DE102017128853A1 - Exhaust after-treatment system for an internal combustion engine and method for operating an internal combustion engine - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor (10) mit einem Abgasnachbehandlungssystem (20). Das Abgasnachbehandlungssystem (20) umfasst einen offenen Partikelfilter (22), dem eine Abgasnachbehandlungskomponente zur Reduzierung der Stickoxidemissionen (24, 38) nachgeschaltet ist. Der Verbrennungsmotor (10) ist als selbstzündenden Verbrennungsmotor (10) nach dem Dieselprinzip ausgeführt und wird mit einem Sonderkraftstoff (52) betrieben, welcher mindestens 5 % eines C1-Kraftstoffes, insbesondere eines Oxymethylenethers (OME) enthält.
Ferner wird ein Verfahren zur Betreiben eines solchen Verbrennungsmotors (10) vorgeschlagen, wobei bei Erkennen einer Fehlbetankung mit konventionellem, fossilem Dieselkraftstoff geeignete Maßnahmen, insbesondere eine Einschränkung der Motorleistung, des Drehmoments und/oder des Dynamikbetriebs eingeleitet werden, um die Rohemissionen an Partikeln zu reduzieren und trotz der Fehlbetankung die gültigen Abgasemissionen einzuhalten.

Figure DE102017128853A1_0000
The invention relates to an internal combustion engine (10) with an exhaust aftertreatment system (20). The exhaust aftertreatment system (20) comprises an open particle filter (22), which is followed by an exhaust aftertreatment component for reducing nitrogen oxide emissions (24, 38). The internal combustion engine (10) is designed as a self-igniting internal combustion engine (10) according to the diesel principle and is operated with a special fuel (52) which contains at least 5% of a C1 fuel, in particular an oxymethylene ether (OME).
Furthermore, a method for operating such an internal combustion engine (10) is proposed, wherein upon detection of incorrect refueling with conventional, fossil diesel fuel suitable measures, in particular a limitation of the engine power, the torque and / or the dynamic operation are initiated to reduce the raw emissions of particles and to comply with the valid exhaust emissions despite the misfueling.
Figure DE102017128853A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem Sonderkraftstoff.The invention relates to an exhaust aftertreatment system for an internal combustion engine and to a method for operating an internal combustion engine with a special fuel.

Die aktuelle und eine zukünftig immer schärfer werdende Abgasgesetzgebung stellen hohe Anforderungen an die motorischen Rohemissionen und die Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren. Dabei stellen die Forderungen nach einem weiter sinkenden Verbrauch und die weitere Verschärfung der Abgasnormen hinsichtlich der zulässigen Stickoxid-Emissionen eine Herausforderung für die Motorenentwickler dar. Bei Ottomotoren erfolgt die Abgasreinigung in bekannter Weise über einen Drei-Wege-Katalysator, sowie dem Drei-Wege-Katalysator vor- und nachgeschaltete weitere Katalysatoren. Bei Dieselmotoren finden aktuell Abgasnachbehandlungssysteme Verwendung, welche einen Oxidationskatalysator oder einen NOx-Speicherkatalysator, einen Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Katalysator) sowie einen Partikelfilter zur Abscheidung von Rußpartikeln und gegebenenfalls weitere Katalysatoren aufweisen. Nach dem aktuellen Stand der Technik ist ein solcher Partikelfilter zum Erreichen der Partikelgrenzwerte der Abgasnorm EU5 oder strenger notwendig. Dabei werden geschlossene Partikelfilter genutzt, welche periodisch regeneriert werden müssen, was durch eine thermische Regeneration, das heißt durch einen Rußabbrand der im Partikelfilter zurückgehaltenen Partikel, erfolgt. Ferner sind beschichtete Partikelfilter bekannt, welche eine Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden aufweisen und somit die Funktion eines SCR-Katalysators beinhalten. Als Reduktionsmittel wird dabei bevorzugt Ammoniak verwendet. Weil der Umgang mit reinem Ammoniak aufwendig ist, wird bei Fahrzeugen üblicherweise eine synthetische, wässrige Harnstofflösung verwendet, die in einer dem SCR-Katalysator vorgeschalteten Mischeinrichtung mit dem heißen Abgasstrom vermischt wird. Durch diese Vermischung wird die wässrige Harnstofflösung erhitzt, wobei die wässrige Harnstofflösung Ammoniak im Abgaskanal freisetzt. Eine handelsübliche, wässrige Harnstofflösung setzt sich im Allgemeinen aus 32,5 % Harnstoff und 67,5 % Wasser zusammen.The current and increasingly stringent future exhaust gas legislation places high demands on the engine raw emissions and the exhaust aftertreatment of internal combustion engines. The demands for a further reduction in consumption and the further tightening of emission standards with regard to permissible nitrogen oxide emissions pose a challenge to engine developers. In gasoline engines, exhaust gas purification takes place in a known manner via a three-way catalytic converter, as well as the three-way catalytic converter. Catalyst upstream and downstream further catalysts. Exhaust aftertreatment systems are currently used in diesel engines which have an oxidation catalytic converter or a NOx storage catalytic converter, a catalyst for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides (SCR catalytic converter) and a particle filter for separating soot particles and optionally further catalysts. According to the current state of the art, such a particulate filter is necessary for achieving the particulate limit values of the EU5 emission standard or more stringently. In this case, closed particle filters are used, which must be regenerated periodically, which is done by a thermal regeneration, that is by a Rußabbrand the particles retained in the particle filter. Furthermore, coated particle filters are known which have a coating for the selective, catalytic reduction of nitrogen oxides and thus include the function of an SCR catalyst. The reducing agent used is preferably ammonia. Because the handling of pure ammonia is complicated, in vehicles usually a synthetic, aqueous urea solution is used, which is mixed in a SCR catalyst upstream mixing device with the hot exhaust gas stream. By this mixing, the aqueous urea solution is heated, wherein the aqueous urea solution releases ammonia in the exhaust gas passage. A commercial, aqueous urea solution is generally composed of 32.5% urea and 67.5% water.

Aus der DE 10 2010 005 813 A1 ist ein Dieselmotor bekannt, bei dem im Abgaskanal stromabwärts zweier Turbolader ein Partikelfilter und stromabwärts des Partikelfilters ein SCR-Katalysator angeordnet sind. Stromabwärts der Turbine des ersten Turboladers und stromaufwärts der Turbine des zweiten Turboladers und/oder stromabwärts der zweiten Turbine und stromaufwärts des Partikelfilters ist mindestens ein Element zur Minderung der Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen oder Stickoxiden bekannt, bei denen unverbrannter Kohlenwasserstoff und/oder die Stickoxide eingespeichert werden, wobei die Elemente zur Minderung der Emissionen periodisch regeneriert werden können.From the DE 10 2010 005 813 A1 For example, a diesel engine is known in which a particle filter is arranged in the exhaust gas passage downstream of two turbochargers and an SCR catalytic converter downstream of the particle filter. Downstream of the turbine of the first turbocharger and upstream of the turbine of the second turbocharger and / or downstream of the second turbine and upstream of the particulate filter is at least one element for reducing emissions of unburned hydrocarbons or nitrogen oxides known in which unburned hydrocarbon and / or the nitrogen oxides are stored In which the elements for reducing emissions can be periodically regenerated.

Aus der DE 10 2015 120 106 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Einstellung der Zündeigenschaften eines Brennstoffs bekannt. Dabei wird zumindest ein Teil des Brennstoffs mit einem Oxidationsmittel einem Katalysator auf einem Katalysatorträger oxidiert. In einer Umwandlungszone der Vorrichtung wird zumindest ein Teil des verteilten Brennstoffs und/oder eines anderen zugeführten Brennstoffs thermisch und/oder katalytisch umgewandelt. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass durch das Molverhältnis von im Oxidationsmittel enthaltenen Sauerstoff zum zur vollständigen Oxidation des vorhandenen Brennstoffes benötigten Sauerstoff, und/oder den Druck in der Einheit und/oder die Verweilzeit und/oder die Temperatur die Zündeigenschaft des Brennstoffs eingestellt wird.From the DE 10 2015 120 106 A1 For example, a method and apparatus for adjusting the ignition characteristics of a fuel are known. In this case, at least part of the fuel is oxidized with an oxidizing agent to a catalyst on a catalyst support. In a conversion zone of the device, at least a portion of the distributed fuel and / or other supplied fuel is thermally and / or catalytically converted. The method is characterized in that the ignition of the fuel is adjusted by the molar ratio of oxygen contained in the oxidizing agent to the oxygen required for complete oxidation of the fuel present, and / or the pressure in the unit and / or the residence time and / or the temperature ,

Die EP 2 853 707 B1 offenbart einen Dieselmotor, in dessen Abgasanlage in Strömungsrichtung eines Abgases durch die Abgasanlage ein motornaher Dieselpartikelfilter, stromabwärts des Dieselpartikelfilters eine Turbine eines Abgasturboladers und stromabwärts der Turbine ein Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet ist. Dabei ist vorgesehen, dass zur Aufheizung des Partikelfilters für eine Regeneration eine späte Nacheinspritzung von Kraftstoff in die Brennräume des Verbrennungsmotors oder in den Abgaskanal stromaufwärts des Oxidationskatalysators erfolgt und der unverbrannte Kraftstoff zur Aufheizung der Abgasnachbehandlungskomponenten, insbesondere zur Aufheizung des Partikelfilters exotherm im Abgaskanal umgesetzt wird.The EP 2 853 707 B1 discloses a diesel engine, in whose exhaust system in the flow direction of an exhaust gas through the exhaust system a close-coupled diesel particulate filter, downstream of the diesel particulate filter is arranged a turbine of an exhaust gas turbocharger and downstream of the turbine, a catalyst for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides. It is provided that for heating the particulate filter for regeneration, a late post-injection of fuel into the combustion chambers of the engine or in the exhaust duct upstream of the oxidation catalyst takes place and the unburned fuel for heating the exhaust aftertreatment components, in particular for heating the particulate filter is exothermically reacted in the exhaust duct.

Nachteilig an den bekannten Lösungen ist jedoch, dass geschlossene Partikelfilter den Abgasgegendruck signifikant erhöhen und der Abgasgegendruck durch die Beladung weiter zunimmt. Daher müssen geschlossene Partikelfilter in regelmäßigen Abständen, üblicherweise bei einer Partikelbeladung von ca. 4 g Partikelmasse pro dm3 Filtervolumen thermisch durch einen Abbrand der Partikel regeneriert werden. Dies führt zu einem entsprechenden Mehrverbrauch des Verbrennungsmotors und kann während der Regeneration des Partikelfilters zu erhöhten Schadstoffemissionen führen.A disadvantage of the known solutions, however, is that closed particulate filter significantly increase the exhaust back pressure and the exhaust back pressure increases further by the load. Therefore, closed particle filters must be regenerated at regular intervals, usually at a particle loading of about 4 g of particle mass per dm 3 filter volume thermally by burning of the particles. This leads to a corresponding additional consumption of the internal combustion engine and can lead to increased pollutant emissions during the regeneration of the particulate filter.

Ferner sind aus dem Stand der Technik offene Partikelfilter, die auch als Partikelminderungssysteme oder Partikelminderungskatalysatoren bezeichnet werden, welche jedoch aufgrund ihrer vergleichsweise geringen Partikelspeicherfähigkeit nicht imstande sind, bei Dieselmotoren eine Minderung der Partikelemissionen zu gewährleisten, welche ausreichend wäre, um die Abgasnorm EU5 oder einer schärfere Abgasnorm zu erfüllen.Furthermore, from the prior art open particle filters, which are also referred to as particle reduction systems or particulate reduction catalysts, but which are not able to ensure a reduction of particulate emissions in diesel engines due to their comparatively low particle storage capacity, which would be sufficient to meet the EU5 emission standard or a stricter emission standard.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Abgasgegendruck möglichst gering zu halten und mit einem möglichst einfachen und kostengünstigen Abgasnachbehandlungssystem die aktuellen und zukünftigen Emissionsgrenzwerte einzuhalten sowie die aus dem Gebrauch von C1-Kraftstoffen spezifischen Rohemissionen (zum Beispiel Oxigenate) zu reduzieren.The object of the invention is to keep the exhaust gas back pressure as low as possible and to comply with the current and future emission limit values with a simple and inexpensive exhaust aftertreatment system and to reduce the raw emissions (for example oxygenates) specific to the use of C1 fuels.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Verbrennungsmotor mit einem Kraftstoffsystem und einem Abgasnachbehandlungssystem gelöst, wobei das Abgasnachbehandlungssystem eine Partikelminderungseinheit und eine der Partikelminderungseinheit nachgeschaltete Abgasnachbehandlungskomponente zur Reduzierung der Stickoxid-Emissionen aufweist. Die Partikelminderungseinheit ist als offener Partikelfilter und der Verbrennungsmotor als selbstzündender Verbrennungsmotor nach dem Dieselprinzip ausgeführt. Der Verbrennungsmotor wird mit einem Sonderkraftstoff betrieben, welcher mindestens 5 % eines C1-Kraftstoffes aufweist. C1-Kraftstoffe sind Kraftstoffe, bei denen keine chemischen Bindungen zwischen zwei Kohlenstoffatomen vorhanden sind. Solche C1-Kraftstoffe verbrennen praktisch rußfrei. Auch bei einer Mischung eines C1-Kraftstoffes mit einem anderen Kraftstoff sind bezüglich der Rußemissionen überproportional zum Mischungsverhältnis Absenkungen der Rußemissionen möglich. Durch einen offenen Partikelfilter kann der Abgasgegendruck gegenüber einem geschlossenen Dieselpartikelfilter abgesenkt werden, was zu einer Verringerung des Verbrauchs führt. Zusätzlich ist keine periodische Regeneration des Partikelfilters notwendig, sodass Regenerationsphasen mit Mehrverbrauch und erhöhten Emissionen vermieden werden.According to the invention, this object is achieved by an internal combustion engine having a fuel system and an exhaust aftertreatment system, the exhaust aftertreatment system having a particle reduction unit and an exhaust aftertreatment component downstream of the particle reduction unit for reducing nitrogen oxide emissions. The particle reduction unit is designed as an open particle filter and the internal combustion engine as a self-igniting internal combustion engine according to the diesel principle. The internal combustion engine is operated with a special fuel, which has at least 5% of a C1 fuel. C1 fuels are fuels in which there are no chemical bonds between two carbon atoms. Such C1 fuels burn virtually free of soot. Even with a mixture of a C1 fuel with another fuel reductions in soot emissions are disproportionate to the mixing ratio of the soot emissions possible. Through an open particle filter, the exhaust backpressure can be lowered compared to a closed diesel particulate filter, resulting in a reduction in consumption. In addition, no periodic regeneration of the particulate filter is necessary so that regeneration phases with increased consumption and increased emissions are avoided.

Ein offener Partikelfilter, welcher auch als Partikelkatalysator bezeichnet wird, ist ein kontinuierlich katalytisch regenerierendes Partikelminderungssystem. In Partikelkatalysatoren werden bei genügend hohen Temperaturen und NO2-Konzentrationen die dort eingelagerten Partikel oxidiert und so der offene Partikelfilter nach dem sogenannten CRT-Prinzip (CRT:Continuous Regenerating Trap) kontinuierlich regeneriert. Das Stickstoffdioxid entsteht aus Stickstoffoxid im vorgeschalteten Oxidationskatalysator und gegebenenfalls an katalytisch beschichteten Oberflächen im offenen Partikelfilter. Die Struktur des offenen Partikelfilters sorgt dafür, dass Partikel kurzzeitig an der Filteroberfläche festgehalten werden und mit dem kontinuierlich strömenden Stickstoffdioxid umgesetzt werden. Die Speicherfähigkeit eines offenen Partikelfilters ist im Vergleich zu bekannten geschlossenen Partikelfiltern klein. Während die Speicherfähigkeit eines geschlossenen Partikelfilters bei mehr als 5 g pro Liter Filtervolumen liegt, ist die Speicherfähigkeit eines offenen Partikelfilters wesentlich kleiner als 1 g pro Liter Filtervolumen. Daher kommt es im Betrieb des offenen Partikelfilters nur zu einem sehr geringen Anstieg des Abgasgegendrucks durch eine Beladung des Filters. Anders als bei geschlossenen Partikelfiltern ist auch keine gezielte Erhöhung der Abgastemperatur zur Regeneration des Partikelfilters notwendig.An open particulate filter, which is also referred to as a particulate catalyst, is a continuously catalytically regenerating particulate reduction system. In particle catalysts, the particles stored there are oxidized at sufficiently high temperatures and NO 2 concentrations, and so the open particle filter is continuously regenerated according to the so-called CRT (Continuous Regenerating Trap) principle. The nitrogen dioxide is formed from nitrogen oxide in the upstream oxidation catalyst and optionally at catalytically coated surfaces in the open particle filter. The structure of the open particle filter ensures that particles are briefly held on the filter surface and reacted with the continuously flowing nitrogen dioxide. The storage capacity of an open particle filter is small compared to known closed particle filters. While the storage capacity of a closed particulate filter is greater than 5 grams per liter of filter volume, the storage capacity of an open particulate filter is significantly less than 1 gram per liter of filter volume. Therefore, in the operation of the open particulate filter only a very small increase of the exhaust gas back pressure occurs due to a loading of the filter. Unlike closed-loop particulate filters, there is no need to specifically increase the exhaust gas temperature for regeneration of the particulate filter.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterentwicklungen des im unabhängigen Anspruch genannten Verbrennungsmotors möglich.Due to the features mentioned in the dependent claims, advantageous improvements and further developments of the internal combustion engine mentioned in the independent claim are possible.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der C1-Kraftstoff ein Oxymethylenether (OME) ist. Ein Oxymethlyenether ist ein besonders einfach und kostengünstig herstellbarer Vertreter der C1-Kraftstoffe, mit welchen die beschriebenen positiven Effekte auf die Minderung der Partikelrohemissionen bei der Verbrennung des Kraftstoffs in den Brennräumen des Verbrennungsmotors erreicht werden können.In a preferred embodiment of the invention it is provided that the C1 fuel is an oxymethylene ether (OME). An oxymethylene ether is a particularly simple and cost-producible representative of the C1 fuels, with which the described positive effects on the reduction of the particle raw emissions during the combustion of the fuel in the combustion chambers of the internal combustion engine can be achieved.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der offene Partikelfilter ein elektrisches Heizelement aufweist. Durch ein elektrisches Heizelement kann die katalytische Wirkung des offenen Partikelfilters verbessert werden, insbesondere kann bei einem vorgeschalteten Oxygenat-Speicherkatalysator oder einer Beschichtung zur Zwischenspeicherung von Oxigenaten eine katalytische Aktivierung des Partikelfilters erreicht werden, bevor es zu einer thermischen Desorption der Oxygenaten kommt.In an advantageous embodiment of the invention it is provided that the open particle filter has an electrical heating element. By an electric heating element, the catalytic effect of the open particulate filter can be improved, in particular can be achieved in a upstream oxygenate storage catalyst or a coating for intermediate storage of oxygenates, a catalytic activation of the particulate filter before it comes to a thermal desorption of the oxygenates.

In einer weiteren Verbesserung des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass die Abgasnachbehandlungskomponente zur Minderung der Stickoxidemissionen ein NOx-Speicherkatalysator oder ein SCR-Katalysator ist. Ein NOx-Speicherkatalysator ist ein wirksamer und kostengünstiger Katalysator zur Minderung der Stickoxid-Emissionen. Dabei können ein oder mehrere NOx-Speicherkatalysatoren in der Abgasanlage vorgesehen sein. Ein SCR-Katalysator ist im Vergleich zu einem NOx-Speicherkatalysator teurer, bietet aber in seinem katalytisch wirksamen Temperaturbereich eine nochmals bessere Möglichkeit zur Reduzierung der Stickoxidemissionen. Ferner ist es möglich, dem SCR-Katalysator noch einen NOx-Speicherkatalysator nachzuschalten.In a further improvement of the exhaust aftertreatment system, it is provided that the exhaust aftertreatment component for reducing the nitrogen oxide emissions is a NOx storage catalytic converter or an SCR catalytic converter. An NOx storage catalyst is an effective and cost effective catalyst for reducing nitrogen oxide emissions. In this case, one or more NOx storage catalytic converters can be provided in the exhaust system. An SCR catalytic converter is more expensive than a NOx storage catalytic converter, but in its catalytically effective temperature range offers even better possibilities for reducing nitrogen oxide emissions. Furthermore, it is possible for the SCR catalytic converter to be followed by a NOx storage catalytic converter.

Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die Komponente zur Minderung der Stickoxid-Emissionen ein SCR-Katalysator ist und stromabwärts des offenen Partikelfilters und stromaufwärts des SCR-Katalysators ein Dosiermodul zur Eindosierung eines Reduktionsmittels in die Abgasanlage vorgesehen ist. Der SCR-Katalysator benötigt zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ein geeignetes Reduktionsmittel. Vorzugsweise wird zur Reduktion von Stickoxiden wässrige Harnstofflösung in den Abgaskanal des Verbrennungsmotors eindosiert. Dabei ist eine Eindosierung stromabwärts des offenen Partikelfilters sinnvoll, damit das aus der wässrigen Harnstofflösung gewonnene Ammoniak nicht durch eine Beschichtung des Partikelfilters in Stickoxide umgesetzt wird und somit zu einer Emissionsverschlechterung führt.It is particularly preferred if the component for reducing the nitrogen oxide emissions is an SCR catalytic converter and downstream of the open particle filter and upstream of the SCR catalytic converter a metering module is provided for metering a reducing agent into the exhaust gas system. The SCR catalyst needs to be selective, catalytic reduction of nitrogen oxides is a suitable reducing agent. Preferably, aqueous urea solution is metered into the exhaust passage of the internal combustion engine for the reduction of nitrogen oxides. In this case, metering downstream of the open particle filter is expedient, so that the ammonia obtained from the aqueous urea solution is not converted into nitrogen oxides by a coating of the particle filter and thus leads to an emission deterioration.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verbrennungsmotors ist vorgesehen, dass der offene Partikelfilter in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors durch eine Abgasanlage des Verbrennungsmotors als erste emissionsmindernde Abgasnachbehandlungskomponente angeordnet ist. Dadurch können die Partikel wirksam aus dem Abgas entfernt werden, bevor das Abgas in weitere Abgasnachbehandlungskomponenten strömt. Dadurch wird die Gefahr einer Beschädigung dieser weiteren Abgasnachbehandlungskomponenten durch Rußpartikel im Abgas reduziert.In a preferred embodiment of the internal combustion engine, it is provided that the open particle filter is arranged in the flow direction of an exhaust gas of the internal combustion engine through an exhaust system of the internal combustion engine as a first emission-reducing exhaust aftertreatment component. Thereby, the particles can be effectively removed from the exhaust gas before the exhaust gas flows into further exhaust aftertreatment components. This reduces the risk of damaging these further exhaust aftertreatment components by soot particles in the exhaust gas.

In einer weiteren Verbesserung der Erfindung ist vorgesehen, dass in der Abgasanlage des Verbrennungsmotors ein Oxigenat-Speicherkatalysator angeordnet ist oder der offene Partikelfilter mit einer Beschichtung zur Speicherung von Oxigenaten versehen ist. C1-Kraftstoffe haben den Nachteil, dass es bei der Verbrennung zu einem Anstieg der Aldehydemissionen kommen kann. Um diese Aldehydemissionen wirksam zu mindern, ist ein Oxigenat-Speicherkatalysator vorteilhaft, welcher die Aldehydemissionen solange zurückhalten kann, bis eine katalytische Beschichtung des offenen Partikelfilters ihre Wirksamkeit erreicht hat.In a further improvement of the invention, it is provided that an oxygenate storage catalytic converter is arranged in the exhaust system of the internal combustion engine or the open particle filter is provided with a coating for storing oxygenates. C1 fuels have the disadvantage that combustion can lead to an increase in aldehyde emissions. To effectively reduce these aldehyde emissions, an oxigenate storage catalyst is advantageous which can retain the aldehyde emissions until a catalytic coating of the open particulate filter has achieved its effectiveness.

Bevorzugt ist dabei, wenn der Oxigenat-Speicherkatalysator einen Zeolith-Speicher umfasst und stromabwärts der Turbine des Abgasturboladers und stromaufwärts des offenen Partikelfilters in der Abgasanlage angeordnet ist.It is preferred if the oxigenate storage catalytic converter comprises a zeolite reservoir and is arranged downstream of the turbine of the exhaust gas turbocharger and upstream of the open particulate filter in the exhaust system.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem Kraftstoffsystem und einem Abgasnachbehandlungssystem vorgeschlagen, bei dem eine Partikelminderungseinheit und eine der Partikelminderungseinheit nachgeschaltete Abgasnachbehandlungskomponente zur Reduzierung der Stickoxidemissionen vorgesehen sind, wobei der Verbrennungsmotor als selbstzündender Verbrennungsmotor nach dem Dieselprinzip ausgeführt ist und mit einem Sonderkraftstoff betrieben wird, und wobei die Partikelminderungseinheit als offener Partikelfilter ausgeführt ist, wobei die Partikelrohemissionen des Verbrennungsmotors dadurch abgesenkt werden, dass dem Sonderkraftstoff mindestens 5 % eines C1-Kraftstoffs beigemischt werden. Durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors können die Vorgaben der aktuellen Abgasgesetzgebungen ohne zusätzliche, teure Abgasnachbehandlungskomponenten erreicht und der Verbrauch des Verbrennungsmotors reduziert werden.According to the invention, a method is proposed for operating an internal combustion engine with a fuel system and an exhaust aftertreatment system, in which a particle reduction unit and an exhaust aftertreatment component downstream of the particle reduction unit are provided for reducing nitrogen oxide emissions, wherein the internal combustion engine is designed as a self-igniting internal combustion engine according to the diesel principle and is operated with a special fuel , and wherein the particulate reduction unit is designed as an open particulate filter, wherein the particulate matter emissions of the internal combustion engine are lowered by mixing the special fuel at least 5% of a C1 fuel. By a method according to the invention for operating an internal combustion engine, the specifications of the current exhaust gas legislation can be achieved without additional, expensive exhaust aftertreatment components and the consumption of the internal combustion engine can be reduced.

In einer vorteilhaften Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass an dem Kraftstoffversorgungssystem, insbesondere an dem Kraftstofftank oder einer Kraftstoffleitung, die den Kraftstofftank mit den Injektoren verbindet, ein Kraftstoffsensor zur Erkennung der Kraftstoffqualität vorgesehen ist. Alternativ ist mit Vorteil eine Erkennung der Kraftstoffqualität aus den Motordaten durch ein Steuergerät des Verbrennungsmotors vorgesehen, insbesondere anhand von der Einspritzmenge, dem Zylinderdruckverlauf, Drücken und Temperaturen in der Abgasanlage oder ähnlichen Parametern, welche sich zwischen einem konventionellen fossilen Dieselkraftstoff und dem vorgeschlagenen Sonderkraftstoff unterscheiden lassen, wobei bei Erkennen einer Fehlbetankung mit konventionellem, fossilem Dieselkraftstoff die Motorparameter des Verbrennungsmotors derart angepasst werden, dass die Partikelrohemissionen unter den Grenzwert der zu erfüllenden Emissionsnorm abgesenkt werden.In an advantageous improvement of the method it is provided that a fuel sensor for detecting the fuel quality is provided on the fuel supply system, in particular on the fuel tank or a fuel line which connects the fuel tank with the injectors. Alternatively, a recognition of the fuel quality from the engine data by a control unit of the internal combustion engine is provided with advantage, in particular based on the injection quantity, the cylinder pressure curve, pressures and temperatures in the exhaust system or similar parameters, which can be distinguished between a conventional fossil diesel fuel and the proposed special fuel wherein, upon detection of misfuelling with conventional fossil diesel fuel, the engine parameters of the internal combustion engine are adjusted to lower particulate emissions below the threshold of the emission standard to be met.

Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.The various embodiments of the invention mentioned in this application are, unless otherwise stated in the individual case, advantageously combinable with each other.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Dabei sind gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion in den Zeichnungen jeweils mit gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet. Es zeigen:

  • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem;
  • 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem;
  • 3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem;
  • 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem;
  • 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem; und
  • 6 ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Verbrennungsmotors.
The invention will be explained below in embodiments with reference to the accompanying drawings. The same components or components with the same function in the drawings are each identified by the same reference numerals. Show it:
  • 1 a first embodiment of an internal combustion engine with an exhaust aftertreatment system according to the invention;
  • 2 A second embodiment of an internal combustion engine with an exhaust aftertreatment system according to the invention;
  • 3 A third embodiment of an internal combustion engine with an exhaust aftertreatment system according to the invention;
  • 4 a further embodiment of an internal combustion engine with an exhaust aftertreatment system according to the invention;
  • 5 a further embodiment of an internal combustion engine with an exhaust aftertreatment system according to the invention; and
  • 6 a flowchart for performing a method according to the invention for operating an internal combustion engine.

1 zeigt einen Verbrennungsmotor 10 für ein Kraftfahrzeug, welcher als selbstzündender Verbrennungsmotor nach dem Dieselprinzip ausgebildet ist. Der Verbrennungsmotor 10 weist vier Brennräume 12 auf, kann alternativ jedoch auch mit mehr oder weniger Brennräumen 12, insbesondere als Dreizylinder, Fünfzylinder, Sechszylinder oder Achtzylindermotor ausgeführt sein. Der Verbrennungsmotor 10 weist einen Auslass 14 auf, welcher mit einer erfindungsgemäßen Abgasanlage 16 des Verbrennungsmotors 10 verbunden ist. In der Abgasanlage 16 ist stromabwärts des Auslasses 14 eine Turbine 26 eines Abgasturboladers 18 angeordnet. Stromabwärts der Turbine 26 ist als erste emissionsmindernde Abgaskomponente ein offener Partikelfilter 22 und stromabwärts des offenen Partikelfilters 22 ein SCR-Katalysator 24 angeordnet. Zur Einbringung von Reduktionsmittel ist stromabwärts des offenen Partikelfilters 22 und stromaufwärts des SCR-Katalysators 24 ein Dosiermodul 28 zur Eindosierung des Reduktionsmittels 26, insbesondere von wässriger Harnstofflösung, vorgesehen. Stromabwärts des SCR-Katalysators 24 ist ein Partikelsensor 30 vorgesehen, welcher über eine Signalleitung 32 mit einem Steuergerät 34 des Verbrennungsmotors 10 verbunden ist. Des Weiteren können an der Abgasanlage 16 weitere Sensoren, insbesondere ein Sensor zur Erfassung der Stickoxidkonzentration oder ein Temperatursensor, angeordnet sein, welche ebenfalls über eine Signalleitung 32 mit dem Steuergerät 34 verbunden sind. 1 shows an internal combustion engine 10 for a motor vehicle, which is designed as a self-igniting internal combustion engine according to the diesel principle. The internal combustion engine 10 has four combustion chambers 12 but, alternatively, with more or less combustion chambers 12 be designed in particular as a three-cylinder, five-cylinder, six-cylinder or eight-cylinder engine. The internal combustion engine 10 has an outlet 14 on, which with an exhaust system according to the invention 16 of the internal combustion engine 10 connected is. In the exhaust system 16 is downstream of the outlet 14 a turbine 26 an exhaust gas turbocharger 18 arranged. Downstream of the turbine 26 is the first emission-reducing exhaust gas component an open particle filter 22 and downstream of the open particulate filter 22 an SCR catalyst 24 arranged. The introduction of reducing agent is downstream of the open particulate filter 22 and upstream of the SCR catalyst 24 a dosing module 28 for dosing the reducing agent 26 , in particular of aqueous urea solution provided. Downstream of the SCR catalyst 24 is a particle sensor 30 provided, which via a signal line 32 with a control unit 34 of the internal combustion engine 10 connected is. Furthermore, at the exhaust system 16 further sensors, in particular a sensor for detecting the concentration of nitrogen oxide or a temperature sensor, be arranged, which also via a signal line 32 with the control unit 34 are connected.

Der Verbrennungsmotor 10 weist ferner ein Kraftstoffversorgungssystem 40 auf, über welches ein Kraftstoffeinspritzsystem 40 mit einem Sonderkraftstoff 52 versorgt wird und über welches in einem Kraftstofftank 58 bevorrateter Sonderkraftstoff 52 in die Brennräume 12 des Verbrennungsmotors 10 eindosiert werden kann. Das Kraftstoffeinspritzsystem 40 umfasst eine erste Kraftstoffleitung 42, welche den Kraftstofftank 8 mit einer Kraftstoffhochdruckpumpe 44 verbindet. Die Kraftstoffhochdruckpumpe 44 ist über eine weitere Kraftstoffleitung 54 mit einem Hochdruckspeicher 46 verbunden, aus welchem Injektoren 48 zur Einspritzung von Kraftstoff in die Brennräume 12 des Verbrennungsmotors 10 mit dem im Hochdruckspeicher 46 bevorrateten Sonderkraftstoff 52 gespeist werden. Ferner kann an dem Kraftstofftank 58 ein Kraftstoffsensor 54 zur Ermittlung der Kraftstoffgüte, insbesondere zu Ermittlung der Kraftstoffzusammensetzung, angeordnet sein, welcher über eine weitere Signalleitung 32 mit dem Steuergerät 34 des Verbrennungsmotors 10 verbunden ist. Das Abgasnachbehandlungssystem 20 ist frei von einem geschlossenen Partikelfilter ausgeführt, da keine signifikante Reduzierung der Partikelmasse erforderlich ist. Der offene Partikelfilter 22 hat ein Volumen von 0,3 - 2,0 dm3 pro Liter Hubraum des Verbrennungsmotors 10, bevorzugt von 0,5 - 1,5 dm3, besonders bevorzugt von 0,7 - 0,8 dm3 und weist einen Edelmetallgehalt von weniger als 125 g/ft3, bevorzugt von weniger als 100 g/ft3, besonders bevorzugt von weniger als 75 f/ft3, insbesondere von weniger als 50 g/ft3 in einer Platin-Palladium-Mischung mit einem Palladiumanteil von nicht mehr als 25 %, vorzugsweise von weniger als 15 %, insbesondere von weniger als 5 % auf.The internal combustion engine 10 further includes a fuel supply system 40 on which a fuel injection system 40 with a special fuel 52 is supplied and about which in a fuel tank 58 stored special fuel 52 in the combustion chambers 12 of the internal combustion engine 10 can be metered. The fuel injection system 40 includes a first fuel line 42 which the fuel tank 8th with a high-pressure fuel pump 44 combines. The high-pressure fuel pump 44 is over another fuel line 54 with a high-pressure accumulator 46 connected, from which injectors 48 for injection of fuel into the combustion chambers 12 of the internal combustion engine 10 with the in the high-pressure accumulator 46 stocked special fuel 52 be fed. Further, on the fuel tank 58 a fuel sensor 54 be arranged for determining the fuel quality, in particular for determining the fuel composition, which via a further signal line 32 with the control unit 34 of the internal combustion engine 10 connected is. The exhaust aftertreatment system 20 is free from a closed particulate filter because it does not require a significant particle mass reduction. The open particle filter 22 has a volume of 0.3 - 2.0 dm 3 per liter displacement of the internal combustion engine 10 , preferably from 0.5 to 1.5 dm 3 , more preferably from 0.7 to 0.8 dm 3 and has a noble metal content of less than 125 g / ft 3 , preferably less than 100 g / ft 3 , more preferably of less than 75 f / ft 3 , in particular less than 50 g / ft 3, in a platinum-palladium mixture having a palladium content of not more than 25%, preferably less than 15%, in particular less than 5%.

Die SCR-Systeme können bei Kenntnis der Kraftstoff-Zusammensetzung des Spezialkraftstoffs 52 die Dosiervorsteuerung oder Dosierregelung auf den entsprechenden Spezialkraftstoff 52 anpassen. Eine Kraftstofferkennung kann aus den Motordaten des Verbrennungsmotors 10 durch das Steuergerät 34, insbesondere über eine Auswertung der Einspritzmenge, des Zylinderdruckverlaufs in den Brennräumen 12, Drücke und Temperaturen in der Abgasanlage 16, einen Drehzahlverlauf über Kurbelwinkel, erfolgen. Alternativ kann eine Kraftstofferkennung über zumindest einen Kraftstoffsensor 56 im Kraftstofftank 58 oder in den Kraftstoffleitungen 42, 54 zum Verbrennungsmotor 10 oder durch Telemetrie, insbesondere durch eine Kommunikation der Tanksäule mit dem Kraftfahrzeug beim Betanken des Kraftfahrzeuges, abgeleitet werden.The SCR systems can with knowledge of the fuel composition of the special fuel 52 the metering feedforward control or dosing control to the corresponding special fuel 52 to adjust. A fuel detection can from the engine data of the internal combustion engine 10 through the control unit 34 , In particular via an evaluation of the injection quantity, the cylinder pressure curve in the combustion chambers 12 , Pressures and temperatures in the exhaust system 16 , A speed curve over the crank angle, done. Alternatively, a fuel detection via at least one fuel sensor 56 in the fuel tank 58 or in the fuel lines 42 . 54 to the internal combustion engine 10 or be derived by telemetry, in particular by a communication of the fuel pump with the vehicle when refueling the motor vehicle.

Eine Variante des Verbrennungsmotors 10 löst bei einem Betanken mit einem Kraftstoff, welcher von dem vorgeschlagenen Sonderkraftstoff 52 abweicht, geeignete Maßnahmen aus. Die Erkennung einer solchen Fehlbetankung kann bevorzugt durch einen Kraftstoffsensor 56, aber auch durch die Auswertung geeigneter Motordaten des Verbrennungsmotors 10 durch das Steuergerät 34 erfolgen. Geeignete Maßnahmen umfassen ein Warnsignal, welches vorzugsweise optisch an den Fahrer weitergegeben wird und/oder eine Anpassung des Motorbetriebs zur Vermeidung von Beschädigungen an dem Verbrennungsmotor 10, dem Abgasnachbehandlungssystem 20 oder dem Fahrzeug. Dabei ist insbesondere eine Einschränkung der Drehzahl und/oder des Drehmoments des Verbrennungsmotors 10 vorgesehen. Ferner ist eine Anpassung des Motorbetriebs vorgesehen, derart, dass auch mit dem Fehlbetankungskraftstoff unter Beachtung der Effizienz des Abgasnachbehandlungssystems 20 die Schadstoffgrenzwerte eingehalten werden. Dies bedeutet insbesondere, dass bei einer Betankung mit fossilem Dieselkraftstoff neben der Drehzahl- und Drehmomentbegrenzung eine Dynamikeinschränkung durch verzögerte und gedämpfte Freigabe der Solleinspritzmenge bei einem positiven Lastsprung vorgesehen wird, um bereits die Partikelrohemissionen unter dem Grenzwert der zu erfüllenden Emissionsnorm zu halten. Dabei können die genannten Maßnahmen auch dadurch ausgelöst werden, dass der Partikelsensor 30 stromab des SCR-Katalysators 24 eine erhöhte Partikelemission im Abgas erkennt.A variant of the internal combustion engine 10 solves when refueling with a fuel, which of the proposed special fuel 52 deviates from appropriate measures. The detection of such misfuelling can preferably by a fuel sensor 56 , but also by the evaluation of suitable engine data of the internal combustion engine 10 through the control unit 34 respectively. Suitable measures include a warning signal, which is preferably transmitted optically to the driver and / or an adjustment of the engine operation to avoid damage to the internal combustion engine 10 , the exhaust aftertreatment system 20 or the vehicle. In this case, in particular, a restriction of the rotational speed and / or the torque of the internal combustion engine 10 intended. Furthermore, an adaptation of the engine operation is provided, such that also with the incorrect fueling fuel, taking into account the efficiency of the exhaust aftertreatment system 20 the pollutant limit values are met. This means, in particular, that in the case of refueling with fossil diesel fuel, in addition to the speed and torque limitation, a dynamic restriction is provided by delayed and damped release of the setpoint injection quantity with a positive load step in order to keep the particulate matter emissions below the limit of the emission standard to be met. The measures mentioned can also be triggered by the fact that the particle sensor 30 downstream of the SCR catalyst 24 detects an increased particulate emission in the exhaust gas.

Zusätzlich kann bei einem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor 10 stromaufwärts und/oder stromabwärts einer der Komponenten zur Abgasnachbehandlung 22, 24, 38 Abgas für eine Abgasrückführung entnommen werden. Bevorzugt wird dabei, dass Abgas stromaufwärts der Turbine 26 des Abgasturboladers 18 entnommen wird und über einen Hochdruckabgasrückführung 66 mit einem Abgasrückführungsventil 68 mit einem Ansaugtrakt unmittelbar stromaufwärts eines Einlasses 78 zu den Brennräumen 12 verbunden ist. Die Abgasanlage 16 kann ferner eine Niederdruck-Abgasrückführung 70 aufweisen, welche die Abgasanlage stromabwärts des offenen Partikelfilters 22 und stromabwärts der Turbine 26 des Abgasturboladers 18 mit einer Ansaugleitung 82 des Ansaugtrakts 80 des Verbrennungsmotors 10 stromaufwärts eines Verdichters 84 des Abgasturboladers 18 verbindet. Die Niederdruckabgasrückführung 70 weist eine Niederdruck-Abgasrückführungsleitung 72 auf, in welcher ein Niederdruck-Abgasrückführungskühler 74 und ein Niederdruck-Abgasrückführungsventil 86 angeordnet sind.In addition, in an internal combustion engine according to the invention 10 upstream and / or downstream of one of the exhaust aftertreatment components 22 . 24 . 38 Exhaust gas for an exhaust gas recirculation can be removed. It is preferred that the exhaust gas upstream of the turbine 26 the exhaust gas turbocharger 18 is removed and via a high pressure exhaust gas recirculation 66 with an exhaust gas recirculation valve 68 with an intake tract immediately upstream of an inlet 78 to the combustion chambers 12 connected is. The exhaust system 16 can also be a low-pressure exhaust gas recirculation 70 comprising the exhaust system downstream of the open particulate filter 22 and downstream of the turbine 26 the exhaust gas turbocharger 18 with a suction line 82 the intake tract 80 of the internal combustion engine 10 upstream of a compressor 84 the exhaust gas turbocharger 18 combines. The low pressure exhaust gas recirculation 70 has a low pressure exhaust gas recirculation line 72 in which a low-pressure exhaust gas recirculation cooler 74 and a low pressure exhaust gas recirculation valve 86 are arranged.

Stromabwärts des Dosiermoduls 28 und stromaufwärts des SCR-Katalysators 24 kann ein Abgasmischer 62 vorgesehen sein, um die Vermischung von Abgas und Reduktionsmittel vor einem Eintritt in den SCR-Katalysator 24 zu verbessern. Ferner kann in der Abgasanlage 16 stromabwärts des SCR-Katalysators 24 ein Sperrkatalysator 64 vorgesehen sein, um einen unkontrollierten Ammoniakaustritt durch ungenutztes Reduktionsmittel zu verhindern.Downstream of the dosing module 28 and upstream of the SCR catalyst 24 can be an exhaust mixer 62 be provided to the mixing of exhaust and reducing agent before entering the SCR catalyst 24 to improve. Furthermore, in the exhaust system 16 downstream of the SCR catalyst 24 a barrier catalyst 64 be provided to prevent uncontrolled ammonia leakage through unused reducing agent.

In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors 10 mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 ausgeführt, wird im Folgenden nur auf die Unterschiede eingegangen. Dabei ist in der Abgasanlage 16 stromabwärts der Turbine 26 des Abgasturboladers 18 und stromaufwärts des offenen Partikelfilters 22 ein zusätzlicher Oxigenat-Speicherkatalysator 36, insbesondere ein Zeolith-Speicherkatalysator, zur Zwischenspeicherung von Oxigenaten, insbesondere von Formaldehyd, angeordnet. Dieser Oxigenat-Speicherkatalysator 36 ist geeignet, Oxigenate bei kalten Bedingungen einzuspeichern und bei betriebswarmen Abgasnachbehandlungskomponenten wieder abzugeben. Alternativ zu einem zusätzlichen Oxigenat-Speicherkatalysator 36 kann ein entsprechender Speicher auch als Beimischung der Edelmetall-Beschichtung auf den Filterkörper des offenen Partikelfilters 22 beigemischt sein. Es hat sich herausgestellt, dass sauerstoffhaltige Verbindungen in der Verbrennung zu erhöhten Emissionen von Oxygenaten, insbesondere von Aldehydemissionen, führen können. Daher ist ein Oxigenat-Speicherkatalysator 36 in Form eines Zeolith-Speicherkatalysators zur Zwischenspeicherung von Oxigenaten bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors 10 mit einem Sonderkraftstoff 52 besonders vorteilhaft.In 2 is another embodiment of an internal combustion engine 10 represented with an exhaust aftertreatment system according to the invention. With essentially the same structure as 1 In the following, only the differences will be discussed. It is in the exhaust system 16 downstream of the turbine 26 the exhaust gas turbocharger 18 and upstream of the open particulate filter 22 an additional oxygenate storage catalyst 36 , in particular a zeolite storage catalyst, for temporarily storing oxygenates, in particular formaldehyde. This oxygenate storage catalyst 36 is suitable for storing oxygenates in cold conditions and for releasing them again with operating exhaust aftertreatment components. Alternatively to an additional oxygenate storage catalyst 36 a corresponding memory can also be used as an admixture of the noble metal coating on the filter body of the open particle filter 22 be mixed. It has been found that oxygenated compounds in combustion can lead to increased emissions of oxygenates, particularly aldehyde emissions. Therefore, an oxigenate storage catalyst 36 in the form of a zeolite storage catalyst for temporarily storing oxygenates during operation of the internal combustion engine 10 with a special fuel 52 especially advantageous.

Offene Partikelfilter 22 können in Keramik oder Metall ausgeführt werden. Bevorzugt ist eine Ausführung in Metall, welche zusätzlich ein elektrisches Heizelement 60 aufweist. Dadurch kann der offene Partikelfilter 22 in bestimmten Fahrzuständen elektrisch beheizt werden, wodurch die Oxigenat-Emissionen reduziert werden können. Insbesondere ist ein elektrisch beheizbarer, offener Partikelfilter 22 mit einem vorgeschalteten Oxigenat-Speicherkatalysator 36 vorgeschlagen. Dadurch kann eine Oxidationsfunktion des offenen Partikelfilters 22 vor Erreichen der Desorptionstemperaturschwelle des vorgeschalteten Oxigenat-Speicherkatalysators 36 erreicht und wirksam sichergestellt werden, sodass die Oxigenat-Emissionen wirksam gemindert werden können.Open particle filter 22 can be made in ceramics or metal. Preferred is an embodiment in metal, which in addition an electric heating element 60 having. This allows the open particle filter 22 be electrically heated in certain driving conditions, whereby the oxygenate emissions can be reduced. In particular, an electrically heatable, open particle filter 22 with an upstream oxygenate storage catalyst 36 proposed. This may cause an oxidation function of the open particulate filter 22 before reaching the desorption temperature threshold of the upstream oxygenate storage catalyst 36 achieved and effectively ensured, so that the oxygenate emissions can be effectively reduced.

In 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors 10 mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 ausgeführt, ist in der Abgasanlage 16 stromabwärts des offenen Partikelfilters 22 anstelle eines SCR-Katalysators 24 ein NOx-Speicherkatalysator 38 angeordnet. Dabei entfällt das Dosiermodul 28 zur Einbringung des Reduktionsmittels.In 3 is a third embodiment of an internal combustion engine 10 represented with an exhaust aftertreatment system according to the invention. With essentially the same structure as 1 executed, is in the exhaust system 16 downstream of the open particulate filter 22 instead of an SCR catalyst 24 a NOx storage catalyst 38 is arranged. The dosing module is eliminated 28 for introducing the reducing agent.

In 4 ist ein viertes Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors 10 mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem gezeigt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 ausgeführt ist in dieser Ausführungsvariante der offene Partikelfilter 22 stromabwärts des Auslasses 14 des Verbrennungsmotors 10 und stromaufwärts der Turbine 26 des Abgasturboladers 18 angeordnet. Stromabwärts der Turbine 26 sind das Dosiermodul 28 zur Eindosierung des Reduktionsmittels und weiter stromabwärts der SCR-Katalysator 24 angeordnet.In 4 is a fourth embodiment of an internal combustion engine 10 shown with an exhaust aftertreatment system according to the invention. With essentially the same structure as 1 executed in this embodiment of the open particle filter 22 downstream of the outlet 14 of the internal combustion engine 10 and upstream of the turbine 26 the exhaust gas turbocharger 18 arranged. Downstream of the turbine 26 are the dosing module 28 for dosing the reductant and further downstream the SCR catalyst 24 arranged.

In 5 ist ein fünftes Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors 10 mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 3 aufgeführt, ist in dieser Ausführungsvariante der offene Partikelfilter 22 nicht zwischen der Turbine 26 und dem NOx-Speicherkatalysator 38, sondern stromaufwärts der Turbine 26 angeordnet.In 5 is a fifth embodiment of an internal combustion engine 10 represented with an exhaust aftertreatment system according to the invention. With essentially the same structure as 3 listed, in this embodiment, the open particle filter 22 not between the turbine 26 and the NOx storage catalyst 38 but upstream of the turbine 26 arranged.

Die Beimischung von Sonderkraftstoffen 52, insbesondere von sogenannten „C1-Kraftstoffen“, also Kraftstoffen, bei denen keine chemische Bindung eines Kohlenstoffatoms mit einem weiteren Kohlenstoffatom besteht, kann dabei helfen, die Partikelemissionen bei der Verbrennung deutlich zu reduzieren. C1-Kraftstoffe verbrennen quasi rußfrei. Auch Mischungen von C1-Kraftstoffen mit anderen Kraftstoffen können überproportional dem Anteil des C1-Kraftstoffes helfen, die Rohemissionen des Verbrennungsmotors zu senken. Prominente Vertreter der C1-Kraftstoffe sind Oxymethylenether (OME). Als Mischungskomponente für den C1-Kraftstoff kommen insbesondere konventioneller Dieselkraftstoff, Biodiesel oder paraffinische Kraftstoffe sowie von Biodiesel abweichende Ester infrage. OME-Kraftstoffe bieten, wie in mehreren Studien nachgewiesen wurde, die Möglichkeit, Partikelrohemissionen hinsichtlich der Partikelmasse und der Partikelanzahl signifikant gegenüber dem Stand der Technik abzusenken.The admixture of special fuels 52 , in particular of so-called "C1 fuels", ie fuels in which there is no chemical bonding of a carbon atom with another carbon atom, can help to significantly reduce the particulate emissions during combustion. C1 fuels burn virtually soot-free. Even mixtures of C1 fuels with other fuels can disproportionately help the proportion of C1 fuel to lower the raw emissions of the internal combustion engine. Prominent representatives of C1 fuels are oxymethylene ethers (OME). Conventional diesel fuel, biodiesel or paraffinic fuels and esters deviating from biodiesel are particularly suitable as a component of the mixture for the C1 fuel. As proven in several studies, OME fuels offer the possibility of significantly lowering particulate matter emissions in terms of particle mass and particle number compared to the state of the art.

Da ein Einsatz von reinem Oxymethylenether (OME) als Kraftstoff aus Gründen der Verfügbarkeit und aus Kostengründen eher unwahrscheinlich ist, ist die Beimischung von OME zu einem konventionellem (fossilem) Dieselkraftstoff und einem fossil oder synthetisch hergestellten paraffinischen Dieselkraftstoff die bevorzugte Variante des Sonderkraftstoffs 52. Auch mit solchen Mischungen können wie beschrieben überproportionale Partikelminderungen erreicht werden. Eine Beimischung von OME kann allerdings Maßnahmen zur Kompensation des geringeren Heizwertes des OME, wie beispielsweise geringfügig größere Spritzlöcher in den Einspritzdüsen der Injektoren 48, erfordern.Since the use of pure oxymethylene ether (OME) as fuel is unlikely for reasons of availability and cost, the addition of OME to a conventional (fossil) diesel fuel and a fossil or synthetic paraffinic diesel fuel is the preferred variant of the specialty fuel 52 , As described, disproportionate particle reductions can also be achieved with such mixtures. An admixture of OME, however, measures to compensate for the lower heating value of the OME, such as slightly larger injection holes in the injectors of the injectors 48 , require.

Für Kraftfahrzeuge mit Dieselmotor, welche mit einem Sonderkraftstoff 52 betrieben werden, welcher eine Mischung von 5 % - 100 % OME, vorzugsweise 10 % - 99 % OME, besonders bevorzugt 15 - 70 % OME, 0 - 85 % paraffinische Dieselkraftstoff, 0 - 85 % fossilen Dieselkraftstoff, 0 - 85 % Biodiesel, 0 - 85 % eines Alkohols aus der Gruppe von Butanol bis Hexadecanol und 0 - 85 % Furane aufweist, wird daher eine Abgasreinigung mit einem der in 1 bis 5 vorgeschlagenen Abgasnachbehandlungssysteme vorgeschlagen, welches wirksam die Partikelanzahl und die NOx-Emissionen des Verbrennungsmotors 10 senkt.For motor vehicles with diesel engine, which with a special fuel 52 which is a mixture of 5% -100% OME, preferably 10% -99% OME, more preferably 15-70% OME, 0-85% paraffinic diesel fuel, 0-85% fossil diesel fuel, 0-85% biodiesel, 0 - 85% of an alcohol from the group of butanol to hexadecanol and 0 - has 85% furans, therefore, an exhaust gas purification with one of the in 1 to 5 proposed exhaust aftertreatment systems, which effectively the particle number and the NOx emissions of the internal combustion engine 10 lowers.

In 6 ist ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Verbrennungsmotors 10 dargestellt. Dabei wird in einem ersten Verfahrensschritt <100> die Kraftstoffqualität des Sonderkraftstoffs 52 überprüft. Bei Erkennen einer Fehlbetankung wird in einem Verfahrensschritt <110> ein Warnsignal, vorzugsweise eine optisches Warnsignal, durch eine Anzeige im Fahrinformationsdisplay ausgegeben und parallel dazu in einem Verfahrensschritt <120> entsprechende Maßnahmen zum Schutz des Verbrennungsmotors 10 und/oder des Abgasnachbehandlungssystem 20 eingeleitet. Dabei werden insbesondere das verfügbare Drehmoment, die verfügbare Leistung des Verbrennungsmotors sowie dynamische Änderungen der Einspritzmenge eingeschränkt, um die Partikelrohemissionen des Verbrennungsmotors 10 abzusenken. In einem Verfahrensschritt <130> werden stromabwärts des offenen Partikelfilters 22, vorzugsweise stromabwärts des SCR-Katalysators 24, die Partikelemissionen in der Abgasanlage 16 gemessen und die Motordaten durch das Steuergerät 34 solange angepasst, bis die Rohemissionen des Verbrennungsmotors 10 auf ein Minimum reduziert sind, um mit dem Abgasnachbehandlungssystem 20 die geltenden Emissionsgrenzwerte einzuhalten. Ferner wird der Fahrer in einem Verfahrensschritt <140> dazu aufgefordert, entsprechend Spezialkraftstoff 52 nachzutanken, um die Rohemissionen des Verbrennungsmotors 10 weiter abzusenken. Bei Erkennen einer abweichenden Kraftstoffqualität wird zudem in einem Verfahrensschritt <150> die Abgasrückführung über die Niederdruck-Abgasrückführung 70 begrenzt oder vorzugsweise komplett unterbunden, um das Risiko von Beschädigungen am Verdichter 84 des Abgasturboladers 18 zu begrenzen.In 6 is a flow diagram of a method according to the invention for operating an internal combustion engine 10 shown. In this case, in a first method step <100>, the fuel quality of the special fuel 52 checked. Upon detection of incorrect refueling, a warning signal, preferably an optical warning signal, is output by a display in the driving information display in a method step <110> and, in parallel thereto, in a method step <120> appropriate measures for protecting the internal combustion engine 10 and / or the exhaust aftertreatment system 20 initiated. In particular, the available torque, the available power of the internal combustion engine as well as dynamic changes of the injection quantity are restricted to the particle raw emissions of the internal combustion engine 10 lower. In a process step <130> downstream of the open particulate filter 22 , preferably downstream of the SCR catalyst 24 , the particulate emissions in the exhaust system 16 measured and the motor data through the control unit 34 adjusted until the raw emissions of the internal combustion engine 10 are reduced to a minimum, with the exhaust aftertreatment system 20 to comply with the applicable emission limit values. Furthermore, the driver is requested in a process step <140> to do this, corresponding to special fuel 52 to refuel, to the raw emissions of the internal combustion engine 10 lower further. If a different fuel quality is detected, the exhaust gas recirculation via the low-pressure exhaust gas recirculation is also produced in a process step <150> 70 limited or preferably completely suppressed the risk of damage to the compressor 84 the exhaust gas turbocharger 18 to limit.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Verbrennungsmotorinternal combustion engine
1212
Brennraumcombustion chamber
1414
Auslassoutlet
1616
Abgasanlageexhaust system
1818
Abgasturbolader turbocharger
2020
Abgasnachbehandlungssystemaftertreatment system
2222
offener Partikelfilteropen particle filter
2424
SCR-KatalysatorSCR catalyst
2626
Turbineturbine
2828
Dosiermodul dosing
3030
Partikelsensorparticle sensor
3232
Signalleitungsignal line
3434
Steuergerätcontrol unit
3636
Oxigenat-SpeicherkatalysatorOxigenat storage catalytic converter
3838
NOx-Speicherkatalysator NOx storage catalytic converter
4040
KraftstoffeinspritzsystemFuel injection system
4242
KraftstoffleitungFuel line
4444
KraftstoffhochdruckpumpeHigh-pressure fuel pump
4646
HochdruckspeicherHigh-pressure accumulator
4848
Injektor injector
5050
KraftstoffversorgungssystemFuel Supply System
5252
SonderkraftstoffSpecial fuel
5454
KraftstoffleitungFuel line
5656
KraftstoffsensorFuel sensor
5858
KraftstofftankFuel tank
6060
elektrisches Heizelementelectric heating element
6262
Abgasmischerexhaust mixer
6464
Sperrkatalysatorblocking catalytic converter
66 66
Hochdruck-AbgasrückführungHigh-pressure exhaust gas recirculation
6868
Abgasrückführungsventil Exhaust gas recirculation valve
7070
Niederdruck-AbgasrückführungLow-pressure exhaust gas recirculation
7272
AbgasrückführungsleitungExhaust gas recirculation line
7474
AbgasrückführungskühlerExhaust gas recirculation cooler
7676
Niederdruck-AbgasrückführungsventilLow-pressure exhaust gas recirculation valve
7878
Einlass inlet
8080
Ansaugtraktintake system
8282
Ansaugleitungsuction
8484
Verdichtercompressor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102010005813 A1 [0003]DE 102010005813 A1 [0003]
  • DE 102015120106 A1 [0004]DE 102015120106 A1 [0004]
  • EP 2853707 B1 [0005]EP 2853707 B1 [0005]

Claims (10)

Verbrennungsmotor (10) mit einem Kraftstoffsystem (50) und einem Abgasnachbehandlungssystem (20), wobei das Abgasnachbehandlungssystem (20) eine Partikelminderungseinheit und eine der Partikelminderungseinheit nachgeschaltete Abgasnachbehandlungskomponente zur Reduzierung der Stickoxidemissionen (24, 38) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelminderungseinheit als offener Partikelfilter (22) ausgeführt ist, der Verbrennungsmotor (10) als selbstzündender Verbrennungsmotor (10) nach dem Dieselprinzip ausgeführt ist und mit einem Sonderkraftstoff (52) betrieben wird, welcher mindestens 5 % eines C1-Kraftstoffes, aufweist.An internal combustion engine (10) having a fuel system (50) and an exhaust aftertreatment system (20), wherein the exhaust aftertreatment system (20) comprises a particulate reduction unit and an exhaust aftertreatment component downstream of the particulate reduction unit for reducing nitrogen oxide emissions (24, 38), characterized in that the particulate reduction unit is open Particle filter (22) is executed, the internal combustion engine (10) is designed as a self-igniting internal combustion engine (10) according to the diesel principle and with a special fuel (52) is operated, which has at least 5% of a C1 fuel. Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der C1-Kraftstoff ein Oxymethylenether (OME) ist.Internal combustion engine (10) after Claim 1 , characterized in that the C1 fuel is an oxymethylene ether (OME). Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der offene Partikelfilter (22) ein elektrisches Heizelement (60) aufweist.Internal combustion engine (10) after Claim 1 or 2 , characterized in that the open particulate filter (22) comprises an electrical heating element (60). Verbrennungsmotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungskomponente zur Minderung der Stickoxidemissionen ein NOx-Speicherkatalysator (38) oder ein SCR-Katalysator (24) ist.Internal combustion engine (10) according to one of Claims 1 to 2 , characterized in that the exhaust aftertreatment component for reducing the nitrogen oxide emissions is a NOx storage catalyst (38) or an SCR catalyst (24). Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente zur Minderung der Stickoxid-Emissionen als SCR-Katalysator (24) ausgebildet ist und stromabwärts des offenen Partikelfilters (22) und stromaufwärts des SCR-Katalysators (24) ein Dosiermodul (28) zur Eindosierung eines Reduktionsmittels in die Abgasanlage (16) vorgesehen ist.Internal combustion engine (10) after Claim 4 , characterized in that the component for reducing the nitrogen oxide emissions as SCR catalyst (24) is formed and downstream of the open particulate filter (22) and upstream of the SCR catalyst (24) a metering module (28) for metering a reducing agent in the Exhaust system (16) is provided. Verbrennungsmotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der offene Partikelfilter (22) in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors (10) durch eine Abgasanlage (16) des Verbrennungsmotors (10) als erste emissionsmindernde Abgasnachbehandlungskomponente angeordnet ist.Internal combustion engine (10) according to one of Claims 1 to 5 , characterized in that the open particulate filter (22) in the flow direction of an exhaust gas of the internal combustion engine (10) through an exhaust system (16) of the internal combustion engine (10) is arranged as the first emission-reducing exhaust aftertreatment component. Verbrennungsmotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasanlage (16) des Verbrennungsmotors (10) ein Oxigenat-Speicherkatalysator (36) angeordnet ist oder der offene Partikelfilter (22) mit einer Beschichtung zur Speicherung von Oxigenaten versehen ist.Internal combustion engine (10) according to one of Claims 1 to 6 , characterized in that in the exhaust system (16) of the internal combustion engine (10) an oxygenate storage catalyst (36) is arranged or the open particulate filter (22) is provided with a coating for the storage of oxygenates. Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Oxigenat-Speicher (36) stromabwärts der Turbine (26) des Abgasturboladers (18) und stromaufwärts des offenen Partikelfilters (22) in der Abgasanlage (16) des Verbrennungsmotors (10) angeordnet und vorzugsweise mit einer Heizvorrichtung ausgestattet ist.Internal combustion engine (10) after Claim 7 , characterized in that the oxygenate storage (36) downstream of the turbine (26) of the exhaust gas turbocharger (18) and upstream of the open particulate filter (22) in the exhaust system (16) of the internal combustion engine (10) is arranged and preferably equipped with a heating device , Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelrohemissionen des Verbrennungsmotors (10) dadurch abgesenkt werden, dass dem Sonderkraftstoff (52) mindestens 5 % eines C1-Kraftstoffes beigemischt werden.Method for operating an internal combustion engine according to one of Claims 1 to 8th , characterized in that the particulate matter emissions of the internal combustion engine (10) are lowered by the fact that the special fuel (52) at least 5% of a C1 fuel are admixed. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Kraftstoffversorgungssystem (50) ein Kraftstoffsensor (56) zur Erkennung der Kraftstoffqualität vorgesehen ist, oder die Motordaten des Verbrennungsmotors (10) durch ein Steuergerät (34) derart ausgewertet werden, dass die Kraftstoffqualität erkannt wird, wobei bei einer Fehlbetankung mit konventionellem fossilen Dieselkraftstoff die Motorparameter des Verbrennungsmotors (10) derart angepasst werden, dass die Partikelrohemissionen unter den Grenzwert der zu erfüllenden Emissionsnorm abgesenkt werden.Method according to Claim 9 , characterized in that at the fuel supply system (50) is provided a fuel sensor (56) for detecting the fuel quality, or the engine data of the internal combustion engine (10) by a control unit (34) are evaluated such that the fuel quality is detected, at a Faulty refueling with conventional fossil diesel fuel, the engine parameters of the internal combustion engine (10) are adjusted so that the particulate emissions are lowered below the limit of the emission standard to be met.
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