DE10052953B4 - Fremdgezündete Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betreiben einer magerbetriebenen aufgeladenen Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung und einem NOX-Speicherkatalysator im Abgasstrang, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas
– im Magerbetrieb bei niedriger Last, im Warmlauf bei höherer Last sowie bei Volllast ungekühlt und ungedrosselt zum NOX-Speicherkatalysator geführt wird,
– im Magerbetrieb bei mittlerer Last gekühlt zum NOX-Speicherkatalysator geführt wird, und
– im Magerbetrieb bei höherer Last zwischen Mittellast und Volllast gekühlt und der Abgasstrang stromaufwärts des NOX-Speicherkatalysators gedrosselt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Verfahren zum Betreiben einer magerbetriebenen aufgeladenen Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung und einem NOX-Speicherkatalysator im Abgasstran
  • Fremdgezündete Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung verfügen aufgrund eines besseren thermischen Wirkungsgrades im Schichtbetrieb des Motors über einen geringeren Energieeintrag ins Kühlwasser als Brennkraftmaschinen mit Gemischansaugung. Diese verlangsamte Aufheizung des Kühlmittels führt allerdings im Vergleich mit gemischansaugenden Brennkraftmaschinen zu höheren Reibleistungen der direkt einspritzenden Brennkraftmaschinen im Motorwarmlauf.
  • Um den NOX-Ausstoß bei direkt einspritzenden Otto-Motoren unter das vom Gesetzgeber vorgeschriebene Maß zu reduzieren, werden NOX-Speicherkatalysatoren eingesetzt. Speicher- oder Adsorberkatalysatoren verfügen über ein bestimmtes Temperaturfenster, in welchem eine NOX-Konvertierung stattfindet. Dieses Temperaturfenster bestimmt im wesentlichen den Betriebsbereich der direkt einspritzenden Otto-Brennkraftmaschine, in dem mit überstöchiometrischem Motorbetrieb gefahren werden kann. Bei Verlassen des Temperaturfensters muss zur Reduktion der NOX-Produktion der λ-Wert reduziert werden, was den Treibstoffverbrauch erhöht. Speicherkatalysatoren sind außerdem empfindlich auf hohe Temperaturen und weisen bei Abgastemperaturen, welche eine spezifische Alterungstemperatur überschreiten, eine verstärkte Neigung zu einer irreversiblen Katalysatoralterung auf. Um diese Schädigung zu vermeiden ist es bekannt, zum Schutz des Katalysators vor zu hohen Abgastemperaturen das Abgas mit einem Bypass-System am Adsorber vorbeizuleiten oder bei Überschreiten einer bestimmten Abgastemperatur auf stark unterstöchiometrischen Motorbetrieb umzuschalten. Dies wirkt sich allerdings nachteilig auf die Abgasqualität und/oder den Treibstoffverbrauch aus.
  • In der AT 003 601 U1 wurde bereits vorgeschlagen, stromaufwärts des NOX-Speicherkatalysators einen Abgaskühler anzuordnen, um auf möglichst einfache Weise Treibstoffverbrauch und Abgasemissionen zu reduzieren und um einen wirksamen Schutz für den NOX-Speicherkatalysator bereitzustellen.
  • Die JP 06-229324 A offenbart eine Brennkraftmaschine mit einem Vorkatalysator und einem Hauptkatalysator im Abgasstrang, wobei zwischen Vor- und Hauptkatalysator ein Adsorber für unverbranntes Gas angeordnet ist, der über eine Bypassleitung umgebar ist. Mittels eines Steuerventils kann zwischen Bypassleitung und Adsorber umgeschalten werden.
  • Die JP 08-109822 A zeigt eine Denitrierteinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einem Katalysator im Abgasstrang. Stromaufwärts des Katalysators ist ein mittels einer Bypassleitung umgehbarer Wärmetauscher angeordnet, wobei die Strömung durch ein Steuerventil gesteuert wird.
  • Es ist weiters bekannt, bei einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine zwischen einem Vorkatalysator und einem NOX-Speicherkatalysator eine umgehbare Kühlstrecke vorzusehen, wobei der Durchfluss durch die Kühlstrecke über eine Abgasklappe gesteuert werden kann. Dadurch ist ein Temperatur-Management des NOX-Speicherkatalysators möglich. Eine derartige Abgasanlagenkonfiguration wurde beim 9. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motortechnik 1999, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 4. bis 6. Oktober 1999, im Beitrag "Bestandsaufnahme und Perspektiven zur Abgasreinigung am Otto-Motor – Auf dem Weg zur Niedrigstemission", Dipl.-Ing. Anton Waltner et al., in 25, S. 31, vorgeschlagen.
  • Zur weiteren Verminderung des Treibstoffverbrauches und der Abgasemissionen ist eine Ausweitung des Schichtbetriebes wünschenswert. Zur Vermeidung eines unakzeptablen Erhöhung der Stickoxidemissionen bietet sich die bekannte Technologie der Abgasrückführung an. Eine interne Abgasrückführung kann durch Verstellung der Steuerzeiten bewerkstelligt werden. Nachteilig dabei ist allerdings der Kostenaufwand für die Ventilsteuerzeiten-Verstelleinrichtungen, die für Ein- und Auslassventile benötigt werden. Als kostengünstige Alternative kann die bekannte externe Abgasrückführung mit Durchflusssteuerung eingesetzt werden, bei der eine Abgasrückführleitung vom Abgasstrang in die Einlassleitung stromaufwärts eines Verdichters einmündet.
  • Bei aufgeladenem Magerbetrieb steigt allerdings im Ansaugsammlerbereich der Ladedruck an und würde eine Abgasrückführung behindern. Um trotzdem genügend externes Abgas rückführen zu können, ist das Aufbringen eines Gegendruckes im Abgasstrang stromabwärts der Abzweigung der Abgasrückführleitung notwendig. Es ist bekannt, zur Aufbringung eines Gegendruckes im Abgasstrang eine Stauklappe vorzusehen. Problematisch ist allerdings, dass bei erweitertem Magerbetrieb bei Otto-Motoren hohe Abgastemperaturen auftreten, welche über dem Temperaturfenster des NOX-Speicherkatalysators liegen, wodurch die entstehenden Stickoxide nicht mehr eingespeichert werden können.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und bei einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art auf möglichst einfache Weise Treibstoffverbrauch und Abgasemissionen zu reduzieren. Dabei soll gleichzeitig ein wirksamer Schutz für den NOX-Speicherkatalysator bereitgestellt werden.
  • Erfindungsgemäß erfolgt dies dadurch, dass das Abgas
    • – im Magerbetrieb bei niedriger Last, im Warmlauf bei höherer Last sowie bei Volllast ungekühlt und ungedrosselt zum NOX-Speicherkatalysator geführt wird,
    • – im Magerbetrieb bei mittlerer Last gekühlt zum NOX-Speicherkatalysator geführt wird, und
    • – im Magerbetrieb bei höherer Last zwischen Mittellast und Volllast gekühlt und der Abgasstrang stromaufwärts des NOX-Speicherkatalysators gedrosselt wird.
  • Im Magerbetrieb bei niedriger Last, im Warmlauf bei höherer Last sowie im Volllastbetrieb ist der Durchfluss durch die Umgehungsleitung unbehindert freigegeben, so dass weder eine Kühlung noch eine Drosselung des Abgases erfolgt. Im Magerbetrieb bei mittlerer Last wird der Umgehungsweg zumindest teilweise geschlossen, der Durchfluss durch die Abgaszweigleitung bleibt aber geöffnet. Das Abgas gelangt somit gekühlt in den NOX-Speicherkatalysator. Mit steigender Last wird auch die Abgaszweigleitung gedrosselt, so dass der Abgasgegendruck ansteigt, und eine Abgasrückführung ermöglichst wird. Bei Volllast und hoher Drehzahlen kommt es zu einem starken Ansteigen der Abgastemperaturen. Um ein Überschreiten des Temperaturfensters des NOX-Katalysators zu vermeiden, kann in diesem Betriebsbereich ein Teil des Abgasstromes über den Abgaskühler geleitet werden.
    •
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen schematisch
  • 1 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine,
  • 2 bis 4 ein Steuerventil dieser Brennkraftmaschine in verschiedenen Stellungen und
  • 5 ein Kennfeld der Brennkraftmaschine.
  • 1 zeigt schematisch eine fremdgezündete, direkt einspritzende Brennkraftmaschine 1 mit mehreren Zylindern 2, und einem von den Zylindern 2 ausgehenden Abgasstrang 3. Der Abgasstrang 3 weist einen Vorkatalysator 4 und einen De-NOX-Speicherkatalysator 5 auf. Zwischen dem Vorkatalysator 4 und dem NOX-Speicherkatalysator 5 ist ein Abgaskühler 6 in einer Abgaszweigleitung 7 angeordnet, welcher über eine Umgehungsleitung 8 umgehbar ist. Im Vereinigungsknoten 20 der Abgaszweigleitung 7 und der Umgehungsleitung 8 ist ein Steuerventil 19 angeordnet. Alternativ dazu kann das Steuerventil 19 auch im Verzweigungsknoten 18 der Abgaszweigleitung 7 und der Umgehungsleitung 8 positioniert sein, wie durch strichlierte Linien in 1 angedeutet ist. Der Abgaskühler 6 kann an den Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine 1 angeschlossen sein. Alternativ dazu kann der Abgaskühler 6 auch in einem vom Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine 1 unabhängigen Kühlkreislauf angeordnet sein, welcher über einen Wärmetauscher mit dem Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine thermisch verbunden ist.
  • Die Brennkraftmaschine 1 weist weiters ein Abgasrückführsystem 11 mit einer Abgasrückführleitung 12 auf, welche stromaufwärts des Vorkatalysators 4 vom Abgasstrang 3 abzweigt und in die Einlassleitung 13 stromaufwärts eines Verdichters 14 und einer Drosselklappe 15 einmündet. Die Abzweigung vom Abgasstrang 3 ist mit Bezugszeichen 9, die Einmündung in die Einlassleitung 13 mit 10 bezeichnet. Mit Bezugszeichen 16 ist ein Einlasssammler angedeutet. Die rückgeführte Abgasmenge ist über ein in der Abgasrückführleitung 12 angeordnetes Abgasrückführventil 17 steuerbar. Der Verdichter 14 kann mechanisch durch die Brennkraftmaschine 1 oder über eine Abgasturbine angetrieben sein.
  • Über das Steuerventil 19 ist sowohl der Durchfluss durch den Kühler 6, als auch der Staudruck im Abgasstrang 3 einstellbar. Dadurch kann ein Gegendruck im Abgasstrang 3 erzeugt werden, welcher bei aufgeladenem Magerbetrieb mit relativ hohem Ladedruck in der Einlassleitung 13 eine Abgasrückführung ermöglicht.
  • Die 2 bis 4 zeigen verschiedene Durchflussstellungen eines im Vereinigungsknoten 20 angeordneten Steuerventils 19, wobei das Steuerventil 19 als asymmetrischer Drehschieber ausgebildet ist.
  • In 2 ist dabei eine erste Durchflussstellung A dargestellt, bei der der Durchfluss durch die Umgehungsleitung 8, als auch durch die Abgaszweigleitung 7 ungehindert erfolgen kann. In Durchflussstellung A erfolgt weder eine Kühlung, noch ein Aufstauen des Abgases. Diese Durchflussstellung kann bei Magerbetrieb mit niederer Last, bei Warmlauf mit höherer Last, sowie bei Volllast eingenommen werden.
  • 3 zeigt das Steuerventil 19 in einer zweiten Durchflussstellung B, bei der der Durchfluss durch die Abgaszweigleitung 7 vollständig freigegeben, der Durchfluss durch die Umgehungsleitung 8 aber zumindest teilweise blockiert ist. Mit den Pfeilen 21 ist die Abgasströmung angedeutet. In der Stellung B wird somit ein Abgaskühlbetrieb ohne wesentliche Abgasdrosselung erreicht, was im Magerbetrieb bei mittlerer Last aber auch im Volllastbetrieb bei hoher Drehzahl gewünscht ist.
  • In der in 4 dargestellten dritten Durchflussstellung C des Steuerventiles 19 ist die Umgehungsleitung 8 vollständig, die Abgaszweigleitung 7 teilweise gesperrt, so dass der Abgasstrom mehr oder weniger stark gedrosselt wird. Diese Stellung C des Steuerventiles 19 ermöglicht einen Stau- und Abgaskühlbetrieb, welcher bei Magerbetrieb bei höherer Last erwünscht ist. Es wird somit ein relativ hoher Gegendruck im Abgasstrang 3 erzeugt, welcher auch beim aufgeladenen Magerbetrieb, bei dem ein relativ hoher Ladedruck in der Einlassleitung 13 herrscht, eine ausreichende Abgasrückführung ermöglicht, um eine gute NOX-Reduktion zu erreichen. Gleichzeitig wird der Abgasstrom zum NOX-Speicherkatalysator 5 gekühlt und somit verhindert, dass die Temperatur des in den NOX-Speicherkatalysator einströmenden Abgases dessen spezifische Alterungstemperatur überschreitet.
  • 5 zeigt ein Motorkennfeld der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, wobei der Mitteldruck p über der Motordrehzahl n aufgetragen ist. Im Kennfeld sind die beschriebenen Durchflussstellungen A, B, C eingezeichnet.

Claims (2)

  1. Verfahren zum Betreiben einer magerbetriebenen aufgeladenen Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung und einem NOX-Speicherkatalysator im Abgasstrang, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas – im Magerbetrieb bei niedriger Last, im Warmlauf bei höherer Last sowie bei Volllast ungekühlt und ungedrosselt zum NOX-Speicherkatalysator geführt wird, – im Magerbetrieb bei mittlerer Last gekühlt zum NOX-Speicherkatalysator geführt wird, und – im Magerbetrieb bei höherer Last zwischen Mittellast und Volllast gekühlt und der Abgasstrang stromaufwärts des NOX-Speicherkatalysators gedrosselt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas bei Volllast und hoher Drehzahl zumindest teilweise gekühlt zum NOX-Speicherkatalysator geleitet wird.
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