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DE102005059887A1 - Abgasreinigungsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

Abgasreinigungsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs Download PDF

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Thorsten Dr.rer.nat. Düsterdiek
Achim Dr. Ing. Freitag
Carsten Dr.rer.nat. Jutka
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Abstract

In einer Abgasreingungsvorrichtung, die in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs angeordnet ist, mit einem NOx-Speicherkatalysator, umfassend eine Einrichtung zum externen Einbringen eines Kohlenwasserstoffe enthaltenden Reduktionsmittels in den Abgasstrang (8) vor dem NOx-Speicherkatalysator, ist der NOx-Speicher der Vorrichtung am Ende der Abgasnachbehandlung angeordnet und die Vorrichtung weist eine von der Motorsteuerung unabhängige eigenständige Regeleinrichtung zur Dosierung des Reduktionsmittels auf.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine angeordnete Abgasreinigungsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Während des mageren Betriebs von mager betreibbaren Brennkraftmaschinen werden Stickoxide erzeugt, die nicht über an die Umwelt gelangen dürfen. Um dies zu vermeiden, sind die Abgasreinigungsanlagen von Kraftfahrzeugen mit magerbetreibbaren Brennkraftmaschinen mit NOx-Speicherkatalysatoren ausgerüstet, die während des Magerbetriebs die entstehenden NOx-Bestandteile des Abgases zurückhalten. Derartige NOx-Speicherkatalysatoren haben eine endliche Aufnahmekapazität, so dass sie spätestens kurz vor dem Erreichen des maximalen Aufnahmekapazität regeneriert werden müssen.
  • Die Regernation solcher NOx-Speicher erfolgt üblicherweise mittels des für den Fahrbetrieb des Verbrennungsmotors vorgesehenen Kraftstoffes selbst. Zu diesem Zweck wird bei Erreichen eines vorgegebenen Füll-Zustandes des NOx-Speichers das Kraftstoff-Luft-Gemisch über die für das Motormanagement vorgesehene Steuerung angereichert (fettes Gemisch), wobei die im NOx-Speicher gesammelten Stickoxide mit den Kohlenwasserstoffen des überschüssigen Kraftstoffes als Reduktionsmittel chemisch zu ungefährlichem Stickstoff und anderen ungefährlichen Reaktionsprodukten reagieren.
  • Typisch für das bekannte Verfahren ist, dass es diskontinuierlich verläuft, d.h. während des normalen Fahrbetriebes werden die Stickoxide im NOx-Speicher gesammelt und sodann wird der NOx-Speicher in einer verhältnismäßig kurzen Phase bei fettem Kraftstoff-Luft-Gemisch regeneriert. Die Steuerung dieses diskontinuierlichen Betriebsablaufes erfolgt über die für das Motormanagement vorgesehene Steuereinrichtung, d.h. diese muss für das beschriebene Verfahren ausgelegt sein. Das bekannte Verfahren lässt sich demnach nur bei Neufahrzeugen verwirklichen, bei denen die Steuerung entsprechend ausgelegt ist. Eine Nachrüstung ist deshalb im allgemeinen nicht möglich.
  • Es sind auch Motorkonfigurationen denkbar, welche wegen bestimmter Bauteile oder aufgrund bestimmter Funktionen einen Betrieb mit fettem Kraftstoff-Luft-Gemisch nicht vertragen, so dass darauf beruhende Verfahren nicht möglich ist. Außerdem existieren im Motorkennfeld immer Bereiche, in denen ein "Fett"-Betrieb aus Gründen eines Motorschutzes nicht möglich ist.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art zu schaffen, welche unabhängig von der vorhandenen Motormanagement-Steuerung arbeiten und deshalb bei vorhandenen Verbrennungsmotoren nachrüstbar sind, welche ferner den Betrieb des Verbrennungsmotors, insbesondere die darin eingebauten Bauteile und Funktionen nicht nachteilig beeinflusst, und welche darüber hinaus auch mit anderen Reduktionsmitteln, d.h. also nicht mit dem für den Betrieb des Verbrennungsmotors vorgesehenen Kraftstoff betrieben werden können.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Bei einer erfindungsgemäßen, in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs angeordneten Abgasreinigungsvorrichtung mit einem NOx-Speicherkatalysator umfassend eine Einrichtung zum externen Einbringen eines Kohlenwasserstoffe enthaltenden Reduktionsmittels in den Abgasstrang (8) vor dem NOx-Speicherkatalysator, ist der NOx-Speicherkatalysator der Vorrichtung am Ende der Abgasnachbehandlung angeordnet und die Vorrichtung weist eine von der Motorsteuerung unabhängige eigenständige Regeleinrichtung zur Dossierung des Reduktionsmittels auf.
  • Vorzugsweise ermittelt die Regeleinrichtung den Füll-Zustandes des NOx-Speicherkatalysators (12).
  • Vorzugsweise weist die Einrichtung zum externen Einbringen des Reduktionsmittels Mittel zum Verdampfen des Reduktionsmittels auf, wobei die Mittel zum Verdampfen des Reduktionsmittels durch eine Einspritzdüse gebildet werden können.
  • Weiter bevorzugt ist, dass die Einrichtung zum Einbringen des Reduktionsmittels saugseitig an den Betriebstank für den zum Betrieb des Verbrennungsmotors (4) vorgesehenen Kraftstoff angeschlossen ist.
  • Vorzugsweise bringt die Einrichtung zum Einbringen des Reduktionsmittels kontinuierlich Reduktionsmittel in den Abgasstrang ein. Dadurch wird ein kontinuierlicher Regenrationsbetrieb des NOx-Speicherkatalysators gewährleistet
  • Da die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht von einem bestimmten Betriebsmodus des Verbrennungsmotors abhängig ist, sondern völlig unabhängig vom jeweiligen Betriebszustand des Verbrennungsmotors arbeiten kann, ist es von der Motormanagement-Steuerung unabhängig. Das eröffnet auch die Möglichkeit, die Vorrichtung bei einem vorhandenen Verbrennungsmotor ohne Eingriff in die Motormanagement-Steuerung nachzurüsten. Ein weiterer Vorteil ist, dass das Reduktionsmittel den eigentlichen Verbrennungsmotor nicht durchläuft und infolgedessen auch den Motorbetrieb, dass heißt insbesondere in den Motor eingebaute Bauteile und Funktionen nicht nachteilig beeinflussen kann. Darüber hinaus eröffnet die erfindungsgemäße Vorrichtung auch die Möglichkeit, andere Stoffe als den für den Betrieb des Verbrennungsmotors vorgesehenen Kraftstoff als Reduktiorismittel zu verwenden, welche gegebenenfalls bessere Abgaswerte liefern.
  • Wie weiter vorne bereits ausgeführt wurde, arbeiten bekannte Vorrichtungen diskontinuierlich, wobei sich während des normalen Fahrbetriebes der Füll-Zustand des NOx-Speichers und damit seine Fähigkeit, im Abgas enthaltene Stickoxide aufzunehmen, ständig erhöht, bis der NOx-Speicher dann bei Erreichen eines vorgegebenen Füll-Zustandes in einer kurzen Betriebsphase mit fettem Kraftstoff-Luft-Gemisch regeneriert wird. Grundsätzlich ist es auch bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich, den NOx-Speicherkatalysator diskontinuierlich, d.h. jeweils nach Erreichen eines vorgegebenen Füll-Zustandes zu regenerieren.
  • Damit die erfindungsgemäße Vorrichtung störungsfrei und effektiv arbeitet, ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das Reduktionsmittel vor dem Kontakt mit dem NOx-Speicher vollständig verdampft wird. Dabei kommt als Reduktionsmittel jeder geeignete, Kohlenwasserstoffe enthaltende Stoff in Frage. In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass als Reduktionsmittel der für den Betrieb des Verbrennungsmotors vorgesehene Kraftstoff verwendet wird. Dieser wird vorzugsweise dem Betriebstank des Verbrennungsmotors entnommen. Auf diese Weise ist eine gesonderte Tankanlage für ein gesondertes Reduktionsmittel nicht erforderlich.
  • Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient eine Vorrichtung zum Regenerieren eines im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors angeordneten NOx-Speichers mit Mitteln zum Zuführen eines Kohlenwasserstoffe enthaltenden Reduktionsmittels in diesen NOx-Speicher, wobei diese Mittel eine Einrichtung umfassen, um das Reduktionsmittel vor dem NOx-Speicher von außen in den Abgasstrang einzubringen. Da das Reduktionsmittel vor dem NOx-Speicher, d.h. also nach dem eigentlichen Verbrennungsmotor eingebracht wird, kann es den Betrieb des Verbrennungsmotors, insbesondere in diesen eingebaute Bauteile oder Funktionen, nicht nachteilig beeinflussen.
    •
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im folgenden näher beschrieben.
  • Die einzige Figur zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem nachgeordneten NOx-Speicherkatalysator, sowie mit einer Einrichtung zum Einspritzen eines Reduktionsmittels vor dem NOx-Speicher.
  • Das in der Figur schematisch dargestellte Kraftfahrzeug 2 wird durch einen Verbrennungsmotor 4 angetrieben. Wie ebenfalls schematisch dargestellt ist, ist der Verbrennungsmotor 4 mit einem Abgasturbolader 6 ausgestattet, welcher in bekannter Weise die Abgase des Verbrennungsmotors 4 nutzt, um diesen aufzuladen.
  • Die Abgase werden durch einen als Ganzes mit 8 bezeichneten Abgasstrang in die Umgebung abgeführt. In diesem Abgasstrang 8 ist unmittelbar hinter dem Verbrennungsmotor 4 eine Abgasnachbehandlungseinheit 10 angeordnet, die beispielsweise für den Fall, dass der Verbrennungsmotor ein Dieselmotor ist, einen Dieselpartikelfilter, ferner einen SCR-Katalysator (SCR = selective catalytic reduction) oder dergleichen enthalten kann. In Strömungsrichtung des Abgases weiter abwärts ist ein NOx-Speicherkatalysator 12 angeordnet, welcher bei der Verbrennung des Kraftstoffes erzeugte Stickoxide sammeln kann, und welcher durch ein Kohlenwasserstoffe enthaltendes Reduktionsmittel regeneriert werden kann. Hinter dem NOx-Speicherkatalysator 12 ist ein herkömmlicher Schalldämpfer 14 vorgesehen.
  • Im Heck des Kraftfahrzeuges 2 ist ein Kraftstofftank 16 eingebaut, welcher über eine nicht dargestellte Kraftstoffleitung den Verbrennungsmotor 4 versorgt.
  • Eine weitere Kraftstoffleitung 18 verbindet den Kraftstofftank 16 mit dem Abgasstrang, und zwar mündet die Kraftstoffleitung 18 vor dem NOx-Speicherkatalysator 12 in den Abgasstrang 8.
  • Während des Fahrbetriebes entzieht der NOx-Speicherkatalysator 12 dem Abgas schädliche Stickoxide und speichert diese. Bei Erreichen eines bestimmten Füll-Zustandes des NOx-Speichers 12 wird Kraftstoff über die Kraftstoffleitung 18 in den Abgasstrang 8 eingespritzt, wobei die Laufstrecke zwischen der Einspritzstelle und dem NOx-Speicherkatalysator und die Dimensionierung zusätzliche der Verdampfung förderliche Einbauten so gewählt ist, dass der Kraftstoff vollständig oder weitgehend verdampfen kann. Mithilfe der im Kraftstoff enthaltenen Kohlenwasserstoffe werden die im NOx-Speicherkatalysator gespeicherten Stickoxide zu ungefährlichem Stickstoff, CO2 und Wasser reduziert.
  • Um die Menge an eingespritztem Kraftstoff an den für die Regenerierung des NOx-Speicherkatalysators erforderlichen Bedarf anzupassen, wird mit an sich bekannten, hier nicht dargestellten Mitteln der Füll-Zustand des NOx-Speicherkatalysators erfasst und zur Steuerung der Einspritzmenge verwendet.
  • Ein Eingriff in die allgemeine Steuerung für das Motormanagement ist nicht erforderlich, so dass die beschriebene Vorrichtung ohne weiteres bei vorhandenen Fahrzeugen nachrüstbar ist.
    • 2
    Kraftfahrzeug
    4
    Verbrennungsmotor
    6
    Abgasturbolader
    8
    Abgasstrang
    10
    Abgasnachbehandlungseinheit
    12
    NOx-Speicherkatalysator
    14
    Schalldämpfer
    16
    Kraftstofftank
    18
    Kraftstoffleitung

Claims (6)

  1. Abgasreinigungsvorrichtung, die in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs angeordnet ist, mit einem NOx-Speicherkatalysator umfassend eine Einrichtung zum externen Einbringen eines Kohlenwasserstoffe enthaltenden Reduktionsmittels in den Abgasstrang (8) vor dem NOx-Speicherkatalysator, dadurch gekennzeichnet, dass der NOx-Speicher der Vorrichtung am Ende der Abgasnachbehandlung angeordnet ist und die Vorrichtung eine von der Motorsteuerung unabhängige eigenständige Regeleinrichtung zur Dossierung des Reduktionsmittels aufweist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung den Füll-Zustandes des NOx-Speicherkatalysators (12) ermittelt.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum externen Einbringen des Reduktionsmittels Mittel zum Verdampfen des Reduktionsmittels aufweist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Verdampfen des Reduktionsmittels durch eine Einspritzdüse gebildet wird.
  5. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Einbringen des Reduktionsmittels saugseitig an den Betriebstank für den zum Betrieb des Verbrennungsmotors (4) vorgesehenen Kraftstoff angeschlossen ist.
  6. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Einbringen des Reduktiorsmittels kontinuierlich Reduktionsmittel in den Abgasstrang einbringt.
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