DE102009046120A1 - Method for humidifying intake air of combustion engine, particularly diesel engine, involves determining humidity of intake air, where liquid is injected into intake air depending on humidity of intake air - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Befeuchten der Ansaugluft einer Verbrennungsmaschine. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Verbrennungsmaschine.The present invention relates to a method and apparatus for humidifying the intake air of an internal combustion engine. The invention further relates to an internal combustion engine.
Rechtsvorschriften zum Schadstoffausstoß für Dieselmotoren machen es erforderlich, den Stickoxidausstoß für Dieselmotoren erheblich zu reduzieren. Eine Abgasnachbehandlung in Bezug auf Stickoxide ist teuer, wartungsintensiv, nicht immer zuverlässig und kostenintensiv für den jeweiligen Eigentümer beziehungsweise Kunden. Zudem sind zusätzliche, komplexe Komponenten erforderlich, zum Beispiel für ein Nacheinspritzen von Treibstoff, Carbamid (Harnstoff) oder ähnlichem. Mitunter ist es erforderlich, dass die Maschine in einem separaten Betriebsbereich läuft, während die Nachbehandlung beziehungsweise die Regenerationsprozesse ablaufen.Legislative emission legislation for diesel engines makes it necessary to significantly reduce nitrogen oxide emissions for diesel engines. Aftertreatment with respect to nitrogen oxides is expensive, maintenance-intensive, not always reliable and cost-intensive for the respective owner or customer. In addition, additional, complex components are required, for example, for a post-injection of fuel, carbamide (urea) or the like. Sometimes it is necessary for the machine to run in a separate operating area while the aftertreatment or regeneration processes take place.
Der Stickoxidausstoß ist ein direktes Ergebnis des Verbrennungsprozesses. Das bedeutet, dass durch eine Reduzierung der Stickoxidproduktion während der Verbrennung die Nachbehandlungsprozesse reduziert und optimiert werden können. Denkbar sind auch Kompromisse, zum Beispiel zwischen dem Feinstaubausstoß und dem Stickoxidausstoß. Beispielsweise könnte ein höherer Feinstaubausstoß zugunsten eines niedrigeren Stickoxidausstoßes in Kauf genommen werden.Nitrogen oxide emissions are a direct result of the combustion process. This means that by reducing nitrogen oxide production during combustion, aftertreatment processes can be reduced and optimized. Conceivable are also compromises, for example between the fine dust emission and the nitrogen oxide emissions. For example, a higher particulate matter emissions could be accepted in favor of lower nitrogen oxide emissions.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vorteilhaftes Verfahren zum Befeuchten der Ansaugluft einer Verbrennungsmaschine zur Verfügung zu stellen. Eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine vorteilhafte Vorrichtung zum Befeuchten der Ansaugluft einer Verbrennungsmaschine zur Verfügung zu stellen. Weiterhin besteht eine dritte Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine vorteilhafte Verbrennungsmaschine zur Verfügung zu stellen.Against this background, it is a first object of the present invention to provide an advantageous method for humidifying the intake air of an internal combustion engine. A second object of the present invention is to provide an advantageous apparatus for humidifying the intake air of an internal combustion engine. Furthermore, a third object of the present invention is to provide an advantageous combustion engine.
Die erste Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Befeuchten der Ansaugluft einer Verbrennungsmaschine nach Anspruch 1 gelöst. Die zweite Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Befeuchten der Ansaugluft einer Verbrennungsmaschine nach Anspruch 10 gelöst. Die dritte Aufgabe wird durch eine Verbrennungsmaschine nach Anspruch 14 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere, vorteile Ausgestaltungen der Erfindung.The first object is achieved by a method for humidifying the intake air of an internal combustion engine according to
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Befeuchten der Ansaugluft einer Verbrennungsmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass die Feuchtigkeit der Ansaugluft bestimmt wird und eine Flüssigkeit in Abhängigkeit von der Feuchtigkeit der Ansaugluft in die Ansaugluft eingedüst wird. Durch das erfindungsgemäße Eindüsen von Flüssigkeit in die Ansaugluft in Abhängigkeit von der Feuchtigkeit der Ansaugluft wird die Stickoxidemission effektiv reduziert, indem die variierende Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft berücksichtigt wird. Vorzugsweise kann als Flüssigkeit Wasser verwendet werden.The inventive method for moistening the intake air of an internal combustion engine is characterized in that the humidity of the intake air is determined and a liquid is injected into the intake air depending on the humidity of the intake air. The inventive injection of liquid into the intake air as a function of the humidity of the intake air, the nitrogen oxide emission is effectively reduced by the varying humidity of the ambient air is taken into account. Preferably, water can be used as the liquid.
Weiterhin kann zumindest ein Teil des Abgases der Verbrennungsmaschine der Ansaugluft beigemischt werden. Dabei kann die Flüssigkeit in Anhängigkeit von der Menge und/oder der Feuchtigkeit des beigemischten Abgases in die Ansaugluft eingedüst werden. Auch auf diese Weise wird durch Berücksichtigung der variierenden Umgebungsbedingungen, insbesondere der variierenden Feuchtigkeit des beigemischten Abgases, eine effektive Stickoxidreduzierung erreicht. Vorteilhafterweise kann zumindest ein Teil des Abgases der Verbrennungsmaschine der Ansaugluft beigemischt und die Flüssigkeit nach dem Beimischen des Abgases in die Ansaugluft eingedüst werden. Auf diese Weise kann die erforderliche Flüssigkeitsmenge in Abhängigkeit von den Eigenschaften der Ansaugluft und des beigemischten Abgases bestimmt werden.Furthermore, at least a part of the exhaust gas of the internal combustion engine can be added to the intake air. In this case, the liquid can be injected into the intake air as a function of the amount and / or the humidity of the admixed exhaust gas. In this way, by taking into account the varying environmental conditions, in particular the varying humidity of the admixed exhaust gas, an effective Nitrogen oxide reduction achieved. Advantageously, at least part of the exhaust gas of the internal combustion engine can be admixed with the intake air and the liquid can be injected into the intake air after admixing the exhaust gas. In this way, the required amount of liquid can be determined depending on the characteristics of the intake air and the admixed exhaust gas.
Vorzugsweise können maximal 25 Gramm Flüssigkeit pro Kilogramm Ansaugluft in die Ansaugluft eingedüst werden. Im Falle einer Abgasrückführung können vorzugsweise maximal 25 Gramm Flüssigkeit pro Kilogramm eines Gemisches aus Ansaugluft und beigemischtem Abgas in das Gemisch aus Ansaugluft und beigemischtem Abgas eingedüst werden. Insbesondere können maximal 15 Gramm Flüssigkeit pro Kilogramm Ansaugluft in die Ansaugluft eingedüst werden oder maximal 15 Gramm Flüssigkeit pro Kilogramm des Gemisches aus Ansaugluft und beigemischtem Abgas in das Gemisch aus Ansaugluft und beigemischtem Abgas eingedüst werden. Ein nennenswerter Effekt wird bereits dann erzielt, wenn maximal 8 Gramm Flüssigkeit pro Kilogramm Ansaugluft in die Ansaugluft eingedüst werden können oder maximal 8 Gramm Flüssigkeit pro Kilogramm eines Gemisches aus Ansaugluft und beigemischtem Abgas in das Gemisch aus Ansaugluft und beigemischtem Abgas eingedüst werden können. Ein Beschränkung der Menge der eingedüsten Feuchtigkeit nach oben hin ist vorteilhaft, da eine sehr hohe Flüssigkeitszufuhr eine vergleichsweise geringe Stickoxidreduzierung bewirkt (siehe unten bei
Grundsätzlich ist es vorteilhaft, wenn die Menge der einzudüsenden Flüssigkeit so gewählt wird, dass die Ansaugluft oder ein Gemisch aus Ansaugluft und beigemischtem Abgas nach dem Eindüsen der Flüssigkeit eine Feuchtigkeit zwischen 13 g/kg und 25 g/kg, insbesondere zwischen 15 g/kg und 20 g/kg, vorteilhafterweise 16 g/kg, aufweist.In principle, it is advantageous if the amount of liquid to be injected is selected such that the intake air or a mixture of intake air and admixed exhaust gas after injection of the liquid has a moisture content between 13 g / kg and 25 g / kg, in particular between 15 g / kg and 20 g / kg, advantageously 16 g / kg.
Die Flüssigkeit kann weiterhin in Abhängigkeit von dem Betriebszustand der Verbrennungsmaschine, insbesondere in Abhängigkeit von der Laufgeschwindigkeit und/oder der Drehzahl und/oder dem Drehmoment, eingedüst werden. Die Verbrennungsmaschine kann zum Beispiel als Dieselmotor ausgestaltet sein.The liquid may also be injected in dependence on the operating state of the internal combustion engine, in particular as a function of the running speed and / or the rotational speed and / or the torque. The internal combustion engine can be designed, for example, as a diesel engine.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Befeuchten von Ansaugluft einer Verbrennungsmaschine umfaßt eine Düse zum Eindüsen einer Flüssigkeit in die Ansaugluft. Die Vorrichtung umfaßt weiterhin einen Sensor zur Bestimmung der Feuchtigkeit der Ansaugluft. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung läßt sich insbesondere das erfindungsgemäße Verfahren durchführen.The inventive device for humidifying intake air of an internal combustion engine comprises a nozzle for injecting a liquid into the intake air. The apparatus further comprises a sensor for determining the humidity of the intake air. With the aid of the device according to the invention, the method according to the invention can be carried out in particular.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zudem eine Einrichtung zur Steuerung der einzudüsenden Flüssigkeitsmenge in Abhängigkeit von der Feuchtigkeit der Ansaugluft umfassen. Zudem kann die Verbrennungsmaschine eine Ansaugluftzuleitung und eine Abgasrückführungszuleitung umfassen. Dabei kann die Abgasrückführungszuleitung in die Ansaugluftzuleitung einmünden. Die Düse zum Eindüsen der Flüssigkeit kann dabei bezogen auf die Strömungsrichtung der Ansaugluft stromabwärts der Abgasrückführungszuleitung angeordnet sein. Auf diese Weise kann die Flüssigkeit in ein Gemisch aus Ansaugluft und zurückgeführtem Abgas eingedüst werden.The device according to the invention can also comprise a device for controlling the amount of liquid to be injected as a function of the humidity of the intake air. In addition, the internal combustion engine may comprise an intake air supply line and an exhaust gas recirculation supply line. In this case, the exhaust gas recirculation feed line can lead into the intake air supply line. The nozzle for injecting the liquid can be arranged downstream of the exhaust gas recirculation feed line with respect to the flow direction of the intake air. In this way, the liquid can be injected into a mixture of intake air and recirculated exhaust gas.
Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Abgasrückführungseinrichtung und eine Einrichtung zur Steuerung der einzudüsenden Flüssigkeitsmenge in Abhängigkeit von der Menge des beigemischten Abgases und/oder in Abhängigkeit von der Feuchtigkeit des beigemischten Abgases umfassen. Weiterhin kann die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Einrichtung zur Steuerung der einzudüsenden Flüssigkeitsmenge in Abhängigkeit von dem Betriebszustand der Verbrennungsmaschine umfassen. Insbesondere kann sie eine Einrichtung zur Steuerung der einzudüsenden Flüssigkeitsmenge in Abhängigkeit von der Betriebsgeschwindigkeit beziehungsweise der Drehzahl und/oder dem Drehmoment der Verbrennungsmaschine umfassen. Grundsätzlich kann es bei der genannten Einrichtung zur Steuerung der einzudüsenden Flüssigkeitsmenge um eine Einrichtung handeln, mit deren Hilfe eine Steuerung der einzudüsenden Flüssigkeitsmenge in Abhängigkeit sowohl von der Menge des beigemischten Abgases und/oder der Feuchtigkeit des beigemischten Abgases und der Feuchtigkeit der Ansaugluft, als auch in Abhängigkeit von dem Betriebszustand der Verbrennungsmaschine erfolgen kann. Auf diese Weise läßt sich eine konstante Feuchtigkeit der Ansaugluft beziehungsweise des Gemisches aus Ansaugluft und beigemischtem Abgas erzielen und die Stickoxidemission gezielt beeinflussen und reduzieren.In addition, the device according to the invention may comprise an exhaust gas recirculation device and a device for controlling the amount of liquid to be injected in dependence on the amount of admixed exhaust gas and / or in dependence on the moisture of the admixed exhaust gas. Furthermore, the device according to the invention may comprise a device for controlling the amount of liquid to be injected as a function of the operating state of the internal combustion engine. In particular, it may comprise a device for controlling the amount of liquid to be injected as a function of the operating speed or the rotational speed and / or the torque of the internal combustion engine. In principle, the said device for controlling the quantity of liquid to be injected can be a device with the aid of which a control of the quantity of liquid to be injected depends on both the amount of admixed exhaust gas and / or the moisture of the admixed exhaust gas and the humidity of the intake air can be done depending on the operating state of the internal combustion engine. In this way, it is possible to achieve a constant humidity of the intake air or of the mixture of intake air and admixed exhaust gas and to influence and reduce the nitrogen oxide emission in a targeted manner.
Die erfindungsgemäße Verbrennungsmaschine umfaßt eine zuvor beschriebene Vorrichtung zum Befeuchten von Ansaugluft. Die erfindungsgemäße Verbrennungsmaschine kann beispielsweise als Dieselmotor ausgestaltet sein. Sie hat grundsätzlich dieselben Vorteile wie die zuvor beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung zum Befeuchten der Ansaugluft.The internal combustion engine according to the invention comprises a previously described device for humidifying intake air. The internal combustion engine according to the invention can be designed, for example, as a diesel engine. It basically has the same advantages as the previously described device for humidifying the intake air according to the invention.
Sowohl das erfindungsgemäße Verfahren als auch die erfindungsgemäße Vorrichtung und die erfindungsgemäße Verbrennungsmaschine machen eine Abgasnachbehandlung in Bezug auf die Stickoxidemissionen weitestgehend überflüssig beziehungsweise reduzieren diese zumindest erheblich.Both the method according to the invention and the apparatus according to the invention and the internal combustion engine according to the invention render exhaust gas aftertreatment largely superfluous with respect to the nitrogen oxide emissions or reduce this at least considerably.
Weitere Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugsnahme auf die beigefügten Figuren näher beschrieben. Die beschriebenen Merkmale sind dabei sowohl einzeln als auch in Kombination miteinander vorteilhaft.Further features, features and advantages of the present invention will be described in more detail below with reference to an embodiment with reference to the accompanying figures. The features described are advantageous both individually and in combination with each other.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der
Aus der Meßkurve
Unter Testbedingungen wird die Feuchtigkeit der Ansaugluft beim Betrieb eines Motors typischerweise bei ungefähr 8 g/kg konstant gehalten. Aus der
Die
Die angesaugte Umgebungsluft wird nun mit Hilfe eines Kompressors
Die erfindungsgemäße Verbrennungsmaschine umfaßt weiterhin ein Abgasrückführungssystem
In Strömungsrichtung stromabwärts der Einmündung der Abgasrückführungszuleitung
Die
Die Feuchtigkeit der angesaugten Umgebungsluft
Aus der gefilterten Differenz
Zum Beispiel kann maximal 25, vorteilhafterweise maximal 15, vorzugsweise maximal 8, Gramm Flüssigkeit pro Kilogramm des Gemisches aus Ansaugluft und beigemischtem Abgas in das Gemisch aus Ansaugluft und beigemischtem Abgas eingedüst werden. Grundsätzlich sollte die Menge der eingedüsten Feuchtigkeit nach oben hin beschränkt sein, da eine sehr hohe Flüssigkeitszufuhr eine vergleichsweise geringe Stickoxidreduzierung bewirkt (siehe
Insgesamt läßt sich mit Hilfe der vorliegenden Erfindung die schwankende Feuchtigkeit der Umgebungsluft wirksam ausgleichen. Gleichzeitig wird durch eine zusätzliche Befeuchtung der Ansaugluft unter Berücksichtigung des Betriebszustandes der Verbrennungsmaschine und der Abgasrückführung, beispielsweise des Motors, der Stickoxidausstoß auf ein konstant niedriges Niveau abgesenkt. Die vorliegende Erfindung hat insbesondere den Vorteil, dass mit minimalem Aufwand eine Stickoxidsenkung von mehr als 10% erzielt werden kann.Overall, with the help of the present invention, the fluctuating humidity of the ambient air can be effectively balanced. At the same time, by additionally humidifying the intake air, taking into account the operating state of the internal combustion engine and the exhaust gas recirculation, for example of the engine, the nitrogen oxide output is lowered to a constantly low level. The present invention has the particular advantage that a nitrogen oxide reduction of more than 10% can be achieved with minimal effort.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Stickoxidausstoß in Abhängigkeit von der Feuchtigkeit der AnsaugluftNitrogen oxide emissions depending on the humidity of the intake air
- 22
- Differenz von ca. 20%Difference of about 20%
- 33
- Umgebungsluftambient air
- 44
- Luftfilterair filter
- 55
- Kompressorcompressor
- 66
- Kühlercooler
- 77
- VentilValve
- 88th
- AnsaugluftzuleitungAnsaugluftzuleitung
- 99
- Strömungsrichtungflow direction
- 1010
- LuftmassenmesserAir flow sensor
- 1111
- Flüssigkeitsdüsefluid nozzle
- 1212
- Motorengine
- 1313
- Lufteinlaßair intake
- 1414
- Abgasauslaßexhaust outlet
- 1515
- Turbineturbine
- 1616
- Strömungsrichtung des Gemisches aus Luft und AbgasFlow direction of the mixture of air and exhaust gas
- 1717
- Strömungsrichtung des AbgasesFlow direction of the exhaust gas
- 1818
- Strömungsrichtung des AbgasesFlow direction of the exhaust gas
- 1919
- AbgasrückführungssystemExhaust gas recirculation system
- 2020
- AbgasrückführungszuleitungExhaust gas recirculation supply line
- 2121
- VentilValve
- 2222
- Kühlercooler
- 2323
- Mischung zwischen Luft und AbgasMixture between air and exhaust gas
- 2424
- Geschwindigkeitspeed
- 2525
- Drehmomenttorque
- 2626
- Vorrichtung zur Bestimmung des Sollwertes der FeuchtigkeitDevice for determining the desired value of moisture
- 2727
- Sollwert der FeuchtigkeitSetpoint of humidity
- 2828
- AbgasrückführungsmengeExhaust gas recirculation rate
- 2929
- Feuchtigkeitssensorhumidity sensor
- 3030
- Istwert der FeuchtigkeitActual value of moisture
- 3131
- PT1-GliedPT1
- 3232
- Differenzglieddifferential element
- 3333
- Differenz aus Sollwert und Istwert der FeuchtigkeitDifference between setpoint and actual value of humidity
- 3434
- PT1-GliedPT1
- 3535
- gefilterte Differenz aus Sollwert und Istwert der Feuchtigkeitfiltered difference between setpoint and actual value of humidity
- 3636
- Produktbildungproduct formation
- 3737
- Luftmasseair mass
- 3838
- Sollwert für die zuzuführende FlüssigkeitsmengeSetpoint for the amount of liquid to be supplied
- 3939
- Berücksichtigung der SättigungConsideration of saturation
- 4040
- einzudüsende Flüssigkeitsmengeamount of liquid to be injected
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 19902349 A1 [0007] DE 19902349 A1 [0007]
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