DE102009048169A1 - Method for operating exhaust gas after treatment system of direct injection 4-cycle-diesel engine of vehicle, involves oxidizing combustible components in gas simultaneously and partially by releasing heat quantity to precatalytic converter - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines an eine Brennkraftmaschine angeschlossenen Abgasnachbehandlungssystems nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Brennkraftmaschine mit Abgasnachbehandlungssystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 14.The invention relates to a method for operating an exhaust gas aftertreatment system connected to an internal combustion engine according to the preamble of
Aus der
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bzw. eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasnachbehandlungssystem anzugeben, welche eine weiter verbesserte Abgasaufheizung ermöglichen.The object of the invention is to provide a method or an internal combustion engine with an exhaust aftertreatment system, which allow a further improved Abgasaufheizung.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasnachbehandlungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst.This object is achieved by a method having the features of
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass in einem ersten Betriebsmodus zur Abgasaufheizung eine Späteinspritzung von Kraftstoff in wenigstens einen Brennraum der Brennkraftmaschine derart durchgeführt wird, dass von der Brennkraftmaschine ein mit brennbaren Bestandteilen angereichertes Abgas mit einem Sauerstoffüberschuss abgegeben wird und dass die im Abgas vorhandenen brennbaren Bestandteile wenigstens teilweise am Vorkatalysator unter Wärmefreisetzung oxidiert werden. Da der gleichzeitig von der Brennstoffzugabevorrichtung zwischen dem Vorkatalysator und dem Hauptkatalysator zugegebene Brennstoff wenigstens teilweise und ebenfalls unter Wärmefreisetzung am Hauptkatalysator oxidiert wird, erfolgt eine zweistufige Abgasaufheizung, welche selbst bei ungünstigen Bedingungen, beispielsweise bei Außentemperaturen unterhalb des Gefrierpunkts und/oder in kurzem zeitlichen Abstand zu einem Kaltstart der Brennkraftmaschine eine effektive Abgasaufheizung bewirkt. Dem Hauptkatalysator nachgeschaltete Abgasreinigungseinheiten können somit rasch auf ihre Betriebstemperatur bzw. auf eine für eine Regeneration gegebenenfalls erforderliche erhöhte Temperatur aufgeheizt werden. Ein Verhältnis der infolge von Oxidation von Brennstoff am Hauptkatalysator freiwerdenden ersten Wärmemenge und der infolge von Oxidation von spät eingespritztem Kraftstoff am Vorkatalysator freiwerdenden zweiten Wärmemenge lässt sich in einem weiten Bereich einstellen. Durch Anpassung der Brennstoffzugaberate und/oder der Einspritzmenge in Abhängigkeit der Temperaturen von Vorkatalysator und Hauptkatalysator bzw. der vor und/oder nach ihnen ermittelten Abgastemperaturen, kann ein dem jeweiligen Aufwärmzustand und der jeweiligen Katalysatoraktivität bestmöglich angepasstes Verhältnis der Wärmemengen eingestellt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren erweist sich somit als besonders flexibel und effektiv. Das erfindungsgemäße Verfahren ist hauptsächlich für überwiegend mager betriebene Verbrennungsmotoren, insbesondere für als Dieselmotor ausgebildete Brennkraftmaschinen vorteilhaft, da diese, zumindest bei Teillast, üblicherweise ein relativ gering erwärmtes Abgas abgeben.The method according to the invention is characterized in that, in a first operating mode for heating the exhaust gas, a late injection of fuel into at least one combustion chamber of the internal combustion engine is carried out such that an exhaust gas rich in combustible constituents is released by the internal combustion engine with an excess of oxygen and that the exhaust gas present in the exhaust gas combustible components are at least partially oxidized on the primary catalyst under heat release. Since the fuel added at the same time by the fuel addition device between the precatalyst and the main catalyst is oxidized at least partially and also with heat release at the main catalytic converter, a two-stage exhaust gas heating takes place, which even under unfavorable conditions, for example at outside temperatures below freezing point and / or within a short time interval a cold start of the engine causes an effective Abgasaufheizung. The main catalytic converter downstream exhaust purification units can thus be heated rapidly to its operating temperature or to an optionally required for regeneration elevated temperature. A ratio of the first quantity of heat released as a result of oxidation of fuel at the main catalytic converter and the second quantity of heat released as a result of oxidation of late-injected fuel at the primary catalytic converter can be adjusted within a wide range. By adjusting the fuel addition rate and / or the injection quantity as a function of the temperatures of the primary catalytic converter and main catalytic converter or the exhaust gas temperatures determined before and / or after them, a ratio of the heat quantities optimally adapted to the respective heating state and the respective catalyst activity can be set. The inventive method thus proves to be particularly flexible and effective. The inventive method is mainly for predominantly lean-burn internal combustion engines, in particular for trained as a diesel engine engines advantageous because these, at least at partial load, usually give off a relatively low heated exhaust.
Die Anreicherung des Abgases mit brennbaren Bestandteilen stromauf des Vorkatalysators wird in einem normalen Zugbetrieb der Brennkraftmaschine bevorzugt wenigstens annähernd vollständig durch eine Kraftstoffnacheinspritzung geleistet, wohingegen eine durch eine zeitlich von der Nacheinspritzung abgesetzte und zuvor erfolgende Haupteinspritzung eingespritzte Kraftstoffmenge wenigstens annähernd vollständig drehmomentwirksam in dem wenigsten einen Brennraum verbrennt. Im Bremsbetrieb der Brennkraftmaschine unterbleibt typischerweise eine drehmomenterzeugende Kraftstoffhaupteinspritzung. Unabhängig hiervon erfolgt auf zur Nacheinspritzung analoge Weise eine späte Einspritzung, mit welcher eine Anreicherung von brennbaren Bestandteilen im Abgas erfolgt. In jedem Fall verbleibt ein Sauerstoffüberschuss im Abgas, derart, dass dieses insgesamt mager, d. h. oxidierend ist. Die Brennkraftmaschine wird demgemäß mit einem mageren Motorlambdawert von größer als 1,0 betrieben.The enrichment of the exhaust gas with combustible constituents upstream of the precatalyst is preferably performed in a normal traction of the internal combustion engine at least approximately by a fuel post injection, whereas a fuel injected by a time from the post-injection and previously performed main injection fuel quantity at least approximately completely effective torque in the least one combustion chamber burns. In the braking operation of the internal combustion engine, typically a torque-generating main fuel injection is omitted. Irrespective of this, a late injection takes place in a manner analogous to post-injection, with which an enrichment of combustible components in the exhaust gas takes place. In any case, an excess of oxygen remains in the exhaust gas, such that this total lean, d. H. is oxidizing. The internal combustion engine is accordingly operated with a lean engine lambda value of greater than 1.0.
In Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Späteinspritzung von Kraftstoff eine insbesondere als Nacheinspritzung ausgebildete, nicht brennende Kraftstoffeinspritzung umfasst. Im Zugbetrieb mit Kraftstoffhaupteinspritzung erfolgt eine Nacheinspritzung zeitlich abgesetzt von der Kraftstoffhaupteinspritzung in demselben Arbeitszyklus wie diese. Dabei ist unter nicht mitbrennend eine (Nach-)Einspritzung zu verstehen, bei welcher der eingespritzte Kraftstoff nicht oder nur in geringem Umfang an einer Verbrennung im Brennraum teilnimmt. Typischerweise bleiben 60% bis 95%, bevorzugt 70% bis 90% des Brennwerts erhalten. Im Brennraum können dabei durchaus Crackprozesse ablaufen, welche eine Verkürzung der Kettenlänge bei kettenförmigen Kohlenwasserstoffen im Kraftstoff bewirken. Es kann dabei auch eine Abspaltung von Wasserstoff und eine Teiloxidation erfolgen, derart, dass das Abgas mit Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid angereichert wird. Dadurch ist ein Ablaufen von Nachoxidationsreaktionen am Vorkatalysator verbessert. Eine mögliche Minderung der Aktivität des Vorkatalysators durch Oberflächenbelegung mit langkettigen Kohlenwasserstoffen wird vermieden. Typischerweise erfolgt die Späteinspritzung frühestens in die ausklingende Verbrennung einer Kraftstoffhaupteinspritzung. Bei Durchführung einer Kraftstoffhaupteinspritzung beginnt die Späteinspritzung nach Beendigung der Verbrennung des mit der Haupteinspritzung eingespritzten Kraftstoffs. Bevorzugt erfolgt die Späteinspritzung, mit welcher das Abgas mit brennbaren Bestandteilen angereichert wird, bei Kurbelwinkeln von 30° bis 120°, besonders bevorzugt zwischen 40° und 90° nach dem oberen Totpunkt im Arbeitstakt. Es kann jedoch auch eine Einspritzung im Ausschiebetakt vorgesehen sein. Dabei ist es bevorzugt, den Spritzbeginn in Abhängigkeit von der Drehzahl vorzugeben. Insbesondere bei Durchführung einer Kraftstoffhaupteinspritzung wird der Spritzbeginn der Späteinspritzung mit zunehmender Drehzahl zu zunehmenden Kurbelwinkelgraden verlegt. Neben der nicht brennenden Späteinspritzung können außerdem eine oder mehrere Voreinspritzungen sowie eine insbesondere an die Haupteinspritzung angelagerte, frühe Nacheinspritzung vorgesehen sein.In an embodiment of the method, it is provided that the late injection of fuel comprises a noninflamming fuel injection designed in particular as post-injection. In train operation with main fuel injection, a post-injection takes place in time from the main fuel injection in the same work cycle as this. Here, by not co-firing is meant a (post-) injection in which the injected fuel does not or only to a limited extent participate in combustion in the combustion chamber. Typically, 60% to 95%, preferably 70% to 90%, of the calorific value is retained. In the combustion chamber can quite run off cracking processes, which cause a shortening of the chain length in chain-shaped hydrocarbons in the fuel. It can also be a splitting off of hydrogen and a partial oxidation, such that the exhaust gas with hydrogen and / or Carbon monoxide is enriched. As a result, a run off of post-oxidation reactions at the precatalyst is improved. A possible reduction in the activity of the precatalyst by surface coating with long-chain hydrocarbons is avoided. Typically, the late injection takes place at the earliest in the decaying combustion of a main fuel injection. When a main fuel injection is performed, the late injection starts after the completion of the combustion of the fuel injected with the main injection. Preferably, the late injection, with which the exhaust gas is enriched with combustible components, at crank angles of 30 ° to 120 °, more preferably between 40 ° and 90 ° after top dead center in the power stroke. However, it may also be provided an injection in Ausschiebetakt. It is preferred to specify the start of injection in dependence on the speed. In particular when a main fuel injection is carried out, the start of injection of the late injection is shifted with increasing speed to increasing degrees of crank angle. In addition to the non-burning late injection, it is also possible to provide one or more pilot injections and an early post-injection, which is attached in particular to the main injection.
Obschon die Brennstoffzugabevorrichtung zur Zugabe eines gasförmigen Brennstoffs wie Methan, Wasserstoff oder eines von einem bevorzugt separat vorzusehenden Reformer bereitgestellten Reformats ausgelegt sein kann, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass als Brennstoff ein zum Betrieb der Brennkraftmaschine eingesetzter Flüssigkraftstoff verwendet wird. Dieser wird mittels eines Injektors oder einer Düse bevorzugt mengenmäßig und zeitgesteuert regulierbar dem Abgas zugegeben. Damit entfällt eine Bevorratung bzw. Erzeugung eines weiteren Brennstoffs. Insbesondere ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass als Brennstoff ein zum Betrieb der Brennkraftmaschine eingesetzter Flüssigkraftstoff verwendet wird. Da die Erfindung bevorzugt bei als Dieselmotoren ausgebildeten Brennkraftmaschinen eingesetzt wird, ist insbesondere vorgesehen, dass von der Brennstoffzugabevorrichtung Dieselkraftstoff fein verteilt dem Abgas zugegeben wird. Obschon eine teilweise Aufbereitung des Flüssigkraftstoffs, beispielsweise durch Vorverdampfung, vor der Zugabe ins Abgas vorgesehen sein kann, ist es bevorzugt, wenn der Flüssigkraftstoff wenigstens annähernd vollständig unverändert in seinem ursprünglichen flüssigen Zustand dem Abgas zugegeben wird.Although the fuel adding device may be configured to add a gaseous fuel such as methane, hydrogen, or a reformate provided by a reformer to be preferably separately provided, in another aspect of the invention fuel is used as the liquid fuel used to operate the engine. This is added by means of an injector or a nozzle preferably quantitatively and timed adjustable to the exhaust gas. This eliminates a supply or generation of another fuel. In particular, it is provided in a further embodiment of the invention that is used as fuel for the operation of the internal combustion engine used liquid fuel. Since the invention is preferably used in engine designed as a diesel engine, it is provided in particular that the fuel adding device diesel fuel is finely distributed to the exhaust gas is added. Although a partial treatment of the liquid fuel, for example by pre-evaporation, may be provided before the addition to the exhaust, it is preferred if the liquid fuel is added to the exhaust gas at least approximately completely unchanged in its original liquid state.
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass eine wenigstens teilweise Verdampfung des von der Brennstoffzugabevorrichtung dem Abgas zugegebenen Flüssigkraftstoffs vor Eintritt in den Hauptkatalysator erfolgt. Die wenigstens teilweise Verdampfung des in flüssiger Form dem Abgas zugegebenen Brennstoffs kann dabei durch eine Mischeinrichtung in der Abgasleitung und/oder durch eine ausreichend große Verweilzeit des zugegebenen Brennstoffs im Abgas verstärkt werden. Bevorzugt werden die Brennstoffzugabevorrichtung und der stromabwärtige Teil der Abgasführung so ausgelegt, dass wenigstens 50%, bevorzugt mehr als 70% des in flüssiger Form dem Abgas zugegeben Kraftstoffs vor Eintritt in den Hauptkatalysator im Abgas verdampft.In a further embodiment of the method according to the invention, it is provided that at least partial evaporation of the liquid fuel added to the exhaust gas by the fuel adding device takes place before entry into the main catalytic converter. The at least partial evaporation of the fuel added in liquid form to the exhaust gas can be intensified by a mixing device in the exhaust gas line and / or by a sufficiently long residence time of the added fuel in the exhaust gas. Preferably, the fuel adding device and the downstream part of the exhaust system are designed so that at least 50%, preferably more than 70% of the fuel added in liquid form to the exhaust gas evaporates before entering the main catalyst in the exhaust gas.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die am Vorkatalysator freigesetzte zweite Wärmemenge mindestens etwa der Wärmemenge entspricht, die zur wenigstens teilweisen Verdampfung des durch die Brennstoffzugabevorrichtung dem Abgas zugegebenen Flüssigkraftstoffs benötigt wird. Damit ist sichergestellt, dass die wenigstens teilweise Verdampfung des zugebenen Flüssigkraftstoffs im Abgas keine oder zumindest keine wesentliche Abgastemperaturabsenkung zur Folge hat.In a further embodiment of the method, it is provided that the second quantity of heat released at the primary catalytic converter corresponds at least approximately to the quantity of heat required for the at least partial evaporation of the liquid fuel added to the exhaust gas by the fuel adding device. This ensures that the at least partial evaporation of the added liquid fuel in the exhaust gas has no or at least no significant exhaust gas temperature reduction result.
Bevorzugt ist es, dass die am Vorkatalysator freigesetzte zweite Wärmemenge die Wärmemenge, die zur wenigstens teilweisen Verdampfung des durch die Brennstoffzugabevorrichtung dem Abgas zugegebenen Flüssigkraftstoffs benötigt wird, überkompensiert. Insbesondere ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die zweite Wärmemenge ausreicht, um die Abgastemperatur auslassseitig des Vorkatalysators um wenigstens 50 K im Vergleich zur Abgastemperatur einlassseitig des Vorkatalysators zu erhöhen. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn auch einlassseitig des Hauptkatalysators eine Abgastemperaturerhöhung um wenigstens 50 K im Vergleich zur Abgastemperatur einlassseitig des Vorkatalysators vorhanden ist. Dadurch ist ein besonders rasches Anspringen der katalytischen Oxidationswirkung des Hauptkatalysators ermöglicht.It is preferred that the second amount of heat released at the primary catalytic converter overcompensate for the amount of heat required for the at least partial evaporation of the liquid fuel added to the exhaust gas by the fuel adding device. In particular, it is provided in a further embodiment of the invention that the second amount of heat sufficient to increase the exhaust gas temperature on the outlet side of the primary catalytic converter by at least 50 K compared to the exhaust gas temperature inlet side of the primary catalytic converter. In this case, it is particularly preferred if an exhaust gas temperature increase of at least 50 K in comparison to the exhaust gas temperature on the inlet side of the primary catalytic converter is also present on the inlet side of the main catalytic converter. This allows a particularly rapid onset of the catalytic oxidation effect of the main catalyst.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die erste Wärmemenge ausreicht, um die Abgastemperatur auslassseitig des Hauptkatalysators um wenigstens 200 K im Vergleich zur Abgastemperatur einlassseitig des Hauptkatalysators zu erhöhen. Hierzu wird eine ausreichend große Menge an Brennstoff zwischen dem Vorkatalysator und dem Hauptkatalysator dem Abgas zugegeben. Insbesondere ist es in weiterer Ausgestaltung vorgesehen, dass die erste und/oder die zweite Wärmemenge ausreichen, um das Abgas auslassseitig des Hauptkatalysators soweit aufzuheizen, dass eine Regeneration des Partikelfilters durch thermischen Rußabbrand erfolgen kann. Typischerweise ist hierfür eine Temperaturanhebung auf etwa 600°C ausreichend. In a further embodiment of the method, it is provided that the first amount of heat is sufficient to increase the exhaust gas temperature on the outlet side of the main catalytic converter by at least 200 K compared to the exhaust gas temperature on the inlet side of the main catalytic converter. For this purpose, a sufficiently large amount of fuel between the pre-catalyst and the main catalyst is added to the exhaust gas. In particular, it is provided in a further embodiment that the first and / or the second amount of heat sufficient to heat the exhaust gas outlet side of the main catalyst to the extent that regeneration of the particulate filter can be done by thermal Rußabbrand. Typically, a temperature increase to about 600 ° C is sufficient for this purpose.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Brennstoffzugabe und die Kraftstoffspäteinspritzung derart durchgeführt werden, dass ein vorgebbares und von der Außentemperatur und/oder vom Lastpunkt der Brennkraftmaschine abhängiges Verhältnis von erster und zweiter Wärmemenge resultiert. Dadurch kann den aktuellen Temperaturverhältnissen im Abgasstrang in besonders vorteilhafter Weise Rechnung getragen werden. Bei bereits ausreichend aufgewärmtem Vorkatalysator kann beispielsweise die Brennstoffzugabe im Verhältnis zur Späteinspritzmenge und damit die erste Wärmemenge im Verhältnis zur zweiten Wärmemenge angehoben werden, wodurch eine effektivere Aufheizung eines dem Hauptkatalysators nachgeschalteten Partikelfilters ermöglicht ist. Falls infolge einer vergleichsweise großen Brennkraftmaschinenlast die Brennkraftmaschine ohnehin ein vergleichsweise stark erhitztes Abgas liefert, kann die Späteinspritzmenge und somit die zweite Wärmemenge ebenfalls reduziert werden. Bei besonders niedrigen Außentemperaturen von beispielsweise weniger als minus 10°C, ist es hingegen bevorzugt, zunächst eine höhere Späteinspritzmenge zu wählen und somit das Verhältnis von zweiter Wärmemenge zu erster Wärmemenge anzuheben.In a further refinement of the method, provision is made for the fuel addition and the fuel injection to be carried out in such a way that a specifiable ratio of the first and second heat quantities, which is dependent on the outside temperature and / or the load point of the internal combustion engine, results. As a result, the current temperature conditions in the exhaust system can be taken into account in a particularly advantageous manner. In the case of a pre-catalyst that has already been sufficiently warmed up, for example, the fuel addition in relation to the late injection quantity and thus the first quantity of heat can be increased in relation to the second quantity of heat, thereby enabling a more effective heating of a particle filter arranged downstream of the main catalytic converter. If, as a result of a comparatively large engine load, the internal combustion engine delivers a comparatively strongly heated exhaust gas anyway, the late injection quantity and thus the second quantity of heat can likewise be reduced. At particularly low outside temperatures, for example, less than
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die in einem Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine mit der Späteinspritzung eingespritzte Kraftstoffmenge kleiner als 10 mg je Liter Hubraum der Brennkraftmaschine gewählt wird. Dadurch kann eine Gefahr einer Schmierölverdünnung vermieden oder zumindest verringert werden, welche bei höheren Späteinspritzmengen gegeben ist.In a further embodiment of the method, it is provided that the amount of fuel injected in a working cycle of the internal combustion engine with the late injection is chosen to be less than 10 mg per liter of displacement of the internal combustion engine. As a result, a risk of a lubricating oil dilution can be avoided or at least reduced, which is given at higher late injection quantities.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass bei einer vorliegenden Anforderung zur Abgasaufheizung und Vorliegen einer einen vorgebbaren ersten Schwellenwert unterschreitenden Abgastemperatur einlassseitig und/oder auslassseitig des Vorkatalysators die Kraftstoffspäteinspritzung aktiviert wird und durch Beginn der Brennstoffzugabe der erste Betriebsmodus aktiviert wird, wenn die Abgastemperatur einlassseitig und/oder auslassseitig des Hauptkatalysators einen vorgebbaren zweiten Schwellenwert überschreitet. Damit ist sichergestellt, dass der erste Betriebsmodus mit Späteinspritzung und gleichzeitiger Brennstoffzugabe zwischen Vorkatalysator und Hauptkatalysator nicht vorzeitig, d. h. vor Erreichen der Anspringtemperatur des Hauptkatalysators erfolgt. Dementsprechend wird der gegenüber dem ersten Schwellenwert vorzugsweise etwas höhere zweite Schwellenwert bevorzugt so vorgegeben, dass er der Anspringtemperatur des Hauptkatalysators etwa entspricht. Dabei kann eine den Alterungszustand des Hauptkatalysators berücksichtigende Anpassung im Lauf der Betriebszeit vorgesehen sein.In a further embodiment of the method, it is provided that in a present request for exhaust gas heating and the presence of a predeterminable first threshold below exhaust gas temperature on the inlet side and / or outlet side of the primary catalytic converter, the fuel injection is activated and is activated by the start of the fuel addition of the first operating mode when the exhaust gas temperature inlet and / or the outlet side of the main catalyst exceeds a predetermined second threshold. This ensures that the first mode of operation with late injection and simultaneous addition of fuel between the primary catalyst and the catalyst does not prematurely, d. H. takes place before reaching the light-off temperature of the main catalyst. Accordingly, the second threshold value, which is preferably slightly higher than the first threshold value, is preferably predefined such that it approximately corresponds to the light-off temperature of the main catalytic converter. In this case, an adaptation to the aging state of the main catalytic converter can be provided during the operating time.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass bei aktivem ersten Betriebsmodus bei Überschreiten eines vorgebbaren dritten Schwellenwerts für die Abgastemperatur einlassseitig und/oder auslassseitig des Vorkatalysators mit Beendigung der Späteinspritzung ein Umschalten vom ersten Betriebsmodus zu einem zweiten Betriebsmodus erfolgt, wobei im zweiten Betriebsmodus die Brennstoffzugabe ins Abgas durch die Brennstoffzugabevorrichtung weitergeführt wird. Der erste Betriebsmodus mit gleichzeitiger Späteinspritzung und Brennstoffzugabe wird somit nur solange aufrechterhalten, bis die Abgastemperatur einlassseitig und/oder auslassseitig des Vorkatalysators den dritten Schwellenwert überschritten hat. Damit wird eine weitere Abgasaufheizung durch Nachoxidation nur noch durch den Hauptkatalysator geleistet. Dadurch wird einer thermischen Überlastung des Vorkatalysators vorgebeugt und die Effektivität des in Bezug auf Exothermieerzeugung leistungsfähigeren Hauptkatalysator vorteilhaft ausgenutzt.In a further embodiment of the method, it is provided that when the first operating mode is active when a predeterminable third threshold value for the exhaust gas temperature on the inlet side and / or outlet side of the primary catalytic converter ends at the end of the late injection, switching from the first operating mode to a second operating mode takes place, wherein in the second operating mode the fuel addition is continued into the exhaust gas through the fuel adding device. The first operating mode with simultaneous late injection and fuel addition is thus maintained only until the exhaust gas temperature on the inlet side and / or outlet side of the precatalyst has exceeded the third threshold. Thus, a further exhaust gas heating is performed by post-oxidation only by the main catalyst. This prevents a thermal overload of the precatalyst and advantageously takes advantage of the efficiency of the main catalyst which is more efficient with respect to the generation of exothermic energy.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Brennkraftmaschine überwiegend derart betrieben, dass das von der Brennkraftmaschine abgegebene Abgas ein NOx/PM-Verhältnis von mehr als 20, insbesondere von mehr als 40 aufweist. Unter NOx/PM-Verhältnis ist dabei ein Masseverhältnis des von der Brennkraftmaschine emittierten NOx, berechnet als NO, zu der emittierten Partikelmasse (PM = particulate matter) zu verstehen. Die erfindungsgemäße Einstellung des NOx/PM-Verhältnisses von mehr als 20 bzw. 40 wird dabei vor allem beim normalen Betrieb, d. h. bei inaktiver Abgasaufheizung vorgenommen. Infolge des NOx-reichen Brennkraftmaschinenbetriebs ist die Häufigkeit von Partikelfilterregenerationen durch thermischen Rußabbrand verringert, da von der Brennkraftmaschine emittiertes NO am Vorkatalysator und/oder am Hauptkatalysator zu NO2 oxidiert wird und dieses eine Rußoxidation bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen ermöglicht.In a further embodiment of the method, the internal combustion engine is predominantly operated such that the exhaust gas emitted by the internal combustion engine has a NOx / PM ratio of more than 20, in particular more than 40. A NOx / PM ratio is understood as meaning a mass ratio of the NOx emitted by the internal combustion engine, calculated as NO, to the emitted particulate matter (PM). The adjustment according to the invention of the NOx / PM ratio of more than 20 or 40 is carried out in particular during normal operation, ie when the exhaust gas heating is inactive. Due to the NOx-rich engine operation, the frequency of particulate filter regeneration due to thermal soot burnup is reduced because NO emitted from the engine is oxidized to NO 2 at the primary catalyst and / or at the main catalyst and this allows soot oxidation at relatively low temperatures.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auch gelöst durch eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasnachbehandlungssystem, welches einen als Oxidationskatalysator ausgeführten Vorkatalysator, einen dem Vorkatalysator in Abgasströmungsrichtung nachgeschalteten und als Oxidationskatalysator ausgeführten Hauptkatalysator, einen dem Hauptkatalysator in Abgasströmungsrichtung nachgeschalteten Partikelfilter, und eine Brennstoffzugabevorrichtung zur Zugabe eines Brennstoffs in das Abgas zwischen dem Vorkatalysator und dem Hauptkatalysator aufweist, wobei die Brennstoffzugabevorrichtung zur Abgabe eine Sprühnebels von Flüssigkraftstofftröpfchen ausgelegt ist, welche im Mittel einen kleineren Durchmesser als 0,2 mm aufweisen. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Brennstoffzugabevorrichtung Flüssigkraftstofftröpfchen mit im Mittel weniger als 0,1 mm Durchmesser abgeben kann. Infolge dieser Ausführung ist eine effektive Verdampfung von durch die Brennstoffzugabevorrichtung in Form eines Sprühnebels insbesondere zugegebenem Dieselkraftstoff ermöglicht, bevor dieser den Hauptkatalysator erreicht. Dies ermöglicht eine effektive Oxidation des Dieselkraftstoffs am Hauptkatalysator mit entsprechender Wärmefreisetzung und wirksamer Aufheizung des nachgeschalteten Partikelfilters. Die möglichst weitgehende Verdampfung von durch die Brennstoffzugabevorrichtung zugegebenem Dieselkraftstoff vermeidet zudem eine Oberflächenbelegung und gegebenenfalls nachgelagerte Verrußung des Hauptkatalysators.The object underlying the invention is also achieved by an internal combustion engine having an exhaust gas aftertreatment system, which comprises a precatalyst arranged as an oxidation catalyst, a main catalyst downstream of the precatalyst in the exhaust gas flow direction and designed as an oxidation catalyst, a particle filter downstream of the main catalyst in the exhaust gas flow direction, and a fuel adding device for adding a fuel into the exhaust gas between the pre-catalyst and the main catalyst, wherein the fuel adding device is adapted to discharge a spray of liquid fuel droplets having an average diameter smaller than 0.2 mm. It is particularly preferred if the fuel adding device liquid droplets with an average diameter of less than 0.1 mm can deliver. As a result of this embodiment, effective vaporization of diesel fuel, in particular added by the fuel adding device in the form of a spray, is enabled before it reaches the main catalyst. This allows effective oxidation of the diesel fuel at the main catalyst with appropriate heat release and effective heating of the downstream particulate filter. The greatest possible evaporation of diesel fuel added by the fuel adding device also avoids surface occupancy and optionally downstream carbon fouling of the main catalyst.
Für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist vorgesehen, dass zwischen Vorkatalysator und Hauptkatalysator kein weiteres reinigungswirksames Abgasbehandlungselement im Abgasnachbehandlungssystem angeordnet ist. Ferner ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine zur Durchführung von Mehrfacheinspritzungen, insbesondere von Kraftstoffspäteinspritzungen befähigt ist. Ferner ist in Ausgestaltung der Erfindung für die Brennkraftmaschine ein Abgasturbolader mit einer vom Abgas antreibbaren Turbine vorgesehen und der Vorkatalysator ist turbinennah stromabwärts der Turbine angeordnet. Diese Ausführung mit einem geringen Abstand des Vorkatalysators zur Turbine ermöglicht eine rasche Aufwärmung des Vorkatalysators. Vorzugsweise beträgt der Abstand des Vorkatalysators zur Turbine weniger als 400 mm, besonders bevorzugt weniger als 200 mm.For the internal combustion engine according to the invention it is provided that no further cleaning-effective exhaust gas treatment element is arranged in the exhaust aftertreatment system between the primary catalyst and catalyst. It is further provided that the internal combustion engine is capable of carrying out multiple injections, in particular fuel injection. Furthermore, in an embodiment of the invention for the internal combustion engine, an exhaust gas turbocharger with a turbine drivable by the exhaust gas is provided and the precatalyst is arranged near the turbine downstream of the turbine. This embodiment with a small distance of the pre-catalyst to the turbine allows a rapid warming of the precatalyst. Preferably, the distance of the precatalyst to the turbine is less than 400 mm, more preferably less than 200 mm.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der Hauptkatalysator eine Edelmetallbeladung auf, welche weniger als 40 g/ft3 beträgt und der Vorkatalysator weist eine demgegenüber um wenigstens 50% höhere Edelmetallbeladung auf. Bevorzugt ist die Beschichtung wenigstens des Vorkatalysators als Beschichtung mit geringer oder vernachlässigbarer Sauerstoffspeicherfähigkeit ausgelegt. Die Edelmetallbeladung ist bevorzugt durch die Platinmetalle Platin (Pt), Palladium (Pd) und/oder Rhodium (Rh) gebildet. Dabei kann die Edelmetallbeladung insbesondere des Vorkatalysators auch frei von Rhodium sein. Bevorzugt ist für den Vorkatalysator und/oder den Hauptkatalysator eine Edelmetallbeladung mit einem Pt/Pd-Verhältnis von 10:1 bis 1:1. Besonders bevorzugt ist eine Verhältnis von etwa 3:1. Bevorzugt ist der Vorkatalysator relativ klein im Verhältnis zum Hauptkatalysator ausgelegt. Ausreichend ist es, wenn das Volumen des Vorkatalysators 30% bis 10% des Hauptkatalysatorvolumens beträgt. Auf diese Weise kann mit einem insgesamt vergleichsweise geringen Edelmetalleinsatz eine effektive Aufheizung des Partikelfilters auch bei niedrigen Außentemperaturen erzielt werden. Dabei ermöglicht die erfindungsgemäße Ausführung eine zweistufige Abgasaufheizung, bei welcher durch Nachoxidation von späteingespritztem Kraftstoff am Vorkatalysator eine erste Abgastemperaturerhöhung erfolgen kann. Eine zweite, weitere Abgastemperaturerhöhung erfolgt durch Oxidation des von der Brennstoffzugabevorrichtung zugegebenen Brennstoffs am Hauptkatalysator.In a further embodiment of the invention, the main catalyst has a noble metal loading, which is less than 40 g / ft 3 and the precatalyst has a contrast to at least 50% higher noble metal loading. Preferably, the coating of at least the precatalyst is designed as a coating with low or negligible oxygen storage capacity. The noble metal loading is preferably formed by the platinum metals platinum (Pt), palladium (Pd) and / or rhodium (Rh). The noble metal loading, in particular of the precatalyst, may also be free of rhodium. Preferably, for the precatalyst and / or the main catalyst is a noble metal loading with a Pt / Pd ratio of 10: 1 to 1: 1. Particularly preferred is a ratio of about 3: 1. Preferably, the precatalyst is designed relatively small in relation to the main catalyst. It is sufficient if the volume of the precatalyst is 30% to 10% of the main catalyst volume. In this way, effective heating of the particulate filter even at low outside temperatures can be achieved with an overall comparatively low use of precious metals. In this case, the embodiment according to the invention enables a two-stage exhaust gas heating, in which a first exhaust gas temperature increase can take place by post-oxidation of late-injected fuel at the primary catalytic converter. A second, further increase in exhaust gas temperature takes place by oxidation of the fuel added by the fuel adding device to the main catalytic converter.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnungen veranschaulicht und werden nachfolgend beschrieben. Dabei sind die vorstehend genannten und nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Merkmalskombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.Advantageous embodiments of the invention are illustrated in the drawings and described below. In this case, the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the respectively specified combination of features, but also in other combinations or alone, without departing from the scope of the present invention.
Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung einer vorteilhaften Ausführungsform eines Systems von Brennkraftmaschine und Abgasnachbehandlungssystem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,The single FIGURE shows a schematic representation of an advantageous embodiment of a system of internal combustion engine and exhaust aftertreatment system for performing the method according to the invention,
Die Brennkraftmaschine
Den Zylindern des Dieselmotors
Der Dieselmotor
In den Brennräumen der Zylinder des Dieselmotors
Eine bevorzugte Ausführungsform des dem Dieselmotor
Als Partikelfilter
Der SCR-Katalysator
Der Vorkatalysator
Der Hauptkatalysator
Ausgangsseitig des Vorkatalysators
Im Abgasnachbehandlungssystem
Zur Steuerung bzw. Erfassung des Motorbetriebs ist ein elektronisches Motorsteuergerät
In analoger Weise ist zur Erfassung und Einstellung von Betriebs- und Zustandsgrößen des Abgasnachbehandlungssystems
Nachfolgend wird auf vorteilhafte Einstellungen und Vorgehensweisen beim Betreiben des Dieselmotors
Die Beladung des Partikelfilters
In einer nachfolgend als erstem Betriebsmodus bezeichneten Einstellung wird eine zweistufige Abgasaufheizung durchgeführt. Der erste Betriebsmodus wird vorteilhaft insbesondere bei niedrigen Außentemperaturen und damit typischerweise verbundenen relativ niedrigen Temperaturen im Abgasnachbehandlungssystem
Zur Realisierung der Abgastemperaturanhebung um die erste Temperaturstufe am Vorkatalysator
Zur Realisierung der Abgastemperaturanhebung um die zweite Temperaturstufe am Hauptkatalysator
Die vom Injektor bzw. der Brennstoffzugabevorrichtung
Eine besonders vorteilhafte Vorgehensweise sieht eine Einstellung von Späteinspritzmenge und vom Injektor abgegebener Brennstoffmenge derart vor, dass sich zunächst ein rampenförmiger Anstieg der Hauptkatalysator-Austrittstemperatur auf einen Zielwert für die Partikelfilterregeneration im Bereich zwischen von 525°C bis 625°C ergibt. Vorzugsweise wird eine Temperaturanstiegsgeschwindigkeit von mehr als 1 K/min eingestellt. Besonders bevorzugt ist eine Temperaturanstiegsgeschwindigkeit von etwa 75 K/min. Auf diese Weise wird die Gefahr einer rasch einsetzenden und unkontrollierbar verlaufenden, lawinenartigen Rußabbrandreaktion mit lokal unzulässig überhöhten Spitzentemperaturen und daraus resultierenden Beschädigungen des Partikelfilters
Vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, eine sich an die rampenförmige Aufheizphase anschließende Abbrandphase ihrerseits aufzuteilen in zwei, vorzugsweise etwa 6 Phasen mit unterschiedlichen Rußabbrandgeschwindigkeiten bzw. unterschiedlichen Hauptkatalysator-Austrittstemperaturen. In einer ersten Rußabbrandphase wird dabei die Regeneration nach Anstieg der Hauptkatalysator-Austrittstemperatur auf einen ersten Zielwert von etwa 525°C begonnen. Vorzugsweise wird die Temperatur in vorgegebenen oder vorgebbaren Schritten nach Ablauf einer jeweils vorgebbaren Beharrungszeit bis auf einen Endzielwert von vorzugsweise etwa 600°C bis 625°C erhöht. Die Temperaturzielwerte und Beharrungszeiten der jeweiligen Temperaturstufen werden vorzugsweise unter Berücksichtigung des Sauerstoffgehalts des Abgases, des Abgasmassenstroms und gegebenenfalls weiterer die Rußabbrandgeschwindigkeit beeinflussender Größen so gewählt, dass keine unkontrollierbare Reaktion stattfinden kann, aber dennoch ein möglichst guter Abbrand erfolgt. Je nach Größe und Typ des Filters werden Rußabbrandgeschwindigkeiten eingestellt, die einer Abnahme der Rußbeladung um 1 g je Liter Filtervolumen in etwa 0,5 min bis 4 min entsprechen. Vorteilhaft ist es, die Umschaltung von einer Phase zur nächsten zeitgesteuert nach Ablauf einer vorgegebenen oder vorgebbaren Zeitspanne unter Berücksichtigung der genannten Einflussfaktoren vorzunehmen. Die Umschaltung wird vorgenommen, indem Späteinspritzmenge und/oder Brennstoffzugabemenge so eingestellt werden, dass sich eine Erhöhung der Hauptkatalysator-Austrittstemperatur auf den jeweiligen Temperaturzielwert ergibt. Bezüglich der infolge von Oxidation der Späteinspritzmenge bzw. der Brennstoffzugabemenge an Vorkatalysator
Eine zweistufige Abgasaufheizung ist vorliegend für den Fall einer niedrigen Abgastemperatur vorgesehen. Bei ausreichend hohen Abgastemperaturen im Bereich der Brennstoffzugabevorrichtung
Es ist außerdem vorgesehen, die Späteinspritzung lediglich in bestimmten Bereichen des Last-Drehzahlkennfelds des Dieselmotors zuzulassen. Vorliegend ist eine Freigabe der Späteinspritzung zur Abgasaufheizung in einem Kennfeldbereich vorgesehen, welcher durch einen Drehzahlbereich von Leerlaufdrehzahl bis 90% der Nenndrehzahl gegeben ist. In Bezug auf den Lastbereich ist der Kennfeldbereich nach unten bevorzugt durch das maximale negative Moment bei Schubbetrieb bzw. Bremsbetrieb begrenzt. Nach oben ist der für eine Späteinspritzung zugelassene Kennfeldbereich vorzugsweise durch eine Gerade begrenzt, welche von einem Mitteldruck von etwa 8 bar bei Leerlaufdrehzahl bis 0 bar beim 90%-Wert der Nenndrehzahl verläuft.It is also contemplated to allow the late injection only in certain areas of the load-speed map of the diesel engine. In the present case, a release of the late injection is provided for exhaust gas heating in a map area, which is given by a speed range from idle speed to 90% of the rated speed. With respect to the load range, the map area downwards is preferably limited by the maximum negative torque during coasting or braking operation. To the top of the approved for a late injection map area is preferably limited by a straight line which runs from a mean pressure of about 8 bar at idle speed to 0 bar at 90% value of the rated speed.
Für die Freigabe einer parallel zur Späteinspritzung erfolgenden Brennstoffzugabe durch die Brennstoffzugabevorrichtung
Da bei ausreichend hohen Abgastemperaturen im Bereich der Brennstoffzugabevorrichtung
Im Falle einer Regeneration des Partikelfilters
Insgesamt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren bzw. eine Brennkraftmaschine zur Verfügung, mit welchen eine besonders effektiv Abgasaufheizung auch und besonders bei sehr niedrigen Außentemperaturen ermöglicht ist. Durch die erfindungsgemäße zweistufige Abgasaufheizung ist beispielsweise eine Partikelfilterregeneration durch Rußabbrand in weiten Kennfeldbereichen sowohl bei niedrigen Lasten als auch bei Schub- bzw. Bremsbetrieb ermöglicht.Overall, the present invention provides a method or an internal combustion engine with which a particularly effective exhaust gas heating is also possible and especially at very low outside temperatures. Due to the two-stage exhaust gas heating according to the invention, for example, a particulate filter regeneration is enabled by Rußabbrand in wide map areas both at low loads and in thrust or braking operation.
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