DE10161398A1

DE10161398A1 - Cooling a catalyzer device, involves use of passive cooling device whose power is given by relationship containing cruising power on level road and engine's stroke volume

Info

Publication number: DE10161398A1
Application number: DE2001161398
Authority: DE
Inventors: Ekkehard Pott; Michael Zillmer
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2001-12-13
Filing date: 2001-12-13
Publication date: 2003-06-18
Also published as: EP1458959B1; DE50205720D1; EP1458959A1; WO2003054363A1

Abstract

The method involves using a passive cooling device operated depending on vehicle, engine and exhaust system operating states. At a constant speed of 100 km/h, ambient temperature 20 deg. C, relative humidity 20-80 per cent and wind speed less than 3 m/s the cooling power is f x PBFZG100 x (1.6/VH)n, where f and n are parameters, PBFZG100 is the power in kW required to cruise on the flat at 100 km/h and VH is the engine's stroke volume in liters. The method involves the use of a passive cooling device operated depending on the vehicle, engine and exhaust system operating states. At a constant speed of 100 km/h at an ambient temperature of 20 deg. C, relative humidity of 20-80 per cent and wind speed less than 3 m/s the cooling power is f x PBFZG100 x (1.6/VH)n, where f is a parameter between 0.3 and 0.55, PBFZG100 is the power in kW required to cruise on the flat at 100 km/h, VH is the engine's stroke volume in liters and n is between 0.3 and 50.8. Independent claims are included for: (i) an exhaust gas system for an internal combustion engine; and (ii) a motor vehicle with an IC engine and exhaust gas system.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen einer Katalysatoreinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Abgasanlage und ein Kraftfahrzeug zur Durchführung dieses Verfahrens. The present invention relates to a method for cooling a catalyst device according to the preamble of claim 1 and an exhaust system and a Motor vehicle to perform this procedure.

Katalysatoreinrichtungen besitzen üblicherweise nur einen relativ eingeschränkten optimalen thermischen Arbeitsbereich zur Gewährleistung einer ordnungsgemäßen Abgasreinigung, der bei NO_x-Speicherkatalysatoren beispielsweise zwischen etwa 220°C und 550°C liegt. Unterhalb dieses Bereiches sind sie noch nicht ausreichend katalytisch aktiv, um voll funktionsfähig zu sein und die im Abgas enthaltenen unerwünschten Schadstoffe wunschgemäß zu speichern und/oder in unschädliche Stoffe umzuwandeln. Treten höhere Katalysatortemperaturen auf, müssen mager betreibbare Ottomotoren bei den korrespondierenden höheren Abgastemperaturen stöchiometrisch betrieben werden, obwohl das Brennverfahren noch einen mit einem niedrigen Kraftstoffverbrauch verbundenen ökonomischeren Magerbetrieb zulassen würde. Darüber hinaus setzt mit weiter ansteigenden Katalysatortemperaturen die thermische Alterung ein, die zu einer starken Desaktivierung der Katalysatoreinrichtung oder sogar zur Katalysatorzerstörung durch Überhitzung führen kann. Da die Katalysatortemperatur im wesentlichen durch die Temperatur des durchströmenden Abgases bestimmt wird, ist für den ordnungsgemäßen Betrieb von Abgaskatalysatoren und für eine verbrauchsoptimierte Betriebsweise der jeweils zugeordneten Brennkraftmaschine die Steuerung, insbesondere die Absenkung oder zumindest Begrenzung, der Abgastemperatur durch motorische Maßnahmen und/oder eine gezielte Abgaskühlung von besonderer Bedeutung. Catalytic converter devices usually have only a relatively limited optimal thermal working range to ensure proper exhaust gas purification, which for NO _x storage catalytic converters is, for example, between approximately 220 ° C. and 550 ° C. Below this range, they are not yet sufficiently catalytically active to be fully functional and to store the undesirable pollutants contained in the exhaust gas as desired and / or to convert them into harmless substances. If higher catalyst temperatures occur, lean-gasoline engines must be operated stoichiometrically at the corresponding higher exhaust gas temperatures, although the combustion process would still allow a more economical lean operation associated with low fuel consumption. In addition, with increasing catalyst temperatures, thermal aging sets in, which can lead to a strong deactivation of the catalyst device or even to catalyst destruction due to overheating. Since the catalyst temperature is essentially determined by the temperature of the exhaust gas flowing through, the control, in particular the lowering or at least limitation, of the exhaust gas temperature by means of engine measures and / or a targeted one is necessary for the proper operation of exhaust gas catalysts and for a consumption-optimized operation of the associated internal combustion engine Exhaust gas cooling of particular importance.

Zur Abgas- bzw. Katalysatorkühlung werden in der Praxis sowohl aktive als auch passive Abgaskühler eingesetzt, die der zu kühlenden Katalysatoreinrichtung vorgeschaltet werden. Bei einem NO_x-Speicherkatalysatorsystem mit einer Vorkatalysatoreinrichtung wird der Abgaskühler hierbei üblicherweise stromab der Vorkatalysatoreinrichtung angeordnet, um diesen bei temperatursteigernden Maßnahmen mit einem entsprechend höheren Temperaturniveau zur besseren exothermen Umsetzung von Abgasschadstoffen nutzen zu können. In practice, both active and passive exhaust gas coolers are used for exhaust gas or catalyst cooling, which are connected upstream of the catalyst device to be cooled. In the case of a NO _x storage catalyst system with a pre-catalyst device, the exhaust gas cooler is usually arranged downstream of the pre-catalyst device in order to be able to use it with temperature-increasing measures with a correspondingly higher temperature level for better exothermic conversion of exhaust gas pollutants.

Aktive oder schaltbare Abgaskühler besitzen eine in einem auslegungsmäßig vorgebbaren weiten Kühlleistungsbereich bedarfsgerecht regelbare Kühlleistung. Sie können daher einerseits, ohne entsprechende Nachteile fürchten zu müssen, hinreichend leistungsstark ausgelegt werden, um eine eventuelle thermische Schädigung der zugeordneten Katalysatoreinrichtung im Vollastbetrieb mit entsprechend hohen Abgas- und Katalysatortemperaturen zuverlässig zu verhindern. Andererseits hingegen ist ihre Kühlleistung üblicherweise bis zumindest nahe an das Niveau eines einfachen Abgasrohres verringerbar, so dass sie, wie beispielsweise bei einer De-Sulfatierung, auch eine hohe Effektivität von betriebszustandsbedingt erforderlichen katalysatortemperatursteigernden Maßnahmen ermöglichen. Active or switchable exhaust gas coolers have one in one by design Predeterminable wide cooling capacity range adjustable cooling capacity as required. she can therefore, on the one hand, without fear of corresponding disadvantages, are designed to be sufficiently powerful to accommodate any thermal Damage to the associated catalytic device in full-load operation with accordingly to reliably prevent high exhaust gas and catalyst temperatures. on the other hand on the other hand, their cooling capacity is usually at least close to the level of one simple exhaust pipe can be reduced so that, as in a De-sulfation, also a high effectiveness of operating conditions required enable measures to increase the catalyst temperature.

Ein solch großer Kühlleistungsbereich lässt sich beispielsweise durch Verwendung eines Abgaskühlers mit einem leistungsstarken Abgaswärmetauscher zur eigentlichen Abgaskühlung und einer zugeordneten Bypassleitung erreichen, bei dem je nach Kühlbedarf beliebige Anteile eines ankommenden Abgasmassenstroms mittels einer geeigneten Abgas-Steuerungseinrichtung, wie z. B. einer Abgasklappeneinrichtung, zur bedarfsgerechten Kühlung durch den Abgaswärmetauscher hindurch bzw. durch die Bypassleitung nahezu ungekühlt an ihm vorbei geleitet werden können. Es sind jedoch auch anders gestaltete regelbare oder schaltbare Abgaskühler bekannt, deren Kühlleistung beispielsweise durch bedarfsgerechte Steuerung der Kühlluftumströmung und/oder der Kühlluftdurchströmung mittels geeigneter Kühlluft-Führungseinrichtungen, wie z. B. steuerbare Luft- oder Lamellenklappen und/oder Kühlluftkanäle, in weiten Bereichen einstellbar ist. Zur Steigerung der Kühlleistung können regelbare Abgaskühler gegebenenfalls auch eine Kombination unterschiedlicher Kühlmechanismen oder Kühlvorrichtungen umfassen, wobei zur besseren Wärmeabfuhr an die Umgebung auch der Einsatz spezieller Kühlmedien denkbar ist. Such a large cooling capacity range can be achieved, for example, by using a Exhaust gas cooler with a powerful exhaust gas heat exchanger for the actual Exhaust gas cooling and an assigned bypass line, depending on the Any portion of an incoming exhaust gas mass flow by means of a cooling requirement suitable exhaust gas control device, such as. B. an exhaust valve device for cooling as required through the exhaust gas heat exchanger or through the Bypass line can be routed past it almost uncooled. However, there are also known differently designed adjustable or switchable exhaust gas cooler, their Cooling capacity, for example, by controlling the cooling air flow as required and / or the cooling air flow by means of suitable cooling air guiding devices, such as B. controllable air or louvre flaps and / or cooling air channels, in wide Ranges is adjustable. Adjustable exhaust gas coolers can be used to increase the cooling capacity optionally also a combination of different cooling mechanisms or Include cooling devices, also for better heat dissipation to the environment the use of special cooling media is conceivable.

Aktive Abgaskühler sind jedoch wegen ihrer Steuerungs- und Regelungseinrichtungen zur bedarfsgerechten Einstellung der Kühlleistung oftmals technisch aufwendig gestaltet. Durch die gewünschten hohen maximalen Kühlleistungen sind sie zudem auch entsprechend groß ausgebildet, so dass sie einen großen Platzbedarf besitzen und eine praktische Nutzung mit einem entsprechend hohen Kostenaufwand verbunden ist. Trotz dieser Nachteile werden sie infolge ihrer bedarfsgerecht verringerbaren hohen Kühlleistungen insbesondere in Verbindung mit NO_x-Speicherkatalysatorsystemen eingesetzt, um diese in möglichst weiten Betriebsbereichen in einem für eine ordnungsgemäße Abgasreinigung erforderlichen Arbeitstemperaturbereich zu halten. Active exhaust gas coolers, however, are often designed to be technically complex because of their control and regulating devices for setting the cooling output as required. Due to the desired high maximum cooling capacities, they are also designed to be correspondingly large, so that they require a large amount of space and practical use is associated with a correspondingly high cost. Despite these disadvantages, they are used due to their high cooling capacities which can be reduced as required, in particular in connection with NO _x storage catalytic converter systems, in order to keep them in the widest possible operating ranges in a working temperature range required for proper exhaust gas purification.

Passive, nicht schaltbare Abgaskühler mit ihrer nicht regelbaren (jedoch fahrzeug-, motor- und abgasanlagenbetriebszustandsabhängigen) Kühlleistung sind hingegen üblicherweise nicht nur technisch wesentlich einfacher gestaltet sondern auch merklich kompakter ausgebildet als aktive Abgaskühler, so dass sie im Vergleich zu diesen einen deutlich geringeren Kostenaufwand erfordern und spürbar weniger Platz für einen Einbau benötigen. Diesen großen praktischen Vorteilen steht jedoch der nicht unerhebliche Nachteil gegenüber, dass ihre Kühlleistung in der Praxis stets nur als Kompromiss zwischen gegensätzlichen technischen Anforderungen wählbar ist. Einerseits dürfen sie wegen ihrer nicht aktiv verringerbaren Kühlleistung nur deutlich schwächer ausgelegt werden als aktive Abgaskühler, um nicht durch eine zu starke Abgaskühlung die Effektivität von katalysatortemperatursteigernden Maßnahmen im Light-Off und bei einer De-Sulfatierung zu sehr zu verringern. Bei NO_x-Speicherkatalysatorsystemen dürfen sie hierbei insbesondere nicht so leistungsstark ausgelegt werden, dass unter bestimmten Betriebsbedingungen in der zugeordneten Vorkatalysatoreinrichtung unzulässig hohe oder gar katalysatorschädigende Abgas- und Katalysatortemperaturen erforderlich sein könnten, um das NO_x-Speicherkatalysatorsystem unter Kompensation der hohen Wärmeverluste durch den Abgaskühler bedarfsgerecht aufzuheizen. Andererseits hingegen müssen auch passive Abgaskühler wiederum möglichst leistungsfähig ausgelegt sein, um die zu kühlende Katalysatoreinrichtung durch eine ausreichend hohe Wärmeabfuhr in möglichst weiten Betriebsbereichen in einem für eine ordnungsgemäße Abgasreinigung erforderlichen Arbeitstemperaturbereich zu halten. Sie müssen hierbei insbesondere zumindest jedoch so stark ausgelegt sein, dass eine eventuelle thermische Schädigung der Katalysatoreinrichtung im Vollastbetrieb mit entsprechend hohen Abgas- und Katalysatortemperaturen zuverlässig verhindert wird. Passive, non-switchable exhaust gas coolers with their non-controllable (but dependent on the vehicle, engine and exhaust system operating state) cooling capacity, on the other hand, are usually not only technically much simpler but also noticeably more compact than active exhaust gas coolers, so that they require a significantly lower cost compared to these and need noticeably less space for installation. However, these major practical advantages are offset by the not inconsiderable disadvantage that their cooling capacity in practice can always only be selected as a compromise between conflicting technical requirements. On the one hand, because of their cooling capacity, which cannot be actively reduced, they may only be designed to be significantly weaker than active exhaust gas coolers, so as not to reduce the effectiveness of catalytic converter temperature-increasing measures in light-off and de-sulfation by excessive exhaust gas cooling. When NO _x -Speicherkatalysatorsystemen they can not in particular be designed so powerful that could be required under certain operating conditions in the associated primary catalytic converter is abnormally high or even catalyst-damaging exhaust and catalyst temperatures to the NO _x -Speicherkatalysatorsystem while compensating for the loss of heat through the exhaust gas cooler to heat up as required. On the other hand, passive exhaust gas coolers, on the other hand, must in turn be designed to be as powerful as possible in order to keep the catalytic converter device to be cooled in an operating temperature range required for proper exhaust gas purification by sufficiently high heat dissipation in the widest possible operating ranges. In particular, however, they must be designed at least so strongly that any thermal damage to the catalytic converter device under full load operation with correspondingly high exhaust gas and catalytic converter temperatures is reliably prevented.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines verbesserten Kühlverfahrens für eine Katalysatoreinrichtung mittels eines vorgeschalteten Abgaskühlers, das einerseits möglichst kostengünstig und platzsparend ist, andererseits aber auch nicht nur einen hinreichend hohen Schutz gegen unzulässig hohe Katalysatortemperaturen bietet sondern auch eine hohe Effektivität von katalysatortemperatursteigernden Maßnahmen ermöglicht und dadurch die genannten Vorteile einer passiven bzw. aktiven Abgaskühlung möglichst gut miteinander verbindet. Das gesuchte Verfahren soll insbesondere zur Kühlung eines einem schichtbetriebsfähigen und/oder magerlauffähigen DI-Ottomotor nachgeschalteten NO_x-Speicherkatalysators geeignet sein, um den DI-Ottomotor durch eine stets ausreichend hohe Katalysatorkühlung in weiten Betriebsbereichen verbrauchsoptimiert in einem ökonomischen Magerbetrieb betreiben zu können. Die Aufgabe besteht auch in der Schaffung einer Abgasanlage und eines Kraftfahrzeugs zur Durchführung dieses Verfahrens. The object of the present invention is to provide an improved cooling method for a catalyst device by means of an upstream exhaust gas cooler, which on the one hand is as cost-effective and space-saving as possible, but on the other hand not only offers sufficiently high protection against impermissibly high catalyst temperatures but also a high effectiveness of measures which increase the catalyst temperature enables and thereby combines the advantages of passive or active exhaust gas cooling as well as possible. The method sought is to be particularly suitable for cooling a NO _x storage catalytic converter connected downstream of a shift-gas and / or lean-burn DI gasoline engine in order to be able to operate the DI gasoline engine in an economical lean mode in a manner that is optimized for consumption in wide operating ranges. The task also consists in creating an exhaust system and a motor vehicle for carrying out this method.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Vorschalten einer passiven Abgaskühleinrichtung gelöst, deren Kühlleistung in Abhängigkeit von der Bedarfsleistung des zugeordneten Kraftfahrzeugs zur Überwindung der Fahrwiderstände in der Ebene bei einem stationären Fahrzeugbetrieb und dem Hubraum der Brennkraftmaschine dieses Kraftfahrzeugs geeignet gewählt wird. Mit steigender Bedarfsleistung und höherem Hubraum wird hierbei eine entsprechend angepasste leistungsstärkere Abgaskühleinrichtung eingesetzt, um die zu erwartenden höheren Abgastemperaturen kompensieren und die Katalysatoreinrichtung bedarfsgerecht kühlen zu können. Die Abgaskühleinrichtung umfasst hierbei einen passiven Abgaskühler und einen vor- und/oder nachgeschalteten Abgasstrang. Sie umfasst alle am Wärmeaustausch beteiligten gasführenden Abgaskanäle des Abgasstrangs oder der Abgasstrecke. Bei dem im folgenden näher beschriebenen NO_x-Speicherkatalysatorsystem umfasst die Abgaskühleinrichtung somit beispielsweise die gesamte Abgasstrecke zwischen Vor- und Hauptkatalysatoreinrichtung. This object is achieved according to the invention by connecting a passive exhaust gas cooling device, the cooling capacity of which is selected as a function of the required output of the assigned motor vehicle in order to overcome the driving resistance in the plane during stationary vehicle operation and the displacement of the internal combustion engine of this motor vehicle. As the demand increases and the displacement increases, an appropriately adapted, more powerful exhaust gas cooling device is used in order to compensate for the expected higher exhaust gas temperatures and to be able to cool the catalytic converter as required. The exhaust gas cooling device here comprises a passive exhaust gas cooler and an upstream and / or downstream exhaust line. It encompasses all gas-carrying exhaust gas ducts of the exhaust system or exhaust system involved in the heat exchange. In the NO _x storage catalytic converter system described in more detail below, the exhaust gas cooling device thus comprises, for example, the entire exhaust gas path between the preliminary and main catalytic converter devices.

Der Abgaskühler wird hierbei so gewählt, dass seine Kühlleistung PKWT100 in kW in Verbindung mit einem vorgeschalteten, den Abgaskühler mit einem Vorkatalysator verbindenden Abgasstrang bei einem stationären Fahrzeugbetrieb in der Ebene mit einer konstanten Fahrgeschwindigkeit von 100 km/h im betriebswarmen Zustand der Brennkraftmaschine bei einer Umgebungstemperatur von 20°C, einer relativen Luftfeuchtigkeit von 20. . .80% und einer Windgeschwindigkeit von weniger als 3 m/s gemäß

PKWT100 = f.PBFZG100.(1,6/VH)ⁿ

mit der in kW angegebenen Bedarfsleistung PBFZG100 des Kraftfahrzeugs bei den genannten Betriebsbedingungen und dem Hubraum VH in Litern korreliert ist. Für den Parameter n wird hierbei ein Wert zwischen 0,3 und 0,8, vorzugsweise jedoch zwischen 0,35 und 0,55 gewählt, während für den Parameter f ein Wert zwischen 0,30 und 0,55, vorzugsweise jedoch zwischen 0,32 und 0,38 gewählt wird. Bei einer Brennkraftmaschine mit einem Hubraum von 1,6 l ist die Kühlleistung PKWT100 des zugeordneten Abgaskühlers somit mit Faktor f proportional zu der Bedarfsleistung PBFZG100 des Kraftfahrzeugs zur Überwindung der Fahrwiderstände in der Ebene. The exhaust gas cooler is selected so that its cooling capacity PKWT100 in kW in conjunction with an upstream exhaust line connecting the exhaust gas cooler with a pre-catalytic converter during stationary vehicle operation in the plane with a constant driving speed of 100 km / h in the warm operating state of the internal combustion engine at an ambient temperature of 20 ° C, a relative humidity of 20.. .80% and a wind speed of less than 3 m / s according to

PKWT100 = f.PBFZG100. (1.6 / VH) ⁿ

correlated with the demand power PBFZG100 of the motor vehicle in kW under the specified operating conditions and the displacement VH in liters. A value between 0.3 and 0.8, but preferably between 0.35 and 0.55, is selected for the parameter n, while a value between 0.30 and 0.55, but preferably between 0, is selected for the parameter f. 32 and 0.38 is selected. In the case of an internal combustion engine with a displacement of 1.6 l, the cooling power PKWT100 of the associated exhaust gas cooler is therefore proportional to the demand power PBFZG100 of the motor vehicle with factor f for overcoming the driving resistance in the plane.

Die Kühlleistung des Abgaskühlers oder der Abgaskühleinrichtung wird hierbei vorzugsweise durch einen Minimalwert und einen Maximalwert begrenzt, um einerseits stets eine ausreichend hohe Kühlleistung zur Vermeidung unzulässig hoher Katalysatortemperaturen zur Verfügung zu haben und um andererseits die Effektivität von katalysatortemperatursteigernden Maßnahmen durch eine zu starke Wärmeabfuhr nicht zu sehr zu verringern. Der Minimal- und Maximalwert als untere bzw. obere Grenze für die Kühlleistung wird hierbei insbesondere so gewählt, dass ein ankommender Abgasmassenstrom durch die Abgaskühleinrichtung unter den genannten Betriebsbedingungen um zumindest 75 K oder um einen einer Kühlleistung von 2,5 kW entsprechenden Temperaturwert bzw. um 250 K oder um einen einer Kühlleistung von 8,5 kW entsprechenden Temperaturwert abkühlbar ist oder abgekühlt wird. The cooling capacity of the exhaust gas cooler or the exhaust gas cooling device is here preferably limited by a minimum value and a maximum value, on the one hand always a sufficiently high cooling capacity to avoid impermissibly high levels To have catalyst temperatures available and on the other hand the effectiveness of measures to increase the catalyst temperature due to excessive heat dissipation not to decrease too much. The minimum and maximum value as the lower or upper limit For the cooling capacity, the choice is such that an incoming one Exhaust gas mass flow through the exhaust gas cooling device among the above Operating conditions by at least 75 K or a cooling capacity of 2.5 kW corresponding temperature value or by 250 K or by a cooling capacity of 8.5 kW corresponding temperature value can be cooled or is cooled.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise zur Kühlung eines einer schichtbetriebsfähigen und/oder magerlauffähigen Brennkraftmaschine nachgeschalteten NO_x-Speicherkatalysators verwendet, um diesen durch entsprechende Absenkung der Katalysatortemperatur in weiten Betriebsbereichen verbrauchsoptimiert im Magerbetrieb betreiben zu können. The method according to the invention is preferably used for cooling an NO _x storage catalytic converter connected downstream of a stratified and / or lean running internal combustion engine, so that it can be operated in a lean mode in a manner optimized for consumption in wide operating ranges by correspondingly lowering the catalytic converter temperature.

Eine Abgasanlage zur Durchführung dieses Verfahrens umfasst eine Katalysatoreinrichtung und einer vorgeschalteten passiven Abgaskühleinrichtung mit einer nicht beeinflussbaren fahrzeug-, motor- und abgasanlagenbetriebszustandsabhängigen Kühlleistung, die mit der Bedarfsleistung des zugeordneten Kraftfahrzeugs zur Überwindung der Fahrwiderstände in der Ebene bei einem stationären Fahrzeugbetrieb und dem Hubraum der Brennkraftmaschine dieses Kraftfahrzeugs korreliert ist. Die Abgaskühleinrichtung umfasst hierbei einen passiven Abgaskühler und einen vor- und/oder nachgeschalteten Abgasstrang. Sie umfasst alle am Wärmeaustausch beteiligten gasführenden Abgaskanäle des Abgasstrangs oder der Abgasstrecke. Bei dem hier beschriebenen NO_x-Speicherkatalysatorsystem umfasst sie somit beispielsweise die gesamte Abgasstrecke zwischen Vor- und Hauptkatalysatoreinrichtung. An exhaust gas system for carrying out this method comprises a catalytic converter device and an upstream passive exhaust gas cooling device with a cooling capacity which cannot be influenced by the vehicle, engine and exhaust gas system operating state and which has the required power of the assigned motor vehicle to overcome the driving resistance in the plane in the case of stationary vehicle operation and the displacement of the internal combustion engine of this motor vehicle is correlated. The exhaust gas cooling device here comprises a passive exhaust gas cooler and an upstream and / or downstream exhaust line. It encompasses all gas-carrying exhaust gas ducts of the exhaust system or exhaust system involved in the heat exchange. In the case of the NO _x storage catalytic converter system described here, it thus comprises, for example, the entire exhaust gas path between the preliminary and main catalytic converter devices.

Die Kühlleistung PKWT100 der Abgaskühleinrichtung in kW bei einem stationären Fahrzeugbetrieb in der Ebene mit einer konstanten Fahrgeschwindigkeit von 100 km/h im betriebswarmen Zustand der Brennkraftmaschine bei einer Umgebungstemperatur von 20°C, einer relativen Luftfeuchtigkeit von 20. . .80% und einer Windgeschwindigkeit von weniger als 3 m/s ist gemäß

PKWT100 = f.PBFZG100.(1,6/VH)ⁿ

mit der in kW angegebenen Bedarfsleistung PBFZG100 des Kraftfahrzeugs zur Überwindung der Fahrwiderstände in der Ebene bei den genannten Betriebsbedingungen und dem Hubraum VH der Brennkraftmaschine in Litern korreliert, wobei n ein Parameter zwischen 0,3 und 0,8, insbesondere jedoch zwischen 0,35 und 0,55 ist, während f ein Parameter zwischen 0,30 und 0,55, insbesondere jedoch zwischen 0,32 und 0,38 ist. The cooling capacity PKWT100 of the exhaust gas cooling device in kW with stationary vehicle operation in the plane with a constant driving speed of 100 km / h in the warm operating state of the internal combustion engine at an ambient temperature of 20 ° C and a relative humidity of 20. .80% and a wind speed of less than 3 m / s is according to

PKWT100 = f.PBFZG100. (1.6 / VH) ⁿ

correlated with the demand power PBFZG100 of the motor vehicle in kW for overcoming the driving resistance in the plane under the specified operating conditions and the displacement VH of the internal combustion engine in liters, where n is a parameter between 0.3 and 0.8, but in particular between 0.35 and Is 0.55, while f is a parameter between 0.30 and 0.55, but in particular between 0.32 and 0.38.

Die Kühlleistung der Abgaskühleinrichtung liegt vorzugsweise innerhalb eines durch einen Minimalwert und einen Maximalwert begrenzten Leistungsbereiches, wobei der Minimalwert bei den genannten Betriebsbedingungen 2,5 kW beträgt oder einer Kühlleistung entspricht, bei der ein ankommender Abgasmassenstrom um 75 K abkühlbar ist oder abgekühlt wird, während der Maximalwert bei den genannten Betriebsbedingungen 8,5 kW beträgt oder einer Kühlleistung entspricht, bei der ein ankommender Abgasmassenstrom um 250 K abkühlbar ist oder abgekühlt wird. The cooling capacity of the exhaust gas cooling device is preferably within one a minimum value and a maximum value limited power range, the Minimum value under the operating conditions mentioned is 2.5 kW or one Cooling capacity corresponds to an incoming exhaust gas mass flow around 75 K. is coolable or is cooled, while the maximum value at the named Operating conditions is 8.5 kW or corresponds to a cooling capacity at which a incoming exhaust gas mass flow can be cooled by 250 K or is cooled.

Die Katalysatoreinrichtung umfasst vorzugsweise einen der Abgaskühleinrichtung nachgeschalteten NO_x-Speicherkatalysator. The catalyst device preferably comprises a NO _x storage catalytic converter connected downstream of the exhaust gas cooling device.

Ein Kraftfahrzeug zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen schichtbetriebsfähigen und/oder magerlauffähigen DI-Ottomotor, und eine nachgeschaltete erfindungsgemäße Abgasanlage der beschriebenen Art. A motor vehicle for carrying out the method according to the invention comprises a Internal combustion engine, in particular a shift-operable and / or lean-running DI gasoline engine, and a downstream according to the invention Exhaust system of the type described.

Weitere Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ergeben sich nicht nur aus den zugehörenden Ansprüchen - für sich und/oder in Kombination - sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der zugehörigen Further features and advantages of the method according to the invention and the Device according to the invention for performing this method does not result only from the associated claims - for themselves and / or in combination - but also from the following description of a preferred invention Embodiment in connection with the associated

Fig. 1, die in schematischer Darstellung ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Abgasanlage zeigt. Fig. 1, which shows a schematic representation of a motor vehicle with an exhaust system according to the invention.

Das in Fig. 1 dargestellte Kraftfahrzeug 10 umfasst einen herkömmlichen schichtbetriebsfähigen DI-Ottomotor 12 mit einem Hubraum von 1,6 l und einer Motorleistung von 81 kW. Die Bedarfsleistung PBFZG100 dieses Kraftfahrzeugs 10 zur Überwindung der Fahrwiderstände in der Ebene beträgt bei einer Fahrt mit einer konstanten Geschwindigkeit von etwa 100 km/h im homogen mageren Betrieb im betriebswarmen Zustand des DI-Ottomotors 12 bei einer Umgebungstemperatur von 20°C, einer relativen Luftfeuchtigkeit von 20-80% und einer Windgeschwindigkeit von weniger als 3 m/s etwa 13,4 kW. The motor vehicle 10 shown in FIG. 1 comprises a conventional DI gasoline engine 12 capable of stratified operation with a displacement of 1.6 l and an engine output of 81 kW. The demand power PBFZG100 of this motor vehicle 10 for overcoming the driving resistance in the plane is, when driving at a constant speed of about 100 km / h in homogeneously lean operation in the warm operating state of the DI gasoline engine 12 at an ambient temperature of 20 ° C., a relative humidity of 20-80% and a wind speed of less than 3 m / s about 13.4 kW.

Dem DI-Ottomotor 12 ist eine erfindungsgemäße ausgelegte Abgasanlage 14-20 zur katalytischen Abgasnachbehandlung der von ihm emittierten Abgase nachgeschaltet. Die Abgasanlage 14-20 umfasst einen Abgasstrang 14 mit einer herkömmlichen Katalysatoreinrichtung 16, 18, die aus einem kleinvolumigen Vorkatalysator 16 und einem als Hauptkatalysator dienenden nachgeschalteten NO_x-Speicherkatalysator 18 besteht. Zwischen diesen beiden Katalysatoren 16, 18 ist eine passive, in ihrer fahrzeug-, motor- und abgasanlagenbetriebszustandsabhängigen Kühlleistung nicht beeinflussbare Abgaskühleinrichtung 14, 20 zur weiteren Kühlung des ankommenden Abgasmassenstroms angeordnet, die einen passiven Abgaskühler 20 und den Abgasstrang 14 umfasst. Ihre Kühlleistung beträgt bei einer Fahrgeschwindigkeit von etwa 100 km/h in der Ebene etwa 4,7 kW. The DI gasoline engine 12 is followed by an exhaust system 14-20 designed according to the invention for catalytic exhaust gas aftertreatment of the exhaust gases emitted by it. The exhaust system comprises an exhaust line 14-20 14 with a conventional catalyst device 16, 18, consisting of a small-volume pre-catalyst 16 and a serving as a main catalyst downstream of the NO _x storage catalytic converter is eighteenth Between these two catalytic converters 16 , 18 there is a passive exhaust gas cooling device 14 , 20 , which cannot be influenced in terms of its vehicle, engine and exhaust system operating state, for further cooling of the incoming exhaust gas mass flow, which includes a passive exhaust gas cooler 20 and the exhaust line 14 . Their cooling capacity is about 4.7 kW at a driving speed of about 100 km / h in the plane.

Bei den angegebenen Betriebsbedingungen beträgt die Abgastemperatur bei einer Fahrgeschwindigkeit von etwa 100 km/h in der Ebene hinter dem Vorkatalysator 16 etwa 600°C bei einem Abgasmassenstrom von etwa 105 kg/h. Durch die Abgaskühleinrichtung 14, 20 wird das Abgas vor dem Eintritt in den NO_x-Speicherkatalysator 18 auf eine Temperatur von etwa 460°C abgekühlt, so dass sich eine angestrebte Katalysatortemperatur, d. h. die Temperatur in der Mitte des NO_x-Speicherkatalysators 18, von weniger als etwa 480°C ergibt. Bei diesen Betriebsbedingungen kann der DI-Ottomotor 12 mager betrieben werden, was mit einem deutlichen Verbrauchsvorteil gegenüber einem Kraftfahrzeug mit einem ungekühlten NO_x-Speicherkatalysator verbunden ist. Under the specified operating conditions, the exhaust gas temperature at a driving speed of approximately 100 km / h in the plane behind the pre-catalyst 16 is approximately 600 ° C. with an exhaust gas mass flow of approximately 105 kg / h. The exhaust gas cooling device 14 , 20 cools the exhaust gas before it enters the NO _x storage catalytic converter 18 to a temperature of approximately 460 ° C., so that a desired catalytic converter temperature, ie the temperature in the middle of the NO _x storage catalytic converter 18 , decreases is less than about 480 ° C. Under these operating conditions, the DI gasoline engine 12 can be operated lean, which is associated with a clear consumption advantage compared to a motor vehicle with an uncooled NO _x storage catalytic converter.

Bei intermittierenden De-Sulfatierungen wird die Katalysatortemperatur, beispielsweise durch eine Spätzündung, auf einen Wert von etwa 650°C erhöht, um den eingelagerten Schwefel unter fetten Betriebsbedingungen im Homogenbetrieb freizusetzen. Diese De-Sulfatierungstemperatur wird unter den angegebenen Betriebsbedingungen bei einer Abgastemperatur vor dem Vorkatalysator 16 von etwa 920°C erreicht. Die Temperatur hinter dem Vorkatalysator 16 beträgt hierbei etwa 950°C. In the case of intermittent desulphation, the catalyst temperature is increased to a value of about 650 ° C., for example by a late ignition, in order to release the stored sulfur under rich operating conditions in homogeneous operation. This de-sulfation temperature is reached under the specified operating conditions at an exhaust gas temperature upstream of the pre-catalyst 16 of approximately 920 ° C. The temperature behind the pre-catalyst 16 is approximately 950 ° C.

Würde eine Abgaskühleinrichtung 14, 20 mit einer Kühlleistung von merklich mehr als 4,7 kW bei den angegebenen Betriebsbedingungen verwendet werden, so müssten bei intermittierenden De-Sulfatierungen zur Kompensation der hohen Wärmeabfuhr an die Umgebung unzulässig hohe Vorkatalysatortemperaturen aufgebracht werden, bei denen eine thermische Schädigung des Vorkatalysators 16 nicht auszuschließen wäre. If an exhaust gas cooling device 14 , 20 with a cooling capacity of noticeably more than 4.7 kW were used under the specified operating conditions, then inadmissibly high pre-catalyst temperatures would have to be applied with intermittent desulphation to compensate for the high heat dissipation to the environment, at which thermal damage of the pre-catalyst 16 could not be excluded.

Würde hingegen eine Abgaskühleinrichtung 14, 20 mit einer merklich geringeren Kühlleistung verwendet werden, wäre bei den sich ergebenden hohen Katalysatortemperaturen in weiten Betriebsbereichen kein verbrauchssparender Magerbetrieb möglich. Wäre beispielsweise der Abgaskühler 20 um etwa 1 kW schwächer dimensioniert als im vorliegenden Ausführungsbeispiel, würde sich vor dem NO_x-Speicherkatalysator 18 eine deutlich höhere Abgastemperatur als etwa 500°C einstellen, die zumindest an der oberen Temperaturgrenze zur Gewährleistung eines ordnungsgemäßen NO_x-Speicherbetriebs läge und bei höheren Lasten im dynamischen Fahrbetrieb schnell überschritten werden würde. If, on the other hand, an exhaust gas cooling device 14 , 20 with a noticeably lower cooling capacity were used, no consumption-saving lean operation would be possible with the resulting high catalyst temperatures in wide operating ranges. If, for example, the exhaust gas cooler 20 were dimensioned to be about 1 kW weaker than in the present exemplary embodiment, a significantly higher exhaust gas temperature than about 500 ° C. would occur in front of the NO _x storage catalytic converter 18 , which would at least be at the upper temperature limit to ensure proper NO _x storage operation would and would be quickly exceeded at higher loads in dynamic driving.

Bei anderen Kraftfahrzeugen 10 mit einem anderen Fahrwiderstand PBFZG100 in der Ebene und einer Brennkraftmaschine 12 mit einem anderen Hubraum VH wird jeweils eine speziell angepasste Abgaskühleinrichtung 14,20 verwendet, deren Kühlleistung PKWT100 bei den angegebenen Betriebsbedingungen gemäß

PKWT100 = f.PBFZG100.(1,6/VH)ⁿ

mit dem Fahrwiderstand PBFZG100 und dem Hubraum VH korreliert ist. Für ein Kraftfahrzeug 10 mit einem Fahrwiderstand PBFZG100 von 15 kW und einem Hubraum VH von 2 l ergibt sich beispielsweise je nach Wahl der Parameter n und f eine Kühlleistung von 3,8-7,7 kW. Für bevorzugte Werte von n (n = 0,5) und f (f = 0,35) ergibt sich eine Kühlleistung von 4,7 kW. In other motor vehicles 10 with a different driving resistance PBFZG100 in the plane and an internal combustion engine 12 with a different cubic capacity VH, a specially adapted exhaust gas cooling device 14 , 20 is used, the cooling capacity of which according to PKWT100 in the operating conditions

PKWT100 = f.PBFZG100. (1.6 / VH) ⁿ

correlated with the driving resistance PBFZG100 and the displacement VH. For a motor vehicle 10 with a driving resistance PBFZG100 of 15 kW and a displacement VH of 2 l, depending on the choice of the parameters n and f, a cooling capacity of 3.8-7.7 kW results. For preferred values of n (n = 0.5) and f (f = 0.35), the cooling output is 4.7 kW.

Claims

1. A method for cooling a catalytic converter device ( 18 ) in the exhaust system ( 14-20 ) of an internal combustion engine ( 12 ) of a motor vehicle ( 10 ) by connecting a passive exhaust gas cooling device ( 14 , which cannot be influenced in terms of its vehicle, engine and exhaust system operating state, depending on the cooling capacity). 20 ), characterized in
that an exhaust gas cooling device ( 14 , 20 ) is used whose cooling capacity PKWT100 in kW during stationary vehicle operation with a constant driving speed of 100 km / h in the warm operating state of the internal combustion engine ( 12 ) at an ambient temperature of 20 ° C, a relative humidity of 20 -80% and a wind speed of less than 3 m / s

PKWT100 = f.PBFZG100. (1.6 / VH) ⁿ

is correlated in liters with the demand power PBFZG100 of the motor vehicle ( 10 ) for overcoming the driving resistance in the plane under the specified operating conditions and the displacement VH of the internal combustion engine ( 12 ), with f and n parameters with 0.30 ≤ f ≤ 0 , 55 or 0.3 ≤ n ≤ 50.8.

2. The method according to claim 1, characterized in that the exhaust gas cooling device ( 14 , 20 ) comprises an exhaust gas cooler ( 20 ) and an upstream and / or downstream exhaust line ( 14 ).

3. The method according to claim 1 or 2, characterized, that a value between 0.32 and 0.38 is chosen for f.

4. The method according to any one of the preceding claims, characterized, that a value between 0.35 and 0.55 is chosen for n.

5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that an exhaust gas cooler ( 20 ) or an exhaust gas cooling device ( 14 , 20 ) are used, the cooling capacity of which is within a power range limited by a minimum value and a maximum value.

6. The method according to claim 5, characterized in that the minimum value is selected such that an incoming exhaust gas mass flow under the above-mentioned operating conditions can be cooled by the exhaust gas cooling device ( 14 , 20 ) by 75 K or by a temperature value corresponding to a cooling capacity of 2.5 kW or cooled.

7. The method according to claim 5, characterized in that the maximum value is selected such that an incoming exhaust gas mass flow can be cooled under the above-mentioned operating conditions via the exhaust gas cooling device ( 14 , 20 ) by 250 K or by a temperature value corresponding to a cooling capacity of 8.5 kW or cooled.

8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the exhaust gas is cooled upstream of a NO _x storage catalyst ( 18 ).

9. exhaust system ( 14-20 ) for the internal combustion engine ( 12 ) of a motor vehicle ( 10 ) with a catalyst device ( 18 ) and an upstream passive exhaust gas cooling device ( 14 , 20 ) with a vehicle power, engine and exhaust system operating state-dependent cooling capacity, characterized .
that the cooling capacity PKWT100 of the exhaust gas cooling device ( 14 , 20 ) in kW during stationary vehicle operation with a constant driving speed of 100 km / h in the warm operating state of the internal combustion engine ( 12 ) at an ambient temperature of 20 ° C, a relative air humidity of 20-80% and a wind speed of less than 3 m / s

PKWT100 = f.PBFZG100. (1.6 / VH) ⁿ

is correlated in liters with the demand power PBFZG100 of the motor vehicle ( 10 ) for overcoming the driving resistance in the plane under the specified operating conditions and the displacement VH of the internal combustion engine ( 12 ), with f and n parameters with 0.30 ≤ f ≤ 0 , 55 or 0.3 ≤ n ≤ 0.8.

10. Exhaust system according to claim 9, characterized in that the exhaust gas cooling device ( 14 , 20 ) comprises an exhaust gas cooler ( 20 ) and an upstream and / or downstream exhaust line ( 14 ).

11. Exhaust system according to claim 9 or 10, characterized, that f is between 0.32 and 0.38.

12. Exhaust system according to one of claims 9-11, characterized, that n is between 0.35 and 0.55.

13. Exhaust system according to one of claims 9-12, characterized in that the cooling capacity of the exhaust gas cooler ( 20 ) or the exhaust gas cooling device ( 14 , 20 ) is within a power range limited by a minimum value and a maximum value.

14. Exhaust system according to claim 13, characterized, that the minimum value is 2.5 kW under the specified operating conditions or corresponds to a cooling capacity at which an incoming exhaust gas mass flow around 75 K can be cooled or is cooled.

15. Exhaust system according to claim 13, characterized, that the maximum value is 8.5 kW under the specified operating conditions or corresponds to a cooling capacity at which an incoming exhaust gas mass flow around 250 K can be cooled or is cooled.

16. Exhaust system according to one of claims 9-15, characterized in that the catalyst device ( 18 ) comprises a NO _x storage catalyst ( 18 ).

17. Motor vehicle ( 10 ) with an internal combustion engine ( 12 ) and a downstream exhaust system ( 14-20 ) according to one of claims 9-16.

18. Motor vehicle according to claim 17, characterized in that the internal combustion engine ( 12 ) is a shift-operable and / or lean-running DI gasoline engine.