Die Drei-Wege-Katalysatortechnik beruht darauf, daß im Abgas <BR> <BR> <BR> bei einem Luftverhältnis K = 1 in einem schmalen Luftverhält- nisbereich Konzentrationen an Kohlenwasserstoff (HC) und an Kohlenmonxid (CO) sowie an Stickoxiden in einem solchen Ver- hältnis miteinander vorliegen, daß die Stickoxide durch die vorhandenen Kohlenwasserstoffe und das Kohlenmonoxid redu- ziert werden können und gleichzeitig die Kohlenwasserstoffe bzw. das Kohlenmonoxid so weit oxidiert werden, daß der Um- setzungsgrad für alle Komponenten etwa 90% und mehr beträgt.

Diese Technik ist zur Verminderung des Stickoxidanteils ist infolge des Luftüberschusses im Abgas bei mager betriebenen Motoren, vor allen Dingen bei direkteinspritzenden Kolben- brennkraftmaschinen nicht möglich.

Zur Verminderung der Stickoxide im Abgas werden hierbei soge- nannte SCR-Katalysatoren (selected catalytic reduction) ein- gesetzt, die mit Hilfe eines in das Abgas eingedüsten Reduk- tionsmittels die Stickoxide selektiv vermindert. Als Redukti- onsmittel kommen hierbei in Frage beispielsweise Harnstoffe, Ammoniak oder auch Kohlenwasserstoffe bzw. Kohlenwasserstoff- gemische. Diese wurden bisher dem Abgas vor dem Katalysator durch eine gesonderte Düse im Abgassystem zugemischt. Zur Si- cherstellung von NOx-Reduktionsgraden größer 15% mußte vor

allem bei direkteinspritzenden Verbrennungsmotoren auch Koh- lenwasserstoff dem Abgas von außen zugemischt werden.

Eine weitere Möglichkeit der Stickoxidverminderung sind die Stickoxid-Speicherkatalysatoren. Hierbei werden die Stickoxi- de in einer Speicherphase im Katalysator angesammelt und in einer Regenerationsphase durch einen fetten Betrieb im Be- reich von X < 0,95 durch die dann im Abgas die bestehenden hohen Konzentrationen an Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxiden und Wasserstoff wieder regeneriert. Die sogenannte Anfettung wird bei homogenen Ottomotoren durch Anfettung des Brenn- stoff-Luft-Gemisches im Brennraum erreicht. Diese Technik führt jedoch bei direkteinspritzenden Verbrennungsmotoren, die im Brennraum immer ein inhomogenes Gemisch vorliegen ha- ben, zu nicht tolerierbaren Rußemissionen.

Die Rußemission von Dieselmotoren kann mit Hilfe von Rußfil- tern um bis zu 90% vermindert werden. Der Diesel-Rußfilter muß jedoch periodisch regeneriert werden. Dies kann thermisch durch einen Zusatzbrenner im Abgas erfolgen oder durch eine elektrische Zündung des im Rußfilter zurückgehaltenen Rußes.

Es gibt auch die Möglichkeit, durch entsprechende Kraft- stoffadditive die Regenerierung zu bewirken. Von Bedeutung ist jedoch für die Zündung und die Verbrennung des vom Ruß- filter zurückgehaltenen Rußes, daß der Ruß eine genügend hohe adsorbierte Kohlenwasserstoffmenge hat, die zu einer einfa- chen Zündung und zu einer verbesserten Flammenstabilität des brennenden Rußes im Filter notwendig ist.

Zusammenfassend kann also festgestellt werden, daß sowohl zur Stickoxidverminderung im Abgas sogenannter Magermotoren als auch zur Partikelverminderung bei Dieselmotoren die Nachbe- handlungseinrichtung intermittierend oder auch kontinuierlich regeneriert werden muß und daß hierzu ein bestimmter Kohlen- wasserstoffgehalt im Abgas erforderlich ist und dementspre- chend Kohlenwasserstoffe dem Abgas zugeführt werden müssen.

Die bereits erwähnte Eindüsung von zusätzlichem Kraftstoff in die Abgasleitung stellt eine Möglichkeit dar, entsprechende

zusätzliche Kohlenwasserstoffmengen dem Abgas zuzuführen. Der Nachteil besteht jedoch darin, daß die im heißen Abgasstrom liegende Düse zu Verkokungen neigt und daß hier neben einer zusätzlichen Düse auch eine zusätzliche Ansteuerung dieser Einspritzdüse vorgesehen werden muß.

In der Veröffentlichung von Hiromitsu Ando et al in AVL- Tagung"Motor und Umwelt"'97, Seiten 55 bis 69, ist ein Ver- fahren beschrieben, bei dem nach der Einspritzung der für den Arbeitstakt benötigten Kraftstoffmenge eine zusätzliche Kraftstoffmenge eingespritzt wird. Die Einspritzung wird hierbei jedoch so früh vorgenommen, daß die eingespritzten Kraftstoffmengen während des Expansionshubes im Zylinderraum verbrennen, um so die Abgastemperatur zu erhöhen und eine schnellere Aufwärmung der nachgeschalteten Abgasbehandlungs- einrichtung während der Startphase zu erreichen. Da jedoch diese zusätzliche Kraftstoffmenge noch verbrannt wird, steht sie nicht als Reduktionsmittel für die nachgeschalteten Ab- gasbehandlungseinrichtungen zur Verfügung, so daß ein Einsatz dieses Verfahrens für den Dauerbetrieb mit dem Ziel der Schadstoffreduzierung ungeeignet ist. Diese bekannte Technik ist abgeleitet aus den in der Praxis eingesetzten Katalysa- toraufheizungen im Kaltstart, bei denen durch Nachoxidation im Brennraum (späte Zündung) bzw. im Abgassystem die Kataly- satortemperatur in kurzer Zeit auf die Katalysatoranspring- temperatur gebracht wird. Ziel ist die ausschließliche Ver- minderung aller Schadstoffe (NOX+HC+CO) beim Motorkaltstart.

Erfindungsgemäß werden die vorstehend genannten Probleme ge- löst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Kolbenbrennkraft- maschine, bei der in die einzelnen Zylinder jeweils mittels einer Einspritzdüse die für den jeweiligen Arbeitstakt benö- tigte Kraftstoffmenge in Abhängigkeit von der Lastanforderung über eine Motorsteuerung bemessen und direkt eingespritzt wird, und bei dem ferner nach der Einspritzung der für den Arbeitstakt bemessenen Kraftstoffmenge über die Einspritzdüse nach Abschluß der Verbrennungsphase eine zusätzliche Kraft- stoffmenge eingespritzt wird, wenn der Kolben sich jeweils

bei seinem Expansionshub im Bereich der unteren Totpunktstel- lung befindet, und bei dem die aus dem Zylinder austretenden Abgase durch wenigstens eine mechanisch, chemisch und/oder katalytisch wirkende Abgasbehandlungseinrichtung zur Beseiti- gung von Schadstoffanteilen hindurchgeleitet werden.

Der Vorteil dieser Verfahrensweise besteht zum einen darin, daß die Einführung zusätzlicher Kohlenwasserstoffe für die Abgasnachbehandlung nicht über eine zusätzliche Einspritzdüse sondern über die ohnehin vorhandene Einspritzdüse unter ent- sprechender Ansteuerung über die vorhandene Motorsteuerung erfolgt. Ein weiterer Vorteil besteht dann darin, daß die zu- sätzlichen Kraftstoffmengen taktweise, d. h. im Ausstoßtakt eines Zylinders im Abgas zugeführt werden, so daß hier auch die Möglichkeit besteht, die einzuspritzenden zusätzlichen Kraftstoffmengen jeweils an die für den Betrieb im jeweiligen Arbeitstakt zugemessenen Kraftstoffmengen anzupassen, so daß hier eine sehr viel genauere Dosierung möglich ist. Ein wei- terer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die zusätzlich zuzuführende Kraftstoffmenge erst nach der Verbrennungsphase eingeführt wird. Diese Phase ist je nach den Betriebsbedingungen zum Ende des Expansionshubes er- reicht. Je nach Ansteuerung und Betriebsbedingungen kann noch bis in den Ausschubhub die zusätzliche Kraftstoffmenge einge- führt werden. Die Gastemperaturen im Zylinder liegen in die- sem Bereich unterhalb der Rußbildungstemperatur von 1300°K.

Die zusätzliche Kraftstoffmenge muß so bemessen werden, daß diese Temperatur nicht überschritten wird, und zwar weder im Zylinder noch im Abgaskanal. Die zusätzlich eingespritzten Kraftstoffmengen werden hierbei im heißen Abgas gecrakt und aufbereitet, so daß im Abgas Kohlenwasserstoffe in entspre- chenden Mengen und in einer Form zur Verfügung stehen, wie sie zur Regeneration von Stickoxidkatalysatoren oder von Par- tikelfiltern benötigt werden. Durch eine Beeinflussung des Einspritzzeitpunktes in bezug auf die Expansionsphase und die Ausschiebephase sowie durch die Einspritzdauer kann sowohl die Zusammensetzung wie auch die Menge an Kohlenwasserstoffen und an Wasserstoffen den jeweiligen Erfordernissen angepaßt

werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Ein- spritzdüse nicht verkoken kann, da sie vor der Nacheinsprit- zung die jeweilige viel größere Kraftstoffmenge zur Motorla- steinstellung einspritzt und dadurch bei jedem Arbeitstakt die Düse durch die erhöhte Kraftstoffmenge von etwaigen Koks- rückständen befreit wird.

Da für die Zuführung der zusätzlichen Kraftstoffmengen die ohnehin für jeden Zylinder vorhandene Einspritzdüse verwendet wird und die für den Arbeitstakt benötigten Kraftstoffmengen durch die Motorsteuerung vorgegeben werden, gibt die Erfin- dung die Möglichkeit, die zusätzlich zuzuführende Kraftstoff- menge an die für den jeweiligen Arbeitstakt geltenden Be- triebsbedingungen anzupassen. Für Oxidationskatalysatoren werden hierbei nur wenige 100 ppm an zusätzlichem Kohlenwas- serstoffen benötigt.

Für die Regeneration von Speicherkatalysatoren muß über die Einspritzung einer größeren Menge an zusätzlichem Kraftstoff ein Gesamt-S von < 0,95 eingestellt werden, aber unter der Randbedingung, daß die Nacheinspritzmenge so gesteuert wird, daß die Gas-/Abgastemperatur < 1300 K bleibt. Bei DeNOx- Katalysatoren mit kontinuierlicher NOx-Reduktion durch Koh- lenwasserstoffe wird die Nacheinspritzmenge so eingestellt, daß das Kohlenwasserstoff-/NOx-Verhältnis ausgedrückt durch die äquivalente C1-Menge der Gesamtkohlenwasserstoffe grö- ßer/gleich 2 ist. Für die Dieselfilterregeneration ist die Nacheinspritzmenge so zu bemessen, daß die Abgastemperatur vor dem Filter 900°C nicht übersteigt.

Die jeweilig benötigte Nacheinspritzmenge kann durch entspre- chende Abgassensoren geregelt werden. Es ist aber auch eine Kennfeldsteuerung möglich, bei der in der Motorsteuerung fur jeden Last-/Drehzahlpunkt eine entsprechende Nacheinspritz- menge in Abhängigkeit von der Abgasnachbehandlungseinrichtung abgespeichert ist.

Bei Dieselmotoren kann die Einspritzung der zusätzlichen Kraftstoffmengen auch derart erfolgen, daß diese zusätzlichen Kraftstoffmengen in der Expansionsphase während des Ausschie- bevorganges verbrennen und somit zur thermischen Regeneration des Rußfilters die nötige Temperaturerhöhung bewirken. Hier- durch kann vermieden werden, daß die zusätzliche Kraftstoff- menge noch im Zylinder verbrennt. Es ist vielmehr sicherge- stellt, daß diese zusätzliche Kraftstoffmenge nur gecrakt wird und dementsprechend entsprechende Kohlenwasserstoffe und Wasserstoffe mit dem Abgasstrom in die Abgasbehandlungsein- richtung ausgetragen werden. Durch diese Wahl des Einspritz- zeitpunktes ist sichergestellt, daß die in den Zylinder ein- geführte zusätzliche Kraftstoffmenge auch vollständig mit dem Abgas in die Abgasleitung und damit zur Abgasbehandlungsein- richtung ausgetragen wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren in seinen verschiedenen Ausge- staltungen ermöglicht durch die Einspritzung von zusätzlichen Kraftstoffmengen zum Ende der Expansionsphase bis in die Aus- schiebephase eine Bereitstellung von Kohlenwasserstoff/ Wasserstoffgemischen im Abgas. Diese Gemische im Abgas lassen sich somit für die unterschiedlichsten Formen von Abgasbe- handlungseinrichtungen verwenden, so zur intermittierenden Regeneration von Stickoxid-Speicherkatalysatoren, zur konti- nuierlichen Reduktion von Stickoxiden in SCR-Katalysatoren (SCR = selected catalytic reduction), zur thermischen und/oder katalytischen Regeneration von Partikelfiltern, ebenso wie zur Unterstützung der Regeneration von Partikel- filtern mit Hilfe von Fremdenergie.

Die Erfindung wird anhand eines Fließschemas näher erläutert.

In der Zeichnung sind schematisch zwei Zylinder I, II einer Zylinder-Viertakt-Kolbenbrennkraftmaschine mit Fremdzündung dargestellt. Die einzelnen Zylinder sind dementsprechend je- weils mit wenigstens einem Gaseinlaßkanal 1 und wenigstens einem Gasauslaßkanal 2 versehen. Der Gaseinlaßkanal 1 ist hierbei durch ein Gaseinlaßventil 3 und der Gasauslaßkanal 2

durch ein Gasauslaßventil 4 verschließbar. Die Gaseinlaßven- tile 3 und Gasauslaßventile 4 eines jeden Zylinders sind hierbei mit einem entsprechend steuerbaren Antrieb verbunden, beispielsweise einer Nockenwelle oder auch einem elektroma- gnetischen Aktuator, über den die Öffnungs-und Schließzeit der einzelnen Ventile frei variabel über eine Motorsteuerung 5 angesteuert werden kann.

Jeder Zylinder weist ferner eine Zündeinrichtung 6 sowie eine als ansteuerbares Ventil ausgebildete Einspritzdüse 7 auf, deren Stellantrieb mit der Motorsteuerung 5 in Verbindung steht.

Über die elektronische Motorsteuerung 5 wird entsprechend dem vorgegebenen Lastwunsch (beispielsweise durch das Gaspedal 8) die für den jeweiligen Betrieb benötigte Kraftstoffmenge durch entsprechende Betätigung des Einspritzventils 7 zuge- führt. In der Motorsteuerung werden außer dem Lastwunsch durch das Gaspedal 8 üblicherweise noch weitere, für den Be- trieb benötigte Informationen berücksichtigt, so beispiels- weise die Kurbelwellendrehzahlen, die Motortemperatur etc., die zusätzlich zur Lastvorgabe des Gaspedals 8 bei der Kraft- stoffbemessung über die Einspritzventile 7 mit berücksichtigt werden. Die Zündeinrichtung 6 der einzelnen Zylinder wird ebenfalls über die Motorsteuerung 5 angesteuert.

Die Abgasleitungen 2 der einzelnen Zylinder, die für weitere Zylinder nur angedeutet sind, werden zu einem Abgaskanal 9 zusammengefaßt, dem wenigstens eine Abgasbehandlungseinrich- tung 10 zugeordnet ist. Bei Dieselmotoren ist dies beispiels- weise eine Partikelfilter. Bei Ottomotoren ist dies ein Spei- cherkatalysator oder ein SCR-Katalysator und ggf. zusätzlich ein nachgeschalteter Oxidationskatalysator 11.

Um nun die für den Betrieb der Abgasbehandlungseinrichtung im Abgas benötigten Kohlenwasserstoffmenge zur Verfügung zu stellen, werden über die Motorsteuerung 5 die einzelnen Ein- spritzventile 7 eines jeden Zylinders oder auch nur selek-

tierter einzelner Zylinder im Anschluß an den jeweiligen Ar- beitstakt oder auch alternierend im Anschluß an jeden zwei- ten, dritten oder n-ten Arbeitstakt zusätzlich angesteuert, so daß eine zusätzliche Kraftstoffmenge in den jeweiligen Zy- linder eingespritzt wird. Diese zusätzliche Kraftstoffmenge wird, wie vorstehend ausführlich beschrieben, erst dann in den jeweiligen Zylinder eingespritzt, wenn der Kolben nahezu das Ende des Expansionshubes erreicht hat oder bereits den Ausschubhub beginnt. Damit gelangen entsprechend dem durch die Motorsteuerung 5 vorgegebenen Einspritztakt nach jedem Arbeitshub eines jeden Zylinders, oder in einer entsprechend anderen Verteilung vorgebbare Mengen an Kohlenwasserstof- fen/Wasserstoff/Kohlenmonoxiden über die Abgasleitungen in den Abgaskanal 9, so daß sie zur Regeneration der nachge- schalteten Abgasbehandlungseinrichtung 10 zur Verfügung ste- hen.

Das Verhältnis der zusätzlich einzuspritzenden Kraftstoffmen- ge zu der im jeweiligen Arbeitstakt dem Zylinder zugeführten, für den Arbeitshub benötigten Kraftstoffmenge kann nun über die Motorsteuerung fest vorgegeben werden. Es ist aber auch möglich, durch die Anordnung einer Stickoxidsonde 12 im Ab- gaskanal 9 vor der AbgasbehandlungseinrichtunglO den tatsäch- lichen Gehalt an Stickoxiden im Abgas zu erfassen, so daß über die Motorsteuerung 5 sowohl der Einspritzzeitpunkt als auch die Einspritzdauer und damit auch die Einspritzmenge nicht mehr in Abhängigkeit von der für den Betrieb benötigten Kraftstoffmenge zusätzlich eingespritzt wird, sondern nur noch eine solche zusätzliche Kraftstoffmenge, die zur Regene- ration der nachgeschalteten Abgasbehandlungseinrichtung 10 in Abhängigkeit vom erfaßten Stickoxidanteil im Abgas erforder- lich ist. Dieses Verfahren ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn als Abgasbehandlungseinrichtung ein SCR-Katalysator ein- gesetzt ist, der kontinuierlich arbeitet.

Bei einem Dieselmotor als sogenanntem Selbstzündungsmotor entfällt die Zündeinrichtung und die Motorsteuerung sowie ein etwaiges Kennfeld sind an den Dieselprozeß entsprechend ange- paßt.