DE102019110992A1 - Process for exhaust aftertreatment of an internal combustion engine and exhaust aftertreatment system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10). Dazu ist der Verbrennungsmotor (10) mit seinem Auslass (18) mit einer Abgasanlage (20) verbunden, in welcher mindestens ein Katalysator (28, 30, 32, 34, 36, 38) angeordnet ist, welcher mit externen Heizmitteln (42, 44, 46, 48) beheizbar ist. Dabei wird der mindestens eine Katalysator (28, 30, 32, 34, 36, 38) ab einem Start des Verbrennungsmotors (10) mit den externen Heizmitteln (42, 44, 46, 48) beheizt, wobei die Verbrennung in den Brennräumen (12) des Verbrennungsmotors (10) bezüglich der bei der Verbrennung entstehenden Rohemissionen optimiert wird. Dazu werden innermotorische Heizmaßnahmen vermieden oder zumindest reduziert, um die Rohemissionen abzusenken. Dieser Betriebszustand des Verbrennungsmotors (10) wird zumindest solange aufrechterhalten, bis der mit den externen Heizmitteln (42, 44, 46, 48) beheizbare Katalysator (28, 30, 32, 34, 36, 38) seine Light-Off-Temperatur (TL/O_K1, TL/O_K2) erreicht hat.Die Erfindung betrifft ferner ein Abgasnachbehandlungssystem zur Durchführung eines solchen Verfahrens.The invention relates to a method for exhaust gas aftertreatment of an internal combustion engine (10). For this purpose, the internal combustion engine (10) is connected with its outlet (18) to an exhaust system (20) in which at least one catalytic converter (28, 30, 32, 34, 36, 38) is arranged, which is equipped with external heating means (42, 44 , 46, 48) is heatable. The at least one catalytic converter (28, 30, 32, 34, 36, 38) is heated with the external heating means (42, 44, 46, 48) from the start of the internal combustion engine (10), with the combustion in the combustion chambers (12 ) of the internal combustion engine (10) is optimized with regard to the raw emissions arising during combustion. For this purpose, heating measures inside the engine are avoided or at least reduced in order to lower the raw emissions. This operating state of the internal combustion engine (10) is maintained at least until the catalytic converter (28, 30, 32, 34, 36, 38) which can be heated by the external heating means (42, 44, 46, 48) reaches its light-off temperature (TL / O_K1, TL / O_K2). The invention also relates to an exhaust gas aftertreatment system for carrying out such a method.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors sowie ein Abgasnachbehandlungssystem zur Durchführung eines solchen Verfahrens gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.The invention relates to a method for exhaust gas aftertreatment of an internal combustion engine and an exhaust gas aftertreatment system for carrying out such a method according to the preamble of the independent claims.
Die aktuelle und eine zukünftig immer schärfer werdende Abgasgesetzgebung stellen hohe Anforderungen an die Endrohremissionen von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor. Dabei kommt dem Zeitraum unmittelbar nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors eine besondere Bedeutung hinsichtlich der Emissionen zu, da in dieser Phase die Abgasnachbehandlungskomponenten möglichst schnell auf ihre Betriebstemperatur aufgeheizt werden sollen, um eine effiziente Abgasnachbehandlung zu ermöglichen. Bei Ottomotoren ist insbesondere das Aufheizen eines (motornahen) Drei-Wege-Katalysators maßgeblich für die Emissionen eines Kraftfahrzeuges. Aus dem Stand der Technik sind Verbrennungsmotoren mit einem Sekundärluftsystem bekannt, bei welchen zum Aufheizen des Drei-Wege-Katalysators Sekundärluft in die Abgasanlage stromabwärts eines Auslasses des Verbrennungsmotors und stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators eingebracht wird. Ferner sind Abgasnachbehandlungssysteme mit einem Abgasbrenner bekannt, bei welchem ein heißes Abgas des Abgasbrenners in die Abgasanlage eingeleitet wird, um den Drei-Wege-Katalysator auf seine Betriebstemperatur aufzuheizen. Durch einen Abgasbrenner kann auch ein Drei-Wege-Katalysator in Unterbodenlage unmittelbar nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors auf seine Betriebstemperatur aufgeheizt werden, da die heißen Brennergase an entsprechender Stelle in die Abgasanlage eingeleitet werden können und somit ein Beheizen des Drei-Wege-Katalysators im Wesentlichen unabhängig vom Abgasstrom des Verbrennungsmotors ermöglichen.The current exhaust gas legislation and one that will become increasingly strict in the future place high demands on the tailpipe emissions of motor vehicles with internal combustion engines. The period immediately after a cold start of the internal combustion engine is of particular importance with regard to emissions, since in this phase the exhaust gas aftertreatment components should be heated up to their operating temperature as quickly as possible in order to enable efficient exhaust aftertreatment. In the case of gasoline engines, the heating of a three-way catalytic converter (close to the engine) is particularly important for the emissions of a motor vehicle. Internal combustion engines with a secondary air system are known from the prior art in which secondary air is introduced into the exhaust system downstream of an outlet of the internal combustion engine and upstream of the three-way catalytic converter to heat the three-way catalytic converter. Furthermore, exhaust gas aftertreatment systems with an exhaust gas burner are known, in which a hot exhaust gas from the exhaust gas burner is introduced into the exhaust system in order to heat the three-way catalytic converter to its operating temperature. An exhaust gas burner can also be used to heat a three-way catalytic converter in the underbody position to its operating temperature immediately after a cold start of the internal combustion engine, since the hot burner gases can be introduced into the exhaust system at the appropriate point, thus essentially heating the three-way catalytic converter allow independently of the exhaust gas flow of the combustion engine.
Aus der
Die
Darüber hinaus offenbart die
Aus der
Nachteilig an den bekannten Lösungen ist jedoch, dass entweder große, leistungsstarke Abgasbrenner mit hohen Heizleistungen oder innermotorische Heizmaßnahmen in der Kaltstartphase zu einer Erhöhung der Rohemissionen des Verbrennungsmotors führen, welche bis zum Erreichen der Light-Off-Temperatur des Katalysators nur unzureichend in unlimitierte Abgaskomponenten konvertiert werden können.The disadvantage of the known solutions, however, is that either large, powerful exhaust gas burners with high heating outputs or internal engine heating measures in the cold start phase lead to an increase in the raw emissions of the internal combustion engine, which only insufficiently converts into unlimited exhaust gas components until the light-off temperature of the catalytic converter is reached can be.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Emissionen in einer Kaltstartphase zu minimieren und gleichzeitig ein schnelles Erreichen der Light-Off-Temperaturen der Abgasnachbehandlungskomponenten sicherzustellen, um eine effiziente Konvertierung der Schadstoffe im Abgasstrom des Verbrennungsmotors zu ermöglichen.The invention is based on the task of minimizing the emissions in a cold start phase and at the same time ensuring that the light-off temperatures of the exhaust gas aftertreatment components are reached quickly in order to enable the pollutants in the exhaust gas flow of the internal combustion engine to be efficiently converted.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines fremdgezündeten Ottomotors, mit einem Abgasnachbehandlungssystem gelöst, wobei eine Abgasanlage an einen Auslass des Verbrennungsmotors angeschlossen ist. Dabei ist in der Abgasanlage mindestens ein Katalysator angeordnet, welcher mittels eines externen Heizmittels, insbesondere mittels eines elektrisch beheizbaren Heizmittels, beheizbar ist. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:
- - Start des Verbrennungsmotors,
- - Aktivieren des externen Heizmittels, wobei der extern beheizbare Katalysator aufgeheizt wird, wobei
- - innermotorische Heizmaßnahmen des Verbrennungsmotors in einem ersten Abschnitt der Kaltstartphase reduziert oder komplett unterbunden werden, um die Rohemissionen des Verbrennungsmotors zu reduzieren, und wobei
- - die innermotorischen Heizmaßnahmen nach dem ersten Abschnitt der Kaltstartphase aktiviert werden, um das weitere Aufheizen des Katalysators bis zu seiner Light-Off-Temperatur zu beschleunigen.
- - start of the combustion engine,
- - Activation of the external heating means, the externally heatable catalyst being heated, wherein
- - Internal engine heating measures of the internal combustion engine are reduced or completely prevented in a first section of the cold start phase in order to reduce the raw emissions of the internal combustion engine, and wherein
- - the internal engine heating measures are activated after the first section of the cold start phase in order to accelerate the further heating of the catalytic converter up to its light-off temperature.
Unter externen Heizmaßnahmen sind in diesem Zusammenhang Heizmaßnahmen zu verstehen, welche im Gegensatz zu innermotorischen Heizmaßnahmen einen direkten Wärmeeintrag in die Abgasanlage stromaufwärts des zu beheizenden Katalysators ermöglichen. Darunter sind insbesondere elektrische Heizelemente sowie externe Abgasbrenner zu verstehen, welche unabhängig vom Verbrennungsmotor betrieben werden können. Unter dem ersten Abschnitt der Kaltstartphase ist in diesem Zusammenhang ein Abschnitt unmittelbar nach dem Start des Verbrennungsmotors zu verstehen, bei welchem die Temperatur der Abgasanlage der Umgebungstemperatur entspricht und ein Aufheizen der Abgasnachbehandlungskomponenten notwendig ist. Dieser erste Abschnitt der Kaltstartphase kann bereits vor Erreichen der Light-Off-Temperatur des mindestens einen Katalysators enden. Das Verfahren sieht die Inbetriebnahme der externen Heizmaßnahmen zum schnelleren Aufheizen zumindest eines Katalysators auf seine Light-Off-Temperatur vor.In this context, external heating measures are to be understood as heating measures which, in contrast to heating measures inside the engine, enable a direct heat input into the exhaust system upstream of the catalytic converter to be heated. This includes in particular electrical heating elements and external exhaust gas burners, which can be operated independently of the internal combustion engine. In this context, the first section of the cold start phase is to be understood as a section immediately after the start of the internal combustion engine, in which the temperature of the exhaust system corresponds to the ambient temperature and the exhaust gas aftertreatment components need to be heated up. This first section of the cold start phase can end before the light-off temperature of the at least one catalytic converter is reached. The method provides for the putting into operation of the external heating measures for faster heating of at least one catalytic converter to its light-off temperature.
Durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors können die Kaltstartemissionen gegenüber einem aus dem Stand der Technik bekannten Kaltstartverfahren verringert werden. Aufgrund des höheren Wirkungsgrads des Verbrennungsmotors in dem ersten Abschnitt der Kaltstartphase können die Schadstoffe während dieses Abschnitts sowie während des weiteren Aufheizens des Katalysators verringert werden, ohne auf ein schnelles Aufheizen des Katalysators und ein damit verbundenes Potenzial zur Konvertierung von Schadstoffen im Abgas zu verzichten.A method according to the invention for exhaust gas aftertreatment of an internal combustion engine can reduce the cold start emissions compared to a cold start method known from the prior art. Due to the higher efficiency of the internal combustion engine in the first section of the cold start phase, the pollutants can be reduced during this section as well as during the further heating of the catalytic converter, without having to forego rapid heating of the catalytic converter and the associated potential for converting pollutants in the exhaust gas.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und nicht triviale Weiterentwicklungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors möglich.The features listed in the dependent claims enable advantageous improvements and non-trivial further developments of the method for exhaust gas aftertreatment of an internal combustion engine specified in the independent claim.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die externen Heizmittel unmittelbar ab dem Start des Verbrennungsmotors, insbesondere zeitgleich mit dem Start des Verbrennungsmotors, aktiviert werden. Dadurch kann das Aufheizen des extern beheizten Katalysators optimiert werden. Gerade unmittelbar nach dem Kaltstart des Verbrennungsmotors ist der Abgasstrom durch eine geringe Leistungsanforderung relativ gering, sodass der Abgasstrom nur eine geringe Kühlwirkung für das externe Heizmittel ausübt. Dabei kann der Abgasstrom genutzt werden, um eine konvektive Wärmeübertragung zwischen dem externen Heizmittel und dem Katalysator zu begünstigen, um das Aufheizen zu beschleunigen.In a preferred embodiment of the invention it is provided that the external heating means are activated immediately from the start of the internal combustion engine, in particular at the same time as the internal combustion engine is started. This allows the heating of the externally heated catalytic converter to be optimized. Especially immediately after the internal combustion engine has been cold-started, the exhaust gas flow is relatively low due to a low power requirement, so that the exhaust gas flow only has a low cooling effect for the external heating means. The exhaust gas flow can be used to promote convective heat transfer between the external heating means and the catalytic converter in order to accelerate the heating process.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor in dem ersten Abschnitt der Kaltstartphase mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird. Durch ein stöchiometrisches Verbrennungsverhältnis und insbesondere einen Verzicht auf eine Kaltstartanreicherung können die Rohemissionen des Verbrennungsmotors minimiert werden. Dabei führt ein stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis insbesondere zusammen mit einem Verzicht auf eine Verstellung des Zündwinkels in Richtung „spät“ zu einem höheren thermischen Wirkungsgrad, wobei neben den limitierten gasförmigen Abgaskomponenten wie unverbrannten Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid und Stickoxiden auch die Partikelrohemissionen und die Kohlenstoffdioxidemissionen minimiert werden.In an advantageous embodiment of the method it is provided that the internal combustion engine is operated with a stoichiometric combustion air ratio in the first section of the cold start phase. The raw emissions of the internal combustion engine can be minimized by a stoichiometric combustion ratio and in particular by dispensing with cold start enrichment. A stoichiometric combustion air ratio, especially together with the fact that the ignition angle is not adjusted in the "retarded" direction, leads to a higher thermal efficiency, whereby in addition to the limited gaseous exhaust gas components such as unburned hydrocarbons, carbon monoxide and nitrogen oxides, the raw particle emissions and the carbon dioxide emissions are also minimized.
In einer weiteren Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Zündwinkel zur Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs in den Brennräumen des Verbrennungsmotors in dem ersten Abschnitt der Kaltstartphase in Hinblick auf einen optimalen thermischen Wirkungsgrad gewählt wird. Ein Verzicht auf eine Verstellung des Zündwinkels führt zu einem höheren thermischen Wirkungsgrad, jedoch einem niedrigeren Wärmeeintrag in die Abgasanlage. Dieser niedrigere Wärmeeintrag wird durch die externen Heizmittel kompensiert, sodass der mindestens eine Katalysator trotzdem zeitnah nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors seine Light-Off-Temperatur erreicht und keine Nachteile bezüglich des Konvertierungsverhaltens zu erwarten sind.In a further improvement of the method, it is provided that the ignition angle for igniting the fuel-air mixture in the combustion chambers of the internal combustion engine in the first section of the cold start phase is selected with a view to optimum thermal efficiency. Dispensing with an adjustment of the ignition angle leads to a higher thermal efficiency, but a lower heat input into the exhaust system. This lower heat input is compensated for by the external heating means, so that the at least one catalytic converter nevertheless reaches its light-off temperature promptly after a cold start of the internal combustion engine and no disadvantages with regard to the conversion behavior are to be expected.
Dabei ist mit Vorteil vorgesehen, dass der erste Abschnitt der Kaltstartphase zwischen 2 Sekunden und 25 Sekunden, vorzugsweise zwischen 3 Sekunden und 15 Sekunden, besonders bevorzugt zwischen 5 Sekunden und 10 Sekunden, dauert. Gerade der erste Abschnitt der Kaltstartphase führt bei aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren mit innermotorischen Heizmaßnahmen wie einer Kaltstartanreicherung und/oder einer Zündwinkelverstellung in Richtung „spät“ zu besonders hohen Rohemissionen, welche zudem in dieser Phase noch nicht durch die Abgasnachbehandlungskomponenten konvertiert werden können und somit als Endrohremissionen an die Umwelt emittiert werden. Daher ist es vorteilhaft, in den ersten Sekunden der Kaltstartphase die innermotorischen Heizmaßnahmen zu unterdrücken oder vollständig auf innermotorische Heizmaßnahmen zu verzichten, um das Emissionsverhalten des Verbrennungsmotors zu verbessern.It is advantageously provided that the first section of the cold start phase takes between 2 seconds and 25 seconds, preferably between 3 seconds Seconds and 15 seconds, particularly preferably between 5 seconds and 10 seconds. Especially the first section of the cold start phase leads to particularly high raw emissions in processes known from the prior art with internal engine heating measures such as cold start enrichment and / or an ignition angle adjustment in the "late" direction, which in addition cannot yet be converted by the exhaust gas aftertreatment components in this phase are thus emitted as tailpipe emissions to the environment. It is therefore advantageous to suppress the internal engine heating measures in the first few seconds of the cold start phase or to completely dispense with internal engine heating measures in order to improve the emissions behavior of the internal combustion engine.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die innermotorischen Heizmaßnahem nach Erreichen der Light-Off-Temperatur des mit externen Heizmitteln beheizbaren Katalysators aktiviert bleiben, bis die Abgasanlage stromaufwärts des Katalysators durchwärmt ist, um ein Auskühlen und ein Absinken der Katalysatortemperatur unter die Light-Off-Temperatur zu vermeiden. Dadurch wird verhindert, dass der mittels externer Heizmittel auf seine Light-Off-Temperatur aufgeheizte Katalysator durch nachströmendes kälteres Abgas wieder unter diese Temperatur auskühlt und eine Konvertierung von Schadstoffen im Abgas des Verbrennungsmotors reduziert wird.In an advantageous embodiment of the method, it is provided that the internal engine heating measures remain activated after the light-off temperature of the catalytic converter which can be heated with external heating means has been reached, until the exhaust system upstream of the catalytic converter is warmed through, in order to cool down and the catalytic converter temperature to drop below the light -Avoid off-temperature. This prevents the catalytic converter, which is heated to its light-off temperature by means of external heating means, from cooling down again below this temperature due to the inflowing colder exhaust gas and a conversion of pollutants in the exhaust gas of the internal combustion engine is reduced.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die innermotorischen Heizmaßnahmen eine Verstellung des Zündwinkels in Richtung „spät“ umfassen. Durch ein Verstellen des Zündwinkels bei stöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis wird der Verbrennungsschwerpunkt verschoben, dadurch wird der thermische Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors reduziert, wobei heißeres Abgas in die Abgasanlage gelangt und dort zur Erwärmung der Abgasnachbehandlungskomponenten genutzt werden kann. Dies führt jedoch zu einem Anstieg der Rohemissionen des Verbrennungsmotors und einem Kraftstoffmehrverbrauch, daher sollte diese Maßnahme zeitlich begrenzt bleiben und erst nach dem ersten Abschnitt der Kaltstartphase aktiviert werden, um den Anstieg der Emissionen möglichst gering zu halten.In an advantageous embodiment of the method it is provided that the internal engine heating measures include an adjustment of the ignition angle in the “retarded” direction. By adjusting the ignition angle at a stoichiometric combustion air ratio, the center of combustion is shifted, thereby reducing the thermal efficiency of the internal combustion engine, with hotter exhaust gas entering the exhaust system and being used there to heat the exhaust gas aftertreatment components. However, this leads to an increase in the raw emissions of the internal combustion engine and increased fuel consumption, so this measure should be limited in time and only be activated after the first section of the cold start phase in order to keep the increase in emissions as low as possible.
Alternativ oder zusätzlich ist mit Vorteil vorgesehen, dass die innermotorischen Heizmaßnahmen einen Betrieb des Verbrennungsmotors mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis und gegebenenfalls ein Einblasen von Sekundärluft oder einen Lambda-Split-Betrieb zwischen den unterschiedlichen Brennräumen des Verbrennungsmotors umfassen. Unter einem Lambda-Split-Betrieb ist ein Betrieb des Verbrennungsmotors zu verstehen, bei dem mindestens ein Brennraum, vorzugsweise eine erste Gruppe von Brennräumen, mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis und mindestens ein weiterer Brennraum, vorzugsweise eine zweite Gruppe von Brennräumen mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird/werden. Dabei können die unverbrannten Abgaskomponenten aus den mit unterstöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis betriebenen Brennräumen mit dem Restsauerstoff aus den mit überstöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis betriebenen Brennräumen an der katalytisch wirksamen Oberfläche des Katalysators exotherm reagieren, wodurch ein weiterer Wärmeeintrag in den Katalysator erfolgt, welcher das weitere Aufheizen des Katalysators begünstigt.Alternatively or additionally, it is advantageously provided that the internal engine heating measures include operation of the internal combustion engine with a substoichiometric combustion air ratio and, if necessary, injection of secondary air or lambda split operation between the different combustion chambers of the internal combustion engine. Lambda split operation is to be understood as an operation of the internal combustion engine in which at least one combustion chamber, preferably a first group of combustion chambers, is operated with a sub-stoichiometric combustion air ratio and at least one further combustion chamber, preferably a second group of combustion chambers, is operated with an over-stoichiometric combustion air ratio /will. The unburned exhaust gas components from the combustion chambers operated with a sub-stoichiometric combustion air ratio can react exothermically with the residual oxygen from the combustion chambers operated with an over-stoichiometric combustion air ratio on the catalytically active surface of the catalytic converter, whereby further heat is introduced into the catalytic converter, which favors the further heating of the catalytic converter.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die externen Heizmittel ein elektrisches Heizelement umfassen, mit welchem der extern beheizbare Katalysator im Wesentlichen unabhängig vom Abgasstrom des Verbrennungsmotors beheizt wird. Durch ein elektrisches Heizelement kann der Wärmeeintrag in den beheizbaren Katalysator exakt gesteuert werden. Dabei kann das Beheizen unabhängig vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors erfolgen. Durch den Abgasstrom kommt es jedoch zu einer konvektiven Wärmeübertragung von dem elektrischen Heizelement auf den Abgasstrom, welche das Aufheizen der katalytisch wirksamen Struktur des Katalysators begünstigen kann.In an advantageous embodiment of the method it is provided that the external heating means comprise an electrical heating element with which the externally heatable catalyst is heated essentially independently of the exhaust gas flow of the internal combustion engine. The heat input into the heatable catalytic converter can be precisely controlled by means of an electrical heating element. The heating can take place independently of the operating state of the internal combustion engine. However, the exhaust gas flow results in a convective heat transfer from the electrical heating element to the exhaust gas flow, which can promote the heating of the catalytically active structure of the catalytic converter.
Erfindungsgemäß wird ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor vorgeschlagen, welches eine Abgasanlage umfasst, wobei in der Abgasanlage mindestens ein Katalysator angeordnet ist, welcher mit externen Heizmitteln beheizbar ist. Das Abgasnachbehandlungssystem umfasst ferner ein Motorsteuergerät, welches dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors durchzuführen, wenn ein maschinenlesbarer Programmcode durch das Motorsteuergerät ausgeführt wird. Durch ein solches Abgasnachbehandlungssystem können die Kaltstartemissionen reduziert werden und das Aufheizen zumindest einer katalytisch wirksamen Abgasnachbehandlungskomponente beschleunigt werden. Dadurch können sowohl die Rohemissionen des Verbrennungsmotors verringert werden als auch das Konvertierungsverhalten der Abgasnachbehandlungskomponenten verbessert werden. Somit können die Endrohremissionen in der Kaltstartphase signifikant verringert werden.According to the invention, an exhaust gas aftertreatment system for an internal combustion engine is proposed which comprises an exhaust system, at least one catalytic converter being arranged in the exhaust system, which can be heated with external heating means. The exhaust gas aftertreatment system further comprises an engine control device which is set up to carry out a method according to the invention for exhaust gas aftertreatment of an internal combustion engine when a machine-readable program code is executed by the engine control device. Such an exhaust gas aftertreatment system can reduce cold start emissions and accelerate the heating of at least one catalytically active exhaust gas aftertreatment component. As a result, both the raw emissions of the internal combustion engine can be reduced and the conversion behavior of the exhaust gas aftertreatment components can be improved. This means that the tailpipe emissions can be significantly reduced in the cold start phase.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die externen Heizmittel ein elektrisches Heizelement, insbesondere eine elektrische Heizscheibe umfassen, welches in den extern beheizbaren Katalysator integriert ist oder dem extern beheizbaren Katalysator vorgeschaltet ist. Durch ein elektrisches Heizelement kann ein externes Heizmittel einfach und kostengünstig sowie mit geringem Bauraumbedarf in die Abgasanlage integriert werden.In a preferred embodiment of the invention it is provided that the external heating means comprise an electrical heating element, in particular an electrical heating disk, which is or is integrated into the externally heatable catalyst is connected upstream of the externally heatable catalyst. By means of an electrical heating element, an external heating means can be integrated into the exhaust system simply and inexpensively and with little space requirement.
Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass die externen Heizmittel einen Abgasbrenner umfassen, mit welchem ein heißes Abgas des Abgasbrenners stromaufwärts des extern beheizbaren Katalysators in die Abgasanlage eingeleitet werden kann. Durch einen Abgasbrenner können im Vergleich zu einem elektrischen Heizelement besonders große Wärmemengen in die Abgasanlage eingebracht werden, was das Aufheizen des Katalysators begünstigt. Jedoch weisen Abgasbrenner gegenüber elektrischen Heizelementen einen höheren Bauraumbedarf auf und führen zu höheren Kosten für die Abgasanlage.Alternatively, it is advantageously provided that the external heating means comprise an exhaust gas burner, with which a hot exhaust gas from the exhaust gas burner can be introduced into the exhaust system upstream of the externally heatable catalytic converter. Compared to an electrical heating element, an exhaust gas burner can bring particularly large amounts of heat into the exhaust system, which favors the heating of the catalytic converter. However, compared to electrical heating elements, exhaust gas burners require more space and lead to higher costs for the exhaust system.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass die Abgasanlage einen motornahen ersten Katalysator und einen stromabwärts des motornahen ersten Katalysators angeordneten zweiten Katalysator aufweist, wobei der zweite Katalysator vorzugsweise in einer Unterbodenlage eines Kraftfahrzeuges angeordnet ist. Durch zwei Katalysatoren kann das verfügbare Katalysatorvolumen vergrößert werden. Da insbesondere der Bauraum für eine motornahe Anordnung des Katalysators begrenzt ist, kann auf vorteilhafte Weise ein zusätzlicher Katalysator in Unterbodenlage eines Kraftfahrzeuges vorgesehen werden, um die Konvertierungsleistung zu steigern.In a preferred embodiment of the exhaust gas aftertreatment system, it is provided that the exhaust system has a first catalytic converter close to the engine and a second catalytic converter arranged downstream of the first catalytic converter close to the engine, the second catalytic converter preferably being arranged in an underbody position of a motor vehicle. The available catalyst volume can be increased by using two catalysts. Since, in particular, the installation space for an arrangement of the catalytic converter close to the engine is limited, an additional catalytic converter can advantageously be provided in the underbody position of a motor vehicle in order to increase the conversion performance.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn der zweite Katalysator mittels externer Heizmittel beheizbar ist. Katalysatoren sind aufgrund der bei hohen Motorlasten auftretenden hohen Abgastemperaturen einer thermischen Alterung ausgesetzt. Diese Alterung betrifft insbesondere motornah angeordnete Katalysatoren. Ein Katalysator in Unterbodenlage weist bei gleichen Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors eine geringere Alterung auf, erreicht jedoch bei einer ausschließlichen Erwärmung über den Abgasstrom und innermotorische Heizmaßnahmen vergleichsweise spät seine Light-Off-Temperatur. Daher ist es besonders vorteilhaft, einen Katalysator in Unterbodenlage mittels externer Heizmittel aufzuheizen, da der zusätzliche Wärmeeintrag aus Aufheizen begünstigt, ohne zu einer unzulässig starken Alterung des Katalysators zu führen.It is particularly preferred if the second catalyst can be heated by means of external heating means. Catalysts are exposed to thermal aging due to the high exhaust gas temperatures that occur with high engine loads. This aging affects in particular catalytic converters arranged close to the engine. A catalytic converter in the underbody position shows less aging under the same operating conditions of the internal combustion engine, but reaches its light-off temperature comparatively late if it is heated exclusively by the exhaust gas flow and heating measures inside the engine. It is therefore particularly advantageous to heat up a catalytic converter in the underbody position by means of external heating means, since the additional heat input from heating favors without leading to impermissibly severe aging of the catalytic converter.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abgasanlage mindestens einen Katalysator mit einer Drei-Wege-Funktionalität und mindestens einen Partikelfilter oder einen Vier-Wege-Katalysator aufweist. Durch einen Katalysator mit einer Drei-Wege-Funktionalität können die limitierten gasförmigen Abgaskomponenten in unlimitierte Abgaskomponenten konvertiert werden. Durch einen zusätzlichen Partikelfilter, insbesondere einen katalytisch beschichteten Partikelfilter, welcher als Vier-Wege-Katalysator ausgebildet ist, können zudem die bei der Verbrennung in den Brennräumen auftretenden Rußpartikel zurückgehalten werden. Da die katalytisch wirksame Beschichtung eines Partikelfilters in der Regel einer höheren Alterung unterliegt als die katalytische Beschichtung eines Drei-Wege-Katalysators, ist es vorteilhaft, einen motornahen Drei-Wege-Katalysator mit einem mit externen Heizmitteln beheizbaren Vier-Wege-Katalysator in Unterbodenlage zu kombinieren.In a preferred embodiment of the invention it is provided that the exhaust system has at least one catalytic converter with a three-way functionality and at least one particle filter or a four-way catalytic converter. The limited gaseous exhaust gas components can be converted into unlimited exhaust gas components by means of a catalytic converter with a three-way functionality. An additional particle filter, in particular a catalytically coated particle filter, which is designed as a four-way catalytic converter, can also hold back the soot particles that occur in the combustion chambers during combustion. Since the catalytically active coating of a particle filter is generally more subject to aging than the catalytic coating of a three-way catalytic converter, it is advantageous to add a three-way catalytic converter close to the engine with a four-way catalytic converter in the underbody position that can be heated with external heating means combine.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystem ist vorgesehen, dass in der Abgasanlage stromabwärts eines Auslasses des Verbrennungsmotors und stromaufwärts des mindestens einen Katalysators eine Turbine eines Abgasturboladers angeordnet ist. Um hohe Motorleistungen mit vergleichsweise kompakten Verbrennungsmotoren darstellen zu können, hat sich die Verwendung eines Abgasturboladers zur Steigerung der spezifischen Leistung etabliert. Dieser Abgasturbolader ist in der Regel unmittelbar stromabwärts eines Auslasses des Verbrennungsmotors und stromaufwärts sämtlicher Abgasnachbehandlungskomponenten angeordnet. Bei einem Kaltstart eines Verbrennungsmotors muss somit bei einer ausschließlichen Beheizung über den Abgasstrom und innermotorische Heizmaßnahmen zusätzlich zu dem mindestens einen Katalysator die Turbine des Abgasturboladers aufgewärmt werden. Dies führt zu einer Verlängerung des Zeitintervalls vom Start des Verbrennungsmotors bis zum Erreichen der Light-Off-Temperatur des Verbrennungsmotors. Daher ist es insbesondere bei Verbrennungsmotoren, welche mittels eines Abgasturboladers aufgeladen werden, notwendig, externe Heizmittel vorzusehen, um das Aufheizen des mindestens einen Katalysators zu beschleunigen. Somit können die Endrohremissionen reduziert werden, da der Katalysator durch die externen Heizmittel schneller seine Light-Off-Temperatur erreicht.In an advantageous embodiment of the exhaust gas aftertreatment system it is provided that a turbine of an exhaust gas turbocharger is arranged in the exhaust system downstream of an outlet of the internal combustion engine and upstream of the at least one catalytic converter. In order to be able to represent high engine outputs with comparatively compact combustion engines, the use of an exhaust gas turbocharger to increase the specific output has become established. This exhaust gas turbocharger is usually arranged immediately downstream of an outlet of the internal combustion engine and upstream of all exhaust gas aftertreatment components. In the case of a cold start of an internal combustion engine, the turbine of the exhaust gas turbocharger must therefore be warmed up in addition to the at least one catalytic converter in the case of exclusive heating via the exhaust gas flow and internal heating measures. This leads to an extension of the time interval from the start of the internal combustion engine until the internal combustion engine reaches the light-off temperature. It is therefore necessary, in particular in the case of internal combustion engines that are charged by means of an exhaust gas turbocharger, to provide external heating means in order to accelerate the heating of the at least one catalytic converter. The tailpipe emissions can thus be reduced, since the catalytic converter reaches its light-off temperature more quickly thanks to the external heating means.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass stromabwärts des zweiten Katalysators ein weiterer Katalysator oder ein Ottopartikelfilter angeordnet ist. Durch einen weiteren Katalysator, insbesondere einen weiteren Drei-Wege-Katalysator kann das katalytisch wirksame Volumen weiter vergrößert werden. Zudem können Durchbrüche durch den zweiten Katalysator kompensiert werden, sodass ein Fett- oder Magerdurchbruch durch den zweiten Katalysator nicht zu einem Anstieg der Endrohremissionen führt. Durch einen Partikelfilter ist es möglich, den Abgasstrom des Verbrennungsmotors zusätzlich von Rußpartikeln zu befreien. Dies kann notwendig sein, um bei Ottomotoren mit hoher Leistung und/oder bei Kraftfahrzeugen mit hohem Gewicht die Emissionsforderungen der immer schärfer werdenden Abgasgesetzgebung zu erfüllen.In a further preferred embodiment of the invention it is provided that a further catalytic converter or a gasoline particle filter is arranged downstream of the second catalytic converter. The catalytically effective volume can be increased further by means of a further catalytic converter, in particular a further three-way catalytic converter. In addition, breakthroughs through the second catalytic converter can be compensated so that a rich or lean breakthrough through the second catalytic converter does not lead to an increase in tailpipe emissions. A particle filter can also be used to remove soot particles from the exhaust gas flow of the internal combustion engine. This may be necessary in order to meet the emission requirements of the increasingly stringent exhaust gas legislation in the case of high-performance gasoline engines and / or high-weight motor vehicles.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.The various embodiments of the invention mentioned in this application can be advantageously combined with one another, unless stated otherwise in the individual case.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Es zeigen:
-
1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem; -
2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Abgasnachbehandlungssystems für einen Verbrennungsmotor, wobei das Abgasnachbehandlungssystem einen ersten motornahen Katalysator und einen zweiten Katalysator in Unterbodenlage aufweist; -
3 ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Abgasnachbehandlungssystems für einen Verbrennungsmotor, wobei das Abgasnachbehandlungssystem einen motornahen Vier-Wege-Katalysator und einen elektrisch beheizbaren Drei-Wege-Katalysator in Unterbodenlage aufweist; -
4 ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel eines Abgasnachbehandlungssystems für einen Verbrennungsmotor, wobei das Abgasnachbehandlungssystem einen motornahen Drei-Wege-Katalysator und einen elektrisch beheizbaren Vier-Wege-Katalysator in Unterbodenlage aufweist; -
5 ein Ablaufschema zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors; und -
6 Diagramme zum Vergleich der Rohemissionen, der eingetragenen Wärmemenge, der Katalysatortemperatur und der Endrohremissionen bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung im Vergleich zu einer aus dem Stand der Technik bekannten Kaltstartphase eines Verbrennungsmotors.
-
1 a preferred embodiment of an internal combustion engine with an exhaust gas aftertreatment system according to the invention; -
2 a further exemplary embodiment of an exhaust gas aftertreatment system for an internal combustion engine, the exhaust gas aftertreatment system having a first catalytic converter close to the engine and a second catalytic converter in the underbody position; -
3 an alternative embodiment of an exhaust gas aftertreatment system for an internal combustion engine, the exhaust gas aftertreatment system having a close-coupled four-way catalytic converter and an electrically heatable three-way catalytic converter in the underbody position; -
4th a further alternative exemplary embodiment of an exhaust gas aftertreatment system for an internal combustion engine, the exhaust gas aftertreatment system having a three-way catalytic converter close to the engine and an electrically heatable four-way catalytic converter in the underbody position; -
5 a flow chart for performing a method according to the invention for exhaust gas aftertreatment of an internal combustion engine; and -
6 Diagrams to compare the raw emissions, the amount of heat entered, the catalyst temperature and the tailpipe emissions when carrying out a method according to the invention for exhaust gas aftertreatment in comparison to a cold start phase of an internal combustion engine known from the prior art.
Die Abgasanlage
Alternativ können die externen Heizmittel
In
Stromabwärts der Turbine
In
In
Durch die Anordnung in der Unterbodenposition ist der Vier-Wege-Katalysator
In
Aufgrund der Vermeidung von innermotorischen Heizmaßnahmen in dem ersten Abschnitt der Kaltstartphase wird ein verbesserter thermischer Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors
In
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1010
- VerbrennungsmotorInternal combustion engine
- 1212
- BrennraumCombustion chamber
- 1414th
- KraftstoffinjektorFuel injector
- 1616
- Zündkerzespark plug
- 1818th
- Auslass Outlet
- 2020th
- AbgasanlageExhaust system
- 2222nd
- AbgaskanalExhaust duct
- 2424
- AbgasturboladerExhaust gas turbocharger
- 2626th
- Turbineturbine
- 2828
- erster Katalysator first catalyst
- 3030th
- Drei-Wege-KatalysatorThree way catalytic converter
- 3232
- Vier-Wege-KatalysatorFour way catalytic converter
- 3434
- zweiter Katalysatorsecond catalyst
- 3636
- Drei-Wege-KatalysatorThree way catalytic converter
- 3838
- Vier-Wege-Katalysator Four way catalytic converter
- 4040
- OttopartikelfilterOtto particle filter
- 4242
- elektrisch beheizbarer Katalysatorelectrically heated catalyst
- 4444
- elektrisches Heizelementelectric heating element
- 4646
- elektrische Heizscheibeelectric heating disc
- 4848
- Abgasbrenner Exhaust burner
- 5050
- erste Lambdasondefirst lambda probe
- 5252
- zweite Lambdasondesecond lambda probe
- 5454
- TemperatursensorTemperature sensor
- 5656
- Batteriebattery
- 5858
- AbgassensorExhaust gas sensor
- 6060
- Motorsteuergerät Engine control unit
- EEEE
- EndrohremissionenTailpipe emissions
- FWCFWC
- Vier-Wege-KatalysatorFour way catalytic converter
- Eintrag Wärmemenge in den KatalysatorEntry of heat into the catalytic converter
- RERE
- RohemissionenRaw emissions
- SS.
- Start des Verbrennungsmotors Start of the internal combustion engine
- TT
- Temperaturtemperature
- TK1 T K1
- Temperatur des ersten KatalysatorsFirst catalyst temperature
- TK2 T K2
- Temperatur des zweiten KatalysatorsSecond catalyst temperature
- TL/O_K1 T L / O_K1
- Light-Off-Temperatur des ersten KatalysatorsLight-off temperature of the first catalyst
- TL/O_K2 T L / O_K2
- Light-Off-Temperatur des zweiten Katalysators Light-off temperature of the second catalyst
- TWCTWC
- Drei-Wege-KatalysatorThree way catalytic converter
- tt
- Zeittime
- tVERZ t DELAY
- VerzögerungszeitDelay Time
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R083 | Amendment of/additions to inventor(s) | ||
R163 | Identified publications notified | ||
R012 | Request for examination validly filed |