DE102011083458A1 - Method for introducing unburnt hydrocarbons into an exhaust gas pipe of a four-stroke-piston-combustion engine, involves introducing hydrocarbons into combustion chamber in area of ignition-upper dead center - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen in einen Abgastrakt einer Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a method for introducing unburned hydrocarbons into an exhaust tract of a four-stroke reciprocating internal combustion engine having the features of the preamble of
Bei aktuellen Abgasnachbehandlungssystemen für Diesel-Brennkraftmaschinen muss das Abgas zumindest zeitweise den jeweiligen Anforderungen entsprechend konditioniert werden. Dies ist nötig um den korrekten Betrieb dieser Abgasnachbehandlungssysteme über einen längeren Zeitraum sicherzustellen. Im Speziellen sind bei den momentanen Diesel-Abgasnachbehandlungssystemen Partikelfilter (DPF) und NOx-Speicherkatalysator (NSC) zyklische Regenerationen notwendig.In current exhaust aftertreatment systems for diesel internal combustion engines, the exhaust gas must be at least temporarily conditioned according to the respective requirements. This is necessary to ensure the correct operation of these exhaust aftertreatment systems over a longer period of time. Specifically, in the current diesel exhaust aftertreatment systems, particulate filters (DPF) and NO x storage catalytic converter (NSC) require cyclic regeneration.
Anforderung an die Dieselpartikelfilter-Regeneration: Die Abgastemperatur vor dem DPF muss möglichst lastpunktunabhängig auf ein hohes Niveau (ca. 580–650°C bei Nicht-Additivsystemen) angehoben werden, um die thermische Oxidation des im DPF eingelagerten Rußes zu bewirken. Als zusätzliche Bedingung muss noch ein hoher (Rest-)Sauerstoffgehalt im Abgas vor dem DPF sichergestellt werden, sodass genügend Sauerstoff für diese Reaktion bereitsteht. Im Realbetrieb muss typischerweise eine 15 minütige DPF-Regeneration ca. alle 1200 km (abhängig vom Fahrprofil) durchgeführt werden. Der aktuelle Stand bei vielen Diesel-Brennkraftmaschinen besteht darin, die Abgastemperaturen durch innermotorische Einstellungen anzuheben. Dies geschieht durch Androsselung der Brennkraftmaschine und Applikation mehrerer Kraftstoffeinspritzungen im Verbrennungszyklus. Einige dieser Einspritzungen können teilweise auch spät nach dem Zünd-OT (bis zu ca. 180°KW (Kurbelwelle) nach dem oberen Totpunkt des Kolbens) appliziert sein. Diese späte Applikation bewirkt ein Anheben der Abgastemperaturen beim Öffnen des Gaswechselauslassventils, sowie ein Anheben der HC/CO-Emissionen (Kohlenwasserstoff/Kohlenmonoxid) im Abgas. Die Oxidation der teilweise hohen HC/CO-Emissionen in den der Brennkraftmaschine nachgeschalteten katalytischen Elementen führt zu einer zusätzlichen Exothermie im Abgasstrang. In Summe wird durch das innermotorisch angehobene Abgastemperaturniveau und der Exotherme aufgrund der HC/CO-Oxidation das gewünschte Regenerationstemperaturniveau vor und auch im DPF erreicht.Requirement for diesel particle filter regeneration: The exhaust gas temperature upstream of the DPF must be raised to a high level (approx. 580-650 ° C for non-additive systems), as far as possible from the load point, in order to effect the thermal oxidation of the soot deposited in the DPF. As an additional condition, a high (residual) oxygen content in the exhaust gas must be ensured before the DPF, so that enough oxygen is available for this reaction. In real operation, a 15-minute DPF regeneration typically has to be performed approximately every 1200 km (depending on the driving profile). The current state of many diesel internal combustion engines is to raise the exhaust gas temperatures by internal engine settings. This is done by throttling the engine and applying multiple fuel injections in the combustion cycle. Some of these injections can also be partially applied late after the ignition TDC (up to about 180 ° CA (crankshaft) after top dead center of the piston). This late application causes an increase in the exhaust gas temperatures when opening the gas exchange outlet valve, as well as an increase in the HC / CO emissions (hydrocarbon / carbon monoxide) in the exhaust gas. The oxidation of the partially high HC / CO emissions in the catalytic converter connected downstream of the engine leads to an additional exotherm in the exhaust system. In sum, the desired regeneration temperature level before and also in the DPF is achieved due to the internal engine-elevated exhaust gas temperature level and the exotherm due to the HC / CO oxidation.
Anforderungen an die NSC (NOx Storage Catalyst) Regeneration: Zur Durchführung einer NSC-Regeneration (die sogenannte „DeNOx” Reaktion, der Umwandlung der im NSC gespeicherten Nitrate in Stickstoff) muss möglichst lastpunktunabhängig ein bestimmtes Lambda-Niveau im Abgas kleiner eins (typischerweise ca. 0.92) vor dem NSC bereitgestellt werden. Die Aufgrund des Sauerstoffmangels nicht vollständig oxidierten Kraftstoffkomponenten (H2, CO, HC) im Abgas dienen als Reduktionsmittel für die gespeicherten Nitrate. Der Restsauerstoffgehalt im Abgas am NSC soll bei dieser Betriebsart möglichst gering sein da er den DeNOx-Reduktionsprozess beeinträchtigt. Im Realbetrieb wird ca. alle zehn Minuten eine NSC-Regeneration mit bis zu 15 sec. Dauer benötigt, um das gesamte gespeicherte Nitrat abzubauen. Der diesbezüglich aktuelle Stand bei vielen Dieselbrennkraftmaschinen besteht ähnlich wie im DPF-Regenerationsbetrieb darin, Verbrennungseinstellungen für die Brennkraftmaschine zu finden, welche zu einem Lambda Niveau kleiner eins im Abgasstrang führen. Die heute üblichen, hauptsächlichen Maßnahmen zur Erreichung dieses Ziels sind wiederum die starke Androsselung der Brennkraftmaschine und die Applikation teilweise sehr hoher Nacheinspritzmengen bei Einspritzzeitpunkten bis zu ca. 180°KW nach OT.NSC (NO x Storage Catalyst) Regeneration Requirements: In order to carry out NGC regeneration (the so-called "DeNO x " reaction, the conversion of nitrates stored in the NSI to nitrogen), a specific lambda level in the exhaust gas must be less than or equal to zero typically about 0.92) before the NPC. The fuel components (H 2 , CO, HC) in the exhaust gas which are not completely oxidized due to the lack of oxygen serve as reducing agents for the stored nitrates. The residual oxygen content in the exhaust gas at the NSC should be as low as possible in this operating mode because it impairs the DeNO x reduction process. In real operation, an NSC regeneration with a duration of up to 15 seconds is required approximately every ten minutes to reduce the total stored nitrate. The current state of many diesel internal combustion engines is similar to the DPF regeneration mode is to find combustion settings for the internal combustion engine, which lead to a lambda level less than one in the exhaust system. The main measures that are common today to achieve this goal are, in turn, the strong throttling of the internal combustion engine and the application of sometimes very high post-injection quantities at injection times up to about 180 ° CA after TDC.
Hieraus resultieren folgende Nachteile:
Der Betriebsbereich der o. g. Verbrennungseinstellungen ist beschränkt: Speziell in niedriglastigen Betriebspunkten lässt sich die hohe benötigte Kraftstoffmenge zur Temperaturerhöhung und Lambdaabsenkung nicht mehr durch Nacheinspritzungen einbringen, ohne dass das Brennkraftmaschinenausgangsmoment angehoben wird. Somit sind solche Verbrennungseinstellungen in niedriglastigen Betriebspunkten nicht darstellbar.This results in the following disadvantages:
The operating range of the above-mentioned combustion settings is limited: Especially in low-load operating points, the high amount of fuel required for increasing the temperature and lambda reduction can no longer be introduced by post-injection without the engine output torque being increased. Thus, such combustion settings can not be displayed in low-load operating points.
Hoher Kraftstoffmehrverbrauch:High fuel consumption:
Speziell DPF-Regeneration Verbrennungseinstellungen sind in Konstantfahrpunkten bei geringen Geschwindigkeiten aufgrund eines hohen Kraftstoffmehrverbrauchs nicht mehr effizient darstellbar. Ein Teil der innermotorisch, aus dem zugeführten Kraftstoff erzeugten Wärme wird durch den Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine abgeführt und steht nicht mehr im Abgas zur Verfügung. Diese fehlende Wärmemenge erhöht den Kraftstoffmehrverbrauch in den DPF-Regenerationseinstellungen.Specially DPF regeneration Combustion settings can no longer be efficiently displayed at constant speeds at low speeds due to high fuel consumption. Some of the heat generated within the engine, from the fuel supplied, is dissipated by the coolant circuit of the internal combustion engine and is no longer available in the exhaust gas. This lack of heat increases the fuel consumption in the DPF regeneration settings.
Geringer Sauerstoffgehalt im Abgas:Low oxygen content in the exhaust gas:
Der oben angeführte Kraftstoffmehrverbrauch resultiert bei DPF-Regenerationseinstellungen in einem niedrigeren Restsauerstoffgehalt im Abgas. Dieser geringere Sauerstoffgehalt begrenzt die Rußabbrandgeschwindigkeit.The above fuel over-consumption results in a lower residual oxygen content in the exhaust gas at DPF regeneration settings. This lower oxygen content limits the Rußabbrandgeschwindigkeit.
Hohe Bauteiltemperaturen abgasseitig:High component temperatures on the exhaust side:
Da üblicherweise der Großteil der Temperaturerhöhung innermotorisch erfolgt und in der Regel somit nur geringe Exothermen in den nachgeschalteten, katalytisch aktiven Elementen erzielt werden, ist mit hohen Bauteiltemperaturen (Abgaskrümmer, Abgasturbolader, etc.) in höherlastigen Betriebspunkten zu rechnen. Dies führt zu erhöhter Bauteilbelastung bzw. auch zu Schwierigkeiten in der Darstellung von DPF-Verbrennungseinstellungen in diesen Lastbereichen.Since usually the majority of the temperature increase takes place inside the engine and thus usually only small exotherms in the downstream, catalytically active elements are achieved, is with high component temperatures (exhaust manifold, exhaust manifold, Exhaust gas turbocharger, etc.) to be expected in higher load operating points. This leads to increased component load and also difficulties in the representation of DPF combustion settings in these load ranges.
Hohe Ölverdünnung:High oil dilution:
Das Einbringen von Kraftstoffnacheinspritzmengen im Verbrennungszyklus zu Zeitpunkten, bei welchen der Kolben sich bereits weit vom oberen Totpunkt nach unten weg bewegt hat, resultiert häufig darin, dass die Kraftstoffeinspritzstrahlen vom Injektor bis zur Zylinderwand vordringen. An der relativ kalten Zylinderwand lagert sich unverbrannter Kraftstoff an, der bei der nächsten Aufwärtsbewegung des Kolbens an den Kolbenringen vorbei in den Ölraum unter der Zylinderbohrung gelangen kann (sog. „Ölverdünnung”). Die somit ins Öl eingebrachte Kraftstoffmenge kann zu Problemen beim Betrieb der Brennkraftmaschine führen (Viskositätsverlust des Öls, Überschreitung des maximalen Ölstands, etc.).The introduction of post fuel injection quantities in the combustion cycle at times when the piston has already moved far away from top dead center often results in the fuel injection jets penetrating from the injector to the cylinder wall. On the relatively cold cylinder wall, unburned fuel accumulates, which in the next upward movement of the piston past the piston rings can pass into the oil space under the cylinder bore (so-called "oil dilution"). The amount of fuel thus introduced into the oil can lead to problems in the operation of the internal combustion engine (viscosity loss of the oil, exceeding the maximum oil level, etc.).
In der
Nachteilig an diesem bekannten Verfahren sind die zusätzlich benötigten Hardwarekomponenten in Form einer Einspritzdüse, Verrohrung, etc. sowie eine zusätzliche Steuergerätefunktion.Disadvantages of this known method are the additionally required hardware components in the form of an injection nozzle, piping, etc., as well as an additional control unit function.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, o. g. Nachteile zu vermeiden.The object of the present invention is o. G. To avoid disadvantages.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is solved by the features in the characterizing part of
Vorgeschlagen wird die Veränderung des Kraftstoffeinspritzmusters während der Regenerationseinstellungen in der Form:The change of the fuel injection pattern during regeneration adjustments in the form is proposed:
Erstens:First:
Die Absetzung zumindest einer Kraftstoffeinspritzung während des Ladungswechselzyklus, vorzugsweise im Bereich kurz vor dem Ladungswechsel-OT, mit dem Ziel eines starken Anhebens der HC/CO-Emissionen im Abgas. Durch das starke Anheben der HC/CO-Emissionen ist es zum Beispiel möglich
- a.) bei DPF-Regenerationen hohe Exothermen über ein nachgeschaltenes katalytisches Element zu erreichen und
- b.) bei DeNOx Regenerationen das Lambda im Abgas stark abzusenken.
- a.) to achieve high exotherms via a downstream catalytic element in DPF regenerations and
- b.) to greatly lower the lambda in the exhaust gas during DeNO x regenerations.
Zweitens:Secondly:
Während des Verbrennungstaktes die Absetzung zumindest einer Haupteinspritzung und gem. Patentanspruch 2 zumindest einer, deutlich nach dem Verbrennungs-OT platzierten Nacheinspritzung. (mit oder ohne einer oder mehreren Voreinspritzungen), mit dem Ziel, eine moderate innermotorische Temperaturanhebung/Lambda-Absenkung ohne die Bauteiltemperaturgrenzen zu überschreiten, zu erreichen.During the combustion cycle, the deposition of at least one main injection and gem.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt somit die Erweiterung des Betriebsbereichs von Regenerationseinstellungen. Das Einbringen von Kraftstoff im Ladungswechselzyklus bei geöffneten Gaswechselauslassventil ist weitestgehend momentenneutral. Somit lassen sich auch in niedriglastigen Punkten die benötigten hohen Kraftstoffmengen in den Brennraum und somit ins Abgas einbringen. DeNOx- und DPF-Regenerationseinstellungen sind bei wesentlich geringeren Lasten als bisher stabil darstellbar.The inventive method thus allows the extension of the operating range of regeneration settings. The introduction of fuel in the charge cycle with open Gaswechselauslassventil is largely torque neutral. Thus, even in low-load points, the required high fuel quantities can be introduced into the combustion chamber and thus into the exhaust gas. DeNO x and DPF regeneration settings are stable at much lower loads than before.
Weiter ergibt sich ein deutlich verringerter Kraftstoffmehrverbrauch bei DPF-Regenerationen Die im Ladungswechselzyklus eingebrachte Nacheinspritzmenge nimmt nur mehr rudimentär an Verbrennungs- und Oxidationsprozessen im Brennraum teil. Der überwiegende Teil wird als HC/CO ins Abgas überführt. Diese HC/CO-Emissionen werden hocheffizient (wärmetechnisch gesehen) an den nachgeschalteten katalytischen Elementen oxidiert und erwärmen, wie gewünscht, direkt das Abgas ohne dass Wärme an den Brennkraftmaschinenkühlkreislauf abgegeben wird. Die somit gestiegene Gesamteffizienz des Prozesses zur Regenerationstemperaturerreichung vor, bzw. im DPF resultiert in einem deutlichen Kraftstoffverbrauchsvorteil während der DPF-Regeneration.Furthermore, a significantly reduced additional fuel consumption results in DPF regenerations. The amount of post-injection introduced in the charge cycle takes only a rudimentary part in combustion and oxidation processes in the combustion chamber. The predominant part is transferred as HC / CO into the exhaust gas. These HC / CO emissions are highly efficiently (thermally) oxidized at the downstream catalytic elements and, as desired, directly heat the exhaust gas without giving up heat to the engine cooling circuit. The thus increased overall efficiency of the regeneration temperature attainment process, or in the DPF, results in a significant fuel economy benefit during DPF regeneration.
Weiter führt das erfindungsgemäße Verfahren zu einem höheren Restsauerstoffgehalt. Die oben angeführte erhöhte Gesamteffizient resultiert in einer geringeren Gesamt-Kraftstoffeinspritzmenge bei gleichem Abgasmassenstrom und somit zu einem deutlich erhöhten Restsauerstoffgehalt vor bzw. im DPF. Der Rußabbrand während einer DPF-Regeneration wird durch den höheren Restsauerstoffgehalt wesentlich beschleunigt. Furthermore, the process according to the invention leads to a higher residual oxygen content. The above-mentioned increased overall efficiency results in a lower overall fuel injection quantity with the same exhaust gas mass flow and thus in a significantly increased residual oxygen content before or in the DPF. Soot burn-off during DPF regeneration is significantly accelerated by the higher residual oxygen content.
Weiter führt das erfindungsgemäße Verfahren zu geringeren Bauteiltemperaturen abgasseitig. Durch das ermöglichte Einbringen hoher HC/CO-Mengen in das Abgas besteht die Möglichkeit, hohe Exothermen von einigen hundert Grad über die katalytischen Elemente im Abgasstrang zu erzielen. Somit kann bei gleicher Zieltemperatur vor bzw. im DPF die Temperatur vor diesen Elementen, und somit die Bauteiltemperaturen, stark abgesenkt werden. Geringere Bauteiltemperaturen (Krümmer, ATL, etc.) sind in vorteilhafter Weise realisiert.Furthermore, the method according to the invention leads to lower component temperatures on the exhaust gas side. The introduction of high amounts of HC / CO into the exhaust gas makes it possible to achieve high exotherms of a few hundred degrees via the catalytic elements in the exhaust gas system. Thus, with the same target temperature before or in the DPF, the temperature before these elements, and thus the component temperatures, can be greatly reduced. Lower component temperatures (manifold, ATL, etc.) are realized in an advantageous manner.
Weiter führt das erfindungsgemäße Verfahren zu einer verringerten Ölverdünnung. Durch die Wahl des Kraftstoff-Einspritzzeitpunktes im Ladungswechselzyklus nahe/vor dem Ladungswechsel-OT trifft der Einspritzstrahl nicht mehr die Zylinderwand, sondern den Kolben und/oder die Kolbenmulde. Die somit verringerte Zylinderwandbenetzung führt zu einer stark verringerten Ölverdünnung.Furthermore, the inventive method leads to a reduced oil dilution. By choosing the fuel injection timing in the charge cycle near / before the charge cycle OT the injection jet no longer hits the cylinder wall, but the piston and / or the piston recess. The thus reduced cylinder wall wetting leads to a greatly reduced oil dilution.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand von zwei Figuren näher erläutert.In the following the invention is explained in more detail with reference to two figures.
Kurz nach ca. 0°KW, im Zünd-OT (oberer Totpunkt) des Kolbens, weist der Zylinderinnendruck
Ein erfindungsgemäßer Einspritzvorgang
Der zugehörige Temperaturverlauf für das bekannte Verfahren (Basis) ist mit Rauten im Diagramm eingetragen, der zugehörige Temperaturverlauf für das erfindungsgemäße Verfahren (Erfindung) ist mit Rechtecken im Diagramm eingetragen.The associated temperature profile for the known method (base) is entered with diamonds in the diagram, the associated temperature profile for the inventive method (invention) is entered with rectangles in the diagram.
Anhand der
Somit werden wie oben detailliert dargestellt, durch das erfindungsgemäße Verfahren folgende Temperatureffekte erzielt:
- • Bauteiltemperaturabsenkung,
- • starke Exothermenanhebung,
- • hohe Exotherme direkt im NSC Eintrittsbereich.
- • component temperature reduction,
- • strong exothermic increase,
- • high exotherm directly in the NSC inlet area.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- ZylinderinnendruckCylinder pressure
- 22
- EinspritzvorgangInjection process
- 33
- Ventilhubkurve GaswechselauslassventilValve lift curve Gas exchange outlet valve
- 44
- Ventilhubkurve GaswechseleinlassventilValve lift curve Gas exchange inlet valve
- 55
- erfindungsgemäßer EinspritzvorgangInventive injection process
- 66
- zusätzlicher Einspritzvorgangadditional injection process
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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