DE102014204439A1 - Exhaust gas aftertreatment with used up urea stock - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung führt ein neuartiges Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (2) mit einem Abgastrakt (3), der einen Stickoxidspeicherkatalysator (4) und einen SCR-Katalysator (5) aufweist, ein. Erfindungsgemäß verfügt das Verfahren über wenigstens die folgenden Schritte: – Betreiben der Brennkraftmaschine (2) mit einem mageren Kraftstoffgemisch und Zugeben von wässriger Harnstofflösung mit einer ersten Zugaberate stromaufwärts des SCR-Katalysators (4) aus einem Reservoir (9); – Erfassen eines Füllstandes des Reservoirs (9); – Vergleichen des erfassten Füllstandes mit einem vorbestimmten Schwellfüllstand; – wenn der erfasste Füllstand kleiner als ein vorbestimmter Schwellfüllstand oder gleich dem vorbestimmten Schwellfüllstand ist, Betreiben der Brennkraftmaschine (2) mit einem fetten Kraftstoffgemisch und Zugeben von wässriger Harnstofflösung mit einer zweiten Zugaberate, die geringer als die erste Zugaberate ist. Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennkraftmaschine (2), die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet, und ein Kraftfahrzeug (1) mit einer solchen Brennkraftmaschine (2).The invention introduces a novel method of operating an internal combustion engine (2) with an exhaust tract (3) comprising a nitrogen oxide storage catalyst (4) and an SCR catalyst (5). According to the invention, the method has at least the following steps: - operating the internal combustion engine (2) with a lean fuel mixture and adding aqueous urea solution with a first addition rate upstream of the SCR catalytic converter (4) from a reservoir (9); - Detecting a level of the reservoir (9); - comparing the detected level with a predetermined Schwellfüllstand; If the detected level is less than a predetermined threshold level or equal to the predetermined threshold level, operating the engine (2) with a rich fuel mixture and adding aqueous urea solution at a second rate of addition that is less than the first rate of addition. The invention also relates to an internal combustion engine (2), which operates according to the inventive method, and a motor vehicle (1) with such an internal combustion engine (2).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, eine Brennkraftmaschine, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet, und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Brennkraftmaschine.The invention relates to a method for operating an internal combustion engine, an internal combustion engine, which operates according to the inventive method, and a motor vehicle with such an internal combustion engine.
Brennkraftmaschinen wie Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen erzeugen im Betrieb schädliche Abgase wie beispielsweise Stickoxide. Um den Ausstoß solcher schädlicher Abgase zu verringern, werden Abgasnachbehandlungsmaßnahmen ergriffen. Hierzu ist beispielsweise bekannt, einen Selective-Catalytic-Reduction-Katalysator (SCR-Katalysator) vorzusehen, durch den das Abgas der Brennkraftmaschine geleitet wird. Stromaufwärts des SCR-Katalysators wird ein Reduktionsmittel in den Abgastrakt eingespritzt, das von dem heißen Abgasstrom transportiert wird und gemeinsam mit den zu reduzierenden Stickoxiden den SCR-Katalysator durchströmt. Der SCR-Katalysator unterstützt eine Reaktion zwischen dem Reduktionsmittel und den Stickoxiden, die in den unbedenklichen chemischen Produkten Wasser und Stickstoff resultiert. Auf diese Weise kann der Stickoxidausstoß vermieden oder wenigstens stark verringert werden. Die hierfür als Reduktionsmittel verwendete wässrige Harnstofflösung wird in einem Reservoir mitgeführt und muss regelmäßig aufgefüllt werden. Bei einer sehr langen Fahrt kann es jedoch geschehen, dass der Vorrat aufgebraucht bzw. stark verringert wird, so dass eine Warnung an den Fahrer zum Nachfüllen des Harnstoffreservoirs erfolgt bzw. erfolgen sollte. Um dennoch die Emissionsvorschriften nach Unterschreiten des minimalen Füllstands einzuhalten, wird daher bis zur Auffüllung des Vorrats üblicherweise ein als „Limp-Home“-Modus bezeichneter Betriebsmodus verwendet, bei dem die Höchstgeschwindigkeit und das Drehmoment der Brennkraftmaschine beschränkt werden. Dies beeinträchtigt die Nutzbarkeit des Fahrzeugs.Internal combustion engines such as internal combustion engines of motor vehicles generate harmful exhaust gases during operation, such as nitrogen oxides. In order to reduce the emission of such harmful exhaust gases, exhaust aftertreatment measures are taken. For this purpose, for example, it is known to provide a selective catalytic reduction (SCR) catalyst, through which the exhaust gas of the internal combustion engine is passed. Upstream of the SCR catalyst, a reducing agent is injected into the exhaust tract, which is transported by the hot exhaust gas stream and flows through the SCR catalyst together with the nitrogen oxides to be reduced. The SCR catalyst promotes a reaction between the reducing agent and the nitrogen oxides, which results in the harmless chemical products water and nitrogen. In this way, the nitrogen oxide emissions can be avoided or at least greatly reduced. The aqueous urea solution used for this purpose as reducing agent is carried in a reservoir and must be filled up regularly. During a very long journey, however, it may happen that the stock is used up or greatly reduced, so that a warning to the driver for refilling the urea reservoir should take place or should take place. Nevertheless, in order to comply with the emission regulations after falling below the minimum level, it is usual to use an operating mode called the "limp-home" mode in which the maximum speed and the torque of the internal combustion engine are limited until the stock is filled up. This affects the usability of the vehicle.
Die Erfindung führt daher ein neuartiges Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine ein. Die Brennkraftmaschine verfügt dabei über einen Abgastrakt, der einen Stickoxidspeicherkatalysator (Lean-NOx-Trap) und einen stromabwärts des Stickoxidspeicherkatalysators angeordneten SCR-Katalysator aufweist. Erfindungsgemäß verfügt das Verfahren über wenigstens die folgenden Schritte:
- – Betreiben der Brennkraftmaschine mit einem mageren Kraftstoffgemisch und Zugeben von wässriger Harnstofflösung mit einer ersten Zugaberate stromaufwärts des SCR-Katalysators aus einem Reservoir;
- – Erfassen eines Füllstandes des Reservoirs;
- – Vergleichen des erfassten Füllstandes mit einem vorbestimmten Schwellfüllstand;
- – wenn der erfasste Füllstand kleiner als ein vorbestimmter Schwellfüllstand oder gleich dem vorbestimmten Schwellfüllstand ist, Betreiben der Brennkraftmaschine mit einem fetten Kraftstoffgemisch und Zugeben von wässriger Harnstofflösung mit einer zweiten Zugaberate, die geringer als die erste Zugaberate ist.
- Operating the internal combustion engine with a lean fuel mixture and adding aqueous urea solution at a first rate of addition upstream of the SCR catalyst from a reservoir;
- - Detecting a level of the reservoir;
- - comparing the detected level with a predetermined Schwellfüllstand;
- If the detected level is less than a predetermined threshold level or equal to the predetermined threshold level, operating the engine with a rich fuel mixture and adding aqueous urea solution at a second rate of addition that is less than the first rate of addition.
Die Erfindung besitzt den Vorteil, den Ausstoß an Stickoxiden im gesetzlichen Rahmen zu halten. Im erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine wird die Brennkraftmaschine im normalen Betrieb mit einem mageren Kraftstoffgemisch betrieben. Bei einem mageren Kraftstoffgemisch ist mehr Sauerstoff vorhanden als durch den vorhandenen Kraftstoff verbraucht werden kann. Der Vorteil einer solchen Betriebsweise ist der reduzierte Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine.The invention has the advantage of keeping the emission of nitrogen oxides within the legal framework. In the method according to the invention for operating an internal combustion engine, the internal combustion engine is operated during normal operation with a lean fuel mixture. With a lean fuel mixture, more oxygen is present than can be consumed by the existing fuel. The advantage of such an operation is the reduced fuel consumption of the internal combustion engine.
Erfindungsgemäß wird der Verbrauch an wässriger Harnstofflösung reduziert, indem die Brennkraftmaschine mit einem fetten Kraftstoffgemisch betrieben wird, wenn das Reservoir an wässriger Harnstofflösung überwiegend geleert ist bzw. einer Auffüllung bedarf. Bei einem fetten Kraftstoffgemisch ist mehr Kraftstoff vorhanden als durch den Sauerstoff der im Kraftstoffgemisch vorhandenen Verbrennungsluft verbrannt werden kann.According to the invention, the consumption of aqueous urea solution is reduced by operating the internal combustion engine with a rich fuel mixture when the reservoir of aqueous urea solution is predominantly emptied or requires replenishment. With a rich fuel mixture, more fuel is present than can be burned by the oxygen of the combustion air present in the fuel mixture.
Indem gleichzeitig mit der Umstellung auf den (wenigstens zeitweiligen) Betrieb mit einem fetten Kraftstoffgemisch die Zugaberate von wässriger Harnstofflösung für eine jeweilige Motorleistung der Brennkraftmaschine reduziert wird, verbraucht sich der verbleibende Vorrat entsprechend langsamer und es verbleibt eine länge Zeitspanne, bis der Vorrat an wässriger Harnstofflösung wieder aufgefüllt werden muss.By simultaneously reducing the rate of addition of aqueous urea solution for a given engine power of the internal combustion engine at the same time as switching to the (at least temporary) operation with a rich fuel mixture, the remaining supply consumes correspondingly slower and there remains a length of time until the supply of aqueous urea solution must be replenished.
Der Stickoxidspeicherkatalysator des Abgastraktes fungiert unter Normalbedingungen als passiver Stickoxidadsorber (PNA, Passive NOx Adsorber), das heißt, die Stickoxide lagern sich bei geringen Abgastemperaturen an der Oberfläche des Stickoxidspeicherkatalysators an und lösen sich von diesem bei höheren Abgastemperaturen, bei denen der SCR-Katalysator eine Reduktion der Stickoxide vornehmen kann. Im Betrieb mit einem fetten Kraftstoffgemisch werden zudem die im Stickoxidspeicherkatalysator gespeicherten Stickoxide durch eine Reaktion mit unverbrannten Kohlenwasserstoffen direkt reduziert, wobei Ammoniak entstehen kann, der im SCR-Katalysator an der weiteren Reduktion der Stickoxide als Reaktionspartner anstelle der wässrigen Harnstofflösung teilnehmen kann. Dadurch können erfindungsgemäß die gesetzlichen Vorgaben für die Emission von Stickoxiden eingehalten und gleichzeitig der Verbrauch an wässriger Harnstofflösung reduziert werden, ohne die Motorleistung der Brennkraftmaschine einschränken zu müssen.The nitrogen oxide storage catalytic converter of the exhaust tract functions under normal conditions as a passive nitrogen oxide adsorber (PNA, passive NOx adsorber), that is, the nitrogen oxides accumulate at low exhaust gas temperatures on the surface of the nitrogen oxide storage catalyst and dissolves therefrom at higher exhaust gas temperatures at which the SCR catalyst Reduction of nitrogen oxides can make. In operation with a rich fuel mixture, the nitrogen oxides stored in the nitrogen oxide storage catalyst are also directly reduced by a reaction with unburned hydrocarbons, ammonia can arise, which can participate in the SCR catalyst in the further reduction of nitrogen oxides as a reaction partner instead of the aqueous urea solution. As a result, according to the invention, the legal requirements for the emission of nitrogen oxides can be met and at the same time the consumption of aqueous urea solution can be reduced without having to limit the engine power of the internal combustion engine.
Insbesondere kann der vorbestimmte Schwellfüllstand einem Füllstand für eine bestimmte Reichweite z. B. 50 oder 200 km entsprechen. Dabei können vorgegebene oder während des Betriebs der Brennkraftmaschine ermittelte typische Verbrauchsdaten an wässriger Harnstofflösung für die Abschätzung der verbleibenden Reichweite zugrunde gelegt werden. In particular, the predetermined Schwellfüllstand a level for a certain range z. B. 50 or 200 km correspond. In this case, predetermined or determined during operation of the internal combustion engine typical consumption data of aqueous urea solution for the estimation of the remaining range can be used.
Vorzugsweise wird die Brennkraftmaschine abwechselnd mit einem fetten und einem mageren Kraftstoffgemisch betrieben wird, wenn der Füllstand gleich dem vorbestimmten Schwellfüllstand oder geringer als der vorbestimmte Schwellfüllstand ist. Dies hilft, den Anstieg des Kraftstoffverbrauchs geringzuhalten. In den Phasen, in denen die Brennkraftmaschine mit einem mageren Kraftstoffgemisch betrieben wird, kann der Stickoxidspeicherkatalysator die ausgestoßenen Stickoxide aufnehmen und speichern. Wird die Brennkraftmaschine dann mit einem fetten Kraftstoffgemisch betrieben, können die gespeicherten Stickoxide wie oben beschrieben abgebaut werden.Preferably, the engine is alternately operated with a rich and lean fuel mixture when the level is equal to or less than the predetermined threshold level. This helps to minimize the increase in fuel consumption. In the phases in which the internal combustion engine is operated with a lean fuel mixture, the nitrogen oxide storage catalyst can absorb and store the emitted nitrogen oxides. If the internal combustion engine is then operated with a rich fuel mixture, the stored nitrogen oxides can be broken down as described above.
Im Verfahren der Erfindung kann außerdem ein Schritt des Aufheizens durchgeführt werden, wenn die Brennkraftmaschine mit dem fetten Kraftstoffgemisch betrieben wird. Dies kann beispielsweise verwendet werden, um gezielt die Freisetzung der im Stickoxidspeicherkatalysator gespeicherten Stickoxide auszulösen oder um die Reaktivität der Katalysatoren und der Reagenzien zu steigern.In the method of the invention, moreover, a step of heating may be performed when the engine is operated on the rich fuel mixture. This can be used, for example, to specifically trigger the release of the nitrogen oxides stored in the nitrogen oxide storage catalyst or to increase the reactivity of the catalysts and the reagents.
Insbesondere kann Kraftstoff in den Abgastrakt stromaufwärts des Stickoxidspeicherkatalysators eingespritzt werden. Dies kann einerseits erfolgen, um ein Aufheizen durchzuführen, andererseits können die hierbei in den Abgastrakt eingespritzten Kohlenwasserstoffe des Kraftstoffs wie oben beschrieben an der Reduktion der Stickoxide teilnehmen, indem in dem Stickoxidspeicherkatalysator Ammoniak gebildet wird, der im SCR-Katalysator für die Reduktion der Stickoxide verwendet werden kann.In particular, fuel may be injected into the exhaust tract upstream of the nitrogen oxide storage catalyst. This can be done on the one hand to perform a heating, on the other hand, the injected here in the exhaust gas of the fuel fuel as described above participate in the reduction of nitrogen oxides by ammonia is formed in the nitrogen oxide storage catalyst, which uses in the SCR catalyst for the reduction of nitrogen oxides can be.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung führt eine neuartige Brennkraftmaschine ein. Die Brennkraftmaschine verfügt über einen Abgastrakt, der einen Stickoxidspeicherkatalysator und einen stromabwärts des Stickoxidspeicherkatalysators angeordneten SCR-Katalysator aufweist, ein Reservoir für eine wässriger Harnstofflösung, eine Einspritzvorrichtung zum Einspritzen der wässrigen Harnstofflösung in den Abgastrakt und eine mit dem Reservoir und der Einspritzvorrichtung verbundenen Steuereinheit zum Steuern der Brennkraftmaschine. Erfindungsgemäß ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, das Verfahren des ersten Erfindungsaspektes auszuführen.A second aspect of the invention introduces a novel internal combustion engine. The internal combustion engine includes an exhaust tract having a nitrogen oxide storage catalyst and an SCR catalyst disposed downstream of the nitrogen oxide storage catalyst, a reservoir for an aqueous urea solution, an injector for injecting the aqueous urea solution into the exhaust tract, and a control unit connected to the reservoir and the injector for controlling the internal combustion engine. According to the invention, the control unit is designed to carry out the method of the first aspect of the invention.
Dabei kann der Abgastrakt außerdem eine stromaufwärts des Stickoxidspeicherkatalysators angeordnete Einspritzvorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in den Abgastrakt aufweisen. In diesem Fall ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, einen Schritt des Einspritzens von Kraftstoff in den Abgastrakt im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zu steuern.In this case, the exhaust gas tract can also have an injection device arranged upstream of the nitrogen oxide storage catalytic converter for injecting fuel into the exhaust gas tract. In this case, the control unit is designed to control a step of injecting fuel into the exhaust gas tract in the context of the method according to the invention.
Die Brennkraftmaschine kann mit einem stromabwärts des Stickoxidspeicherkatalysators angeordneten Dieselpartikelfilter ausgestattet sein. Ein Dieselpartikelfilter wird eingesetzt, um Rußpartikel und Feinstaub aus dem Abgas herauszufiltern, und verbessert so die Abgasqualität zusätzlich. Der Dieselpartikelfilter kann beispielsweise ein Coated Diesel Particulate Filter (CDPF) sein. Ein CDPF ist ein Dieselpartikelfilter, der mit einer Beschichtung ausgestattet ist, die eine Oxidation des im Dieselpartikelfilter abgelagerten Rußes katalytisch unterstützt.The internal combustion engine may be equipped with a diesel particulate filter disposed downstream of the nitrogen oxide storage catalyst. A diesel particulate filter is used to filter soot particles and particulate matter out of the exhaust gas, thereby further improving the exhaust gas quality. The diesel particulate filter may be, for example, a Coated Diesel Particulate Filter (CDPF). A CDPF is a diesel particulate filter equipped with a coating that catalytically supports oxidation of the soot deposited in the diesel particulate filter.
Der SCR-Katalysator kann einen SCR-on-Diesel Particulate Filter beinhalten oder ein SCR-on-Diesel Particulate Filter sein. Ein SCR-on-Diesel Particulate Filter ist ein Dieselpartikelfilter, der mit einer katalytischen Beschichtung ausgestattet ist, die die Funktion des SCR-Katalysators ganz oder teilweise übernimmt.The SCR catalyst may include an SCR-on-diesel particulate filter or be an SCR-on-diesel particulate filter. An SCR-on-Diesel Particulate Filter is a diesel particulate filter equipped with a catalytic coating that partially or completely takes over the function of the SCR catalyst.
Die Brennkraftmaschine der Erfindung ist bevorzugt eine Dieselbrennkraftmaschine.The internal combustion engine of the invention is preferably a diesel internal combustion engine.
Ein weiterer Erfindungsaspekt betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.Another aspect of the invention relates to a motor vehicle with an internal combustion engine according to the invention.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Abbildung eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Die einzige
Das Abgas der Brennkraftmaschine
In einigen Ausführungsformen kann der SCR-Katalysator als SDPF realisiert sein oder sowohl ein SDPF, als auch ein SCR-Katalysator vorgesehen sein. Der SCR-Katalysator reduziert die im Abgas enthaltenen Stickoxide durch eine Reaktion mit dem Harnstoff zu Stickstoff und Wasser.In some embodiments, the SCR catalyst may be implemented as SDPF, or both an SDPF and an SCR catalyst may be provided. The SCR catalyst reduces the nitrogen oxides contained in the exhaust gas by a reaction with the urea to nitrogen and water.
Optional kann eine Einspritzvorrichtung
Ferner ist eine Steuereinheit
Die Steuereinheit
Die Erfindung wurde bezugnehmend auf ein Ausführungsbeispiel näher erläutert, ist jedoch nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt. Variationen der Erfindung können vom Fachmann aus dem Ausführungsbeispiel abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung, wie er in den Ansprüchen definiert ist, zu verlassen.The invention has been explained in more detail with reference to an exemplary embodiment, but is not limited by the disclosed examples. Variations of the invention may be derived by those skilled in the art from the embodiment without departing from the scope of the invention as defined in the claims.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Kraftfahrzeug motor vehicle
- 22
- Brennkraftmaschine Internal combustion engine
- 33
- Abgastrakt exhaust tract
- 44
- Stickoxidspeicherkatalysator Nitrogen oxide storage catalyst
- 55
- SCR-Katalysator SCR catalyst
- 66
- Einspritzvorrichtung für wässriger Harnstofflösung Injection device for aqueous urea solution
- 77
- Einspritzvorrichtung für Kraftstoff Injection device for fuel
- 88th
- Dieselpartikelfilter diesel particulate Filter
- 99
- Reservoir für wässrige Harnstofflösung Reservoir for aqueous urea solution
- 1010
- Steuereinheit control unit
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DE102014204439.1A Pending DE102014204439A1 (en) | 2013-08-07 | 2014-03-11 | Exhaust gas aftertreatment with used up urea stock |
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DE102005022420A1 (en) * | 2005-05-14 | 2006-06-14 | Daimlerchrysler Ag | Exhaust gas recycling plant for burning device in motor vehicle, comprises a selective catalytic reduction catalyst in track, reduction device, control unit operates the burning device, oxidation catalyst, and a particle filter |
DE102010023820A1 (en) * | 2009-06-17 | 2011-02-03 | GM Global Technology Operations, Inc., Detroit | A waste gas treatment system comprising a lean NOx scavenger and a two-way catalyst and method of use thereof |
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2014
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