Temperatur aufzuheizen, werden häufig motorische Maßnahmen, wie Spätzündung oder Kraftstoffnacheinspritzung, ergriffen.
Eine verbreitete Maßnahme zur Reduzierung der Startemissionen ist die motornahe Anordnung relativ kleinvolumiger Vorkatalysatoren, die auch als Startkatalysatoren bezeichnet werden. Aufgrund ihres geringen Volumens und ihrer motornahen Platzierung erreichen Vorkatalysatoren relativ schnell ihre Light-Off-Temperatur und übernehmen dann die Konvertierung eines Großteils der Emissionen, bis auch ein nachgeschalteter Hauptkatalysator seine Betriebstemperatur erreicht hat.
Weiterhin ist bekannt, HC-Adsorber stromauf eines Oxidations- oder Drei-Wege-Katalysators anzuordnen, welche die HC-Emissionen zwischenspeichern. Sobald der HC-Adsorber eine spezifische, beschichtungsabhängige Desorptionstemperatur erreicht hat, werden die gespeicherten Kohlenwasserstoffe desorbiert. Damit diese auf dem nachgeschalteten Katalysator katalytisch umgesetzt werden können, muss dieser zur Zeit der Desorption seine Light-Off-Temperatur bereits erreicht haben. Problematisch ist, dass die Light-Off-Temperaturen üblicher Katalysatorbeschichtungen häufig oberhalb der Desorptionstemperaturen von HC-Adsorbern liegen, wodurch ein sicherer Umsatz der Kohlenwasserstoffe schwierig zu gewährleisten ist.
Zur Abhilfe sind aus dem Stand der Technik Abgasanlagen bekannt, bei denen ein ringförmiger HC-Adsorber stromauf eines Abgaskonverters (z. B. eines Drei-Wege-Katalysators) angeordnet ist (siehe 1; z. B. DE 103 50 516 A , US 5,315,824 ). Dabei ist der Abgasweg durch ein Innenrohr in einen äußeren Strömungsweg, der den HC-Ringadsorber aufweist, sowie einen zentralen Strömungsweg (Bypass) unterteilt. Über geeignete Stellmittel kann der Abgasstrom durch den äußeren Strömungsweg durch den HC-Adsorber geleitet werden oder zur Umgehung derselben durch den Bypass. Solange nach einem Motorstart der Hauptkatalysator seine Arbeitstemperatur und der HC-Adsorber seine Desorptionstemperatur noch nicht erreicht hat, wird der Abgasstrom über den HC-Adsorber geleitet, der die im Abgasbefindlichen Kohlenwasserstoffe zwischenspeichert. Bevor der HC-Adsorber seine Desorptionstemperatur erreicht, wird der Abgasstrom durch den zentralen Strömungsweg geleitet, um den HC-Adsorber zu umgehen. Sobald der nachgeschaltete Katalysator seine Light-Off-Temperatur erreicht hat, erfolgt wiederum eine vollständige oder teilweise Durchleitung des Abgases durch den HC-Adsorber, um die Kohlenwasserstoffe auszutragen und in den Hauptkatalysator zu transportieren, wo diese katalytisch umgesetzt werden. Diese Anordnung erlaubt eine sehr gute Reduzierung von HC-Startemissionen. Jedoch ist die Mechanik zum Umleiten des Abgasstroms (Abgasklappe etc.) sowie die Herstellung ringförmiger Katalysatorträger relativ aufwändig. Zudem erfordert diese Anordnung ein aufwändiges Management.
Aus DE 10 2010 027 984 A1 ist eine Abgasanlage für eine Diesel-Brennkraftmaschine bekannt, welche in dieser Reihenfolge einen motornahen Dieseloxidations-Vorkatalysator, einen Dieseloxidations-Hauptkatalysator, einen Dieselpartikelfilter sowie einen SCR-Katalysator umfasst. Zum Aufheizen des Dieseloxidations-Hauptkatalysators ist stromauf von diesem ein Kraftstoffinjektor angeordnet, dem eine mit Luft und Kraftstoff betriebene Brennereinrichtung vorgeschaltet ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abgasanlage bereitzustellen, mit der niedrige HC-Emissionen gewährleistet werden und die gleichzeitig gegenüber bekannten Vorrichtungen mit ringförmigen HC-Adsorbern einen einfacheren Aufbau aufweist und ein erleichtertes Management erfordert.
Diese Aufgabe wird durch eine Abgasanlage, insbesondere für fremdgezündete Brennkraftmaschinen, sowie durch ein Verfahren zum Betreiben einer solchen mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind, Gegenstand der übrigen Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Abgasanlage für fremdgezündete Brennkraftmaschinen (Ottomotoren). umfasst einen HC-Adsorber sowie einen diesem nachgeschalteten, zumindest zur Konvertierung (Oxidation) von Kohlenwasserstoffen HC ausgebildeten Katalysator. Ferner umfasst die Abgasanlage eine stromab des HC-Adsorbern und stromauf des Katalysators mit Luft und Kraftstoff betriebene oder betreibbare Brennereinrichtung.
Durch den zwischen HC-Adsorber und Katalysator verbauten Brenner wird ermöglicht, den Katalysator sehr schnell nach Motorstart auf ein Temperaturniveau anzuheben, das eine frühzeitige Konvertierung von Kohlenwasserstoffen ermöglicht. Insbesondere wird auf diese Weise erreicht, dass der Katalysator seine Light-Off-Temperatur erreicht, bevor der vorgeschaltete HC-Adsorber seine Desorptionstemperatur erreicht. Zum Zeitpunkt der beginnenden HC-Desorption aus dem Adsorber ist der nachgeschaltete Katalysator somit bereits betriebsbereit und gewährleistet eine sichere Konvertierung der desorbierten Kohlenwasserstoffe. Ferner zeichnet sich die erfindungsgemäße Abgasanlage durch einen Aufbau aus, der gegenüber den eingangs diskutierten Konzepten mit ringförmigen HC-Adsorbern deutlich vereinfacht ist, da konstruktive Maßnahmen zur Umlenkung des Abgasstroms, beispielsweise Abgasklappen, entfallen. Zudem umfasst die erfindungsgemäße Abgasanlage keine beweglichen Bauteile, wodurch ihre Lebensdauer verlängert wird. Schließlich zeichnet sich die erfindungsgemäße Abgasanlage durch eine vereinfachte Steuerung sowie Überwachung im Wege der On-Board-Diagnose (OBD) aus.
Der dem HC-Adsorber nachgeschaltete Katalysator ist ausgelegt, zumindest Kohlenwasserstoffe HC katalytisch umzusetzen, nämlich zu oxidieren. Vorzugsweise ist er als Drei-Wege-Katalysator ausgebildet, so dass er neben der Oxidation von Kohlenwasserstoffen auch Kohlenmonoxid CO oxidiert und zusätzlich Stickoxide NO_X reduziert. In einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung ist der Hauptkatalysator als so genannter Vier-Wege-Katalysator ausgebildet, das heißt er weist neben seiner Drei-Wege-Funktion eine Partikelfilterfunktion auf. Durch die drei-wege-katalytische Funktion werden sämtliche relevanten und gesetzlich limitierten gasförmigen Schadstoffkomponenten konvertiert. Die optionale Partikelfilterfunktion sorgt darüber hinaus dafür, dass die zunehmend auch bei Ottomotoren in den Fokus rückenden partikulären Bestandteile des Abgases zurückgehalten werden. Dabei wird die von Zeit zu Zeit notwendig werdende Regeneration des Partikelfilters durch die vorgeschaltete Brennereinrichtung ermöglicht.
Der HC-Adsorber ist vorzugsweise als Vollstromadsorber ausgebildet. Darunter wird vorliegend verstanden, dass der HC-Adsorber durch keine Bypassleitung umgehbar ist, insbesondere auch kein zentraler Bypass wie bei den ringförmigen HC-Adsorbern des Standes der Technik vorhanden ist. Vielmehr ist der Trägerkörper des HC-Adsorbers (abgesehen von seinen Strömungskanälen) quasi massiv ausgebildet, beispielsweise als Vollzylinder mit kreisrundem oder abgeflachtem Querschnitt. Die Ausbildung des HC-Adsorbers als Vollstromadsorber führt einerseits zu einer Vereinfachung seines Herstellungsverfahrens sowie zu einer Erhöhung seiner Langzeitstabilität. Andererseits wird auch die Konstruktion der Abgasanlage insgesamt vereinfacht.
Optional kann stromauf des HC-Adsorbers ein, zumindest zur Konvertierung von Kohlenwasserstoffen ausgebildeter Vorkatalysator an einer möglichst motornahen Position angeordnet sein. Beispielsweise kann dieser unmittelbar an einem Krümmerauslass oder sogar innerhalb der Krümmerrohre angeordnet sein. Der Vorkatalysator erfüllt die Funktion eines Startkatalysators, das heißt er übernimmt die Konvertierung von Schadstoffen, unmittelbar nach einem Motorstart, wenn die nachfolgenden Abgaskomponenten ihre Light-Off-Temperatur noch nicht erreicht haben. Durch die motornahe Anordnung und das üblicherweise geringere Katalysatorvolumen wird eine frühzeitige Aufheizung des Vorkatalysators erreicht. Ebenso wie der nachgeschaltete Katalysator (Hauptkatalysator), jedoch unabhängig von diesem, ist auch der Vorkatalysator vorzugsweise als Drei-Wege-Katalysator ausgebildet. In einer Weiterbildung dieser Ausgestaltung weist er zusätzlich eine Partikelfilterfunktion auf, das heißt er ist als so genannter Vier-Wege-Katalysator ausgebildet.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Abgasanlage keinen Vorkatalysator. Durch das schnelle Aufheizen des dem HC-Adsorber nachgeschalteten Katalysators auf seine Light-Off-Temperatur sowie der HC-Adsorberfunktion ist eine wirksame HC-Konvertierung schnell nach Motorkaltstart möglich, so dass auf einen Vorkatalysator verzichtet werden kann. Hierdurch ergeben sich insbesondere Kostenvorteile.
Mit Vorteil ist der Katalysator sowie die Brennereinrichtung an einer Unterbodenposition der Abgasanlage angeordnet. Vorteil dieser Position ist der vergleichsweise große Bauraum im Unterbodenbereich eines Fahrzeugs, der einen großen Gestaltungsraum für den Katalysator selbst sowie seine Brennereinrichtung und zugeordnete Komponenten bietet. Da der Katalysator nicht auf eine Aufheizung durch das heiße Abgas angewiesen ist, wodurch sich oftmals eine Unterbodenposition von Katalysatoren verbietet, wird diese vorteilhafte motorferne Anordnung ermöglicht.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Abgasanlage ferner eine Steuereinrichtung zur Steuerung eines Betriebs und einer Heizleistung der Brennereinrichtung. Zu diesem Zweck ist die Steuereinrichtung eingerichtet, einen der Brennereinrichtung zugeführten Luftmassenstrom und/oder Kraftstoffmassenstrom zu steuern.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Abgasanlage, wobei mit oder nach einem Start der Brennkraftmaschine die Brennereinrichtung gestartet wird und solange betrieben wird, bis von dem HC-Adsorber adsorbierte Kohlenwasserstoffe wenigstens zu 90%, insbesondere wenigstens zu 95% und vorzugsweise wenigstens zu 98% desorbiert sind, oder bis der dem HC-Adsorber nachgeschaltete Katalysator eine vorbestimmte Temperaturschwelle, insbesondere seine Light-Off-Temperatur, erreicht hat. Durch die schnelle Aufheizung des dem HC-Adsorber nachgeschaltetem Katalysators, wird gewährleistet, dass dieser sehr schnell seine Light-Off-Temperatur erreicht. Somit wird bereits zum Zeitpunkt der beginnenden HC-Desorption eine zuverlässige Konvertierung erreicht.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird die Brennereinrichtung nach Erfüllung der vorstehend beschriebenen Abschaltkriterien noch für eine vorbestimmte Zeitspanne weiter betrieben. Durch diese Ausgestaltung wird verhindert, dass der Katalysator durch noch vergleichsweise kaltes Abgas nach Abschalten der Brennereinrichtung wieder auskühlt. Die niedrigen Abgastemperaturen nach Motorstart werden insbesondere durch die noch kalten Bauteile der kalten Abgasanlage verursacht, die somit als Wärmesenken fungieren.
Die vorbestimmte Zeitspanne kann beispielsweise so gewählt sein, dass eine bestimmte Abgasmindesttemperatur erreicht wird, welche eine erneute Auskühlung des Katalysators verhindert.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird die Heizleistung der Brennereinrichtung über die der Brennereinrichtung zugeführte Kraftstoffmenge gesteuert. Dabei wird die Kraftstoffmenge in Abhängigkeit von der zugeführten Luftmenge vorgesteuert. Diese Ausgestaltung trägt dem Umstand Rechnung, dass aufgrund fluktuierender Abgasgegendrücke im Abgaskanal auch die der Brennereinrichtung zugeführte Luftmenge beeinflusst werden kann. Um somit ein gewünschtes Verbrennungsluftverhältnis (Lambda) in der Brennereinrichtung darzustellen, wird in Abhängigkeit des aktuell der Brennereinrichtung zugeführten Luftmassenstroms die zuzuführende Kraftstoffmenge ermittelt und der Brennereinrichtung zugeführt. Auf diese Weise kann stets ein gewünschtes Verbrennungsluftverhältnis und somit eine gewünschte Heizleistung sichergestellt werden, beispielsweise eine konstante Heizleistung. In weiterer Ausbildung ist stromab der Brennereinrichtung eine Lambdasonde im Angaskanal angeordnet, so dass die vorstehend beschriebene Vorsteuerung durch eine Lambdaregelung ergänzt werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 schematisch eine Abgasanlage gemäß Stand der Technik;
2 schematisch eine Abgasanlage gemäß der vorliegenden Erfindung und
3 zeitliche Verläufe der Temperaturen sowie der HC-Konzentrationen an verschiedenen Stellen einer erfindungsgemäßen Abgasanlage in einer Prüfstandsmessung.
1 zeigt eine schematische Überblicksansicht einer Abgasanlage 10' einer Brennkraftmaschine 12 gemäß Stand der Technik.
Die Abgasanlage 10' umfasst einen Abgaskanal 16, in dem an einer motornahen Position ein Vorkatalysator 18 angeordnet ist, der die Funktion eines Startkatalysators erfüllt. Stromab von dem Vorkatalysator 18, insbesondere an einer Unterbodenposition, ist ein weiterer Katalysator 20 (Hauptkatalysator) angeordnet, der insbesondere zur katalytischen Konvertierung von Kohlenwasserstoffen ausgelegt ist. Stromauf des Hauptkatalysators 20 ist ein ringförmiger HC-Adsorber 22 vorgesehen, der auf einem Innenrohr 24 gelagert ist. Im zentralen Abschnitt des HC-Adsorbers 22 sowie des Innenrohrs 24 wird somit ein Bypass 26 ausgebildet. Um den Abgasstrom wahlweise über den HC-Adsorber 22 oder durch den Bypass 26 zu leiten, sind Stellmittel 28 vorhanden, die beispielsweise eine schwenkbare oder drehbare Abgasklappe umfassen, die an beziehungsweise indem Innenrohr 24 angeordnet ist. Nicht dargestellt in 1 sind Aktuatoren für die Stellmittel 28, beispielsweise ein Elektromotor, sowie Steuerungsmittel.
Die in 1 dargestellte Abgasanlage 10' zeigt folgende Funktion. Nach einem Start der Brennkraftmaschine 12, wird zunächst die Abgasklappe 28 so gestellt, dass der Bypass 26 verschlossen und der Abgasstrom über den HC-Adsorber 22 geleitet wird. In dieser Phase werden die HC-Emissionen der Brennkraftmaschine 12 im HC-Adsorber 22 gespeichert. Kurz bevor der HC-Adsorber seine Desorptionstemperatur erreicht hat, wird der Bypass 26 geöffnet, so dass der Abgasstrom den HC-Adsorber 22 umgeht. Derweil findet eine Erwärmung des HC-Adsorbers 22 durch den Abgasstrom statt. Sobald der nachgeschaltete Katalysator 20 seine Betriebstemperatur erreicht hat, wird die Abgasklappe 28 wieder geschlossen, so dass das heiße Abgas die desorbierten Kohlenwasserstoffe aus dem HC-Adsorber 22 austrägt und dem nachgeschaltetem Katalysator (20) zuführt, wo diese katalytisch umgesetzt werden.
Die in 1 dargestellt Abgasanlage 10' führt zwar zu einer wirksamen Reduzierung von HC-Startemissionen, jedoch ist die Konstruktion und die Steuerung vergleichsweise aufwändig.
2 zeigt eine schematische Überblicksansicht einer Abgasanlage 10 gemäß vorliegender Erfindung. Korrespondierende Bauteile sind hier mit den gleichen Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet.
Die Brennkraftmaschine 12 ist eine fremdgezündete Brennkraftmaschine (Ottomotor) mit typischerweise einer Mehrzahl von Zylindern 14.
Die Abgasanlage 10 umfasst einen Abgaskanal 16, in dem vorzugsweise an einer Unterbodenposition ein HC-Adsorber 22 angeordnet ist. Der HC-Adsorber 22 ist als Vollstromadsorber ausgebildet, das heißt er umfasst keinen Bypass und wird somit stets von dem gesamten Abgasstrom durchströmt. Beispielsweise hat er die Gestalt eines Vollzylinders mit kreisrundem oder ovalem Querschnitt.
Stromab des HC-Adsorber 22 ist ein Hauptkatalysator 20 ebenfalls an einer Unterbodenposition angeordnet. Der Katalysator 20 ist vorzugsweise als Drei-Wege-Katalysator zur Konvertierung von Kohlenwasserstoffen HC, Kohlenmonoxid CO und Stickoxiden NO_X ausgebildet. Zu diesem Zweck enthält die katalytische Beschichtung des Katalysators 20 katalytisch aktive Edelmetalle, wie Platin, Palladium und/oder Rhodium, vorzugsweise eine Kombination aus Platin und Rhodium oder Palladium und Rhodium. Optional kann der Katalysator 20 ferner eine Partikelfilterfunktion aufweisen. Zu diesem Zweck kann der Katalysator 20 wechselseitig verschlossene und geöffnete Strömungskanäle aufweisen, so dass das Abgas gezwungen ist, poröse Seitenwände der Strömungskanäle zu durchdringen. Dabei werden partikulare Bestandteile des Abgases in den Wänden zurückgehalten. Ottopartikelfilter können einen grundsätzlich ähnlichen Aufbau aufweisen wie Dieselpartikelfilter.
Optional kann die Abgasanlage 10 ferner einen Vorkatalysator 18 umfassen, der die Funktion eines Startkatalysators übernimmt und zu diesem Zweck an einer möglichst motornahen Position angeordnet ist. Der Vorkatalysator 18 ist ebenso wie der Hauptkatalysator 20 vorzugsweise als Drei-Wege-Katalysator mit optionaler zusätzlicher Partikelfilterfunktion ausgebildet.
In 2 ist zudem eine Turbine 32 eines nicht weiter dargestellten Abgasturboladers dargestellt. Die Abgasturbine 32 befindet sich vorzugsweise an einer Position stromauf des Vorkatalysators 18.
Erfindungsgemäß ist zwischen dem HC-Adsorber 22 und dem Hauptkatalysator 20 eine Brennereinrichtung 30 angeordnet. Die Brennereinrichtung 30 verfügt über nicht dargestellte Luftfördermittel, welche die Brennereinrichtung 30 mit Verbrennungsluft aus der Umgebung versorgen. Diese Luftfördermittel können beispielsweise eine übliche Sekundärluftpumpe umfassen. Ferner weist die Brennereinrichtung 30 ebenfalls nicht dargestellte Kraftstofffördermittel auf, welche die Brennereinrichtung 30 mit Kraftstoff versorgen. Insbesondere wird die Brennereinrichtung 30 mit dem gleichen Kraftstoff versorgt, wie die Brennkraftmaschine 12. Somit umfassen die Kraftstofffördermittel der Brennereinrichtung 30 beispielsweise eine vom Kraftstofftank zur Brennereinrichtung 30 führende Kraftstoffleitung, eine Kraftstoffpumpe sowie einen Kraftstoffinjektor.
Die erfindungsgemäße Abgasanlage 10 umfasst ferner eine Steuereinrichtung 34 zur Steuerung der Brennereinrichtung 30. Insbesondere steuert die Steuereinrichtung 34 die in 2 nicht dargestellten Luftfördermittel zur Zuführung von Verbrennungsluft zu der Brennereinrichtung 30 sowie die ebenfalls nicht dargestellte Kraftstofffördermittel zur Zufuhr von Kraftstoff zu der Brennereinrichtung 30.
Nicht in 2 dargestellt ist eine Sensorik der Abgasanlage 10, die üblicherweise eine motornahe Lambdasonde umfasst, welche beispielsweise stromauf des Vorkatalysators 18 angeordnet ist und in bekannter Weise der Lambdaregelung der Brennkraftmaschine 12 dient. Ferner kann die Sensorik eine weitere, stromab der Brennereinrichtung 30 angeordnete Lambdasonde umfassen, welche der Steuerung des der der Brennereinrichtung 30 zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemischs der Brennereinrichtung 30 dient. Zudem können in der Abgasanlage 10 verschiedene Temperatursensoren angeordnet sein, beispielsweise vor, am und/oder nach dem Hauptkatalysator 20, welche der Ermittlung der Temperatur des Katalysators 20 dienen. Zudem können weitere Temperatursensoren vor, am und/oder nach dem HC-Adsorber 22 vorgesehen sein, welche die Adsorbertemperatur zu ermitteln ermöglichen. Zusätzlich können auch HC-Sensoren vorgesehen sein, insbesondere stromab des HC-Adsorbers 22 und/oder stromab des Katalysators 20. Die Signale der Temperatursensoren, die Signale der der Brennereinrichtung 30 nachgeschalteten Lambdasonde sowie die Signale der HC-Sensoren gehen in die Steuereinrichtung 34 ein. Diese weist einen Algorithmus zur Steuerung der Brennereinrichtung 30 in computerlesbarer Form auf. Zudem kann die Steuereinrichtung 34 über verschiedene gespeicherte Kennfelder verfügen.
Die in 2 dargestellte Abgasanlage 10 weist folgende Funktion auf. Unmittelbar mit einem Kaltstart der Brennkraftmaschine 12 bei Erreichen einer Mindestdrehzahl startet die Steuereinrichtung 34 die Brennereinrichtung 30. Hierzu steuert sie die Luft- und Kraftstofffördermittel entsprechend an. Vorzugsweise wird die Brennereinrichtung 30 in dieser Phase mit einer höchstmöglichen Heizleistung betrieben, die mit den Bauteilen und insbesondere dem Hauptkatalysator 20 vereinbar ist. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Brennereinrichtung 30 mit einer konstanten hohen Heizleistung betrieben, beispielsweise mit mindestens 10 kW, vorzugsweise mindestens 15 kW und besonders bevorzugt mit etwa 20 kW. Zur Darstellung dieser Zielleistung ermittelt die Steuereinrichtung 34 den aktuellen, der Brennereinrichtung 30 zugeführten Luftmassenstrom, beispielsweise mit einem Luftmassenmesser. In Abhängigkeit von dem Luftmassenstrom ermittelt die Steuereinrichtung 34 den zuzuführenden Kraftstoffmassenstrom, der zur Darstellung des gewünschten Lambdas erforderlich ist. Zu diesem Zweck kann die Steuereinrichtung 34 beispielsweise auf ein gespeichertes Kennfeld zugreifen, dass den Kraftstoffmassenstrom in Abhängigkeit des gewünschten Lambdas sowie dem aktuellen Luftmassenstrom darstellt. Sodann steuert die Steuereinrichtung 34 die Kraftstofffördermittel, insbesondere Öffnungszeiten des Injektors so an, dass die ermittelte Kraftstoffmenge zur Brennereinrichtung 30 zugeführt wird.
Die Brennereinrichtung 30 wird mindestens so lange betrieben, bis die in dem HC-Adsorber 22 gespeicherten Kohlenwasserstoffe wenigstens zu 90% desorbiert sind und/oder bis der Hauptkatalysator 20 eine vorbestimmte Temperaturschwelle, beispielsweise seine Light-Off-Temperatur erreicht hat. Der Zeitpunkt einer ausreichenden HC-Desorption aus dem HC-Adsorber 22 kann beispielsweise mittels eines nachgeschalteten HC-Sensors erfasst werden. Ferner kann die Desorption über die Temperatur des HC-Adsorbers 22 ermittelt werden, welche wiederum mit Temperatursensoren gemessen oder rechnerisch modelliert werden kann. Schließlich kann die HC-Desorption aus dem HC-Adsorber 22 auch über eine Zeitfunktion modelliert werden. Die Temperatur des Hauptkatalysators 20 kann ebenfalls durch die Temperatursensoren gemessen werden oder über geeignete Rechenmodelle in Abhängigkeit von einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 12 ermittelt werden. Vorzugsweise wird die Temperatur des Katalysators 20 jedoch über Temperatursensoren ermittelt. Wenn mindestens eines der vorgenannten Abschaltkriterien erfüllt ist, wird vorzugsweise der Brennerbetrieb noch für eine vorbestimmte Zeitspanne verlängert. Diese soll gewährleisten, dass die Temperatur des Hauptkatalysators 20 durch das anfänglich noch kühle Abgas nach Abschalten der Brennereinrichtung 30 sofort wieder sinkt.
3 zeigt zeitliche Temperatur- und HC-Verläufe beim Betrieb einer erfindungsgemäßen Abgasanlage gemäß 2.
Im oberen Teil der 3 ist die einem Standardzyklus folgende Fahrzeuggeschwindigkeit V_Fzg sowie die Periode des Betriebs der Brennereinrichtung 30 gezeigt. Im unteren Teil der 3 ist die Temperatur im Hauptkatalysator T_HK, die Abgastemperatur vor dem HC-Adsorber T_{vor Ad} sowie die Abgastemperatur stromab des HC-Adsorbers T_{nach Ad} zu sehen. Ferner ist die HC-Konzentration stromab des HC-Adsorbers HC_{nach Ad} sowie die HC-Konzentration stromab des Hauptkatalysators HC_{nach HK} dargestellt.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt ein Start des Betriebs der Brennereinrichtung 30 mit Motorstart. Durch den Brennerbetrieb erfolgt ein sehr schneller Anstieg der Temperatur des Hauptkatalysators T_HK. Erst mit deutlicher Verzögerung findet hingegen ein signifikanter Anstieg der Abgastemperatur vor dem HC-Adsorber T_{vor Ad} statt, da die thermische Energie des Abgases zunächst für die Erwärmung der dem HC-Adsorber 22 vorgeschalteten Abgasanlage aufgezehrt wird. Noch langsamer ist der Anstieg der Abgastemperatur hinter dem HC-Adsorber T_{nach Ad}. Die eigentliche Adsorbertemperatur liegt typischerweise im Bereich zwischen den Verläufen T_{vor Ad} und T_{nach Ad}.
Beim Motorstart (in 3 etwa bei 8 Sekunden) ist ein schneller Anstieg der HC-Konzentration sowohl nach dem HC-Adsorber 22 als auch nach dem Katalysator 20 zu beobachten (Kurven HC_{nach Ad} und HC_{nach HK}). Diese sind auf die erhöhten HC-Rohemissionen der Brennkraftmaschine 12 während des Motorstarts zurückzuführen. Die Wirkung der HC-Adsorbers 22 zeigt sich anhand der unterschiedlichen HC-Konzentrationen nach HC-Adsorber und nach Katalysator 20. In der Phase der HC-Speicherung heizt die Brennereinrichtung 30 den Hauptkatalysator 20, sodass dieser zum Zeitpunkt des Ausschaltens des Brenners 30 seine Light-Off-Temperatur erreicht hat. Die Desorption der Kohlenwasserstoffe beginnt etwa bei Sekunde 50, nach Ausschalten des Brenners. Die desorbierten Kohlenwasserstoffe werden auf dem Hauptkatalysator 20 umgesetzt, was an der HC-Konzentration nach dem Katalysator 20 abzulesen ist.
Die Messungen zeigen, dass mittels der erfindungsgemäßen Abgasanlage 10 eine wirksame HC-Konvertierung durch den Hauptkatalysator erzielt werden kann, so dass auf eine aufwändige Konstruktion unter Verwendung eines ringförmigen HC-Adsorbers und entsprechende Abgasstellmittel verzichtet werden kann.
Bezugszeichenliste

10: Abgasanlage gemäß Erfindung
10': Abgasanlage gemäß Stand der Technik
12: Brennkraftmaschine
14: Zylinder
16: Abgaskanal
18: Vorkatalysator
20: Katalysator/Hauptkatalysator
22: HC-Adsorber
24: Innenrohr
26: zentraler Strömungsweg/Bypass
28: Stellmittel/Abgasklappe
30: Brennereinrichtung
32: Abgasturbine
34: Steuereinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10350516 A [0006]
US 5315824 [0006]
DE 102010027984 A1 [0007]

Claims

Abgasanlage (10) für eine fremdgezündete Brennkraftmaschine (12), umfassend einen HC-Adsorber (22) sowie einen diesem nachgeschalteten, zumindest zur Konvertierung von Kohlenwasserstoffen (HC) ausgebildeten Katalysator (20), dadurch gekennzeichnet, dass stromab des HC-Adsorbers (22) und stromauf des Katalysators (20) eine mit Luft und Kraftstoff betriebene oder betreibbare Brennereinrichtung (30) angeordnet ist.
Abgasanlage (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der HC-Adsorber (22) als Vollstromadsorber ausgestaltet ist.
Abgasanlage (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass stromauf des HC-Adsorbers (22) ein motornaher Vorkatalysator (18) angeordnet ist.
Abgasanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (20) und/oder der Vorkatalysator (18) als Drei-Wege-Katalysator ausgebildet ist bzw. sind.
Abgasanlage (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (20) und/oder der Vorkatalysator (18) als Drei-Wege-Katalysator mit einer Partikelfilterfunktion ausgebildet ist bzw. sind.
Abgasanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (20) und die Brennereinrichtung (30) an einer Unterbodenposition der Abgasanlage (10) angeordnet sind.
Abgasanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (34) zur Steuerung eines Betriebs der Brennereinrichtung (30).
Verfahren zum Betreiben einer Abgasanlage (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei mit oder nach einem Start der Brennkraftmaschine (12) die Brennereinrichtung (30) gestartet wird und zumindest so lange betrieben wird, bis von dem HC-Adsorber (22) adsorbierte Kohlenwasserstoffe wenigstens zu 90% desorbiert sind und/oder bis der Katalysator (20) eine vorbestimmte Temperaturschwelle erreicht hat.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach Desorption von wenigstens 90% der von dem HC-Adsorber adsorbierten Kohlenwasserstoffe und/oder nach Erreichen der vorbestimmten Temperaturschwelle (TS_UK) des Katalysators (20) die Brennereinrichtung (30) noch für eine vorbestimmte Zeitspanne weiter betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 8 der 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Heizleistung der Brennereinrichtung (30) über die der Brennereinrichtung (30) zugeführte Kraftstoffmenge gesteuert wird, wobei die Kraftstoffmenge in Abhängigkeit von eines der Brennereinrichtung (30) zugeführten Luftmassenstroms vorgesteuert wird.