DE10323247A1

DE10323247A1 - Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems aus einem Dieselmotor mit einem Dieseloxidationskatalysator zur Abgasreinigung

Info

Publication number: DE10323247A1
Application number: DE10323247A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr. Gieshoff; Martin Dr. Votsmeier; Stephan Malmberg; Egbert Dr. Lox; Thomas Dr. Kreuzer
Original assignee: Umicore AG and Co KG
Current assignee: Umicore AG and Co KG
Priority date: 2003-05-22
Filing date: 2003-05-22
Publication date: 2004-12-09
Also published as: WO2004103528A1; DE602004027035D1; JP2007502388A; EP1633461A1; ATE466645T1; US7310940B2; EP1633461B1; US20070006570A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Antriebssystems aus einem Motor und einer Abgasreinigungsanlage mit einem Katalysator, wobei der Motor ein Abgas mit einer Abgastemperatur emittiert und der Katalysator eine katalytische Aktivität für die Reinigung des Abgases aufweist. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß eine alterungsbedingte Abnahme der katalytischen Aktivität des Katalysators zumindest zeitweise durch Erhöhen der Abgastemperatur des Motors ausgeglichen wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems aus einem Dieselmotor mit einem Dieseloxidationskatalysator zur Reinigung der Abgase des Motors.
Die Primärschadstoffe von Dieselmotoren sind neben den sehr geringen Mengen an Kohlenwasserstoffen (HC) und Kohlenmonoxid (CO), Stickoxide (NOx) und Partikel (PM). Die Partikel setzen sich aus einem in organischen Lösungsmitteln löslichen und unlöslichen Bestandteil zusammen. Der lösliche Anteil besteht aus einer Vielzahl von verschiedenen Kohlenwasserstoffen, die auf dem Partikelkern kondensiert, beziehungsweise ad- oder absorbiert sind. Der unlösliche Bestandteil ist Schwefeltrioxid oder auch Sulfat, Kohlenstoff, Metallabrieb (zum Beispiel Eisen und Nickel) und in geringen Mengen andere Oxide als Folgeprodukte von Additiven im Schmieröl und im Kraftstoff (zum Beispiel Zink, Calcium, Phosphor). Schwefeltrioxid entsteht durch Oxidation des Schwefeldioxids am Katalysator in Abhängigkeit von Temperatur, Edelmetallbeladung und Abgasfluß. Ein besonderes Charakteristikum von Dieselmotoren ist ihr hoher Sauerstoffgehalt im Abgas. Während das Abgas von stöchiometrisch betriebenen Benzinmotoren nur etwa 0,7 Vol.-% Sauerstoff enthält, kann das Abgas von Dieselmotoren zwischen 6 und 15 Vol.-% Sauerstoff aufweisen.
Das Mengenverhältnis der verschiedenen Schadstoffe des Dieselabgases zueinander hängt von der Art des Dieselmotors und seiner Betriebsweise ab. Prinzipiell gelten die gemachten Angaben sowohl für stationäre Dieselmotoren als auch für Dieselmotoren in Kraftfahrzeugen für leichte und schwere Anwendungen.
Die zulässigen Emissionen von Dieselmotoren sind durch gesetzliche Obergrenzen festgelegt. Zur Einhaltung dieser Grenzwerte werden je nach Art des Dieselmotors und seiner Betriebsweise verschiedene Konzepte verfolgt.
Für Dieselmotoren geringerer Leistung in Personenkraftwagen ist es häufig ausreichend das Abgas über einen sogenannten Diesel-Oxidationskatalysator zu leiten, der die emittierten Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und zum Teil auch die auf den Rußpartikeln adsorbierten, löslichen organischen Verbindungen verbrennt. Die Oxidationsfunktion der Diesel-Oxidationskatalysatoren ist dabei so ausgelegt, daß sie zwar die organischen Verbindungen und Kohlenmonoxid oxidiert, jedoch nicht die Stickoxide und Schwefeldioxid zu noch höher oxidierten Spezies umsetzt. Zusammen mit dem restli chen Anteil der Partikel verlassen die Stickoxide und Schwefeldioxid den Katalysator nahezu unverändert. Ein typischer Vertreter dieser Katalysatoren wird in der DE 39 40 758 A1 ( US 5,157,007 ) beschrieben.
Die Umsetzung der Schadstoffe durch solche Katalysatoren ist stark von der Temperatur abhängig. Für Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe nimmt die Umsetzung der Schadstoffe mit steigender Abgastemperatur zu. Die Temperatur, bei der ein Schadstoff zu einem vorgegebenen Prozentsatz, gewöhnlich 50 %, umgesetzt wird, wird als die Anspringtemperatur des Katalysators für die Umsetzung dieses Schadstoffes bezeichnet. Sie ist eine wichtige Kenngröße für die Beschreibung der katalytischen Aktivität des Katalysators.
Weiterhin hat der Alterungszustand der Katalysatoren einen wesentlichen Einfluß auf den Umsetzungsgrad für die verschiedenen Schadstoffe. Mit zunehmender Alterung nimmt die katalytische Aktivität der Katalysatoren ab. Die Alterung kann in einer Schädigung durch thermische Überlastung und/oder in einer Vergiftung durch sogenannte Vergiftungselemente wie Blei, Phosphor, Calcium und Schwefel bestehen, die zum Teil im Kraftstoff enthalten oder Bestandteil des Motorenöls sind.
Von den Katalysatoren wird auch nach einer Laufleistung von bis zu 150.000 Meilen noch die Einhaltung bestimmter Grenzwerte für die Schadstoffumsetzung gefordert. Diese Forderung wird gewöhnlich durch Überdimensionierung des frischen Katalysators erfüllt. So kann er zum Beispiel wesentlich größer ausgelegt werden als es von seiner Frischaktivität her nötig wäre, oder die Katalysatorformulierung bezüglich Zusammensetzung und Edelmetallbeladung wird entsprechend angepaßt.
Bei Dieselfahrzeugen ist bekannt, daß aufgrund der niedrigen Abgastemperaturen hohe Edelmetallbeladungen eingesetzt werden müssen, um auch nach Alterung noch die Emissionsgrenzwerte einhalten zu können.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb eines Antriebssystems aus einem Dieselmotor und einer Abgasreinigungsanlage mit einem Dieseloxidationskatalysator anzugeben, welches es gestattet, die alterungsbedingte Abnahme der katalytischen Aktivität des Katalysators durch geeignete Steuerungsmaßnahmen beim Betrieb des Antriebssystems auszugleichen, so daß die übliche Überdimensionierung des Katalysators vermindert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, bei dem die alterungsbedingte Abnahme der katalytischen Aktivität des Katalysators zumindest zeitweise durch Erhöhen der Abgastemperatur des Motors ausgeglichen wird.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines Antriebssystems aus einem Dieselmotor und einer Abgasreinigungsanlage mit einem Dieseloxidationskatalysator erläutert. Es ist jedoch unmittelbar einsichtig, daß die vorliegende Erfindung auch in gleicher Weise für andere Verbrennungsmotoren und Katalysatoren, wie zum Beispiel für einen Ottomotor mit Dreiwegkatalysator, anwendbar ist.
Für die Überprüfung der Einhaltung der Abgasgrenzwerte wurden verschiedene Fahrzyklen entwickelt. So spezifiziert der „New European Driving Cycle", kurz NEDC, einen Fahrzyklus beginnend mit einem Kaltstart gefolgt von einem innerstädtischen Betrieb mit Beschleunigungs- und Bremsphasen und einer Maximalgeschwindigkeit von 50 km/h. Im letzten Drittel des Tests ist ein außerstädtischer Betrieb mit einer Maximalgeschwindigkeit von 120 km/h vorgesehen. Der gesamte Test dauert etwa 1200 Sekunden. Das Fahrzeug legt dabei etwa eine Fahrstrecke von 11,4 km zurück.
1 zeigt den Verlauf der Abgastemperatur eines 1,4 l Dieselmotors in Abhängigkeit von der Testdauer für die ersten 500 Sekunden des NEDC-Test. Die mit „Referenz" bezeichnete Kurve gibt die tatsächlichen Abgastemperaturen des Dieselmotors wieder. Dieser Motor ist zur Abgasreinigung standardmäßig mit einem Wabenkatalysator von 2,4 l Volumen und einer Zelldichte von 62 cm^–2 und einer Platinbeladung von 2,83 g/l (80 g/ft³) ausgerüstet.
2 zeigt Modellrechnungen der Erfinder zu der CO-Emission des Dieselmotors während des Tests für unterschiedliche Platinbeladungen des Dieseloxidationskatalysators. Die Emissionswerte wurden für linear gegenüber dem Referenzfall verminderte oder erhöhte Abgastemperaturen berechnet. Die Emissionswerte für den Abszissenwert von 1,00 geben die CO-Emission des Dieselmotors mit originaler Abgastemperatur entsprechend der Referenzkurve von 1 für unterschiedliche Platinbeladungen wieder. Für davon abweichende Abszissenwerte wurde eine linear gegenüber der Referenzkurve erhöhte beziehungsweise erniedrigte Abgastemperaturen des Dieselmotors angenommen. Für die Abszissenwerte 0,85 und 1,15 sind diese Temperaturverläufe in 1 dargestellt, Kurve a) für eine linear um 15 % verminderte Abgastemperatur und Kurve b) für eine linear um 15 % erhöhte Abgastemperatur.
Man erkennt aus 2, daß bei vorgegebener Platinbeladung die Emission von Kohlenmonoxid während des Tests durch Erhöhen der Abgastemperatur vermindert werden kann. Damit kann eine alterungsbedingte Verschlechterung der Emissionswerte durch eine Erhöhung der Abgastemperatur ausgeglichen werden.
Die Abgastemperaturen eines Dieselmotors können bekanntermaßen durch verschiedene Maßnahmen erhöht werden. Für die Zwecke der Erfindung kann die Abgastemperatur des Motors entweder direkt nach dem Kaltstart oder etwas zeitversetzt erhöht werden. Im ersten Fall werden bevorzugt solche Maßnahmen gewählt, die das Emissionsverhalten des Motors nur geringfügig beeinflussen, um eine übermäßige Emission von Schadstoffen während der Kaltstartphase zu verhindern. Im letzteren Fall können auch Maßnahmen gewählt werden, die zu etwas höheren Emissionswerten führen, da diese durch das erfindungsgemäße Verfahren sicher zu unschädlichen Stoffen umgesetzt werden.
Mögliche Maßnahmen zur Erhöhung der Abgastemperatur für das erfindungsgemäße Verfahren sind zum Beispiel:

• Drosselung der Ansaugluft, das heißt die Abgasmenge wird bei gleicher Leistung vermindert; dies führt zu einer höheren Temperatur
• Erhöhen der Abgastemperatur durch Nacheinspritzen, eventuell bei nur einem Zylinder
• Verstellen des Verbrennungsschwerpunktes nach „später"; 1° Verschiebung des Verbrennungsschwerpunktes bringen eine Temperaturerhöhung von etwa 10 K
• Erhöhen des Abgasgegendrucks
• Ändern des Wirkungsgrades des Getriebes
• Abstellen der Ladeluftkühlung

Die obigen Maßnahmen zur Temperaturerhöhung des Abgases bewirken einen geringen Mehrverbrauch an Kraftstoff. Um diesen Mehrverbrauch so klein wie möglich zu halten, werden diese Maßnahmen bevorzugt nur dann ergriffen, wenn die Abgastemperatur unter eine vorgegebene Minimaltemperatur fällt. Wird der Dieselmotor mit hoher Last betrieben, ist die Abgastemperatur in der Regel so hoch, daß auch ein gealterter Katalysator noch einen ausreichenden Schadstoffumsatz gewährleistet.
Von den oben beschriebenen Maßnahmen zur Temperaturerhöhung des Abgases ist die Androsselung des Motors sehr effektiv. 3 zeigt dies am Beispiel eines LKW-Motors. Die mit „Serienzustand" bezeichnete Temperaturkurve zeigt die Abgastempera tur vor einem Partikelfilter für einen bestimmten Fahrzyklus. Durch Androsselung des Motors kann während desselben Fahrzyklus die Abgastemperatur um etwa 100 °C erhöht werden (Kurve „modifizierte Motor"). Dabei wird ein Kraftstoffmehrverbrauch von etwa 10 % verursacht. Für das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch in der Regel nur eine Temperaturerhöhung um 20 K oder weniger erforderlich, um die Alterung des Katalysators zu kompensieren. Entsprechend geringer fällt daher der Kraftstoffmehrverbrauch durch das Verfahren aus.
Die alterungsbedingte Abnahme der katalytischen Aktivität kann auf verschiedene Weise ermittelt werden. Im einfachsten Fall kann ein mittleres Alterungsverhalten für eine Reihe von Katalysatoren in Abhängigkeit von der Betriebsdauer vorab gemessen werden. Zur Durchführung des Verfahrens können dann zum Beispiel in der Motorsteuerung des Dieselmotors in Abhängigkeit von der Betriebsdauer die notwendigen Anpassungen der Betriebsparameter hinterlegt werden, die eine ausreichende Erhöhung der Abgastemperatur für den jeweils erreichten Alterungszustand gewährleisten.
Günstiger ist es jedoch, den Alterungszustand des Katalysators direkt zu ermitteln. Zu diesem Zweck eignen sich kontinuierliche und diskontinuierliche Bestimmungsverfahren. Der Alterungszustand kann zum Beispiel durch kontinuierliche Messung des Schadstoffumsatzes mit Hilfe einer direkt messenden Gassensorik und Abgleich gegen ein in der Motorsteuerung hinterlegtes Katalysatormodell bestimmt werden. Ähnlich wie im vorhergehenden Fall können in der Motorsteuerung in Abhängigkeit vom ermittelten Alterungszustand die notwendigen Anpassungen der Betriebsparameter hinterlegt sein, die eine ausreichende Erhöhung der Abgastemperatur für den jeweils erreichten Alterungszustand gewährleisten.
Die Gassensorik zur Bestimmung des Schadstoffumsatzes kann zum Beispiel aus einer Sonde vor und einer Sonde hinter dem Katalysator für den betreffenden Schadstoff (CO, HC oder NO) bestehen. Auf die Sonde vor dem Katalysator kann verzichtet werden, wenn die Schadstoffkonzentrationen im Abgas für jeden Betriebspunkt des Motors vorab in Form von Kennfeldern in der Motorsteuerung hinterlegt wurden.
Wie schon angedeutet kann der Alterungszustand des Katalysators auch diskontinuierlich, das heißt nach jeweils einer bestimmten Fahrstrecke oder einer bestimmten Anzahl von Betriebsstunden ermittelt werden. Zu diesem Zweck kann zum Beispiel die Exothermie am Katalysator bei der Nacheinspritzung einer definierten Menge von Kohlenwasserstoffen gemessen werden. Der frische Katalysator verbrennt die zusätzlichen Kohlenwasserstoffe besser als der gealterte Katalysator und führt daher zu einer stärkeren Temperaturerhöhung des Abgases durch diesen Vorgang.
Die notwendige Änderung der Betriebsparameter des Motors läßt sich dabei wie folgt direkt ermitteln: Es wird zunächst in einem bestimmten Betriebspunkt die Exothermie bei der Verbrennung einer vorgegebenen Menge von Kohlenwasserstoffen am Katalysator gemessen und mit der Exothermie des frischen Katalysators in diesem Betriebspunkt verglichen. Im Falle einer verminderten Exothermie gegenüber dem frischen Katalysator wird die in diesem Betriebspunkt herrschende Abgastemperatur des Motors drehmomentneutral durch motorische Maßnahmen soweit erhöht, bis die erneut gemessene Exothermie des gealterten Katalysators der Exothermie des frischen Katalysators entspricht. Hieraus kann der Faktor ermittelt werden, um den die Abgastemperatur erhöht werden muß, um den alterungsbedingten Leistungsabfall des Katalysators auszugleichen. Auch in diesem Fall können in der Motorsteuerung in Abhängigkeit vom ermittelten Faktor die notwendigen Anpassungen der Betriebsparameter hinterlegt sein, die eine ausreichende Erhöhung der Abgastemperatur für den jeweils erreichten Alterungszustand in allen anderen Betriebspunkten gewährleisten.
Ist der Dieselmotor auch mit einem Partikelfilter ausgerüstet, so kann die oben beschriebene Bestimmung des Alterungszustandes über die Exothermie bei der Verbrennung von einer definierten Menge von Kohlenwasserstoffen auch in besonders vorteilhafter Weise mit der Regenerationsfunktion für das Partikelfilter verknüpft werden. Zur Regeneration des Partikelfilters wird von Zeit zu Zeit die Abgastemperatur am Partikelfilter auf die Zündtemperatur des Rußes erhöht, um diesen zu verbrennen. Dies geschieht gewöhnlich durch Nacheinspritzen von Kohlenwasserstoffen und deren Verbrennung am Oxidationskatalysator. Die dabei auftretende Exothermie kann gleichzeitig für die Bestimmung des Alterungszustandes des Oxidationskatalysators genutzt werden.
Die 4 bis 6 erläutern die Bestimmung des Alterungszustandes an Hand der Exothermie mit Hilfe von Modellrechnungen an dem oben beschriebenen Antriebssystem aus einem 1,4 l Dieselmotor mit 2,4 l Wabenkatalysator. Die Modellrechnungen wurden für einen willkürlichen Ausschnitt aus dem NEDC-Test vorgenommen. Es wurde angenommen, daß durch Nacheinspritzung die HC-Konzentration im Abgas in der Zeit zwischen 710 und 830 Sekunden Fahrzeit auf 10000 ppm erhöht wird.
4 zeigt die berechneten Temperaturverläufe für die Abgastemperatur am Eingang des Katalysators (Kurve „Eingangstemperatur") sowie für die Temperaturdifferenz zwischen der Ausgangstemperatur des Abgases beim Verlassen des Katalysators und der Eingangstemperatur. Eine positive Temperaturdifferenz zeigt eine exotherme Reaktion am Katalysator an. Die Berechnung der Temperaturdifferenz in 4 erfolgte für den frischen Katalysator ohne eine HC-Nacheinspritzung.
5 zeigt den Vergleich der Exothermie bei der Nacheinspritzung der Kohlenwasserstoffe bei dem frischen und einem gealterten Katalysator an. Man erkennt, daß die Exothermie am gealterten Katalysator deutlich geringer als am frischen Katalysator ist.
6 zeigt den Vergleich der Exothermie beim frischen Katalysator mit Nacheinspritzung zur Exothermie beim gealterten Katalysator mit Nacheinspritzung und einer gleichzeitigen, linearen Temperaturerhöhung um 10 %. Wie aus 6 ersichtlich ist, reicht in dem berechneten Beispielfall eine lineare Temperaturerhöhung von 10 % aus, um die verminderte katalytische Aktivität des gealterten Katalysators nahezu auf das Niveau des frischen Katalysators anzuheben.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems aus einem Motor und einer Abgasreinigungsanlage mit einem Katalysator, wobei der Motor ein Abgas mit einer Abgastemperatur emittiert und der Katalysator eine katalytische Aktivität für die Reinigung des Abgases aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine alterungsbedingte Abnahme der katalytischen Aktivität des Katalysators zumindest zeitweise durch Erhöhen der Abgastemperatur des Motors ausgeglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die alterungsbedingte Abnahme der katalytischen Aktivität des Katalysators durch eine lineare Erhöhung der Abgastemperatur des Motors ausgeglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Alterungszustand des Katalysators jeweils nach einer definierten Anzahl von Betriebsstunden des Verbrennungsmotors dadurch ermittelt wird, daß die Exothermie bei der Verbrennung einer bestimmten Menge von Kohlenwasserstoffen am Katalysator in einem gewissen Betriebspunkt des Verbrennungsmotors ermittelt und mit der Exothermie des frischen Katalysators in diesem Betriebspunkt verglichen wird und im Falle einer verminderten Exothermie gegenüber dem frischen Katalysator die in diesem Betriebspunkt herrschende Abgastemperatur des Motors drehmomentneutral durch motorische Maßnahmen soweit erhöht wird, bis die gemessene Exothermie des gealterten Katalysators der Exothermie des frischen Katalysators entspricht, wobei sich durch Vergleich der Abgastemperatur beim gealterten Katalysator zur Abgastemperatur beim frischen Katalysator ein Faktor ergibt, um den die Abgastemperatur erhöht werden muß, um die alterungsbedingte Abnahme der katalytischen Aktivität zu kompensieren.
Vorrichtung für ein Antriebssystems aus einem Motor und einer Abgasreinigungsanlage mit einem Katalysator, wobei der Motor ein Abgas mit einer Abgastemperatur emittiert und der Katalysator eine katalytische Aktivität für die Reinigung des Abgases aufweist und wobei die Vorrichtung insbesondere zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche vorgesehen ist, gekennzeichnet durch, eine Einrichtung zum Ausgleichen einer alterungsbedingten Abnahme der katalytischen Aktivität des Katalysators durch zumindest zeitweises Erhöhen der Abgastemperatur des Motors.