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DE60030241T2 - Abgasreinigungsanlage einer mit Luftüberschuss arbeitenden Brennkraftmaschine - Google Patents

Abgasreinigungsanlage einer mit Luftüberschuss arbeitenden Brennkraftmaschine Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Abgasanlagen für Motore und insbesondere eine Abgasnachbehandlungsanlage für eine Brennkraftmaschine mit schadstoffarmer, magerer innerer Verbrennung.
  • Als Mittel zur Entfernung von Schadstoffen wie HC, CO und NOx aus dem Abgas von Brennkraftmaschinen werden im Allgemeinen Katalysatore verwendet. Die Fähigkeit eines Katalysators, NOx aus dem Abgas zu entfernen, sinkt jedoch rasch, wenn das Luftverhältnis des Abgases magerer wird. Motore mit magerer Verbrennung wie zum Beispiel Dieselmotore werden bei einem Gesamtluftverhältnis betrieben, das unterstöchiometrisch ist. Infolgedessen sind sie kraftstoffsparender. Auf der anderen Seite funktionieren herkömmliche Drei-Wege-Katalysatore aufgrund der relativ hohen Sauerstoffkonzentration im Abgas bei derartigen unterstöchiometrischen Luftverhältnissen nicht ordnungsgemäß. Aus diesem Grund werden derartige Motore typischerweise mit einem NOx-Speicherkatalysator (LNC) und/oder einem SCR-Katalysator (Selektive katalytische Reduktion) ausgestattet.
  • NOx-Speicherkatalysatore und SCR-Katalysatore sind in der Lage, unter Verwendung von Kohlewasserstoffen im Abgasstrom, NOx chemisch in die Bestandteile CO2, H2O und N2 umzusetzen. Zur Erhöhung der Leistung derartiger Abgasnachbehandlungsanlagen bei der NOx-Umsetzung werden Einspritzvorrichtungen verwendet, um stromaufwärts des Katalysators in das Abgas Reduktionsmittel wie zum Beispiel Benzin, Diesel oder Harnstoff einzuspritzen.
  • Die Menge des eingespritzten Reduktionsmittels ist sehr gering und dieses muss vor dessen Einbringung in den Abgasfluss stromaufwärts des NOx-Speicherkatalysators bzw. des SCR-Katalysators fein zerstäubt werden. Herkömmliche Reduktionsmittel-Einspritzanlagen verwenden eine luftgesteuerte Einspritzvorrichtung in Verbindung mit einer Reihe an elektrisch bzw. mechanisch betriebenen Luft- und Reduktionsmittelpumpen zur Einbringung von Luft/Reduktionsmitteln in den Abgasstrom. Derartige Anlagen haben den offenkundigen Nachteil, dass sie zusätzliche Kosten und Lärm verursachen und ein höheres Gewicht aufweisen in Verbindung mit dem separaten, speziell dafür ausgelegten elektrischen bzw. mechanischen Pumpsystem für Luft und Reduktionsmittel.
  • Die JP08200047A beschreibt eine Abgasreinigungsanlage für einen mit einem Turbolader (3) und einer Abgasleitung (5) ausgestatteten Motor (1), mit einem darin eingebauten Katalysator zur Umsetzung von NOx, umfassend: einen Vorratsbehälter (17) zum Lagern von aus dem Turbolader (3) kommender Druckluft, der direkt mit der Abgasleitung stromaufwärts des Katalysators (6) strömungsverbunden ist; eine mit einer Reduktionsversorgung (9) strömungsverbundene Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung (7), wobei die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung (7) auf ein Einspritzsignal anspricht, um eine Menge an Reduktionsmittel zu zerstäuben und direkt stromaufwärts des Katalysators (6) in die Abgasleitung (5) einzuspritzen, in der dieses sich mit der Druckluft vermischt.
  • Erfindungsgemäß stellen wir eine Abgasreinigungsanlage für einen mit einem Turbolader und einer Abgasleitung ausgestatteten Motor mit einem darin eingebauten Katalysator zur Umsetzung von NOx bereit, umfassend: einen Vorratsbehälter zum Lagern von aus dem Turbolader kommender Druckluft und Mittel zur Förderung von Druckluft aus dem Vorratsbehälter und zur Zuführung derselben in die Abgasleitung stromaufwärts des Katalysators; eine mit einer Reduktionsmittelversorgung strömungsverbundene Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung, wobei die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung auf ein Einspritzsignal anspricht, um eine Menge an Reduktionsmittel zu zerstäuben und direkt stromaufwärts des Katalysators zur Zuführung in die Abgasleitung (5) einzuspritzen; gekennzeichnet durch eine außerhalb der Abgasleitung befindliche Mischkammer, die mit dem Vorratsbehälter strömungsverbunden und mit der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung verbunden ist, wobei die Mischkammer zur Einbringung einer Menge an Luft- und Reduktionsmittelgemisch in den Abgasfluss stromaufwärts des Katalysators zur Umsetzung von NOx über ein Rohr mit der Abgasleitung strömungsverbunden ist.
  • Nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst die Anlage ein Motorteuergerät, ein zwischen dem Vorratsbehälter und der Mischkammer geschaltetes Ventil und einen zwischen der Mischkammer und der Abgasleitung positionierten Differenzdruckumformer zur Messung des Differenzdrucks in der Mischkammer und der Abgasleitung stromaufwärts des Katalysators zur Umsetzung von NOx. Das Motorsteuergerät steuert das Ventil, um eine Menge an Druckluft aus dem Vorratsbehälter in die Mischkammer einzubringen und so den Differenzdruck zwischen der Mischkammer und der Abgasleitung im Wesentlichen konstant zu halten.
  • Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass sie die mit einer separat speziell ausgelegten elektrisch bzw. mechanisch gesteuerten Luftpumpe einhergehenden Probleme hinsichtlich der Kosten, des Gewichts und der Lebensdauer behebt.
  • Die vorliegende Erfindung wird nun beispielhaft anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Ansicht einer Abgasanlage nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die deren Funktionsbeziehung mit einer Brennkraftmaschine darstellt; und
  • 2 ein logisches Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Betreiben der Abgasreinigungsanlage nach 1 beschreibt.
  • Bezug nehmend auf 1, wird dort eine Abgasreinigungsanlage 10 dargestellt, die mit einer Brennkraftmaschine 12 mit magerer innerer Verbrennung, wie zum Beispiel einem Dieselmotor mit Direkteinspritzung, eines Kraftfahrzeuges, in Wirkbeziehung steht. Der Motor 12 hat einen Abgaskrümmer 14 zur Leitung der Abgase aus dem Motor 12 über den Turbolader 20 in die Abgasanlage 10.
  • Der Motor 12 umfasst insgesamt mit 16 bezeichnete Sensoren, die Daten über die Motorleistung and das Motorsteuergerät 18 liefern. Diese Daten umfassen die Kurbelwellenposition, die Nockenwellenposition, die Gaspedalposition, die Lufttemperatur, die Temperatur des Motorkühlmittels, usw. Die von den Sensoren 16 erhaltenen Daten werden von dem Motorsteuergerät 18 verwendet, um den Betrieb des Motors 12 zu steuern.
  • Der Motor 12 umfasst ferner einen Turbolader 20 zur Steigerung der Ansaugluftströmung und des Drucks, die den Zylindern des Motors 12 zugeführt werden.
  • Die Abgasreinigungsanlage 10 ist über einen Abgasflansch 15 mit dem Turbolader 20 gekoppelt.
  • Das Motorsteuergerät 18 ist vorzugsweise eine Mikroprozessor-Steuerung, die unter anderem die integrierte Steuerung des Motors 12 und der Abgasreinigungsanlage 10 bereitstellt. Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung je nach besonderer Anwendung in einer separaten Steuerung ausgeführt sein kann. Das Motorsteuergerät 18 umfasst einen Mikroprozessor 22, der mit Eingängen und Ausgängen und einem zugeordneten Speicher 24 in Verbindung steht. Der Speicher 24 kann verschiedene Arten von flüchtigen und nichtflüchtigen Speichern wie zum Beispiel Speicher mit beliebigem Zugriff (RAM), Nur-Lesespeicher (ROM) und Keep-Alive Speicher (KAM) umfassen. Diese Funktionsbeschreibungen der verschiedenen Arten der flüchtigen und nichtflüchtigen Speicherung können durch eine Anzahl bekannter technischer Vorrichtungen, unter anderem durch EPROM-, EEPROM-, PROM-, Flash Memory-Speicher realisiert werden.
  • Die Abgasreinigungsanlage umfasst ferner einen Vorratsbehälter 30, der von dem Verdichterteil 31 des Turboladers 20 Druckluft erhält. Ein Rückschlagventil 32 verhindert, dass Druckluft aus dem Vorratsbehälter 30 entweicht und zurück in den Turbolader 20 strömt. Ein Luftventil 34 leitet Druckluft aus dem Vorratsbehälter 30 in eine Kammer 36. Ein Durchlass 38 stellt ein Rohr bereit, durch welches die Druckluft und das Reduktionsmittel stromaufwärts des NOx-Speicherkatalysators bzw. des SCR-Katalysators 40 in den Abgasfluss eingebracht wird.
  • Von einer Reduktionsmittelversorgungsanlage 44 wird Reduktionsmittel von der Einspritzvorrichtung 42 in die Kammer 36 eingebracht. Ein Differenzdruckumformer 46 erfasst den Differenzdruck zwischen der Kammer 36 und dem Abgasfluss 48. Dieses Signal wird zur Ansteuerung der Einspritzvorrichtung 42 und des Luftventils 34 dem Motorsteuergerät 18 zugeführt.
  • Ein Sensor 50 zur Erfassung der stromaufwärtigen Temperatur und ein Sensor 52 zur Erfassung der stromabwärtigen Temperatur sind ebenfalls stromaufwärts und stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators bzw. des SCR-Katalysators 40 vorgesehen und übermitteln dem Motorsteuergerät 18 Temperaturdaten.
  • Im Folgenden wird nun der Betrieb der Abgasreinigungsanlage anhand der 1 und 2 beschrieben. Der Vorratsbehälter 30 ist mit aus dem Turboladerverdichter 31 stammender Druckluft gefüllt. Das Rückschlagventil 32 verhindert, dass die Druckluft aus dem Vorratsbehälter entweicht und in den Verdichter 31 zurückströmt. Wie in 2 zu sehen ist, erfasst das Motorsteuergerät bei Schritt 100 über die Sensoren 50, bzw. 52 zur Erfassung der stromaufwärtigen bzw. stromabwärtigen Temperatur die Temperatur stromaufwärts und stromabwärts des Katalysators 40. Mit Hilfe der Sensoren 50, 52 zur Erfassung der stromaufwärtigen bzw. stromabwärtigen Temperatur bestimmt das Motorsteuergerät 18, ob Reduktionsmittel in den Abgasfluss eingespritzt werden soll. Es gibt zum Beispiel Zeiten, zu denen der Katalysator 40 relativ kühl und nicht in seiner grundlegenden Betriebsweise ist, beispielsweise im Kaltstartbetrieb des Motors oder bei längerem Leerlauf, und aufgrund der relativ höheren Konzentration an unverbrannten Kohlewasserstoffen im Abgasfluss kein Reduktionsmittel eingespritzt werden muss. In Schritt 102 bestimmt das Motorsteuergerät 18 anhand von bekannten Verfahren, wann die Zugabe von Reduktionsmitteln in den Abgasfluss erforderlich ist. Obwohl die bevorzugte Anlage Temperatursensoren 50, 52 umfasst, können auch alternative Sensoren in der Abgasanlage verwendet werden. So könnten zum Beispiel zur unmittelbaren Messung der Umsetzungsleistung des Katalysators Sensoren zur Erfassung des stromaufwärtigen und stromabwärtigen NO verwendet werden.
  • Der Differenzdruck in der Kammer 36 und dem Abgasfluss 48 wird bei Schritt 104 durch den Differenzdruckumformer 46 erfasst, und das Signal an das Motorsteuergerät 18 geliefert. Aufgrund des in Schritt 104 gemessenen Differenzdrucks bestimmt das Motorsteuergerät 18 den Druckluftdurchsatz, der erforderlich ist, um in Schritt 106 das Reduktionsmittel gleichmäßig zu dosieren und zu zerstäuben. Von diesem Schritt aus wird in Schritt 108 der Arbeitszyklus des Luftventils 34 sowie in Schritt 110 der Arbeitszyklus der Einspritzvorrichtung 42 bestimmt. Vorzugsweise verändert das Motorsteuergerät ein an das Luftventil 34 geliefertes pulsbreitenmoduliertes Signal (PWM), um den von dem Differenzdruckumformer 46 gemessenen Differenzdruck konstant zu halten.
  • Das Motorsteuergerät 18 steuert dann in Schritt 112 das Luftventil 34 und die Einspritzvorrichtung 42 entsprechend der in den Schritten 108 und 110 bestimmten Arbeitszyklen. Nach der Ansteuerung wird Reduktionsmittel über die Düse 42 in die Kammer 36 eingespritzt. Gleichzeitig wird Druckluft über das Luftventil 34 in die Kammer 36 eingebracht. Die zerstäubte Mischung aus Reduktionsmittel und Luft wird dann durch das Rohr 38 geleitet und stromaufwärts des Katalysators 40 in den Abgasfluss 48 eingebracht.
  • Die Sensoren 50, 52 zur Erfassung der stromaufwärtigen bzw. stromabwärtigen Temperatur dienen zusätzlich auch der Fehlererkennung in der Abgasreinigungsanlage 10. So können etwa die Temperatursensoren 50 und 52 den Temperaturanstieg aufgrund von exothermischen Reaktionen des Katalysators und Signalstörungen in dem Luftventil 34, der Einspritzvorrichtung 42 oder dem Differenzdruckumformer 46 überwachen.
  • Obwohl das Motorsteuergerät 18 den vom Differenzdruckumformer 46 gemessenen Differenzdruck vorzugsweise konstant hält, wird manchmal ein geringerer Druck in dem Umformer 46 bevorzugt, um die Druckluftzufuhr in dem Vorratsbehälter 30 aufrecht zu erhalten. So ist zum Beispiel eine Luftströmung in und aus der Kammer 36 wünschenswert und erforderlich, um zu gewährleisten, dass die Öffnung am Ende des Rohres 38 nicht durch Abgasablagerungen verstopft. Der Turbolader 20 führt jedoch dem Vorratsbehälter 30 nicht notwendigerweise durchgehend Druckluft zu. Daher ist es erforderlich, die Druckluftzufuhr aus dem Vorratsbehälter so sparsam wie möglich zu dosieren. Demzufolge erfasst das Motorsteuergerät aus dem Sensor 50 zur Erfassung der stromaufwärtigen Temperatur die Abgastemperatur sowie aus dem Sensor 16 der Motorsteuerung die Motordrehzahl, die Fahrzeuggeschwindigkeit, und/oder die Gaspedalposition zum Beispiel, um daraus zu entnehmen, ob der Motor im Leerlauf ist. Solange der Motor im Leerlauf ist oder unter solchen Bedingungen betrieben wird, die eine Reduktionsmittelversorgung nicht erforderlich machen, zum Beispiel im Kaltstartbetrieb, moduliert das Motorsteuergerät 18 das PWM-Signal zum Luftventil 34, um einen Druckabfall in dem Druckumformer 46 aufrecht zu erhalten, so dass die Druckluftzufuhr in den Vorratsbehälter 30 erhalten bleibt.

Claims (8)

  1. Abgasreinigungsanlage für einen mit einem Turbolader (20) und einer Abgasleitung ausgestatteten Motor mit einem darin eingebauten Katalysator (40) zur Umsetzung von NOx, umfassend: einen Vorratsbehälter (30) zum Lagern von aus dem Turbolader (20) kommender Druckluft und Mittel zur Förderung von Druckluft aus dem Vorratsbehälter (30) und zur Zuführung derselben in die Abgasleitung, stromaufwärts des Katalysators (40) zur Umsetzung von NOx; eine mit einer Reduktionsmittelversorgung (44) strömungsverbundene Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung (42), wobei die Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung auf ein Einspritzsignal anspricht, um eine Menge an Reduktionsmittel zu zerstäuben und direkt stromaufwärts des Katalysators (40) zur Umsetzung von NOx zur Zuführung desselben in die Abgasleitung einzuspritzen; gekennzeichnet durch eine außerhalb der Abgasleitung befindliche Mischkammer (36), die mit dem Vorratsbehälter (30) strömungsverbunden und mit der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung (42) verbunden ist, wobei die Mischkammer (36) zur Einbringung einer Menge an Luft- und Reduktionsmittelgemisch in den Abgasfluss stromaufwärts des Katalysators (40) zur Umsetzung von NOx über ein Rohr (38) mit der Abgasleitung strömungsverbunden ist.
  2. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1, ferner umfassend ein zwischen dem Vorratsbehälter (30) und der Mischkammer (36) geschaltetes Ventil (34), wobei das Ventil (34) auf ein Ventilsteuerungssignal anspricht, um eine Menge an Druckluft aus dem Vorratsbehälter (30) in die Mischkammer (36) einzubringen.
  3. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1, ferner umfassend jeweils stromaufwärts und stromabwärts gelegene, die stromaufwärtige und stromabwärtige Temperatur erfassende Sensoren (50, 52) des Katalysators (40) zur Umsetzung von NOx zur Überwachung der Differenztemperatur in dem Katalysator (40) zur Umsetzung von NOx.
  4. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1, ferner umfassend, zur Bestimmung der Leistung des Katalysators (40) bei der Umsetzung von NOx, stromaufwärts bzw. stromabwärts gelegene Sensoren zur Erfassung des stromaufwärtigen bzw. stromabwärtigen NO des Katalysators (40) zur Umsetzung von NOx.
  5. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 2, ferner umfassend einen zwischen der Mischkammer (36) und der Abgasleitung (48) angeordneten Differenzdruckumformer (46), zur Messung des Differenzdrucks in der Mischkammer (36) und der Abgasleitung (48) stromaufwärts des Katalysators (40) zur Umsetzung von NOx.
  6. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 5, ferner umfassend ein Motorsteuergerät umfassend einen Mikroprozessor und einen zugeordneten Speicher, wobei das Motorsteuergerät (18) dafür geeignet ist, das Differenzdrucksignal von dem Differenzdruckumformer (46) als Eingabe zu erhalten und das Ventilsteuerungssignal zur Aufrechterhaltung des Differenzdrucks in der Mischkammer (36) und der Abgasleitung (48) stromaufwärts des Katalysators (40) zur Umsetzung von NOx auf einem Sollwert auszugeben.
  7. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 6, ferner umfassend jeweils stromaufwärts und stromabwärts gelegene Sensoren (50, 52) zur Erfassung der stromaufwärtigen bzw. stromabwärtigen Temperatur des Katalysators (40) zur Umsetzung von NOx, wobei das Motorsteuergerät (18) dafür geeignet ist, die Signale bezüglich der stromaufwärtigen und stromabwärtigen Temperatur von den Sensoren (50, 52) zur Erfassung der stromaufwärtigen bzw. stromabwärtigen Temperatur als Eingabe zu erhalten und zum Erreichen eines gewünschten Grads der NOx-Umsetzung im Katalysator (40) zur Umsetzung von NOx das Ventilsteuerungssignal und das Reduktionsmitteleinspritzsignal auszugeben.
  8. Verfahren zur Verbesserung der Leistung eines Katalysators (40) zur Umsetzung von NOx, der in der Abgasleitung (48) eines mit einem Turbolader (20) ausgestatteten Motors (12) angeordnet ist, durch Bereitstellen eines Vorratsbehälters (36) zur Lagerung von aus dem Turbolader (20) stammender Druckluft, eines Ventils (34), das mit dem Vorratsbehälter (30) strömungsverbunden ist und auf ein Ventilsteuerungssignal anspricht, einer Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung (42), die mit einer Reduktionsmittelversorgung (44) strömungsverbunden ist und auf ein Einspritzsignal anspricht, einer außerhalb der Abgasleitung (48) befindlichen Mischkammer (36), die mit dem Ventil (34) strömungsverbunden und mit der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung (42) verbunden ist, wobei die Mischkammer (36) über ein Rohr (38) mit der Abgasleitung (48) strömungsverbunden ist, ein Differenzdruckumformer (46) zwischen der Mischkammer (36) und der Abgasleitung (48) angeordnet ist und ein Sensor (50, 52) zum Erfassen der stromaufwärtigen und der stromabwärtigen Temperatur stromaufwärts bzw. stromabwärts des Katalysators (40) zur Umsetzung von NOx gelegen ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bestimmen einer Menge an aus dem Vorratsbehälter (30) in die Mischkammer (36) einzubringender Luft; Bestimmen einer Menge an in die Mischkammer (36) einzuspritzendem Reduktionsmittel; Ausgeben des Ventilsteuerungssignals zur Ansteuerung des Ventils (34) zur Zufuhr der gewünschten Menge an Druckluft aus dem Vorratsbehälter (30) in die Mischkammer (36); und Ausgeben des Einspritzsignals zur Ansteuerung der Reduktionsmittel-Einspritzvorrichtung (42) zur Zufuhr der gewünschten Menge an Reduktionsmittel in die Mischkammer (36), wobei die Luftmenge derart ist, dass der Druck innerhalb der Mischkammer (36) größer ist als der Druck innerhalb der Abgasleitung (48) stromaufwärts des Katalysators (40) zur Umsetzung von NOx, so dass zum Erreichen eines gewünschten Leistungsgrads des Katalysators die Mischung aus Luft und Reduktionsmittel in die Abgasleitung (48) stromaufwärts des Katalysators (40) zur Umsetzung von NOx eingebracht wird.
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