DE102007056102B4 - Method for operating an internal combustion engine and an exhaust aftertreatment system connected thereto with a particle filter and an SCR catalytic converter - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, und eines daran angeschlossenen Abgasnachbehandlungssystems mit mindestens einem Partikelfilter und mindestens einem SCR-Katalysator, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer Regeneration des Partikelfilters über das passive Zuwarten im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors hinaus eine Anhebung des Frischluftmassenstroms durch den Verbrennungsmotor vorgenommen wird.Method for operating an internal combustion engine, in particular a motor vehicle, and an associated exhaust aftertreatment system with at least one particulate filter and at least one SCR catalyst, characterized in that after regeneration of the particulate filter on the passive waiting in normal operation of the internal combustion engine, an increase of the fresh air mass flow through the Internal combustion engine is made.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, und eines daran angeschlossenen Abgasnachbehandlungssystems mit einem Partikelfilter und einem SCR-Katalysator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie ein Abgasnachbehandlungssystem gemäß Patentanspruch 4. Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für Dieselmotoren mit angeschlossener Abgasnachbehandlung mit Stickoxid- und Partikelverminderungsfunktion geeignet.The invention relates to a method for operating an internal combustion engine, in particular a motor vehicle, and an associated exhaust aftertreatment system with a particulate filter and an SCR catalyst according to the preamble of
Stand der TechnikState of the art
Zur Reduktion von Schadstoffen, insbesondere zur Reduktion von Stickoxiden haben sich verschiedene Verfahren etabliert, bei denen reduzierende Fluide (Gase oder Flüssigkeiten) in das Abgassystem eines Verbrennungsmotors eingeleitet werden.To reduce pollutants, in particular for the reduction of nitrogen oxides, various methods have been established in which reducing fluids (gases or liquids) are introduced into the exhaust system of an internal combustion engine.
Zur Verminderung der Stickoxide hat sich besonders die SCR-Technologie bewährt, bei der im sauerstoffreichen Abgas enthaltene Stickoxide (NOx) mit Hilfe von Ammoniak oder einer entsprechenden zu Ammoniak umsetzbaren Vorläufersubstanz selektiv zu Stickstoff und Wasser reduziert werden. Bevorzugt wird hierbei auf wässrige Harnstofflösungen zurückgegriffen. Die Harnstofflösung wird mittels Hydrolysekatalysatoren oder direkt auf dem SCR-Katalysator zu Ammoniak und Kohlendioxid hydrolysiert. Die Harnstofflösung wird mittels spezieller Dosiersysteme vor dem Hydrolysekatalysator oder dem SCR-Katalysator in den Abgasstrom eingespritzt.For the reduction of nitrogen oxides, especially the SCR technology has proved successful, in which the nitrogen oxides (NOx) contained in the oxygen-rich exhaust gas are selectively reduced to nitrogen and water with the aid of ammonia or a corresponding precursor substance convertible to ammonia. Preference is given here to aqueous urea solutions. The urea solution is hydrolyzed by means of hydrolysis catalysts or directly on the SCR catalyst to ammonia and carbon dioxide. The urea solution is injected into the exhaust stream by means of special metering systems upstream of the hydrolysis catalyst or the SCR catalyst.
Darüber hinaus ist es gerade bei Dieselmotoren wichtig, die entstehenden Russpartikel aus dem Abgas herauszufiltern. Entsprechende Partikelfilter sind bekannt, wobei die Regeneration des beladenen Partikelfilters aktiv durch Abbrennen angesammelter Partikel mit im Abgas enthaltenem Sauerstoff bei Abgastemperaturen von 500°C oder darüber und/oder passiv mit im Abgas enthaltenem Stickstoffdioxid bei niedrigeren Temperaturen erfolgen kann.In addition, it is important, especially in diesel engines, to filter out the resulting soot particles from the exhaust gas. Corresponding particulate filters are known, wherein the regeneration of the loaded particulate filter can be carried out actively by burning accumulated particles with exhaust gas contained in the exhaust gas temperatures of 500 ° C or above and / or passive with nitrogen dioxide contained in the exhaust gas at lower temperatures.
In der
In der
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Diese Vorschläge zur Temperaturoptimierung des Abgases vor Eintritt in das Abgasbehandlungssystem sind aufwendig und benötigen weitere Einrichtungen und Hilfsmittel, die das Abgasbehandlungssystem zusätzlich kompliziert gestalten. Die ständige Einregelung der Abgastemperatur erfordert zusätzliche Sensorik und Steuerung, die weitere potentielle Fehlerquellen darstellen und die Lebensdauer des gesamten Abgasnachbehandlungssystems beeinträchtigen können.These proposals for optimizing the temperature of the exhaust gas before entering the exhaust gas treatment system are complicated and require additional facilities and tools that make the exhaust treatment system in addition complicated. The continuous adjustment of the exhaust gas temperature requires additional sensors and control, which are further potential sources of error and can affect the life of the entire exhaust aftertreatment system.
Weiterhin besteht das Problem einer für den SCR-Katalysator zu hohen Abgastemperatur, wenn die hohe Temperatur durch eine aktive oder passive Regeneration des Partikelfilters hervorgerufen ist. Es sind bisher keine geeigneten Maßnahmen außer der Abschaltung oder Umgehung des SCR-Katalysators bekannt, die für diesen Betriebszustand eine Optimierung vorsehen. Dadurch kommt es zu verkürzten Lebenszyklen der verbauten SCR-Katalysatoren, deren Oberflächen vorzeitig altern. Gleichzeitig kann für den Betriebszustand während und nach der Partikelfilter-Regeneration kein optimales Arbeiten der Stickoxid-Reduktion sicher gestellt werden.Furthermore, there is the problem of a high exhaust gas temperature for the SCR catalyst when the high temperature is caused by an active or passive regeneration of the particulate filter. There are no suitable measures except the shutdown or bypass of the SCR catalyst known that for this operating condition Provide optimization. This leads to shortened lifecycles of the installed SCR catalysts whose surfaces age prematurely. At the same time, no optimal working of the nitrogen oxide reduction can be ensured for the operating state during and after the particle filter regeneration.
Aufgabenstellungtask
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, und eines daran angeschlossenen Abgasnachbehandlungssystems mit einem Partikelfilter und einem SCR-Katalysator bereitzustellen, das auf einfache Weise eine Optimierung der SCR-Katalysatortemperatur insbesondere nach der Regeneration des Partikelfilters ermöglicht.The object of the present invention is therefore to provide a method for operating an internal combustion engine, in particular a motor vehicle, and an exhaust aftertreatment system connected thereto with a particulate filter and an SCR catalyst, which enables a simple optimization of the SCR catalyst temperature, in particular after the regeneration of the particulate filter.
Dies wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren entsprechend des Patentanspruchs 1 und einem Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 4 erreicht. In den abhängigen Ansprüchen sind jeweils bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung angegeben.This is inventively achieved by a method according to
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, und eines daran angeschlossenen Abgasnachbehandlungssystems mit mindestens einem Partikelfilter und mindestens einem SCR-Katalysator vorgeschlagen, bei dem nach einer Regeneration des Partikelfilters über das passive Zuwarten im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors hinaus eine Anhebung des Frischluftmassenstroms durch den Verbrennungsmotor vorgenommen wird.According to the invention, a method for operating an internal combustion engine, in particular a motor vehicle, and an associated exhaust aftertreatment system with at least one particulate filter and at least one SCR catalyst is proposed in which, after a regeneration of the particulate filter via passive waiting in normal operation of the internal combustion engine, an increase of the fresh air mass flow is made by the internal combustion engine.
Durch die erfindungsgemäße Anhebung des Frischluftmassenstroms durch den Verbrennungsmotor wird kühleres Abgas erzeugt. Durch diese Maßnahme kann die SCR-Katalysatortemperatur aktiv gesenkt werden, so dass im Vergleich zu den bisherigen Betriebsverfahren solcher Systeme eine schnellere Rückkehr der SCR-Katalysatortemperatur aus den Bereichen, die schädlich für die Beschichtung des Katalysators sind, und auch aus den Bereichen mit eingeschränkter Wirkung und Speicherkapazität des SCR-Katalysators ermöglicht wird.The inventive increase of the fresh air mass flow through the internal combustion engine cooler exhaust gas is generated. By doing so, the SCR catalyst temperature can be actively lowered so that, compared to the previous operating methods of such systems, a faster return of the SCR catalyst temperature from the areas which are detrimental to the coating of the catalyst, and also from the areas with limited effect and storage capacity of the SCR catalyst is made possible.
Diese erfindungsgemäße Optimierung des Temperaturverhaltens des SCR-Katalysators nach einer Regeneration des Partikelfilters benötigt vorteilhafterweise keine Einbauten zur aktiven Kühlung des Abgases im Abgasreinigungssystem. Weiterhin wird auch eine zusätzliche komplizierte Steuerung mit einer Vielzahl von Parametern vermieden.This inventive optimization of the temperature behavior of the SCR catalyst after a regeneration of the particulate filter advantageously requires no internals for the active cooling of the exhaust gas in the exhaust gas purification system. Furthermore, an additional complicated control with a variety of parameters is avoided.
Aufgrund der Tatsache, dass bei hohen Temperaturen generell auch eine erhöhte Stickoxidrohemission von Seiten des Verbrennungsmotors zu beobachten ist, sollte im Fall einer Vorgabe für eine möglichst geringe gesamte Stickoxiderzeugung eine Abgasrückführung weiter erfolgen. Auf diese Weise wird im Wege einer Kompromiss-Vorgabe ein schnelles Abkühlen mittels Anhebung des Frischluftmassenstroms durch den Verbrennungsmotor einerseits mit einer minimalen Stickoxidrohemission verbunden.Due to the fact that at high temperatures in general an increased nitrogen oxide emission from the side of the internal combustion engine is observed, in the case of a specification for the lowest possible total nitrogen oxide production exhaust gas recirculation should continue. In this way, by means of a compromise specification, rapid cooling by means of raising the fresh air mass flow through the internal combustion engine on the one hand is associated with a minimum nitrogen oxide raw emission.
Die Anhebung des Frischluftmassenstroms durch den Verbrennungsmotor kann auf verschiedene, dem Fachmann bekannten Arten erfolgen. Vorzugsweise kann eine solche Anhebung mit Hilfe der Aufladung bei Turbo-aufgeladenen Verbrennungsmotoren erfolgen.The increase of the fresh air mass flow through the internal combustion engine can take place in various ways known to the person skilled in the art. Preferably, such an increase can take place with the aid of turbocharging in turbocharged internal combustion engines.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann gleichzeitig zur Anhebung des Frischluftmassenstroms durch den Verbrennungsmotor eine Verminderung der Abgasrückführungsrate vorgenommen werden.In a further embodiment of the method according to the invention, a reduction in the exhaust gas recirculation rate can be carried out simultaneously to increase the fresh air mass flow through the internal combustion engine.
Auf diese Weise kann eine noch schnellere Abkühlrate erzielt werden. Die Verminderung der Abgasrückführrate kann sogar eine gänzliche Abschaltung der Abgasrückführung einschließen. Dann wird der Frischluftmassenstrom noch zusätzlich erhöht und die Kühlung der SCR-Katalysatortemperatur verläuft besonders schnell. Wie oben bereits ausgeführt kann diese Maßnahme die motorseitige Stickoxidrohemission beeinträchtigen, jedoch kann dies in Abwägung mit den übrigen Betriebsparametern günstig sein.In this way, an even faster cooling rate can be achieved. The reduction of the exhaust gas recirculation rate may even include a complete shutdown of the exhaust gas recirculation. Then the fresh air mass flow is further increased and the cooling of the SCR catalyst temperature is particularly fast. As already stated above, this measure can affect the engine-side nitrogen oxide emissions, but this can be favorable in consideration of the other operating parameters.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in den vorgestellten Ausgestaltungen kann somit je nach Betriebszustand bei Regenerationsende des Partikelfilters entsprechend eine Abgasrückführungsrate zwischen Normalrate und gänzlicher Abschaltung eingestellt werden, die eine optimale Temperaturrückführung des SCR-Katalysators einerseits und eine gewünschte motorseitige Stickoxidrohemission andererseits erzielt.With the method according to the invention in the embodiments presented, an exhaust gas recirculation rate between normal rate and complete shutdown can accordingly be set according to the operating state at regeneration end of the particulate filter, which achieves optimal temperature recycling of the SCR catalyst on the one hand and a desired engine-side nitrogen oxide crude emission on the other hand.
Vorzugsweise können die Übergänge in dem erfindungsgemäßen Verfahren zwischen den Betriebsanpassungen zur Partikelfilterregeneration, zur Anhebung des Frischluftmassenstroms durch den Verbrennungsmotor und zur Verminderung der Abgasrückführrate über Sollwert-Rampen durchgeführt werden.Preferably, the transitions in the method according to the invention between the operating adjustments to the particle filter regeneration, to increase the fresh air mass flow through the engine and to reduce the exhaust gas recirculation rate via setpoint ramps can be performed.
Dadurch können Beeinträchtigungen im Fahrkomfort vermieden werden.As a result, impairments in ride comfort can be avoided.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Abgasnachbehandlungssystem zur Ausführung eines vorgenannten Verfahrens bevorzugt für ein Kraftfahrzeug umfassend mindestens einen Partikelfilter und mindestens einen SCR-Katalysator, wobei das Abgasnachbehandlungssystem Einrichtungen zur Steuerung der Anhebung des Frischluftmassenstroms durch den Verbrennungsmotor aufweist.The invention further relates to an exhaust gas aftertreatment system for carrying out an aforementioned method, preferably for a motor vehicle comprising at least one particle filter and at least one SCR catalytic converter, wherein the exhaust gas aftertreatment system has means for controlling the increase of the fresh air mass flow through the internal combustion engine.
Vorzugsweise kann das Abgasnachbehandlungssystem zusätzlich Einrichtungen zur Verminderung der Abgasrückführrate aufweisen. Mit einer aktiven Steuerung der Abgasrückführrate kann in Verbindung mit der Steuerung der Frischluftmassenströme des Verbrennungsmotors eine Kompromiss-Einstellung zwischen einer sehr schnellen Abkühlung der SCR-Katalysatortemperatur und einer geringen motorseitigen Stickoxidrohemission erzielt werden.Preferably, the exhaust aftertreatment system may additionally comprise means for reducing the exhaust gas recirculation rate. With active control of the exhaust gas recirculation rate, in conjunction with the control of the fresh air mass flows of the internal combustion engine, a compromise setting can be achieved between a very rapid cooling of the SCR catalyst temperature and a low engine-side nitrogen oxide emissions.
Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise anhand von mehreren Ausführungsvarianten in Verbindung mit der Zeichnung erläutert, ohne darauf beschränkt zu sein.The invention is explained below by way of example with reference to several embodiments in conjunction with the drawing, without being limited thereto.
In diesen zeigt:In these shows:
Die untere Temperaturkurve zeigt für eine ebenfalls erfindungsgemäß kombinierte Anhebung des Frischluftmassenstroms durch den Verbrennungsmotor zusammen mit einer gänzlichen Unterbrechung der Abgasrückführung die schnellste Abkühlungsrate des SCR-Katalysators.The lower temperature curve shows the fastest cooling rate of the SCR catalyst for a likewise combined increase of the fresh air mass flow rate by the internal combustion engine together with a complete interruption of the exhaust gas recirculation.
Umgekehrt weist die in dieser Phase 4 entsprechende Stickoxidrohemissionskurve ein umgekehrtes Verhalten auf. Während auch hier die Abnahme der Stickoxidrohemission ohne weitere Maßnahme (Stand der Technik) den langsamsten Rückgang verzeichnet, so zeigt doch die erfindungsgemäße Anhebung des Frischluftmassenstroms bei noch bestehender Abgasrückführung die besten Ergebnisse wie aus dem unteren Kurvenverlauf zu sehen ist. Eine im Kühlverhalten sehr schnelle Kombination der erfindungsgemäßen Anhebung des Frischluftmassenstroms durch den Verbrennungsmotor mit einer gänzlichen Unterbrechung der Abgasrückführung führt zu einem verbesserten Rückgang der Stickoxidrohemission in dieser Phase wie im mittleren Kurvenverlauf gezeigt, jedoch bildet diese Kombination nicht das Optimum hinsichtlich der Variable Stickoxidrohemission des Verbrennungsmotors. In der letzten Phase 5 wird nur noch das Kurvenverhalten für die SCR-Temperatur und die Rohemission ohne jede Maßnahme gezeigt.Conversely, the corresponding in this
Zusammenfassend wird demnach ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, und eines daran angeschlossenen Abgasnachbehandlungssystems mit mindestens einem Partikelfilter und mindestens einem SCR-Katalysator vorgeschlagen, bei dem nach einer Regeneration des Partikelfilters eine Anhebung des Frischluftmassenstroms durch den Verbrennungsmotor vorgenommen wird. Auf diese Weise kann ohne komplizierte Einbauten zur aktiven Kühlung des Abgasstroms und ohne aufwendige Steuerungen in Abhängigkeit von einer Vielzahl von Variablen eine aktive Kühlung der SCR-Katalysatortemperatur nach einer Regeneration des Partikelfilters erreicht werden, die zu einer schnellen Rückkehr der SCR-Katalysatortemperatur unter die Schwellenwerte der Schädigung der Beschichtung und des optimalen Betriebszustands führen.In summary, therefore, a method for operating an internal combustion engine, in particular a motor vehicle, and an associated exhaust aftertreatment system with at least one particulate filter and at least one SCR catalyst is proposed, in which after a regeneration of the particulate filter, an increase of the fresh air mass flow is made by the internal combustion engine. In this way, without complex internals for actively cooling the exhaust stream and without expensive controls depending on a variety of variables, active cooling of the SCR catalyst temperature after regeneration of the particulate filter can be achieved resulting in rapid return of the SCR catalyst temperature below the thresholds cause damage to the coating and the optimum operating state.
Neben einer Verlängerung der Lebensdauer der SCR-Katalysatorbeshichtung kann mit dem erfindugnsgemäßen Verfahren eine verbesserte Abgasreinigung nach einer Regeneration des Partikelfilters erzielt werden.In addition to an extension of the life of the SCR Katalysatorbeshichtung can be achieved with the erfindugnsgemäßen process improved exhaust gas purification after regeneration of the particulate filter.
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