DE102004026797A1 - Brennkraftmaschine mit Abgasnachbehandlungssystem und ein Verfahren zur Regelung der Abgastemperatur - Google Patents

Brennkraftmaschine mit Abgasnachbehandlungssystem und ein Verfahren zur Regelung der Abgastemperatur Download PDF

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Abstract

Bei Brennkraftmaschinen mit Abgasnachbehandlungssystemen, mit einem Verdichter im Ansaugtrakt und einer Turbine im Abgasstrang, einer Abgasrückführleitung mit einem Abgasrückführventil und einem Abgasrückführkühler, einem Ladeluftkühler zur Kühlung der vom Verdichter verdichteten Luft, einer Drossel zur Steuerung der von der Brennkraftmaschine angesaugten Verbrennungsluft, einer Abgasreinigungseinheit zur Reduzierung des NO¶x¶-Gehaltes des Abgases und einer Regel- und Steuereinheit zum Erfassen und Regeln der Betriebszustände der Brennkraftmaschine werden zusätzliche Wärmequellen zur Erhöhung der Abgastemperatur der Brennkraftmaschine eingesetzt. DOLLAR A Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass dem Ansaugtrakt (6) ungekühltes Abgas aus der Abgasrückführleitung (100) zuführbar ist. DOLLAR A Die Erfindung wird überwiegend im Kraftfahrzeugbau eingesetzt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasnachbehandlungssystem und ein Verfahren zur Regelung der Abgastemperatur nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. des Anspruchs 5.
  • Grundsätzlich ist bekannt, dass ein hoher Umsetzungswirkungsgrad der Stickoxidreduzierung in einem SCR-Katalysator bei Abgastemperaturen in einem Bereich von etwa 250° – 550° Celsius erzielt wird. Eine Brennkraftmaschine dagegen weist Abgastemperaturen sowohl im Teillastbereich als auch in der Kaltstartphase von unter 250° Celsius auf. Aus Bauraumgründen befindet sich der SCR-Katalysator in der Regel nicht direkt am Auslassventil der Brennkraftmaschine, so dass eine weitere Reduzierung der Abgastemperatur über Wandwärmeverluste in den Abgasrohrleitungen erfolgt. Bei Einsatz eines Abgasturboladers befindet sich der SCR-Katalysator stromab der Turbine und es erfolgt eine weitere Abgastemperaturreduzierung aufgrund des thermodynamischen Prozesses in der Turbine. Die niedrigen Abgastemperaturen, die in den genannten Betriebsbreichen auftreten, gilt es zu erhöhen.
  • In der Druckschrift DE 102 49 880 A1 wird eine Emissionssteuerungsvorrichtung und ein Emissionssteuerverfahren einer Brennkraftmaschine beschrieben, wobei die Emissionssteuervorrichtung der Brennkraftmaschine einen NOx-Katalysator, eine Aufwärmeinrichtung zum Erwärmen des NOx-Katalysators und eine Betriebszustandserfassungseinrichtung zum Erfassen des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine umfasst. Die Aufwärmeinrichtung der Emissionssteuervorrichtung wird je nach Betriebspunkt der Brennkraftmaschine derart eingesetzt, dass entweder der eingespritzte Kraftstoff in dem NOx-Katalysator oxidiert wird und aufgrund der durch die Oxidation erzeugten Wärme die Temperatur des NOx-Katalysators angehoben wird oder der eingespritzte Kraftstoff reduziert die Sauerstoffkonzentration des Abgasmassenstromes und führt eine Reduktion der Stickoxide im Filter herbei.
  • Ein Nachteil der Emissionssteuervorrichtung ist ein zusätzlicher Einbau einer Kraftstoffleitung mit einem Abschaltventil sowie der Einbau eines Einspritzventils in den Auslasskrümmer.
    •
  • Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, in allen Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine einen hohen Wirkungsgrad des SCR-Katalysators zu erzielen, unter Nutzung der im Verbrennungskreislauf der Brennkraftmaschine existierenden Wärmequellen.
  • Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit einem Abgasnachbehandlungssystem und die Regelung der Abgastemperatur der Brennkraftmaschine basiert auf dem Gedanken, die großen Temperaturschwankungen zwischen Teillastbetriebsbereichen und Volllastbetriebsbereichen und in der Kaltstartphase der Brennkraftmaschine über eine Regelung der Verbrennungsluftmenge zu reduzieren, da die hohen Abgastemperaturschwankungen und die absoluten Abgastemperaturen in direktem Zusammenhang mit einem Verhältnis aus Verbrennungsluft und Kraftstoff, dem Verbrennungsluftverhältnis λ, stehen. Dabei soll ein möglichst hohes Temperaturniveau der Abgastemperatur der Brennkraftmaschine gehalten werden.
  • Ist das Verbrennungsluftverhältnis λ relativ klein, wie es im Volllastbereich der Brennkraftmaschine der Fall ist, steigt die Abgastemperatur. Steigt das Verbrennungsluftverhältnis λ, wie es bei Senkung der Last der Fall ist, sinkt die Abgastemperatur. Voraussetzung für diesen thermodynamischen Zusammenhang ist dabei ein optimaler Wirkungsgrad der Wärmefreisetzung der Brennkraftmaschine.
  • Eine Rückführung ungekühlten Abgases über eine Abgasrückführleitung in den Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine führt zu einer Reduzierung der angesaugten Verbrennungsluft und, da das Abgas ungekühlt ist, zu einer Erhöhung des Temperaturniveaus der Verbrennung und damit, bei unverändertem Brennbeginn der Verbrennung, zu einer Erhöhung der Abgastemperatur.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 ist zur weiteren Erhöhung des Temperaturniveaus der Verbrennung ein Ladeluftkühler über einen Bypass mit einem Sperrventil bypassierbar.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine nach Anspruch 3 weist eine Turbine im Abgasstrang der Brennkraftmaschine zur Optimierung des Wirkungsgrades einer Abgasreinigungseinheit des Abgasnachbehandlungssystems eine variable Turbinengeometrie und/oder einen Bypass mit einem Abblaseventil auf.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine nach Anspruch 4 weist ein Verdichter im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine zur Optimierung des Wirkungsgrades der Abgasreinigungseinheit des Abgasnachbehandlungssystems eine variable Verdichtergeometrie auf .
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung der Abgastemperatur der Brennkraftmaschine nach Anspruch 5 zeichnet sich dadurch aus, dass die Regelung der Abgastemperatur in Abhängigkeit des Verbrennungsluftverhältnisses λ erfolgt.
  • Des Weiteren zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 6 dadurch aus, dass die im Verbrennungskreislauf der Brennkraftmaschine auftretenden Wärmequellen, wie zum Beispiel die Wärme des Abgases und die Wärme der verdichteten Luft, zur Regelung der Abgastemperatur genutzt werden und über eine Regel- und Steuereinheit in Abhängigkeit der Abgastemperatur und des Verbrennungsluftverhältnisses geregelt werden.
  • Des Weiteren zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 7 dadurch aus, dass eine Regel- und Steuereinheit zu jedem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine den Wert des Verbrennungsluftverhältnisses und den Wert der Abgastemperatur erhält und in Abhängigkeit dieser Werte ein Abgasrückführventil und/oder ein Sperrventil zur Bypassierung von Verbrennungsluft und/oder ein Abblaseventil an der Turbine und/oder ein Sperrventil zur Umleitung der vom Verdichter angesaugten Verbrennungsluft und/oder eine Drossel zur Regulierung der Verbrennungsluft derart regelt, dass das für den entsprechenden Betriebspunkt der Brennkraftmaschine minimal mögliche Verbrennungsluftverhältnis λ in Abhängigkeit der zu erzielenden Abgastemperatur erreicht wird.
    •
  • Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind in den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Dabei zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader,
  • 2 eine schematische Darstellung der Brennkraftmaschine nach 1 mit einem Verdichter, der eine variable Verdichtereinströmgeometrie aufweist.
  • Der in 1 dargestellten Brennkraftmaschine 1 ist ein Abgasturbolader 2 mit einer Turbine 3 in einem Abgasstrang 4 und ein Verdichter 5 in einem Ansaugtrakt 6 zugeordnet. Bei der Brennkraftmaschine 1 kann es sich um einen Ottomotor oder um einen Dieselmotor handeln. Die Turbine 3 wird von den Abgasen der Brennkraftmaschine 1 beaufschlagt und treibt den Verdichter 5 über eine Welle 7 an, woraufhin der Verdichter 5 Verbrennungsluft ansaugt und verdichtet.
  • Stromab des Verdichters 5 ist im Ansaugtrakt 6 ein Ladeluftkühler 9 vorgesehen, in welchem die verdichtete Verbrennungsluft gekühlt wird. Die verdichtete und gekühlte Verbrennungsluft strömt durch eine stromab des Ladeluftkühlers vorgesehene Drossel 101, welche die Menge der in die Brennkraftmaschine 1 einströmenden Verbrennungsluft regelt.
  • Zur Umgehung des Ladeluftkühlers 9 zweigt stromab des Verdichters 5 vor dem Ladeluftkühler 9 ein Bypass 14 mit einem Sperrventil 102 ab und mündet stromab der Drossel 101 wieder in den Ansaugtrakt 6.
  • Der Turbine 3 ist eine variable Turbinengeometrie 8 zugeordnet, über die ein wirksamer Turbineneintrittsquerschnitt veränderlich einstellbar ist.
  • Stromauf der Turbine 3 zweigt vom Abgasstrang 4 eine Abgasrückführleitung 100 mit einem einstellbaren Abgasrückführventil 19 ab und mündet stromab der Drossel 101 in den Ansaugtrakt 6. Würde in einer Abwandlung beispielsweise die Abgasrückführleitung 100 einen Abgasrückführkühler aufweisen, so wäre ein Bypass um den Abgasrückführkühler zu legen, damit erfindungsgemäß die Temperatur der Abgasrückführung zur Temperaturerhöhung der Abgastemperatur genutzt werden kann.
  • Zur Umgehung der Turbine 3 ist im Abgasstrang 4 stromauf der Turbine 3 ein Bypass 15 vorgesehen, in welchem ein einstellbares Abblaseventil 103 vorgesehen ist. Der Bypass 15 mündet in den Abgasstrang 4 stromab der Turbine 3 und stromauf einer Abgasreinigungseinheit 16. Die Abgasreinigungseinheit 16 ist bekanntermaßen im Abgasstrang 4 stromab der Turbine 3 zur Abgasreinigung angeordnet.
  • Über eine Regel- und Steuereinheit 11 werden diverse Aggregate der Brennkraftmaschine 1, insbesondere das Abgasrückführventil 19, die Drossel 101, das Sperrventil 102, das Abblaseventil 103 und die variable Turbinengeometrie 8 in Abhängigkeit von Zustands- und Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 1, insbesondere dem Verbrennungsluftverhältnis λ und der Abgastemperatur TDNOX an der Abgasreinigungseinheit 16, eingestellt.
  • In einem zweiten Ausführungsbeispiel nach 2 ist eine Brennkraftmaschine 1 dargestellt, die weitestgehend im Aufbau und in der Bezugszeichenzuordnung der Brennkraftmaschine nach 1 entspricht. Alle gleichen oder gleichwirkenden Teile sind mit denselben Bezugszeichen des ersten Ausführungsbeispiels gekennzeichnet. Der Verdichter 5 weist eine variable Verdichtereinströmgeometrie 10 zur Verschiebung der Pumpgrenze des Verdichters 5 bzw. zum Betrieb des Verdichters 5 als Kaltluftturbine auf. Dabei wird über einen Zusatzkanal 17, der stromauf des Verdichters 5 an einer Abzweigung 20 vom Ansaugtrakt 6 abzweigt, der Verdichter 5 mit Verbrennungsluft versorgt.
  • Stromab der Abzweigung 20 des Zusatzkanals 17 ist ein Sperrventil 12 angeordnet, welches die Einstellung des Massenstromes in den Zusatzkanal 17 regelt. Stromauf der Abzweigung 20 des Zusatzkanals 17 befindet sich ein Luftmengenmesser 18, mit dem der Luftdurchsatz gemessen und als Informationssignal der Regel- und Steuereinheit 11 zugeführt wird. Ein stromauf des Luftmengenmessers 18 angeordneter Luftfilter 13 reinigt die aus der Umgebung angesaugte Luft.
  • Die der Regel- und Steuereinheit 11 übermittelte Temperatur TDNOX der Abgasreinigungseinheit 16 und das Verbrennungsluftverhältnis λ der Brennkraftmaschine 1 werden kontinuierlich aktualisiert. Die Regel- und Steuereinheit 11 gibt entsprechend einem optimalen Verbrennungsluftverhältnis λ und der entsprechenden gewünschten Abgastemperatur TDNOX an der Abgasreinigungseinheit 16 dem Abgasrückführventil 19, der Drossel 101, dem Sperrventil 102, gegebenenfalls dem Abblaseventil 103 und der variablen Turbinengeometrie 8 Anweisung bestimmte Strömungsquerschnitte zwischen einem minimalen und einem maximalen Strömungsquerschnitt einzunehmen. Durch die Regelung einer ungekühlten Abgasrückführmenge über das Abgasrückführventil 19 und der entsprechenden Einstellung der anderen zu regelnden Absperrorgane wird die Motorluftmenge auf einen minimal verträglichen Sollwert des Verbrennungsluftverhältnisses λ eingestellt und damit die Temperaturanhebung der Abgasreinigungseinheit 16 erreicht.
  • Zur Vermeidung einer Androsselung im Ansaugtrakt 6 und im Abgasstrang 4, bzw. zur Reduzierung der Ladungswechselverluste, wird, falls vorhanden, das Abblaseventil 103 geöffnet, oder, falls vorhanden, die variable Turbinengeometrie 8 derart eingestellt, dass eine in den entsprechenden Betriebspunkten nicht notwendige Ladedruckerzeugung vermieden wird.
  • Ist dennoch eine Ladedruckerzeugung unvermeidbar, muss im Ansaugtrakt 6 die angesaugte Verbrennungsluft gedrosselt werden.
  • Durch die Drosselung der Verbrennungsluftmenge nach dem Verdichter 5 über das Sperrventil 102 und gegebenenfalls über die Drossel 101, kann möglicherweise die Pumpgrenze des Verdichters 5 überschritten werden. Eine vorteilhafte Ausführung der Brennkraftmaschine 1 ist dazu in 2 dargestellt. Die vom Verdichter 5 angesaugte Verbrennungsluft wird über das von der Regel- und Steuereinheit 11 regelbare Sperrventil 12 geregelt.

Claims (7)

  1. Brennkraftmaschine mit Abgasnachbehandlungssystem, mit einem Verdichter im Ansaugtrakt und einer Turbine im Abgasstrang, einer Abgasrückführleitung mit einem Abgasrückführventil und einem Abgasrückführkühler, einem Ladeluftkühler zur Kühlung der vom Verdichter verdichteten Luft, einer Drossel zur Steuerung der von der Brennkraftmaschine angesaugten Verbrennungsluft, einer Abgasreinigungseinheit zur Reduzierung des NOx-Gehaltes des Abgases und einer Regel- und Steuereinheit zum Erfassen und Regeln der Betriebszustände der Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass dem Ansaugtrakt (6) ungekühltes Abgas aus der Abgasrückführleitung (100) zuführbar ist.
  2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Ansaugtrakt (6) ein Bypass (14) mit einem Sperrventil (102) zur Bypassierung des Ladeluftkühlers (9) vorgesehen ist.
  3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Optimierung des Wirkungsgrades der Abgasreinigungseinheit (16) die Turbine (3) eine variable Turbinengeometrie (8) und/oder einen Bypass (15) mit einem Abblaseventil (103) aufweist.
  4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Optimierung des Wirkungsgrades der Abgasreinigungseinheit (16) der Verdichter (5) eine variable Verdichtergeometrie (10) aufweist.
  5. Verfahren zur Regelung der Abgastemperatur einer Brennkraftmaschine, mit einem Verdichter im Ansaugtrakt und einer Turbine im Abgasstrang, einer Abgasrückführleitung mit einem Abgasrückführventil und einem Abgasrückführkühler, einem Ladeluftkühler zur Kühlung der vom Verdichter verdichteten Luft, einer Drossel zur Steuerung der von der Brennkraftmaschine angesaugten Verbrennungsluft, einem zur Reduzierung des NOx-Gehaltes des Abgases und einer Regel- und Steuereinheit zum Erfassen und Regeln der Betriebszustände der Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgastemperatur TDNOX an der Abgasreinigungseinheit (16) in Abhängigkeit des Verbrennungsluftverhältnisses λ der Brennkraftmaschine (1) geregelt wird, wobei dem Ansaugtrakt (6) ungekühltes Abgas aus der Abgasrückführleitung (100) zugeführt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die im Verbrennungskreislauf der Brennkraftmaschine (1) auftretenden Wärmequellen zur Regelung der Abgastemperatur TDNOX genutzt werden und über eine Regel- und Steuereinheit in Abhängigkeit der Abgastemperatur TDNOX und des Verbrennungsluftverhältnisses λ geregelt werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Regel- und Steuereinheit (11) zu jedem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine (1) den Wert des Verbrennungsluftverhältnisses λ und den Wert der Abgastemperatur TDNOX erhält und in Abhängigkeit dieser Werte das Abgasrückführventil (19) und/oder das Sperrventil (102) und/oder das Abblaseventil (103) und/oder das Sperrventil (12) und/oder die Drossel (101) derart regelt, dass das für den entsprechenden Betriebspunkt der Brennkraftmaschine (1) minimal mögliche Verbrennungsluftverhältnis λ in Abhängigkeit der Abgastemperatur erreicht wird.
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