-
Stand der Technik
-
Die
bei Diesel- oder Magermotor-betriebenen Fahrzeugen immer schärfer
werdenden Stickoxide NOx-Emissionsgrenzwerte erfordern ab einem bestimmten
Fahrzeuggewicht eine die Stickoxide reduzierende Abgasnachbehandlung,
wie zum Beispiel die sogenannte selektive katalytische Reaktion (SCR).
-
Eine
zum Beispiel aus der
WO
99/01205 A1 bekannte Variante der Ammoniakbereitstellung
für das SCR-Verfahren sieht vor, dass bei Bedarf gasförmiger
Ammoniak in die Abgasnachbehandlungseinrichtung der Brennkraftmaschine
eingeblasen wird. Dort reagiert der Ammoniak in einem speziellen SCR-Katalysator
zusammen mit den Stickoxiden der Abgase zu den unschädlichen
Verbindungen Stickstoff und Wasser. Der Ammoniak wird durch Desorption
aus einem Speichermaterial oder durch Zersetzung einer Vorläufersubstanz
erzeugt.
-
Der
Ammoniak wird in einem Speicherbehälter gespeichert. In
einem Speicherbehälter befindet sich ein Speichermaterial,
wie beispielsweise ein Salz, insbesondere Chloride, /Bromide und/oder
Sulfate eines oder mehrerer Erdalkalielemente, wie MgCl2,
CaCl2, SrCl2 und/oder
eines oder mehrerer 3d-Nebengruppenelemente wie Mangan, Eisen, Kobalt,
Nickel, Kupfer und/oder Zink. Weiterhin sind organische Adsorber
und Ammoniumsalze, wie zum Beispiel Ammoniumcarbamat geeignete Speichersubstanzen
und Vorläufersubstanzen, die in einem Speicherbehälter
eingesetzt werden können.
-
Das
in dem Speicherbehälter gespeicherte Ammoniak wird freigesetzt,
indem der Speicherbehälter beziehungsweise das Speichermaterial
durch eine elektrische Widerstandsheizung auf Temperaturen oberhalb
der Umgebungstemperatur, jedoch in aller Regel nicht mehr als 80–100° Celsius,
aufgeheizt wird. Durch diesen Wärmeeintrag findet eine thermische
Desorption statt und das Ammoniak wird in gasförmiger Form
frei. Das auf diese Art frei gewordene gasförmige Ammoniak
kann dann in das Abgasrohr der Brennkraftmaschine eingeblasen werden und
dort zusammen mit einem SCR-Katalysator die in den Rohemissionen
der Brennkraftmaschine vorhandenen Stickoxide in unschädliche
Verbindungen umwandeln.
-
Die
Regelung der Ammoniakfreisetzung ist derart ausgeführt,
dass ein einzuprägender Wärmeeintrag als Funktion
von Systemdruck, Ammoniakmenge und Verlustleistungen eingestellt
wird. Wenn nun, aufgrund eines Fehlers von beispielsweise einem
Leistungsschalter der elektrischen Widerstandheizung, unkontrolliert
Wärme in den Speicherbehälter eingetragen wird,
entsteht infolgedessen auch mehr Ammoniak als erforderlich und der
Druck im Speicherbehälter steigt unkontrolliert an.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abgasnachbehandlungseinrichtung
mit erhöhter Fehlerrobustheit bereitzustellen. Diese Aufgabe
wird erfindungsgemäß bei einer Abgasnachbehandlungseinrichtung
für eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasrohr, mit einem
SCR-Katalysator, mit einem Dosierventil zum Einblasen eines gasförmigen
Reduktionsmittels in das Abgasrohr, mit einem beheizbaren Speicherbehälter
für das Reduktionsmittel dadurch gelöst, dass
ein Druckbegrenzungsventil vorgesehen ist und dass ein Eingang des
Druckbegrenzungsventils mit dem im Speicherbehälter herrschenden
Druck beaufschlagt wird.
-
Durch
das Druckbegrenzungsventil ist es möglich, aufgrund einer
Funktionsstörung der Heizung auftretenden Überdrücke
auf den Öffnungsdruck des Druckbegrenzungsventils zu begrenzen und
dadurch ein Bersten des Speicherbehälters beziehungsweise
anderer mit Druck beaufschlagter Teile der Abgasnachbehandlungseinrichtung
zu unterbinden. Es hat sich in aller Regel als ausreichend erwiesen,
wenn der Öffnungsdruck des Druckbegrenzungsventils auf
etwa 7 bar eingestellt wird. Selbstverständlich kann dieser
Wert abhängig von der Auslegung des Systems, den verwendeten
Speichermaterialien sowie Design des Speicherbehälters
entsprechend verändert oder angepasst werden.
-
In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass der Ausgang des Druckbegrenzungsventils stromaufwärts
eines Oxidationskatalysators in das Abgasrohr der Brennkraftmaschine
mündet. Dadurch ist es möglich, die Sperrfunktion
eines edelmetallbeschichteten Oxidationskatalysators zum Abbau des
Ammoniaks zu N2 und H2O zu
nutzen. Dies bedeutet, dass aus dem Ammoniak unschädliche
Substanzen entstehen, die ohne Schäden an der Umwelt zu
verursachen durch das Abgasrohr austreten können.
-
Alternativ
ist es möglich, dass der Ausgang des Druckbegrenzungsventils
in einen Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine mündet. Da
Ammoniak ein brennbarer Stoff ist, kann es in der Brennkraftmaschine
durch Verbrennung im Brennraum abgebaut werden. Der Drehmomentbeitrag
des in den Ansaugtrakt eingedüsten Ammoniaks kann durch
eine entsprechende Verringerung der eingespritzten Kraftstoffmenge
kompensiert werden, so dass die Drehmomentabgabe der Brennkraftmaschine
konstant bleibt.
-
In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass der Speicherbehälter eine elektrische Heizung aufweist
und dass redundante Mittel zum Abschalten der elektrischen Heizung
vorgesehen sind. Diese redundanten Mittel können beispielsweise
eine Low-side-Abschaltung und eine High-side-Abschaltung umfassen,
so dass auch, wenn eine standardmäßig eingesetzte
Abschaltung, wie beispielsweise die Low-side-Abschaltung, nicht
funktioniert und infolgedessen die elektrisch Heizung weiterhin
aktiv wäre, durch die redundante Abschaltung der elektrischen
Heizung mittels einer High-side-Abschaltung sichergestellt ist,
dass der Wärmeeintrag in den Speicherbehälter
unterbunden wird. Infolgedessen wird auch kein weiterer Ammoniak
mehr produziert und es kann in den normalen Betriebsmodus der Brennkraftmaschine
gewechselt werden.
-
Um
Fehlfunktionen des Systems zu erkennen, ist zwischen dem Speicherbehälter
und dem Dosierventil ein Drucksensor vorgesehen. Das Motorsteuergerät
der Brennkraftmaschine oder eine separates Dosiersteuergerät
kann mit Hilfe der Ausgangssignale des Drucksensors das Erreichen
eines zulässigen Höchstdrucks, von beispielsweise
10 bar, erkennen und nach Überschreiten des zulässigen Höchstdrucks
ein Druckbegrenzungsventil durch eine entsprechende Ansteuerung öffnen.
Alternativ kann das Druckbegrenzungsventil mechanisch ausgeführt
sein, so dass der Drucksensor als Überwachungssensor eingesetzt
wird.
-
Des
Weiteren ist, um die Funktion der Heizung des Speicherbehälters
zu überwachen, ein Temperatursensor im Speicherbehälter
vorgesehen. Dieser Temperatursensor kann aber auch zur Regelung
der Ammoniakproduktion im Normalbetrieb eingesetzt werden, da ein
direkter Zusammenhang zwischen der Temperatur des Speichermediums
und der Ammoniakfreisetzung besteht.
-
Die
eingangs genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch
gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungseinrichtung für
eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasrohr, mit einem SCR-Katalysator,
mit einem Dosierventil zum Einbringen eines gasförmigen
Reduktionsmittels in das Abgasrohr und mit einem beheizbaren Speicherbehälter
für das Reduktionsmittel, indem beim Überschreiten
eines ersten Druckgrenzwerts im Speicherbehälter das Dosierventil
angesteuert und geöffnet wird.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren sieht schon vor dem
Erreichen des maximal zulässigen Drucks im System einen
ersten Druckgrenzwert vor, der beispielsweise bei 6 bar liegen kann.
Sobald der erste Druckgrenzwert erreicht wird, wird das Dosierventil
geöffnet, so dass überschüssiger Ammoniak abgeführt
werden kann, ohne dass es zu hohen Druckbelastungen im System kommt.
-
Gleichzeitig
empfiehlt es sich bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
die Brennkraftmaschine so anzusteuern, dass erhöhte NOx-Rohemissionen
entstehen. Dies kann beispielsweise durch eine Deaktivierung der Abgasrückführung
und/oder eine Verstellung des Einspritzzeitpunkts erfolgen. Dadurch
dass mehr NOx-Rohemissionen entstehen, kann der ungewollterweise
entstandene Ammoniak im SCR-Katalysator als Reduktionsmittel für
höhere NOx-Emissionen eingesetzt werden. Es entsteht für
die Umwelt keine erhöhte Belastung durch einen Ammoniakschlupf.
-
Wenn
jedoch der Druck im Speicherbehälter einen zweiten Druckgrenzwert überschreitet,
der dem zulässigen Höchstdruck des Systems entspricht,
wird das Druckbegrenzungsventil geöffnet und überschüssiges
Ammoniak in den Ansaugtrakt oder eines Oxidationskatalysators in
das Abgasrohr der Brennkraftmaschine abgeführt. Dadurch
ist es möglich, große Mengen von überschüssigem
Ammoniak effizient und ohne Umweltbeeinträchtigungen abzuführen.
-
Um
die ungewollte Erzeugung von gasförmigem Ammoniak sicher
zu beenden, ist weiter vorgesehen, die elektrische Heizung des Speicherbehälters
redundant zu deaktivieren, insbesondere durch Ansteuern einer Low-side-Abschaltung
und einer High-side-Abschaltung.
-
In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist weiter vorgesehen,
dass eine Fehlermeldung ausgegeben und/oder im Steuergerät
der Brennkraftmaschine abgespeichert wird, wenn ein unzulässig
hoher Druck im Speicherbehälter auftritt.
-
Damit
sich die Wahrnehmung des Fahrers eines Kraftfahrzeugs vom Betriebsverhalten
der Brennkraftmaschine nicht ändert, wird gleichzeitig mit
dem Eindüsen von Ammoniak in den Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine
die eingespritzte Kraftstoffmenge entsprechend reduziert, so dass
die Drehmomentabgabe der Brennkraftmaschine konstant bleibt.
-
Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der
nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen
entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen
offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in
beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
-
Es
zeigen:
-
1 den
schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung.
-
In 1 ist
eine Brennkraftmaschine 1 mit einer Abgasnachbehandlungseinrichtung 3 stark
vereinfacht und schematisch dargestellt. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung 3 umfasst
ein Abgasrohr 5, einen Oxidationskatalysator 7 und
einen SCR-Katalysator 11. Die Strömungsrichtung
des Abgases durch das Abgasrohr 5 ist durch Pfeile (ohne Bezugszeichen)
angedeutet. Nicht näher dargestellt ist ein Dieselpartikelfilter,
der üblicherweise stromabwärts des Oxidationskatalysators 7 angeordnet
wird, beispielsweise zwischen dem Oxidationskatalysator 7 und
einem Dosierventil (13), um den SCR-Katalysator 11 mit
Reduktionsmittel zu versorgen, ist stromaufwärts des SCR-Katalysators 11 am
Abgasrohr 5 ein Dosierventil 13 für das
Reduktionsmittel angeordnet. Das Dosierventil 13 spritzt
bei Bedarf gasförmiges Reduktionsmittel stromaufwärts
des SCR-Katalysators 11 in das Abgasrohr 5 ein.
-
Die
Brennkraftmaschine 1 weist einen Ansaugtrakt 15 auf.
Im Ansaugtrakt 15 ist ein optionales Druckbegrenzungsventil 17 vorhanden.
Des Weiteren ist im Abgasrohr 5, stromaufwärts
des Oxidationskatalysators 7 ein weiteres Druckbegrenzungsventil 19 vorgesehen.
Am Oxidationskatalysator 7 und am SCR-Katalysator 11 ist
jeweils ein Temperatursensor 21, 23 vorhanden.
Stromabwärts des SCR-Katalysators 11 ist im Abgasrohr 5 ein
NOx-Katalysator angeordnet. Der über das Dosierventil 13 einzublasende
Ammoniak ist in einem Speicherbehälter 27 gespeichert.
Als Speichermaterialien kommen die in der Beschreibungseinleitung
genannten Materialien in Frage.
-
Im
Speicherbehälter 27 ist eine elektrische Widerstandheizung 29 vorhanden,
die über elektrische Anschlussleitungen 31 und 33 mit
dem Bordnetz verbindbar ist. Im Speicherbehälter 27 ist
ein Temperatursensor 35 vorgesehen. Der im Speicherbehälter 27 vorhandene
Ammoniak wird über druckfeste Leitungen 37 an
das Dosierventil 13 beziehungsweise die Druckbegrenzungsventile 19 und 17 transportiert.
In der Leitung 39 ist ein Drucksensor 39 vorhanden.
Die Sensoren 21, 23, 25, 35 und 39 sind über
Signalleitungen (ohne Bezugszeichen) mit einem Steuergerät 41 der
Brennkraftmaschine verbunden. Entsprechendes gilt auch für
die Druckbegrenzungsventile 17 und 19 sowie das
Dosierventil 13. Das Steuergerät 41 verarbeitet
neben den Ausgangssignalen der genannten Sensoren noch eine Vielzahl
von anderen Eingangsgrößen, um die Brennkraftmaschine 1 zu
steuern. Alternativ kann ein separates Steuergerät zum
Einsatz kommen, welches entsprechend mit den beschriebenen Aktoren und
Sensoren verbunden ist.
-
Erfindungsgemäß ist
nun vorgesehen, dass der Druck im System, insbesondere im Speicherbehälter 27 und
der Leitung 37 kontinuierlich mit Hilfe des Drucksensors 39 überwacht
wird. Sobald ein erster Druckgrenzwert pGR1 im
Speicherbehälter überschritten wird, wird das
Dosierventil 13 geöffnet, so dass gasförmiges
Ammoniak aus dem System entweichen kann und dadurch der Druck im
Speicherbehälter 27 und in der Leitung 37 reduziert
wird. Die Umwandlung von Ammoniak in unschädliche Verbindungen
findet in der bereits aus dem Stand der Technik bekannten Weise
in dem SCR-Katalysator statt. Gleichzeitig kann die Steuerung der
Brennkraftmaschine 1 so verändert werden, dass
erhöhte NOx-Rohemissionen entstehen, so dass die überschüssige Ammoniakmenge
mit dem im Abgas der Brennkraftmaschine 1 enthaltene NOx
umgewandelt werden kann.
-
Wenn
nun beispielsweise aufgrund eines technischen Defekts die elektrische
Heizung 29 ungewollterweise aktiv bleibt und der Druck
im System einen zweiten Druckgrenzwert pGR2 überschreitet, wird
das Druckbegrenzungsventil 19 oder alternativ das Druckbegrenzungsventil 17 geöffnet
und dadurch eine noch größere Menge überschüssigen
Ammoniaks aus dem Speicher 27 abgeführt.
-
Wenn
die Brennkraftmaschine ein Druckbegrenzungsventil 19 stromaufwärts
des Oxidationskatalysators 7 aufweist, kann der durch das
Druckbegrenzungsventil 19 eingeblasene Ammoniak in dem Oxidationskatalysator 7,
der in aller Regel Edelmetallbeschichtungen aufweist, mindestens
teilweise abgebaut werden. Ein weiterer Teil des noch nicht umgewandelten
Ammoniaks kann in bekannter Weise im SCR-Katalysator 11 abgebaut
werden.
-
Eine
alternative Möglichkeit besteht darin, überschüssigen
Ammoniak durch das Druckbegrenzungsventil 17 in den Ansaugtrakt 15 der
Brennkraftmaschine einzublasen. Da Ammoniak brennbar ist, kann der
Ammoniak auch durch eine Verbrennung in der Brennkraftmaschine 1 abgebaut
und umgesetzt werden. Damit durch den Abbau des Ammoniaks in der
Brennkraftmaschine 1 kein zusätzlicher Drehmomentbeitrag
entsteht, wird in entsprechender Weise die eingespritzte Kraftstoffmenge
reduziert, so dass der Fahrer des Kraftfahrzeugs nicht mit unerwarteten Drehmomentänderungen
der Brennkraftmaschine konfrontiert wird.
-
Um
unter allen Umständen sicherzustellen, dass die elektrische
Heizung 29 auch vom Netz getrennt werden kann, sind redundante
Abschaltmittel vorhanden. Die redundanten Abschaltmittel umfassen
eine Low-side-Abschaltung 43 innerhalb der elektrischen
Leitung 31 und eine High-end-Abschaltung 45 in
der elektrischen Leitung 33. Die Funktionsweise solcher
aus dem Stand der Technik bekannten Abschaltungen 43 und 45 sind
dem Fachmann bekannt, so dass auf eine detaillierte Erweiterung
verzichtet werden kann.
-
Vorteilhaft
an der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung 3 und
dem erfindungsgemäßen Verfahren ist, dass erstens
der Aufbau unzulässig hoher Drücke im System,
insbesondere im Speicherbehälter 27 und in der
Leitung 37 in zwei Stufen wirkungsvoll verhindert werden
kann. In einer ersten Stufe (p > pGR1) wird überschüssiger
Ammoniak durch das Dosierventil 13 abgeblasen. Wenn trotz
dieser Maßnahme der Druck im System weiter steigt, wird
mit Erreichen eines zweiten Druckgrenzwerts (p > pGR2) ein zusätzliches
Druckbegrenzungsventil 17 oder 19 geöffnet
und dadurch der überschüssige Ammoniak in den
Ansaugtrakt 15 oder das Abgasrohr 5 oberhalb des
Oxidationskatalysators 7 eingeblasen.
-
Des
Weiteren sieht das erfindungsgemäße Verfahren
vor, die Ursache einer ungewollten Ammoniakfreisetzung redundant
abschalten zu können. Dies geschieht dadurch, dass die
elektrische Heizung 29 sowohl eine Low-side-Abschaltung 43 als auch
eine High-side-Abschaltung 45 aufweist. Dadurch kann auch,
wenn eine der beiden Abschaltungen 43 oder 45 eine
Fehlfunktion aufweist, sichergestellt werden, dass die elektrische
Heizung 29 deaktiviert wird und dadurch kein überschüssiger
und unerwünschter Ammoniak freigesetzt wird.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-