DE102018117124A1 - Internal combustion engine and method for exhaust gas aftertreatment of such an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor (10) sowie ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines solchen Verbrennungsmotors (10). Der Verbrennungsmotor weist mindestens einen Brennraum (12) auf und ist auslassseitig mit einer Abgasanlage (50) verbunden. In der Abgasanlage (50) sind eine Turbine (54) eines Abgasturboladers, stromabwärts der Turbine mindestens eine Abgasnachbehandlungskomponente (64, 66, 68, 70) und stromabwärts zumindest einer Abgasnachbehandlungskomponente eine Abgasklappe (76) angeordnet, mit welcher der Abgaskanal (52) versperrt werden kann.Es ist vorgesehen, dass eine Ist-Temperatur (T) der Abgasnachbehandlungskomponente (64, 66, 68, 70) ermittelt und mit einer Soll-Temperatur (T)für die Abgasnachbehandlungskomponente (64, 66, 68, 70) verglichen wird. Liegt die Ist-Temperatur (T) unterhalb der Soll-Temperatur (T), wird die Abgasklappe (76) zur Erhöhung des Abgasgegendrucks geschlossen. Parallel werden die Öffnungszeiten der Auslassventile (18) des Verbrennungsmotors (10) derart angepasst, dass das Abgas aus der Abgasanlage (50) mittels einer internen Abgasrückführung zurück in den Brennraum (12) des Verbrennungsmotors (10) gesaugt wird, um die Stickoxid-Emissionen zu minimieren.The invention relates to an internal combustion engine (10) and a method for exhaust gas aftertreatment of such an internal combustion engine (10). The internal combustion engine has at least one combustion chamber (12) and is connected to an exhaust system (50) on the outlet side. A turbine (54) of an exhaust gas turbocharger is arranged in the exhaust gas system (50), at least one exhaust gas aftertreatment component (64, 66, 68, 70) downstream of the turbine and at least one exhaust gas aftertreatment component downstream of at least one exhaust gas aftertreatment component, with which the exhaust duct (52) blocks It is provided that an actual temperature (T) of the exhaust gas aftertreatment component (64, 66, 68, 70) is determined and compared with a target temperature (T) for the exhaust gas aftertreatment component (64, 66, 68, 70) , If the actual temperature (T) is below the target temperature (T), the exhaust flap (76) is closed to increase the exhaust gas back pressure. At the same time, the opening times of the exhaust valves (18) of the internal combustion engine (10) are adjusted such that the exhaust gas from the exhaust system (50) is sucked back into the combustion chamber (12) of the internal combustion engine (10) by means of internal exhaust gas recirculation in order to reduce the nitrogen oxide emissions to minimize.
Description
Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit einem Luftversorgungssystem und einer Abgasanlage sowie ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines solchen Verbrennungsmotors gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.The invention relates to an internal combustion engine with an air supply system and an exhaust system and a method for exhaust gas aftertreatment of such an internal combustion engine according to the preamble of the independent claims.
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, einen Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Katalysator) sowie einen Partikelfilter zur Abscheidung von Rußpartikeln und gegebenenfalls weitere Katalysatoren aufweisen. 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. Vor Erreichen der Light-Off-Temperatur des SCR-Katalysators können die NOx-Emissionen jedoch nicht durch diesen Katalysator in unschädliche Abgaskomponenten konvertiert werden. Daher sind gerade in der Kaltstartphase die NOx-Rohemissionen des Verbrennungsmotors zu minimieren und/oder eine schnelle Aufheizung der Abgasnachbehandlungskomponenten anzustreben.The current exhaust gas legislation, which will become increasingly stringent in the future, places high demands on raw engine emissions and exhaust gas aftertreatment of internal combustion engines. The demands for a further decrease in consumption and the further tightening of the exhaust gas standards with regard to the permissible nitrogen oxide emissions represent a challenge for the engine developers. In gasoline engines, exhaust gas cleaning is carried out in a known manner using a three-way catalytic converter and the three-way Catalyst upstream and downstream further catalysts. Exhaust gas aftertreatment systems are currently used in diesel engines, which have an oxidation catalytic converter, a catalytic converter for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides (SCR catalytic converter) and a particle filter for the separation of soot particles and, if appropriate, further catalytic converters. Ammonia is preferably used as the reducing agent. Because the use of pure ammonia is complex, a synthetic, aqueous urea solution is usually used in vehicles, which is mixed with the hot exhaust gas stream in a mixing device upstream of the SCR catalytic converter. This mixing heats the aqueous urea solution, the aqueous urea solution releasing ammonia in the exhaust gas duct. A commercially available, aqueous urea solution generally consists of 32.5% urea and 67.5% water. Before the light-off temperature of the SCR catalytic converter is reached, however, the NOx emissions cannot be converted into harmless exhaust gas components by this catalytic converter. Therefore, especially in the cold start phase, the raw NOx emissions of the internal combustion engine must be minimized and / or the exhaust gas aftertreatment components heated up quickly.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, die NOx-Rohemissionen bei einem Dieselmotor durch eine innere und eine äußere Abgasrückführung, späte Spritzbeginne für die Kraftstoffeinspritzung in die Brennräume des Verbrennungsmotors und eine entsprechende Verschiebung der Verbrennungsschwerpunktlage zu reduzieren. Ferner ist bekannt, dass eine solche Verschiebung der Verbrennungsschwerpunktlage in Richtung spät zu einer Abnahme des thermischen Wirkungsgrads des Verbrennungsmotors und einer Erhöhung der Abgastemperatur führt. Darüber hinaus ist bekannt, die Abgasnachbehandlungskomponenten durch elektrische Heizelemente oder einen kraftstoffbetriebenen Abgasbrenner auf ihre Betriebstemperatur aufzuheizen, um die Emissionen nach dem Start zu minimieren.It is known from the prior art to reduce the raw NOx emissions in a diesel engine by means of internal and external exhaust gas recirculation, late starts of injection for fuel injection into the combustion chambers of the internal combustion engine and a corresponding shift in the center of gravity of the combustion. Furthermore, it is known that such a shift in the center of gravity of the combustion towards late leads to a decrease in the thermal efficiency of the internal combustion engine and an increase in the exhaust gas temperature. In addition, it is known to heat the exhaust aftertreatment components to their operating temperature by means of electrical heating elements or a fuel-operated exhaust gas burner in order to minimize emissions after starting.
Aus der
Aus der
Die
Nachteilig an den bekannten Verfahren zur Abgasnachbehandlung ist jedoch, dass sie zu einer Partikel-Mehremission, einem erhöhten Kraftstoffverbrauch und damit verbunden zu erhöhten CO2-Emissionen, zu Problemen beim Packageing in engen Motorräumen sowie zu mangelnder Wirksamkeit insbesondere in der Kaltstartphase des Verbrennungsmotors führen können. A disadvantage of the known methods for exhaust gas aftertreatment, however, is that they can lead to increased particle emissions, increased fuel consumption and, consequently, increased CO 2 emissions, problems with packaging in narrow engine compartments and inefficiency, particularly in the cold start phase of the internal combustion engine ,
Aufgabe der Erfindung ist es, die Rohemissionen eines Verbrennungsmotors insbesondere in der Kaltstartphase des Verbrennungsmotors zu minimieren und das Aufheizen der Abgasnachbehandlungskomponenten auf ihre jeweilige Light-Off-Temperatur zu beschleunigen.The object of the invention is to minimize the raw emissions of an internal combustion engine, in particular in the cold start phase of the internal combustion engine, and to accelerate the heating of the exhaust gas aftertreatment components to their respective light-off temperature.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit mindestens einem Brennraum gelöst, wobei der Verbrennungsmotor über seinen Einlass mit einem Luftversorgungssystem und mittels seines Auslasses mit einer Abgasanlage verbunden ist. An dem mindestens einen Brennraum ist mindestens ein Auslassventil angeordnet, mit welchem eine fluidische Verbindung vom Brennraum zur Abgasanlage geschlossen oder geöffnet werden kann. In einem Abgaskanal der Abgasanlage ist stromabwärts des Auslasses eine Turbine eines Abgasturboladers angeordnet. Dabei ist in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors durch den Abgaskanal stromabwärts der Turbine mindestens eine Abgasnachbehandlungskomponente, vorzugsweise mindestens ein Katalysator mit einer Oxidationsstufe, ein Partikelfilter und ein Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Katalysator) angeordnet. Ferner ist eine Abgasklappe vorgesehen, mit welcher der Abgaskanal stromabwärts der mindestens einen Abgasnachbehandlungskomponente, zumindest weitestgehend versperrt werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst folgende Schritte:
- - Ermitteln einer Ist-Temperatur einer Abgasnachbehandlungskomponente
- - Vergleichen der ermittelten Ist-Temperatur der Abgasnachbehandlungskomponente mit einer Soll-Temperatur,
- - Schließen der Abgasklappe zur Erhöhung des Abgasgegendrucks im Abgaskanal und Veränderung der Öffnungszeiten des mindestens einen Auslassventils, um das Abgas aus der Abgasanlage mittels einer internen Abgasrückführung in den mindestens einen Brennraum zu saugen, wenn die Ist-Temperatur der Abgasnachbehandlungskomponente unterhalb der Soll-Temperatur liegt.
- - Determining an actual temperature of an exhaust gas aftertreatment component
- Comparing the determined actual temperature of the exhaust gas aftertreatment component with a target temperature,
- - Closing the exhaust flap to increase the exhaust gas back pressure in the exhaust duct and changing the opening times of the at least one exhaust valve in order to suck the exhaust gas from the exhaust system into the at least one combustion chamber by means of an internal exhaust gas recirculation if the actual temperature of the exhaust gas aftertreatment component is below the target temperature ,
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, insbesondere in einer Kaltstartphase des Verbrennungsmotors, wenn die Abgasnachbehandlungskomponenten noch nicht ihre Betriebstemperatur erreicht haben und noch nicht eine effiziente Konvertierung von Schadstoffen gewährleisten können, die Rohemissionen des Verbrennungsmotors zu senken. Durch das Schließen der Abgasklappe steigt der Abgasgegendruck, sodass der Kolben des Verbrennungsmotors mehr Arbeit leisten muss, um das Abgas aus dem Brennraum in den Abgaskanal auszuschieben. Infolge der Erhöhung des Abgasgegendrucks und der Mehrarbeit steigt die Abgastemperatur im Abgaskanal an. Durch die gleichzeitige Anhebung der Abgasmenge über die interne Abgasrückführung, also das Rücksaugen von Abgas während der Abwärtsbewegung des Kolbens in der Ansaugphase, können die NOx-Rohemissionen abgesenkt werden.The method according to the invention makes it possible, particularly in a cold start phase of the internal combustion engine, when the exhaust gas aftertreatment components have not yet reached their operating temperature and cannot yet guarantee an efficient conversion of pollutants, in the raw emissions of the internal combustion engine. Closing the exhaust flap increases the exhaust gas back pressure so that the piston of the internal combustion engine has to do more work to push the exhaust gas out of the combustion chamber into the exhaust gas duct. As a result of the increase in exhaust gas back pressure and the additional work, the exhaust gas temperature in the exhaust gas duct rises. By simultaneously increasing the amount of exhaust gas via the internal exhaust gas recirculation, i.e. sucking back exhaust gas during the downward movement of the piston in the intake phase, the raw NOx emissions can be reduced.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterentwicklungen des im unabhängigen Anspruch angegeben Verfahrens zur Abgasnachbehandlung möglich.Advantageous improvements and further developments of the method for exhaust gas aftertreatment specified in the independent claim are possible due to the features listed in the dependent claims.
In bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass ein Motorbetriebspunkt des Verbrennungsmotors ermittelt wird und in Abhängigkeit des Motorbetriebspunktes die Ermittlung eines Soll-Abgasgegendruck in dem Abgaskanal stromabwärts des Auslasses und stromaufwärts der Turbine erfolgt. Da nicht in allen Betriebspunkten des Verbrennungsmotors eine interne Abgasrückführung sinnvoll ist, kann zusätzlich der Betriebspunkt bezüglich Drehzahl und effektivem Drehmoment ermittelt werden und in Abhängigkeit von diesem Betriebspunkt entschieden werden, ob eine interne Abgasrückführung durch ein zusätzliches Öffnen des Auslassventils sinnvoll ist.In a preferred embodiment of the method, it is provided that an engine operating point of the internal combustion engine is determined and, depending on the engine operating point, a target exhaust back pressure is determined in the exhaust duct downstream of the outlet and upstream of the turbine. Since an internal exhaust gas recirculation does not make sense at all operating points of the internal combustion engine, the operating point can also be determined with regard to speed and effective torque and depending on this operating point it can be decided whether internal exhaust gas recirculation makes sense by opening the exhaust valve additionally.
In einer vorteilhaften Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass in dem Luftversorgungssystem eine Drosselklappe angeordnet ist, wobei die Drosselklappe geschlossen wird, um die Abgastemperatur anzuheben. Zusätzlich zu einer Erhöhung des Abgasgegendrucks durch ein Schließen der Abgasklappe kann durch ein Schließen der Drosselklappe der Druck in dem Ansaugkanal des Luftversorgungssystems stromabwärts der Drosselklappe reduziert werden. Durch die erhöhten Drosselverluste steigt ebenfalls die zu verrichtende Arbeit, wodurch die Abgastemperatur ebenfalls erhöht wird.An advantageous improvement of the method provides that a throttle valve is arranged in the air supply system, the throttle valve being closed in order to raise the exhaust gas temperature. In addition to increasing the exhaust gas back pressure by closing the exhaust flap, closing the throttle valve can reduce the pressure in the intake duct of the air supply system downstream of the throttle valve. The increased throttle losses also increase the work to be done, which also increases the exhaust gas temperature.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Turbine des Abgasturboladers als Turbine mit variabler Turbinengeometrie ausgeführt ist, wobei die variable Geometrie der Turbine zur Temperaturanhebung derart verstellt wird, dass der Wirkungsgrad des Abgasturboladers reduziert wird. Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie, bei denen die Leitschaufeln der Turbine verstellbar sind, sind aus dem Stand der Technik bekannt, um das Ansprechverhalten des Abgasturboladers zu verbessern und/oder die Leistung zu erhöhen. In einer Kaltstartphase kann es sinnvoll sein, diesen Effekt bewusst umzukehren und die Verstelleinrichtung für die variable Turbinengeometrie zu nutzen, um den Wirkungsgrad und das Ansprechverhalten zu reduzieren. Dadurch kann eine erhöhte Füllung der Brennräume mit einem entsprechend hohen thermischen Wirkungsgrad vermieden werden, sodass die Komponenten der Abgasnachbehandlung, insbesondere ein NOx-Speicherkatalysator und/oder ein SCR-Katalysator auf ihre Betriebstemperatur aufgeheizt werden, ab welcher eine effiziente Einspeicherung oder Konvertierung von Stickoxiden möglich ist.In an advantageous embodiment variant it is provided that the turbine of the exhaust gas turbocharger is designed as a turbine with a variable turbine geometry, the variable geometry of the turbine being adjusted in order to raise the temperature in such a way that the efficiency of the exhaust gas turbocharger is reduced. Exhaust gas turbochargers with variable turbine geometry, in which the turbine guide vanes are adjustable, are known from the prior art in order to improve the response behavior of the exhaust gas turbocharger and / or to increase the output. In a cold start phase, it can make sense to consciously reverse this effect and use the adjustment device for the variable turbine geometry in order to reduce the efficiency and the response behavior. As a result, an increased filling of the combustion chambers with a correspondingly high thermal efficiency can be avoided, so that the components of the exhaust gas aftertreatment, in particular a NOx storage catalytic converter and / or an SCR catalytic converter, are heated to their operating temperature, from which an efficient storage or conversion of nitrogen oxides is possible is.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Drehzahl des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit der Abgastemperatur, der Temperatur der Abgasnachbehandlungskomponenten und/oder dem Staudruck in der Abgasanlage angehoben wird. Durch eine Anhebung der Drehzahl können die Reibungs- und Gaswechselverluste erhöht werden, um das Aufheizen des Abgases in einer Kaltstartphase des Verbrennungsmotors zu erhöhen. Zudem kann die Laufruhe des Verbrennungsmotors verbessert werden, sodass die Verbrennungsgeräusche reduziert werden können.In a further preferred embodiment of the invention it is provided that the speed of the internal combustion engine is dependent on the Exhaust gas temperature, the temperature of the exhaust gas aftertreatment components and / or the dynamic pressure in the exhaust system is raised. By increasing the speed, the friction and gas exchange losses can be increased in order to increase the heating of the exhaust gas in a cold start phase of the internal combustion engine. In addition, the smooth running of the internal combustion engine can be improved so that the combustion noise can be reduced.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Abgaskanal einen Turbinenbypass aufweist, welcher an einer Verzweigung stromaufwärts der Turbine aus dem Abgaskanal abzweigt und stromabwärts der Turbine an einer Einmündung wieder in den Abgaskanal einmündet, wobei eine Bypassklappe im Turbinenbypass geöffnet wird, wenn die Ist-Temperatur der Abgasnachbehandlungskomponente unterhalb der Soll-Temperatur liegt. Durch einen Turbinenbypass kann eine erhöhte Zylinderfüllung mit Frischluft vermieden werden, da durch den Bypass die Drehzahl der Turbine des Abgasturboladers und somit die Leistung des Verdichters im Ansaugkanal abgesenkt werden kann. Dadurch kann der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors, insbesondere die maximale Temperatur in den Brennräumen abgesenkt werden, wodurch die Stickoxid-Rohemissionen verringert werden können. Gleichzeitig wird durch die Verringerung des Wirkungsgrades mehr Energie über das Abgas aus dem Brennraum ausgetragen, wodurch das Aufheizen der Abgasnachbehandlungskomponenten beschleunigt wird.In a preferred embodiment of the method, it is provided that the exhaust gas duct has a turbine bypass, which branches off the exhaust gas duct at a branch upstream of the turbine and re-opens into the exhaust gas duct at an opening downstream of the turbine, a bypass flap in the turbine bypass being opened when the The actual temperature of the exhaust gas aftertreatment component is below the target temperature. A turbine bypass can avoid increased cylinder filling with fresh air, since the bypass can reduce the speed of the turbine of the exhaust gas turbocharger and thus the performance of the compressor in the intake duct. As a result, the efficiency of the internal combustion engine, in particular the maximum temperature in the combustion chambers, can be reduced, as a result of which the raw nitrogen oxide emissions can be reduced. At the same time, by reducing the efficiency, more energy is discharged from the combustion chamber via the exhaust gas, which accelerates the heating of the exhaust gas aftertreatment components.
In einer weiteren Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass ein Frischluftmassenstrom in dem Luftversorgungssystem ermittelt wird und die Bypassklappe in Abhängigkeit des ermittelten Frischluftmassenstroms verstellt wird. Um die Steuerung der Leistung und des Wirkungsgrades des Abgasturboladers zu verbessern ist vorgesehen, den Luftmassenstrom im Ansaugkanal zu messen und diesen bei der Steuerung der Bypassklappe zu berücksichtigen.In a further improvement of the method it is provided that a fresh air mass flow is determined in the air supply system and the bypass flap is adjusted depending on the fresh air mass flow determined. In order to improve the control of the performance and the efficiency of the exhaust gas turbocharger, provision is made to measure the air mass flow in the intake duct and to take this into account when controlling the bypass flap.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Öffnungszeiten der Auslassventile durch einen zusätzlichen Öffnungsvorgang verlängert werden. Durch einen zusätzlichen Öffnungsvorgang der Auslassventile, insbesondere durch eine Überschneidung der Öffnungszeiten von Auslassventilen und Einlassventilen in einem Ansaugtakt des Verbrennungsmotors, kann die interne Abgasrückführung durch das Rücksaugen von Abgas aus der Abgasanlage verbessert werden.In an advantageous embodiment of the method it is provided that the opening times of the exhaust valves are extended by an additional opening process. The internal exhaust gas recirculation can be improved by sucking back exhaust gas from the exhaust system by an additional opening process of the exhaust valves, in particular by an overlap of the opening times of exhaust valves and intake valves in an intake stroke of the internal combustion engine.
Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Öffnungszeiten der Auslassventile derart in Richtung „spät“ verstellt werden, dass das Abgas aus der Abgasanlage in den Brennraum zurückgesaugt wird. Alternativ kann die interne Abgasrückführung dadurch erreicht werden, dass die Öffnungszeiten der Auslassventile in Richtung „spät“ verschoben und oder verlängert werden.Alternatively, it is advantageously provided that the opening times of the exhaust valves are adjusted in the "late" direction in such a way that the exhaust gas is sucked back out of the exhaust system into the combustion chamber. Alternatively, the internal exhaust gas recirculation can be achieved by shifting and or extending the opening times of the exhaust valves in the "late" direction.
Erfindungsgemäß wird ein Verbrennungsmotor mit mindestens einem Brennraum vorgeschlagen, dessen Einlass mit einem Luftversorgungssystem und dessen Auslass mit einer Abgasanlage verbunden ist, wobei an jedem Brennraum mindestens ein Auslassventil angeordnet ist, mit welchem eine fluidische Verbindung vom Brennraum zur Abgasanlage geschlossen oder geöffnet werden kann. In einem Abgaskanal der Abgasanlage ist stromabwärts des Auslasses eine Turbine eines Abgasturboladers angeordnet, wobei in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors durch die Abgasanlage stromabwärts der Turbine mindestens eine Abgasnachbehandlungskomponente angeordnet ist. Die Abgasanlage weist ferner eine Abgasklappe auf, mit welcher der Abgaskanal stromabwärts der Abgasnachbehandlungskomponente versperrt werden kann. Es ist vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor mit einem Motorsteuergerät verbunden ist, welches dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen, wenn ein maschinenlesbarer Programmcode durch das Steuergerät ausgeführt wird. Ein solcher Verbrennungsmotor ermöglicht es, durch die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens die Rohemissionen des Verbrennungsmotors zu verringern. Dabei werden die Rohemissionen insbesondere in einer Startphase, besonders bevorzugt bei einem Kaltstart, des Verbrennungsmotors durch das Schließen der Abgasklappe und die innere Abgasrückführung verringert und die Abgastemperatur angehoben, um die Komponenten der Abgasnachbehandlung schneller auf ihre zur Konvertierung von Schadstoffen notwendige Betriebstemperatur zu bringen.According to the invention, an internal combustion engine with at least one combustion chamber is proposed, the inlet of which is connected to an air supply system and the outlet of which is connected to an exhaust system, at least one exhaust valve being arranged on each combustion chamber, with which a fluidic connection from the combustion chamber to the exhaust system can be closed or opened. A turbine of an exhaust gas turbocharger is arranged in an exhaust gas duct of the exhaust gas system downstream of the outlet, at least one exhaust gas aftertreatment component being arranged downstream of the turbine in the flow direction of an exhaust gas of the internal combustion engine through the exhaust gas system. The exhaust system also has an exhaust flap with which the exhaust duct downstream of the exhaust gas aftertreatment component can be blocked. It is provided that the internal combustion engine is connected to an engine control unit, which is set up to carry out a method according to the invention when a machine-readable program code is executed by the control unit. Such an internal combustion engine makes it possible to reduce the raw emissions of the internal combustion engine by carrying out a method according to the invention. The raw emissions are reduced in particular in a starting phase, particularly preferably during a cold start, of the internal combustion engine by closing the exhaust gas flap and the internal exhaust gas recirculation, and the exhaust gas temperature is raised in order to bring the components of the exhaust gas aftertreatment to their operating temperature required for converting pollutants more quickly.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verbrennungsmotors ist vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor einen Verstellmechanismus zur Anpassung der Öffnungszeiten der Auslassventile aufweist. Ein solcher Verstellmechanismus kann insbesondere einen hydraulischen oder elektrischen Nockenwellenversteller, ein vollvariablen Ventiltrieb, einen schaltbaren Zusatznocken oder ähnliche Mechanismen aufweisen, welche geeignet sind, ein Öffnen der Auslassventile zu ermöglichen, während der Kolben des Verbrennungsmotors in einem Ansaugtakt das Volumen des Brennraums vergrößert.In a preferred embodiment of the internal combustion engine, it is provided that the internal combustion engine has an adjustment mechanism for adapting the opening times of the exhaust valves. Such an adjustment mechanism can in particular have a hydraulic or electric camshaft adjuster, a fully variable valve train, a switchable additional cam or similar mechanisms which are suitable for enabling the exhaust valves to be opened while the piston of the internal combustion engine increases the volume of the combustion chamber in one intake stroke.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn der Verstellmechanismus eine Verstellwelle mit einem Steuernocken aufweist, wobei der Steuernocken verstellbar ist. Durch eine Verstellwelle können die Auslassventile mehrerer Brennräume gleichzeitig verändert werden, sodass eine innere Abgasrückführung in allen Brennräumen erfolgt.It is particularly preferred if the adjusting mechanism has an adjusting shaft with a control cam, the control cam being adjustable. The exhaust valves of several combustion chambers can be changed at the same time by means of an adjusting shaft, so that internal exhaust gas recirculation takes place in all combustion chambers.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verbrennungsmotors ist vorgesehen, dass in der Abgasanlage des Verbrennungsmotors stromabwärts der Turbine des Abgasturboladers mindestens ein Katalysator mit einer Oxidationsstufe, insbesondere ein Oxidationskatalysator oder NOx-Speicherkatalysator, ein Partikelfilter und ein SCR-Katalysator angeordnet sind. Für eine effektive Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors, ist es vorteilhaft, wenn eine Oxidationsstufe, eine Reduktionsstufe sowie eine Abgasnachbehandlungskomponente zur Entfernung von Feststoffen aus dem Abgas des Verbrennungsmotors vorhanden sind. Eine bevorzugte Kombination von Abgasnachbehandlungskomponenten eines Dieselmotors stellen ein NOx-Speicherkatalysator oder ein Oxidationskatalysator, ein Partikelfilter und ein SCR-Katalysator dar. Dabei können der Partikelfilter und der SCR-Katalysator in einem Bauteil zusammengefasst werden, wenn der Partikelfilter mit einer SCR-Beschichtung versehen wird. In a preferred embodiment of the internal combustion engine it is provided that at least one catalytic converter with an oxidation stage, in particular an oxidation catalytic converter or NOx storage catalytic converter, a particle filter and an SCR catalytic converter are arranged in the exhaust system of the internal combustion engine downstream of the turbine of the exhaust gas turbocharger. For effective exhaust gas aftertreatment of an internal combustion engine, in particular a diesel engine, it is advantageous if an oxidation stage, a reduction stage and an exhaust gas aftertreatment component for removing solids from the exhaust gas of the internal combustion engine are present. A preferred combination of exhaust gas aftertreatment components of a diesel engine are a NOx storage catalytic converter or an oxidation catalytic converter, a particle filter and an SCR catalytic converter. The particle filter and the SCR catalytic converter can be combined in one component if the particle filter is provided with an SCR coating ,
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn der Katalysator mit Oxidationsstufe als NOx-Speicherkatalysator, insbesondere als Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysator, ausgeführt ist. Da SCR-Katalysatoren erst ab einer Temperatur von etwas 200°C eine effiziente Konvertierung von Stickoxiden ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn die Stickoxide bei niedrigeren Temperaturen, also bei Temperaturen unterhalb von 200°C, in einem NOx-Speicherkatalysator gespeichert werden können, zumindest solange, bis der SCR-Katalysator seine Betriebstemperatur erreicht hat. Daher kann ein Niedertemperatur NOx-Speicherkatalysator effektiv dazu beitragen, die Emissionen des Verbrennungsmotors insbesondere in der Kaltstartphase des Verbrennungsmotors zu senken.It is particularly preferred if the catalytic converter with the oxidation stage is designed as a NOx storage catalytic converter, in particular as a low-temperature NOx storage catalytic converter. Since SCR catalysts only enable efficient conversion of nitrogen oxides above a temperature of around 200 ° C, it is advantageous if the nitrogen oxides can be stored in a NOx storage catalyst at lower temperatures, i.e. at temperatures below 200 ° C, at least until the SCR catalytic converter has reached its operating temperature. Therefore, a low-temperature NOx storage catalyst can effectively contribute to reducing the emissions of the internal combustion engine, particularly in the cold start phase of the internal combustion engine.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass in der Abgasanlage stromabwärts der Turbine eine Verzweigung vorgesehen ist, an welcher eine Abgasrückführungsleitung einer Niederdruck-Abgasrückführung aus dem Abgaskanal abzweigt. Dabei verbindet die Abgasrückführungsleitung den Abgaskanal mit einem Ansaugkanal des Luftversorgungssystems stromaufwärts eines Verdichters des Abgasturboladers, wobei in der Abgasrückführungsleitung ein Abgasrückführungsventil vorgesehen ist. Durch eine Niederdruck-Abgasrückführung können die Rohemissionen eines Verbrennungsmotors in bekannter Weise verringert werden. Um eine effektive Anhebung des Abgasgegendrucks in der Startphase des Verbrennungsmotors zu erreichen, muss sichergestellt werden, dass das Abgas in dieser Betriebsphase nicht über die Niederdruck-Abgasrückführung zurückströmt. Daher ist in dieser Phase das Abgasrückführungsventil in der Niederdruck-Abgasrückführung geschlossen, um den Aufbau von Staudruck in der Abgasanlage zu ermöglichen.In a further preferred embodiment of the invention, it is provided that a branch is provided in the exhaust system downstream of the turbine, at which an exhaust gas recirculation line of a low-pressure exhaust gas recirculation branches off from the exhaust gas duct. The exhaust gas recirculation line connects the exhaust gas duct to an intake duct of the air supply system upstream of a compressor of the exhaust gas turbocharger, an exhaust gas recirculation valve being provided in the exhaust gas recirculation line. Low-pressure exhaust gas recirculation can reduce the raw emissions of an internal combustion engine in a known manner. In order to achieve an effective increase in the exhaust gas back pressure in the starting phase of the internal combustion engine, it must be ensured that the exhaust gas does not flow back via the low-pressure exhaust gas recirculation in this operating phase. Therefore, the exhaust gas recirculation valve in the low-pressure exhaust gas recirculation is closed in this phase in order to allow the build-up of dynamic pressure in the exhaust system.
In einer vorteilhaften Weiterentwicklung des Verbrennungsmotors ist vorgesehen, dass in der Abgasanlage ein Turbinenbypass vorgesehen ist, welcher an einer Verzweigung stromaufwärts der Turbine aus dem Abgaskanal abzweigt und an einer Einmündung stromabwärts der Turbine wieder in den Abgaskanal einmündet, wobei in dem Turbinenbypass ein schaltbares Bypassventil, insbesondere eine schaltbare Bypassklappe, angeordnet ist. Durch einen Turbinenbypass kann die Leistung des Abgasturboladers gesteuert werden. Dabei ist in dem Turbinenbypass ein schaltbares Ventil, insbesondere eine Klappe vorgesehen, um den Abgasstrom durch die Turbine oder den Turbinenbypass zu steuern.In an advantageous further development of the internal combustion engine it is provided that a turbine bypass is provided in the exhaust system, which branches off the exhaust duct at a branch upstream of the turbine and re-opens into the exhaust duct at a junction downstream of the turbine, a switchable bypass valve in the turbine bypass, in particular a switchable bypass flap is arranged. The output of the exhaust gas turbocharger can be controlled by a turbine bypass. A switchable valve, in particular a flap, is provided in the turbine bypass in order to control the exhaust gas flow through the turbine or the turbine bypass.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.Unless otherwise stated in the individual case, the various embodiments of the invention mentioned in this application can advantageously be combined with one another.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
-
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors mit einem Luftversorgungssystem und einer Abgasanlage; -
2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotor mit einem Luftversorgungssystem und einer Abgasanlage, wobei ein Turbinenbypass für eine Turbine des Abgasturboladers vorgesehen ist; -
3 ein vereinfachtes Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors; -
4 ein weiteres Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors; -
5 ein weiteres Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors.
-
1 a first embodiment of an internal combustion engine with an air supply system and an exhaust system; -
2 a further embodiment of an internal combustion engine with an air supply system and an exhaust system, wherein a turbine bypass is provided for a turbine of the exhaust gas turbocharger; -
3 a simplified flowchart for performing an inventive method for exhaust gas aftertreatment of an internal combustion engine; -
4 a further flow chart for carrying out a method according to the invention for exhaust gas aftertreatment of an internal combustion engine; -
5 a further flow chart for carrying out a method according to the invention for exhaust gas aftertreatment of an internal combustion engine.
Das Luftversorgungssystem
Die Abgasanlage
In der Abgasanlage
Der Verbrennungsmotor
In
In
In
In
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Verbrennungsmotorinternal combustion engine
- 1212
- Brennraumcombustion chamber
- 1414
- Kraftstoffinjektorfuel injector
- 1616
- Einlassventilintake valve
- 1818
- Auslassventil outlet valve
- 2020
- Einlassinlet
- 2222
- Auslassoutlet
- 2424
- Hochdruck-AbgasrückführungHigh-pressure exhaust gas recirculation
- 2626
- Hochdruck-AbgasrückführungsventilHigh-pressure exhaust gas recirculation valve
- 2828
- Verstellmechanismus adjustment
- 3030
- LuftversorgungssystemAir supply system
- 3232
- Luftfilterair filter
- 3434
- LuftmassenmesserAir flow sensor
- 3636
- Verdichtercompressor
- 3838
- Ansaugkanal intake port
- 4040
- Drosselklappethrottle
- 4242
- LadeluftkühlerIntercooler
- 4444
- Einmündungjunction
- 4646
- Abgasturbolader turbocharger
- 5050
- Abgasanlageexhaust system
- 5252
- Abgaskanalexhaust duct
- 5454
- Turbineturbine
- 5656
- Turbinenbypassturbine bypass
- 5858
- Bypassventil bypass valve
- 6060
- Verzweigungbranch
- 6262
- Einmündungjunction
- 6464
- Oxidationskatalysatoroxidation catalyst
- 6666
- NOx-SpeicherkatalysatorNOx storage catalytic converter
- 6868
- Partikelfilter particulate Filter
- 7070
- SCR-BeschichtungSCR coating
- 7272
- Verzweigungbranch
- 7474
- SCR-KatalysatorSCR catalyst
- 7676
- Abgasklappeexhaust flap
- 7878
- Drucksensor pressure sensor
- 8080
- Niederdruck-AbgasrückführungLow-pressure exhaust gas recirculation
- 8282
- Niederdruck-AbgasrückführungskühlerLow pressure exhaust gas recirculation cooler
- 8484
- AbgasrückführungsventilExhaust gas recirculation valve
- 8686
- AbgasrückführungsleitungExhaust gas recirculation line
- 8888
- Temperatursensor temperature sensor
- 9090
- Steuergerätcontrol unit
- 9292
- Temperatursensortemperature sensor
- 9494
- Verstellelementadjustment
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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- DE 102016118309 A1 [0006]DE 102016118309 A1 [0006]
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