DE19644407C2 - Verfahren zur Reduzierung der Emissionen einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung der Emis­ sionen einer Brennkraftmaschine der im Oberbegriff des An­ spruchs 1 angegebenen Gattung.

In der DE-OS 22 54 895 ist ein Verfahren zur Behandlung von Mo­ torabgasen beschrieben, wobei in den Abgasstrang einer Brenn­ kraftmaschine während des Motor-Anfangsbetriebs stromauf eines ersten Katalysators zusätzlich Brennstoff eingespritzt wird. Durch das Zusetzen einer Kraftstoffmenge in das Abgas unmittel­ bar vor dem vordersten Katalysator wird sichergestellt, daß der Katalysator rascher auf eine Temperatur gebracht wird, die zur Einleitung und Aufrechterhaltung der Oxidation von Kohlen­ monoxid und Kohlenwasserstoffen im Abgas führt.

In der DE 43 38 883 A1 ist eine Katalysatoranordnung zur Reduk­ tion von in sauerstoffhaltigen Abgasen enthaltenen Stickoxiden beschrieben. Diese Katalysatoranordnung enthält mehrere in Ab­ gasströmungsrichtung mit Abstand aufeinanderfolgende Katalysa­ toren gleichen Aufbaus, die sowohl reduzierend als auch oxidie­ rend wirken. Mittels einer Dosiereinrichtung, der Signale für die Abgastemperatur zugeführt werden, erfolgt eine Kraftstoff­ zufuhr von Abgas vor dem jeweiligen Katalysator. Diese Anord­ nung ist für das Abgas von Dieselmaschinen oder Ottomaschinen, die mit magerem Kraftstoff/Luft-Gemisch betrieben werden, vor­ gesehen.

Die bekannten Anordnungen erfordern einen zusätzlichen Bauaufwand, um die zusätzliche Kraftstoffmenge in die Ab­ gasleitung einzubringen und entsprechend zu dosieren.

Aus der US 5,207,058 geht ein Verfahren zur Reduzierung der Emissionen einer Otto-Brennkraftmaschine hervor, wel­ ches durch Zugabe von Kraftstoff in die Verbrennungsab­ gase mittels nachträglicher Einspritzungen in eine Brenn­ kammer während des Auslaßtaktes des betreffenden Zylin­ ders eine Erwärmung des Katalysators im Abgastrakt vor­ sieht. Die Oxidationsreaktion der zusätzlichen Kraft­ stoffmenge verursacht die gewünschte Abgaserwärmung vor dem Katalysator, um diesen auf die angestrebte Zieltem­ peratur aufzuheizen. Das bekannte Verfahren sieht den Einsatz eines Dreiwegekatalysators zur Behandlung der Abgase vor, welcher jedoch bekanntlich zum Erreichen einer effektiven Schadstoffumwandlung stöchiometrische Abgaszusammensetzungen erforderlich macht. Direktein­ spritzende Otto-Brennkraftmaschinen können jedoch vor­ teilhaft mit Luftüberschuß bei der Verbrennung betrieben werden, wodurch beispielsweise der Kraftstoffverbrauch gesenkt werden kann. Bei Lambda - Werten außerhalb des stöchiometrischen Fensters und insbesondere bei Lambda < 1 kann ein Dreiwege-Katalysator nicht effektiv arbeiten und mindestens einer der zu reduzierenden Schadstoffe wird unbehandelt in die Umwelt ausgestoßen. Mit der zustätz­ lichen Nacheinspritzung wird bei dem bekannten Verfahren das Abgas angefettet zwecks Schaffung stöchiometrischer Luftverhältnisse. Die Menge des nachträglich einzu­ spritzenden Kraftstoffes muß jedoch klein sein, um eine schädliche Überhitzung des Katalysators zu vermeiden, so daß auch der Betriebsbereich möglicher Lambda-Werte des zu verbrennenden Frischgases eng begrenzt ist, da offen­ bar nur eine solche Luftüberschußmenge im Abgas enthalten sein darf, welche an der Oxidationsreaktion der Nacheinspritzmenge beteiligt ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Reduzierung der Emissionen einer Brenn­ kraftmaschine der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angege­ benen Gattung zu schaffen, das bei einem verminderten Bauaufwand sicher durchführbar ist und das einen Betrieb der Brennkraftmaschine mit beliebigen λ-Werten zuläßt.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Direkteinspritzende Ottomotoren können gegenüber solchen mit Saugrohreinspritzung in der Warmlaufphase deutlich magerer betrieben werden. Diese Maßnahme senkt die Koh­ lenwasserstoffemission deutlich ab. Zusätzlich zu dieser bekannten Maßnahme bietet die vorliegende Erfindung den Vorteil, daß die direkteinspritzende Brennkraftmaschine mit einem Luftüberschuß betrieben werden kann, wobei der Wert λ < 2 betragen kann. Als besonders bevorzugt wird ein Betrieb der Brennkraftmaschine mit Luftüberschuß von λ 1,1 bis 1,4 angesehen. Mittels des vorhandenen Injek­ tors wird nach der eigentlichen Verbrennung des Luft- Kraftstoff-Gemisches während des Auslaßtaktes in den je­ weiligen Zylinder eine definierte Menge Otto-Kraftstoff nachträglich eingespritzt. Dabei ist die Kraftstoffmenge so bemessen, daß die nicht verbrannte Luftmasse aufoxi­ diert werden kann.

Der nacheingespritzte Kraftstoff und die unverbrannten Kohlenwasserstoffe verbrennen mit dem Restsauerstoff in einer exothermen Reaktion. Dies führt zu einer umgehenden starken Erhöhung der Abgastemperatur, wodurch der Katalysator rasch auf Betriebstemperatur gebracht wird.

Mit dem erfindungsgemäße Verfahren sind Brennkraftma­ schinen, die mit einem NOx-Speicherkatalysator ausge­ rüstet sind, mit beliebigen λ-Werten betreibbar, da im Betrieb mit λ-Werten < 1 das Abgas einem Speicherkata­ lysator zugeführt und im Betrieb mit einem Wert λ = 1 eine Abgasklappe geöffnet wird, so daß das Abgas durch einen den Speicherkatalysator umgehenden Bypass strömt. Während bei den bekannten Anordnungen mit NOx-Speicher­ katalysator zum kurzzeitigen Umstellen auf ein fettes oder stöchiometrisches Gemisch üblicherweise eine rasche Änderung des Luft- oder Kraftstoffliefergrades erfolgt, wodurch in der Regel Drehmomentsprünge auftreten, hat die vorliegende Erfindung den Vorteil, daß die Brennkraftma­ schine unabhängig von der zusätzlichen Kraftstoff­ nacheinspritzung weiterhin mit dem λ-Wert aus dem Kenn­ feld betrieben wird. Der zum sogenannten Ausräumen des Katalysators notwendige Kraftstoff wird durch die Nach­ einspritzung dem heißen Abgas im Brennraum zugeführt und verdampft sofort. Auf diese Weise steht dem Speicherkata­ lysator das zur Regeneration notwendige fette Gemisch ohne Veränderung der Motoreinstellung zur Verfügung.

Durch die vorliegende Erfindung ergibt sich eine deutli­ che Reduzierung der Warmlaufemission und zwar durch den Magerbetrieb im Warmlauf, die Sekundärrektionen im Aus­ laßkanal und das schnelle Anspringen des Katalysators. Da keine zusätzlichen Systeme zur Kraftstoff und/oder Luft­ einbringung in der Abgasleitung erforderlich sind, ergibt sich gegenüber den bekannten Systemen auch ein deutlicher Kostenvorteil. Da bei direkteinspritzenden Brennkraftma­ schinen für jeden Zylinder ein Injektor vorgesehen ist, erfordert es hardwareseitig keinen zusätzlichen Bauauf­ wand, um die Nacheinspritzung in allen Zylindern der Brennkraftmaschine durchzuführen.

Gemäß einer besonderen Weiterbildung des Verfahrens wird aus dem gemessenen λ-Wert ein Signal gebildet, das einer Steuereinheit zuführbar ist. In dieser Steuereinheit wird ein Ausgangssignal zum Ansteuern des Injektors berechnet, so daß mit Hilfe der Nacheinspritzung lediglich die tat­ sächlich benötigte Kraftstoffmenge eingespritzt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nachstehend anhand der Zeichnung, die eine schematische Darstellung eines Zylin­ ders einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage zeigt, näher er­ läutert.

In der einzigen Zeichnungsfigur ist ein Teil einer Brenn­ kraftmaschine gezeigt mit einem Zylinder 1, in dem ein Brenn­ raum 2 gebildet ist, der von einem Zylinderkopf 3 und einem in dem Zylinder 1 geführten Kolben 4 begrenzt ist. In dem Zylin­ derkopf 3 befindet sich ein Einlaßkanal 5 mit einem steuerbaren Einlaßventil 7 sowie ein Auslaßkanal 6 mit einem steuerbaren Auslaßventil 8. In dem Zylinderkopf 3 ist außerdem ein Injektor 9 angeordnet, der an eine Kraftstoffleitung 10 angeschlossen ist und zum Einspritzen des Kraftstoffs in den Brennraum 2 dient. Der Injektor 9 wird von einer Steuereinheit 20 angesteu­ ert, um die jeweils benötigte Kraftstoffmenge in den Brennraum 2 einzuspritzen.

An den Auslaßkanal 6 ist eine Abgasleitung 12 angeschlossen, wobei am Beginn der Abgasleitung 12, das heißt unmittelbar nach einem am Zylinderkopf 3 anageflanschten Abgaskrümmer, eine Lambda-Sonde 11 angeordnet ist, die ein dem jeweiligen Meßwert entsprechendes Signal an die Steuereinheit 20 liefert. Die Ab­ gasleitung 12 umfaßt einen Leitungsabschnitt 12*, in dem eine mittels eines Antriebs 19 bewegbare Abgasklappe 18 angeordnet ist. An den Leitungsabschnitt 12* schließen sich zwei parallele Zweigleitungen 12' und 12" an, wobei in jeder der Zweigleitun­ gen 12', 12" ein Drei-Wege-Katalysator 15 bzw. 16 angeordnet ist. In einem sich an die Zweigleitungen 12', 12" an­ schließenden gemeinsamen Endabschnitt 12''' ist eine Füh­ rungssonde 17 angeordnet, die ein entsprechendes Signal der Steuereinheit 20 zuführt. Die Abgasleitung 12 umfaßt außerdem einen Leitungsabschnitt 13, der vor dem Leitungsabschnitt 12* abzweigt und stromab der Abgasklappe 18 vor der Verzweigung der Zweigleitungen 12' und 12" wieder in die Abgasleitung 12 mün­ det. In dem Leitungsabschnitt 13 ist ein NOx- Speicherkatalysator 14 vorgesehen.

Das Verfahren zur Reduzierung der Emissionen der Brenn­ kraftmaschine wird im wesentlichen in Abhängigkeit der mittels der λ-Sonde 11 und der Führungssonde 17 erfaßten Luft- bzw. Ab­ gaswerte in Verbindung mit einem in dem Steuergerät 20 abgeleg­ ten Kennfeld betrieben. Liegt der an der λ-Sonde 11 gemessene Wert für λ < 1, so erzeugt das Steuergerät 20 ein Signal, durch das der Antrieb 19 die Abgasklappe 18 in die Schließstellung bringt. Dadurch ist der als Bypass zu dem NOx-Speicherkatalysator 14 wirkende Leitungsabschnitt 12* geschlossen und das gesamte Abgasvolumen wird durch den Leitungsabschnitt 13 und somit den Speicherkatalysator 14 geleitet. Da in diesem Betriebsfall ein Luftüberschuß im Abgas vorhanden ist, wird der Injektor 9 von der Steuereinheit 20 derart angesteuert, daß im Auslaßhub des Kolbens 4 in den Brennraum 2 des Zylinders 1 eine Kraftstoff­ menge, deren Dosierung in der Steuereinheit 20 berechnet wird, eingespritzt wird, wodurch die unverbrannten Kohlenwasserstoffe mit dem Restsauerstoff in einer exothermen Reaktion verbrennen. Dadurch erhöht sich die Abgastemperatur unmittelbar sehr stark, so daß sich der Katalysator rasch auf die Betriebstemperatur erwärmt. Bei einer Betriebsweise des Motors mit λ-Werten = 1, das entspricht der Teillast im oberen Bereich bzw. der Vollast, wird durch ein von der Steuereinheit 20 erzeugtes Signal der Antrieb 19 derart angesteuert, daß ein vollständiges öffnen der Abgasklappe 18 erfolgt. Somit strömt das Abgasvolumen durch den als Bypass dienenden Leitungsabschnitt 12* unmittelbar zu den in den Zweigleitungen 12' und 12" angeordneten Drei-Wege- Katalysatoren 15 und 16. Da in dieser Betriebsweise der Brenn­ kraftmaschine sehr heißes Abgas den Brennraum verläßt und durch den Leitungsabschnitt 12* das Abgas unmittelbar den Drei-Wege- Katalysatoren 15 und 16 zugeleitet wird, liegt der Speicherka­ talysator 14 nicht im Abgasstrom und wird auf diese Weise vor extremen hohen Temperaturen geschützt.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung deutlich wird, betrifft das Verfahren nicht nur die Start- und Warmlaufphase der Brenn­ kraftmaschine, obwohl ein wesentlicher Vorteil in der Emissi­ onsreduzierung speziell in der Startphase zu sehen ist. Bei Verwendung eines NOx-Speicherkatalysators ist es jedoch notwen­ dig, in Abhängigkeit der Betriebszustände, nämlich im Magerbe­ trieb, dem Speicherkatalysator kurzzeitig fette Kraftstoff- Luft-Verhältnisse zuzuführen. Dies wird bei der Erfindung durch die Direkteinspritzung in den Zylinder innerhalb des Auslaßhubs durch eine zweite, nämlich die Nacheinspritzung erreicht. Da­ durch ist es möglich, das Verbrennungsluftverhältnis unverän­ dert zu lassen, so daß keine Momentensprünge an der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine auftreten.

Im Rahmen der Erfindung wäre auch die Anordnung einer zweiten Klappe 18a im Leitungsstrang 13 denkbar. Schließlich wäre auch ein Abgassystem ohne jegliche Klappe vor­ stellbar, sofern ein temperaturfester NOx-Speicher-Katalysator eingesetzt würde.

Claims (4)

1. Verfahren zur Reduzierung der Emissionen einer mit mindestens einem Drei-Wege-Katalysator (15, 16) ausgerüsteten Brennkraftmaschine durch Zugabe von Kraftstoff in die Verbrennungsabgase, wobei nach der Verbrennung des Kraftstoff/Luft-Gemisches wäh­ rend des Auslaßtaktes eine zusätzliche Kraftstoff­ menge mittels eines Injektors (9) in mindestens einen Zylinder (1) nachträglich eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Betrieb der Brenn­ kraftmaschine mit Luftüberschuß, das heißt mit λ- Werten < 1 das Abgas einem Speicherkatalysator (14) zugeführt und im Betrieb mit einem Wert λ = 1 eine Abgasklappe (18) geöffnet wird, so daß das Abgas durch einen den Speicherkatalysator (14) umgebenden Bypass (Leitungsabschnitt 12*) strömt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nacheinspritzung bei Betrieb der Brennkraftmaschine mit Luftüberschuß, das heißt λ < 1, erfolgt.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nacheinspritzung in allen Zylindern (1) der Brennkraftmaschine erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der λ-Wert gemessen und daraus ein Signal gebildet wird, das einer Steuereinheit (20) zuführbar ist, in der die Kraft­ stoffmenge für die Nacheinspritzung berechnet wird.