DE102009012336B3 - Method for heating component of exhaust gas after-treatment device of internal combustion engine, involves converting oxygen and fuel contained in exhaust gas to increase temperature of component of exhaust gas after-treatment device - Google Patents
Method for heating component of exhaust gas after-treatment device of internal combustion engine, involves converting oxygen and fuel contained in exhaust gas to increase temperature of component of exhaust gas after-treatment device Download PDFInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufheizen einer Komponente einer Abgasnachbehandlungseinrichtung einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a method for heating a component an exhaust aftertreatment device of an internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
Das Aufheizen von Komponenten von Abgasnachbehandlungseinrichtungen von Brennkraftmaschinen während des regulären Betriebs der Brennkraftmaschinen kann aus einer Reihe von Gründen erfolgen. Zum Beispiel ist es üblich, katalytische Abgaskonverter, wie Oxidationskatalysatoren von Diesel-Brennkraftmaschinen oder Dreiwegekatalysatoren von Otto-Brennkraftmaschinen nach dem Start der Brennkraftmaschinen aufzuheizen, um schneller die sogenannte Light-Off-Temperatur des Abgaskonverters zu erreichen, d. h. die Temperatur, bei der im Abgas enthaltene unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid katalytisch zu Kohlendioxid oxidiert werden. Weiter ist es auch üblich, Partikelfilter von Diesel-Brennkraftmaschinen zur Regeneration des Partikelfilters aufzuheizen, um die im Partikelfilter eingelagerten Rußpartikel zu verbrennen. Darüber hinaus wird eine Aufheizung auch bei Speicherkatalysatoren von Otto-Brennkraftmaschinen vorgenommen, um die Abgastemperatur während der Regeneration des Speicherkatalysators anzuheben. Dadurch kann während der Reduktion der im Speicherkatalysator eingelagerten Stickoxide zu Stickstoff auch für eine Oxidation von Schwefel gesorgt werden, der während der Speicherung der Stickoxide zusammen mit diesen ungewollt im Speicherkatalysator eingelagert wird.The Heating components of exhaust aftertreatment devices of internal combustion engines during of the regular Operation of the internal combustion engine can be done for a number of reasons. For example, it is common catalytic exhaust gas converters, such as oxidation catalysts of diesel internal combustion engines or three-way catalysts of Otto internal combustion engines after the start to heat the internal combustion engine to faster the so-called To achieve the light off temperature of the exhaust gas converter, d. H. the Temperature, in the exhaust gas contained unburned hydrocarbons and carbon monoxide are catalytically oxidized to carbon dioxide. Further It is also common particle filter of diesel internal combustion engines for the regeneration of the particulate filter to heat up the soot particles stored in the particle filter to burn. About that In addition, a heating is also in storage catalytic converters of gasoline internal combustion engines made to the exhaust gas temperature during the regeneration of the Lift storage catalytic converter. This can be done during the reduction of the Storage catalyst also stored nitrogen oxides to nitrogen for one Oxidation of sulfur can be taken care of while storing the nitrogen oxides together with these unintentionally stored in the storage catalyst becomes.
Zur
Aufheizung der zuvor genannten Komponenten, wie Abgas-Konvertern,
Partikelfiltern oder Speicherkatalysatoren, gibt es eine Reihe von
bekannten Verfahren, die in der Praxis hauptsächlich bei der Regeneration
von Partikelfiltern eingesetzt werden. Beispielsweise ist es zur
Regeneration von Partikelfiltern bekannt, vor dem katalytisch beschichteten
Partikelfilter oder einem vorgeschalteten Oxidationskatalysator
zusätzlichen
Kraftstoff in den Abgastrakt einzudösen, der dann mit Hilfe des
Restsauerstoffs im Abgas katalytisch oxidiert wird, was eine zur Regeneration
des Partikelfilters ausreichende Erhöhung der Abgastemperatur bewirkt.
Zur Regeneration von Partikelfiltern sind jedoch auch Verfahren
bekannt, bei denen gezielt in den Verbrennungsvorgang im Brennraum
selbst eingegriffen wird, um die Abgastemperatur auf einen zur Regeneration
benötigten
Wert zu erhöhen.
Der Eingriff kann zum Beispiel eine gezielte innermotorische Kraftstoffnacheinspritzung
in den Brennraum umfassen, um die Abgasenergie zu erhöhen, wobei
dieser Eingriff durch weitere Maßnahmen, wie beispielsweise
eine Drosselung der Ansaugluft oder eine Aufteilung des Abgasstroms
gemäß
Einige dieser Maßnahmen machen jedoch bauliche Veränderungen an der Brennkraftmaschine selbst oder am Abgastrakt oder den Einbau von zusätzlichen Sensoren erforderlich, während andere Maßnahmen, wie innermotorische Maßnahmen, vor allem bei Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen häufig nicht ohne Komforteinbußen, wie eine spürbare Verringerung des Drehmoments oder andere unerwünschte Einschränkungen des normalen Betriebs der Brennkraftmaschinen, durchführbar sind.Some of these measures But make structural changes on the internal combustion engine itself or on the exhaust tract or the installation of additional Sensors required while other measures, like internal engine measures, especially in internal combustion engines of motor vehicles often not without loss of comfort, like a noticeable Reduction of torque or other undesirable limitations the normal operation of the internal combustion engine, are feasible.
In
der nachveröffentlichten älteren
Aus
der
Weiter
ist aus der
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art, mit dem eine Komponente einer Abgasnachbehandlungseinrichtung bei Bedarf durch innermotorische Maßnahmen ohne zusätzliche Sensoren oder Komforteinbußen bzw. eine Beeinträchtigung des normalen Betriebs aufgeheizt werden kann, dahingehend zu verbessern, dass nicht nur bei Brennkraftmaschinen mit Turbolader sondern auch bei Brennkraftmaschinen ohne Turbolader die Erzeugung eines positiven Druckgefälles gefördert werden kann.Proceeding from this, the present invention seeks to improve a method of the type mentioned above, with which a component of an exhaust aftertreatment device by internal engine measures without additional sensors or loss of comfort or impairment of normal operation, to the effect that not only in internal combustion engines with turbocharger but also at Internal combustion engines without turbocharger, the generation of a positive pressure gradient can be promoted.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 gelöst. Danach wird die Öffnungszeit von mindestens einem Auslassventil eines anderen Zylinders der Brennkraftmaschine so eingestellt, dass sich das Auslassventil anders als im normalen Betrieb der Brennkraftmaschine nicht während der Überschneidungsphase öffnet.These The object is achieved by the Characteristics solved in the characterizing part of claim 1. After that, the opening time of at least one exhaust valve of another cylinder of the internal combustion engine adjusted so that the exhaust valve is different than normal Operation of the internal combustion engine does not open during the overlapping phase.
Da im normalen Betrieb der Brennkraftmaschine ein positives Druckgefälle während der Überschneidungsphase und damit ein Überströmen von Frischgas von der Einlassseite zur Auslassseite des Zylinders unerwünscht ist, wird im normalen Betrieb während jeder Überschneidungsphase das Auslassventil eines anderen Zylinders der Brennkraftmaschine geöffnet. Durch das Öffnen des Auslassventils des anderen Zylinders wird im Abgastrakt ein Druckstoß (Vorauslassstoß) erzeugt, der auslassseitig von dem Zylinder mit dem mindestens einen geöffneten Einlass- und Auslassventil einen Überdruck und damit eine Aufhebung des positiven Druckgefälles verursacht. Demgegenüber wird erfindungsgemäß zur Erhöhung des Sauerstoffgehalts und des Kraftstoffgehalts im Abgas vermieden, ein Auslassventil eines anderen Zylinders während jeder Überschneidungsphase der Öffnungszeiten des Zylinders mit dem mindestens einen geöffneten Einlass- und Auslassventil zu öffnen, so dass in diesem Fall kein auslassseitiger Druckstoß erzeugt wird, der während der Überschneidungsphase einem Überströmen von Frischgas von der Einlassseite durch das mindestens eine geöffnete Einlassventil, den Brennraum und das mindestens eine geöffnete Auslassventil des Zylinders mit dem mindestens einen geöffneten Einlass- und Auslassventil in den Abgastrakt entgegenwirken könnte.There during normal operation of the internal combustion engine, a positive pressure gradient during the overlapping phase and thus an overflow of fresh gas from the inlet side to the outlet side of the cylinder is undesirable, will be in normal operation during every overlapping phase the exhaust valve of another cylinder of the internal combustion engine open. By opening the exhaust valve of the other cylinder is in the exhaust tract Generated pressure surge (Vorlassstoß), the outlet side of the cylinder with the at least one open inlet and exhaust valve overpressure and thus causes a cancellation of the positive pressure gradient. In contrast, will According to the invention for increasing the Oxygen content and the fuel content in the exhaust avoided, an exhaust valve of another cylinder during each overlap phase the opening hours of the cylinder with the at least one opened inlet and outlet valve to open, so that generates in this case no discharge-side surge will that while the overlapping phase an overflow of Fresh gas from the inlet side through the at least one opened inlet valve, the combustion chamber and the at least one open exhaust valve of the cylinder with the at least one opened Inlet and exhaust valve could counteract in the exhaust system.
Durch das positive Druckgefälle kann während der Überschneidung der Öffnungszeiten Frischgas, das sowohl unverbrannten Kraftstoff und Sauerstoff enthält, durch das geöffnete Einlassventil, den Brennraum des Zylinders und das geöffnete Auslassventil in den Abgastrakt zugeführt werden kann. Entsprechendes gilt auch für direkteinspritzende Brennkraftmaschine, wo durch das positive Druckgefälle während der Überschneidung der Öffnungszeiten durch das geöffnete Einlassventil in den Brennraum zugeführte Frischluft zusammen mit einem Teil des eingespritzten Kraftstoffs durch das geöffnete Auslassventil in den Abgastrakt eingebracht werden kann.By the positive pressure gradient can while the overlap the opening hours Fresh gas containing both unburned fuel and oxygen through the open one Inlet valve, the combustion chamber of the cylinder and the open exhaust valve fed into the exhaust tract can be. The same applies to direct injection internal combustion engine, where by the positive pressure gradient during the overlap the opening hours the open one Inlet valve into the combustion chamber supplied fresh air along with a portion of the injected fuel through the opened exhaust valve can be introduced into the exhaust system.
Innerhalb des Abgastrakts kann dann der Kraftstoff in dem innermotorisch zugeführten Gasgemisch mit dem Sauerstoff und ggf. im Abgas enthaltenem Restsauerstoff in einer exothermen Oxidationsreaktion umgesetzt werden. Die bei dieser Reaktion frei werdende Wärme wird dann genutzt, um die gewünschte Komponente, wie einen Partikelfilter oder einen Katalysator der Abgasnachbehandlungseinrichtung, aufzuheizen. Die Umsetzung des Kraftstoffs und des Sauerstoffs im Abgastrakt kann vor der aufzuheizenden Komponente erfolgen, indem die frei werdende Wärme das Abgas auf eine höhere Temperatur aufheizt und das aufgeheizte Abgas einen Teil der Wärme an die aufzuheizende Komponente abgibt. Vorzugsweise erfolgt die exotherme Oxidation des Kraftstoffs jedoch in der aufzuheizenden Komponente selbst, zweckmäßig durch katalytische Oxidation an einer mit einem Katalysator beschichteten Oberfläche der aufzuheizenden Komponente, um einen größeren Teil der frei werdenden Wärme direkt in die aufzuheizende Komponente zuzuführen.Within the exhaust gas can then be the fuel in the internal engine supplied gas mixture with the oxygen and optionally contained in the exhaust residual oxygen be reacted in an exothermic oxidation reaction. The at this reaction released heat is then used to the desired Component, such as a particulate filter or a catalyst of Exhaust after-treatment device to heat up. The implementation of the Fuel and the oxygen in the exhaust tract can be heated before the Component done by the heat released the exhaust gas to a higher temperature heats up and the heated exhaust a part of the heat to the Issued aufheizende component. Preferably, the exothermic occurs Oxidation of the fuel, however, in the component to be heated itself, expediently through catalytic oxidation on a catalyst coated surface of the aufheizenden component to a larger part of the released Heat directly feed into the component to be heated.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann im normalen Betrieb der Brennkraftmaschine und ohne spürbare Komforteinbuße die Abgastemperatur so weit erhöht werden, dass eine Regeneration eines Partikelfilters oder Speicherkatalysators ermöglicht wird. Je nach Betriebspunkt der Brennkraftmaschine ist dabei eine Erhöhung der Abgastemperatur bzw. der Temperatur der aufzuheizenden Komponente von etwa 200°K bis etwa 400°K möglich.With the method according to the invention can during normal operation of the internal combustion engine and without noticeable loss of comfort, the exhaust gas temperature so far raised be that a regeneration of a particulate filter or storage catalyst is possible. Depending on the operating point of the internal combustion engine is an increase in the Exhaust gas temperature or the temperature of the component to be heated by about 200 ° K up to about 400 ° K possible.
Um die Menge des während der Überschneidungsphase in den Abgastrakt zugeführten Frischgases zu erhöhen, kann es von Vorteil sein, die Länge der Überschneidungsphase zu vergrößern, indem der Beginn des Öffnens des mindestens einen Einlassventils, d. h. Einlassbeginn, nach vorne und/oder der Beginn des Schließens des mindestens einen Auslassventils, d. h. Auslassende, nach hinten verschoben wird.Around the amount of during the overlapping phase fed into the exhaust tract Increase fresh gas, It may be beneficial to the length of the overlap phase to enlarge by the Beginning of opening the at least one inlet valve, d. H. Beginning of intake, forward and / or the beginning of closing the at least one exhaust valve, d. H. Outlet end, to the rear is moved.
Zur Erzeugung eines die Zufuhr von Frischgas in den Abgastrakt fördernden hohen positiven Druckgefälles während des Gaswechsels in einem Zylinder der Brennkraftmaschine ist es von Vorteil, die Aufheizung nur dann vorzunehmen, wenn entweder in einem Saugrohr der Brennkraftmaschine ein vorbestimmter Mindestsaugrohrdruck überschritten wird und/oder die zum Beispiel mit einem Turbolader oder einem mechanischen Lader ausgestattete Brennkraftmaschine im aufgeladenen Betrieb arbeitet. Dadurch wird vermieden, dass das Druckgefälle durch einen niedrigen einlassseitigen Druck absinkt und damit während der Überschneidungsphase der Öffnungszeiten der Ein- und Auslassventile der Zylinder weniger Frischgas als erwünscht in den Abgastrakt zugeführt wird.to Generation of a supply of fresh gas in the exhaust system promoting high positive pressure gradient while the gas exchange in a cylinder of the internal combustion engine is advantageous to carry out the heating only if either in a suction pipe of the internal combustion engine, a predetermined minimum intake manifold pressure is exceeded and / or the example with a turbocharger or a mechanical Loader equipped internal combustion engine works in charged mode. This avoids that the pressure drop through a low inlet side Pressure drops and thus during the overlapping phase the opening hours the intake and exhaust valves of the cylinder less fresh gas than desired in supplied to the exhaust tract becomes.
Das nach Beendigung der Überschneidungsphase im Zylinder verbliebene Frischgas wird konventionell verbrannt, so dass anders als bei einer Unterbrechung der Zündung keine Beeinträchtigungen des normalen Betriebs der Brennkraftmaschine, wie Verbrennungsaussetzer, spürbar sind.The fresh gas remaining in the cylinder after completion of the overlap phase is combusted conventionally, so that, unlike when the ignition is interrupted, there is no impairment conditions of normal operation of the internal combustion engine, such as misfiring, are noticeable.
Die zur Aufheizung erforderliche Veränderung der Steuerzeiten der Ein- und Auslassventile, wie zuvor beschrieben, gelingt besonders gut bei Brennkraftmaschinen mit einem von der Anmelderin entwickelten, als AVS (Audi-Valvelift-System) bezeichneten Ventilhubschaltsystem, mit dem nicht nur der Hub der Ventile sondern auch die Lage und die Dauer der Öffnungs- bzw. Schließzeiten zylinderspezifisch verändert werden können. Grundsätzlich können dazu jedoch auch andere Verfahren und Vorrichtungen verwendet werden, mit denen sich die Lage und die Dauer der Öffnungs- bzw. Schließzeiten von Ein- und/oder Auslassventilen nach Bedarf verändern lässt.The required for heating change the timing of the intake and exhaust valves, as described above, works particularly well with internal combustion engines with one of the Applicant developed, designated as AVS (Audi Valvelift system) Valve lift system, which not only the stroke of the valves but the location and duration of the opening or closing times changed cylinder-specific can be. in principle can however, other methods and devices are also used with which the location and the duration of the opening and closing times of inlet and / or exhaust valves can be changed as needed.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die erfindungsgemäße Erhöhung des Sauerstoffgehalts und des Kraftstoffgehalts im Abgas immer dann vorgenommen wird, wenn ein Bedarf zur Aufheizung einer Komponente der Abgasnachbehandlungseinrichtung festgestellt wird. Dieser Bedarf kann zum Beispiel im Fall eines Partikelfilters festgestellt werden, indem durch Messung einer Druckdifferenz im Abgastrakt vor und hinter dem Partikelfilter die Beladung des Partikelfilters ermittelt und bei Überschreiten einer vorgegebenen Druckdifferenz auf die Notwendigkeit einer Regeneration des Partikelfilters geschlossen wird, während im Falle eines Speicherkatalysators der Regenerationsbedarf durch Messung des NOx-Gehalts hinter dem Speicherkatalysator festgestellt werden kann.A further preferred embodiment of the method according to the invention provides that the increase of the oxygen content according to the invention and the fuel content in the exhaust gas is always made when a need for heating a component of the exhaust aftertreatment device is detected. This need can be, for example, in the case of a Particulate filter can be determined by measuring a pressure difference in the exhaust tract upstream and downstream of the particulate filter, the loading of the Particle filter determined and when exceeding a predetermined Pressure difference on the need for regeneration of the particulate filter is closed while in the case of a storage catalytic converter, the need for regeneration Measurement of the NOx content detected behind the storage catalyst can be.
Sofern gerade keine anderen Betriebszustände mit höherer Priorität gefordert werden, werden nach der Feststellung des Bedarfs durch das Motorsteuergerät einerseits die Steuerzeiten der Ein- und Auslassventile während der nachfolgenden Gaswechsel so verändert, dass eine Überschneidung ihrer Öffnungszeiten gewährleistet ist, während andererseits für das positive Druckgefälle gesorgt wird. Dieser Zustand wird bevorzugt durch ein Modell in der Motorsteuerung aufrechterhalten, bis entweder ein Betriebszustand mit höherer Priorität gefordert wird oder der Zweck der Aufheizung erreicht worden ist, wie zum Beispiel eine vollständige Regeneration im Falle eines Partikelfilters oder eines Speicherkatalysators oder eine Überschreitung der Light-Off-Temperatur eines Oxidations- oder Dreiwegekatalysators.Provided currently no other operating states with higher priority required become after the determination of the need by the engine control unit on the one hand the timing of the intake and exhaust valves during the subsequent gas changes so changed, that an overlap their opening hours guaranteed is while on the other hand for the positive pressure gradient is taken care of. This condition is preferred by a model in the Engine control maintained until either an operating condition with higher priority is required or the purpose of the heating has been achieved, such as a full one Regeneration in the case of a particulate filter or a storage catalyst or an overrun the light-off temperature of an oxidation or three-way catalyst.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:in the The following is the invention with reference to an illustrated in the drawing embodiment explained in more detail. It demonstrate:
Die
in
Jeder
Zylinder
Die
Betätigung
der Einlassventile
Um
die Emissionswerte der Brennkraftmaschine zu verringern, sollte
der Oxidationskatalysator
Zur
Anreicherung des Abgases mit Kraftstoff und mit Sauerstoff werden
während
eines Gas- oder Ladungswechsels nahe dem Ende des Ausstoßtakts und
dem Beginn des Ansaugtakts der Zylinder
Um
für das
positive Druckgefälle
zu sorgen, erfolgt die Aufheizung des Oxidationskatalysators
Zusätzlich wird
das Druckgefälle
auch durch auslassseitige Maßnahmen
beeinflusst, wie unter Bezugnahme auf
Demgegenüber wird
im normalen Betrieb der Brennkraftmaschine
Die
Aufheizung des Oxidationskatalysators
Die
Aufheizung des Partikelfilters
- 11
- BrennkraftmaschineInternal combustion engine
- 22
- Ansaugtraktintake system
- 33
- Zylindercylinder
- 44
- Abgastraktexhaust tract
- 55
- Abgasturboladerturbocharger
- 66
- Turbineturbine
- 77
- Verdichtercompressor
- 88th
- MotorsteuergerätEngine control unit
- 99
- Abgasnachbehandlungseinrichtungexhaust treatment device
- 1010
- Oxidationskatalysatoroxidation catalyst
- 1111
- Partikelfilterparticulate Filter
- 1212
- Einlassventilintake valve
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- Auslassventiloutlet valve
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- Zündkerzespark plug
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- Zylinderkopfcylinder head
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- Nockencam
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- Nockencam
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- Drucksensorpressure sensor
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