DE102019107236A1 - Exhaust aftertreatment system for an internal combustion engine and method for exhaust aftertreatment of an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor (10) mit einer Niederdruck-Abgasrückführung (60). Dabei ist in einem Hauptkanal (66) der Niederdruck-Abgasrückführung (60) ein Abgasrückführungskühler (64) angeordnet. Um diesen Abgasrückführungskühler (64) in bestimmten Betriebssituationen umgehen zu können und das zurückgeführte Abgas in diesen Betriebssituationen nicht so stark abzukühlen, dass im Abgas enthaltener Wasserdampf auskondensiert, ist ein Bypass (68) vorgesehen, welcher eine Abgasrückführung ohne zusätzliche Abkühlung des Abgases ermöglicht. Dabei ist an einer Zusammenführung (82) des Bypasses (68) und des Hauptkanals (66) der Niederdruck-Abgasrückführung (60) ein Steuerventil (62) angeordnet, mit welchem ein Abgasstrom des Verbrennungsmotors (10) zwischen dem Bypass (68) und dem Hauptkanal (66) steuerbar ist. Ferner kann bei geschlossener Abgasklappe (48) eine Umlenkung des Abgasstroms durch den Hauptkanal (66) und eine Rückführung in den Abgaskanal (48) durch den Bypass (68) erfolgen, sodass die Restwärme des Abgases genutzt werden kann, um das Kühlmittel des Verbrennungsmotors (10) zu erwärmen und nicht ungenutzt durch den Abgaskanal (48) entweichen zu lassen.Es ist vorgesehen, dass im Abgaskanal (44) stromabwärts der Verzweigung für die Niederdruck-Abgasrückführung (60) ein Dosierelement (96) zur Eindosierung eines Reduktionsmittels und stromabwärts des Dosierelements (96) ein SCR-Katalysator (56) angeordnet sind.The invention relates to an internal combustion engine (10) with a low-pressure exhaust gas recirculation (60). An exhaust gas recirculation cooler (64) is arranged in a main channel (66) of the low-pressure exhaust gas recirculation (60). In order to be able to bypass this exhaust gas recirculation cooler (64) in certain operating situations and not to cool the recirculated exhaust gas in these operating situations so much that water vapor contained in the exhaust gas condenses out, a bypass (68) is provided which enables exhaust gas recirculation without additional cooling of the exhaust gas. A control valve (62) is arranged at a junction (82) of the bypass (68) and the main channel (66) of the low-pressure exhaust gas recirculation (60), with which an exhaust gas flow from the internal combustion engine (10) between the bypass (68) and the Main channel (66) is controllable. Furthermore, when the exhaust flap (48) is closed, the exhaust gas flow can be deflected through the main duct (66) and returned to the exhaust duct (48) through the bypass (68) so that the residual heat of the exhaust gas can be used to cool the internal combustion engine ( 10) to be heated and not allowed to escape unused through the exhaust gas channel (48). It is provided that in the exhaust gas channel (44) downstream of the branch for the low-pressure exhaust gas recirculation (60) a metering element (96) for metering in a reducing agent and downstream of the Dosing element (96) an SCR catalyst (56) are arranged.
Description
Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor sowie ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.The invention relates to an exhaust gas aftertreatment system for an internal combustion engine and a method for exhaust gas aftertreatment 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 oder NOx-Speicherkatalysator, einen Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Katalysator) sowie einen Partikelfilter zur Abscheidung von Rußpartikeln und gegebenenfalls weitere Katalysatoren aufweisen. Insbesondere in Hinblick auf die Stickoxidemissionen müssen zum Erreichen der zukünftigen Abgasnormen EU7 und folgender Normen weitere Anstrengungen unternommen werden, um die Grenzwerte unter allen Betriebsbedingungen einzuhalten. Dabei muss insbesondere die Konvertierungsrate für Stickoxide in der Abgasnachbehandlung erhöht werden, ohne gleichzeitig zu einer deutlichen Verschlechterung der Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid oder der Partikelrohemissionen zu führen. Ferner soll auch der Ausstoß an Kohlendioxid weiter gesenkt werden. 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. Neben den Emissionen der limitierten Abgaskomponenten steht weiterhin die Forderung nach einer weiteren Verbrauchsreduzierung der Verbrennungsmotoren und einer Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades.The current exhaust gas legislation and one that will become increasingly strict in the future place high demands on the engine-related raw emissions and the exhaust gas aftertreatment of internal combustion engines. The demands for a further decrease in consumption and the further tightening of the exhaust gas norms with regard to the permissible nitrogen oxide emissions represent a challenge for the engine developers. Upstream and downstream catalytic converters. Exhaust gas aftertreatment systems are currently used in diesel engines which have an oxidation catalytic converter or NOx storage catalytic converter, a catalytic converter for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides (SCR catalytic converter) and a particle filter for separating soot particles and, if necessary, further catalytic converters. Particularly with regard to nitrogen oxide emissions, further efforts must be made in order to achieve the future EU7 emissions standards and the following standards in order to comply with the limit values under all operating conditions. In particular, the conversion rate for nitrogen oxides in the exhaust gas aftertreatment must be increased without at the same time leading to a significant deterioration in the emissions of unburned hydrocarbons, carbon monoxide or the raw particulate emissions. Furthermore, the emission of carbon dioxide is to be further reduced. Ammonia is preferably used as the reducing agent. Because dealing with pure ammonia is complex, a synthetic, aqueous urea solution is usually used in vehicles, which is mixed with the hot exhaust gas flow in a mixing device upstream of the SCR catalytic converter. As a result of this mixing, the aqueous urea solution is heated, with 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. In addition to the emissions of the limited exhaust gas components, there is still a demand for a further reduction in the consumption of internal combustion engines and an increase in thermal efficiency.
Aus dem Stand der Technik sind Verbrennungsmotoren mit einer Niederdruck-Abgasrückführung bekannt, bei denen das Abgas des Verbrennungsmotors stromabwärts einer Abgasnachbehandlungskomponente, insbesondere eines Partikelfilters, aus dem Abgaskanal abgeleitet und dem Luftversorgungssystem stromaufwärts eines Verdichters zugeführt wird. Dabei ist in Niederdruck-Abgasrückführungen in der Regel ein Abgasrückführungskühler vorgesehen, mit welchem die Abgastemperatur des zurückgeführten Abgases reduziert wird. Nachteilig an einer solchen Lösung ist jedoch, dass es bei kaltem Abgas insbesondere in Verbindung mit kaltem Kühlmedium im Abgasrückführungskühler dazu kommen kann, dass der in dem zurückgeführten Abgas vorhandene Wasserdampf auskondensiert und zu Schäden an dem Verdichter führen kann.Internal combustion engines with low-pressure exhaust gas recirculation are known from the prior art, in which the exhaust gas of the internal combustion engine is diverted from the exhaust gas duct downstream of an exhaust gas aftertreatment component, in particular a particle filter, and fed to the air supply system upstream of a compressor. In this case, an exhaust gas recirculation cooler is generally provided in low-pressure exhaust gas recirculations, with which the exhaust gas temperature of the recirculated exhaust gas is reduced. The disadvantage of such a solution, however, is that when the exhaust gas is cold, especially in connection with cold cooling medium in the exhaust gas recirculation cooler, the water vapor present in the recirculated exhaust gas can condense out and damage the compressor.
Aus der
Aus der
Aufgabe der Erfindung ist es, möglichst früh nach einem Kaltstart eine Niederdruck-Abgasrückführung zu ermöglichen und die Restwärme des Abgases zu nutzen, um ein Auskondensieren von Flüssigkeit in der Niederdruck-Abgasrückführung zu vermeiden und somit die Stickoxidrohemissionen zu senken und/oder die Konvertierungsraten von Stickoxiden in der Abgasnachbehandlung zu verbessern.The object of the invention is to enable low-pressure exhaust gas recirculation as early as possible after a cold start and to use the residual heat of the exhaust gas in order to avoid condensation of liquid in the low-pressure exhaust gas recirculation and thus to lower the raw nitrogen oxide emissions and / or the conversion rates of nitrogen oxides to improve exhaust aftertreatment.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Verbrennungsmotor mit einem Luftversorgungssystem und einer Abgasanlage, sowie mit einer Niederdruck-Abgasrückführung, welche die Abgasanlage stromabwärts einer Turbine eines Abgasturboladers mit dem Luftversorgungssystem stromaufwärts eines Verdichters des Abgasturboladers verbindet, gelöst. Dabei ist in der Abgasanlage eine Abgasklappe vorgesehen, mit der ein Abgaskanal der Abgasanlage zumindest teilweise versperrt werden kann. Die Niederdruck-Abgasrückführung umfasst einen Hauptkanal und einen Bypass, wobei der Hauptkanal der Niederdruck-Abgasrückführung stromabwärts der Turbine und stromaufwärts der Abgasklappe an einer Verzweigungsstelle aus dem Abgaskanal abzweigt und in eine Niederdruckabgasrückführungsleitung mündet. In dem Hauptkanal ist ein Abgasrückführungskühler angeordnet. Parallel zu dem Hauptkanal ist ein Bypass ausgebildet, welcher den Abgasrückführungskühler überbrückt, wobei an einer Zusammenführung oder einer Verzweigung des Hauptkanals und des Bypasses ein Steuerventil angeordnet ist, mit welchem ein Abgasstrom zwischen dem Bypass und dem Hauptkanal steuerbar, insbesondere zwischen dem Hauptkanal und dem Bypass umschaltbar oder aufteilbar, ist. Es ist vorgesehen, dass in dem Abgaskanal stromabwärts der Verzweigungsstelle ein Dosierelement angeordnet ist, wobei stromabwärts des Dosierelements ein SCR-Katalysator angeordnet ist.According to the invention, the object is achieved by an internal combustion engine with an air supply system and an exhaust system, as well as with a low-pressure exhaust gas recirculation, which connects the exhaust system downstream of a turbine of an exhaust gas turbocharger with the air supply system upstream of a compressor of the exhaust gas turbocharger. An exhaust flap is provided in the exhaust system, with which an exhaust duct of the exhaust system can be at least partially blocked. The low-pressure exhaust gas recirculation comprises a main channel and a bypass, the main channel of the low-pressure exhaust gas recirculation branching off from the exhaust gas channel at a branching point downstream of the turbine and upstream of the exhaust gas flap and opening into a low-pressure exhaust gas recirculation line. An exhaust gas recirculation cooler is arranged in the main duct. A bypass is formed parallel to the main channel, which the Exhaust gas recirculation cooler bridged, with a control valve being arranged at a junction or a junction of the main channel and the bypass, with which an exhaust gas flow between the bypass and the main channel can be controlled, in particular switchable or split between the main channel and the bypass. It is provided that a metering element is arranged in the exhaust gas duct downstream of the branching point, an SCR catalytic converter being arranged downstream of the metering element.
Ein erfindungsgemäßer Verbrennungsmotor bietet den Vorteil, dass durch die Kombination einer Abgaswärmerückgewinnung durch den Niederdruck-Abgasrückführungskühler und eine Beladung zumindest eines SCR-Katalysators zeitnah nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors eine effiziente Konvertierung der Stickoxide im Abgas des Verbrennungsmotors möglich ist. Insbesondere wird durch den Abgasstrom das Kühlmittel des Verbrennungsmotors aufgeheizt, wodurch auch der Ladeluftkühler zum Aufheizen der angesaugten Frischluft genutzt werden kann. Dadurch steigt die Verbrennungstemperatur in den Brennräumen des Verbrennungsmotors, wodurch die Rohemissionen, insbesondere die Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen, Kohlenstoffmonoxid und die Partikelrohemissionen gesenkt werden. Ferner kann die Niederdruck-Abgasrückführung zwischen einer Abschaltung der Niederdruck-Abgasrückführung, einer ungekühlten Abgasrückführung und einer gekühlten Abgasrückführung mit nur einem Steuerventil umgeschaltet werden. Somit kann die Niederdruck-Abgasrückführung auf einfache und kostengünstige Art an die jeweilige Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors angepasst werden und ein Auskondensieren von Flüssigkeit in die Niederdruck-Abgasrückführung betriebssicher vermieden werden, wodurch der Zeitraum vom Kaltstart des Verbrennungsmotors bis zur Aktivierung der Niederdruck-Abgasrückführung verkürzt werden kann.An internal combustion engine according to the invention offers the advantage that the combination of exhaust gas heat recovery by the low-pressure exhaust gas recirculation cooler and loading of at least one SCR catalytic converter enables the nitrogen oxides in the exhaust gas of the internal combustion engine to be efficiently converted shortly after a cold start of the internal combustion engine. In particular, the coolant of the internal combustion engine is heated by the exhaust gas flow, which means that the charge air cooler can also be used to heat the fresh air that is drawn in. This increases the combustion temperature in the combustion chambers of the internal combustion engine, as a result of which the raw emissions, in particular the emissions of unburned hydrocarbons, carbon monoxide and the raw particulate emissions, are reduced. Furthermore, the low-pressure exhaust gas recirculation can be switched between switching off the low-pressure exhaust gas recirculation, an uncooled exhaust gas recirculation and a cooled exhaust gas recirculation with only one control valve. In this way, the low-pressure exhaust gas recirculation can be easily and inexpensively adapted to the respective operating temperature of the internal combustion engine and a condensation of liquid in the low-pressure exhaust gas recirculation can be reliably avoided, whereby the period from cold start of the internal combustion engine to activation of the low-pressure exhaust gas recirculation can be shortened .
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterbildungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verbrennungsmotors möglich.The features listed in the dependent claims enable advantageous improvements and developments of the internal combustion engine specified in the independent claim.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem Abgaskanal stromabwärts der Turbine ein erstes Dosierelement und stromabwärts des ersten Dosierelements und stromaufwärts der Verzweigungsstelle ein erster SCR-Katalysator sowie stromabwärts der Verzweigungsstelle ein zweites Dosierelement und stromabwärts des zweiten Dosierelements ein zweiter SCR-Katalysator angeordnet sind. Dabei kann eine Beladung des SCR-Katalysators mit Ammoniak zeitnäher nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors erfolgen, da durch die Abgaswärmerückgewinnung die Heizphase bis zum Erreichen der Light-Off-Temperatur der SCR-Katalysatoren verkürzt wird.In a preferred embodiment of the invention it is provided that a first metering element is arranged in the exhaust gas duct downstream of the turbine and a first SCR catalytic converter is arranged downstream of the first metering element and upstream of the branching point and a second metering element is arranged downstream of the branching point and a second SCR catalytic converter is arranged downstream of the second metering element are. The SCR catalytic converter can be loaded with ammonia sooner after a cold start of the internal combustion engine, since exhaust gas heat recovery shortens the heating phase until the SCR catalytic converters reach the light-off temperature.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste SCR-Katalysator als Partikelfilter mit einer SCR-Beschichtung ausgeführt ist, wobei der Hauptkanal der Niederdruck-Abgasrückführung stromabwärts des Partikelfilters mit der Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden aus dem Abgaskanal des Verbrennungsmotors abzweigt. Durch ein Abzweigen der Niederdruck-Abgasrückführung stromabwärts des Partikelfilters kann ein Großteil der Partikel bereits durch den Partikelfilter aus dem Abgasstrom des Verbrennungsmotors entfernt und im Partikelfilter zurückgehalten werden. Somit wird die Gefahr verringert, dass Partikel über die Niederdruck-Abgasrückführung in das Luftversorgungssystem gelangen und dort zu Schäden an dem Verdichter des Abgasturboladers führen. Besonders bevorzugt ist ein Partikelfilter mit einer Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden, da dieser zudem eine signifikante Verringerung der Stickoxid-Emissionen bewirkt.In a preferred embodiment of the invention it is provided that the first SCR catalytic converter is designed as a particle filter with an SCR coating, the main channel of the low-pressure exhaust gas recirculation downstream of the particle filter with the coating for the selective, catalytic reduction of nitrogen oxides from the exhaust gas channel of the internal combustion engine branches off. By branching off the low-pressure exhaust gas recirculation downstream of the particle filter, the majority of the particles can already be removed from the exhaust gas flow of the internal combustion engine by the particle filter and retained in the particle filter. This reduces the risk of particles getting into the air supply system via the low-pressure exhaust gas recirculation and causing damage there to the compressor of the exhaust gas turbocharger. A particle filter with a coating for the selective, catalytic reduction of nitrogen oxides is particularly preferred, since this also brings about a significant reduction in nitrogen oxide emissions.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verbrennungsmotors ist vorgesehen, dass der Bypass stromabwärts der Abgasklappe mit dem Abgaskanal des Verbrennungsmotors an einer Verzweigungsstelle verbunden ist, wobei das zweite Dosierelements stromabwärts dieser Verzweigungsstelle angeordnet ist. Dadurch kann sichergestellt werden, dass durch das zweite Dosierelement eindosiertes Reduktionsmittel weder über den Hauptkanal der Niederdruck-Abgasrückführung noch über den Bypass zurück in das Luftversorgungssystem gelangt. Dadurch können Ablagerungen durch auskristallisierendes Reduktionsmittel in der Niederdruck-Abgasrückführung vermieden werden, wodurch eine Querschnittsreduktion und/oder eine Erhöhung des Strömungswiderstandes in der Niederdruck-Abgasrückführung vermieden werden.In an advantageous embodiment of the internal combustion engine it is provided that the bypass is connected to the exhaust gas duct of the internal combustion engine at a branching point downstream of the exhaust flap, the second metering element being arranged downstream of this branching point. This can ensure that reducing agent metered in by the second metering element does not get back into the air supply system either via the main duct of the low-pressure exhaust gas recirculation or via the bypass. As a result, deposits from crystallizing reducing agent in the low-pressure exhaust gas recirculation can be avoided, as a result of which a cross-section reduction and / or an increase in the flow resistance in the low-pressure exhaust gas recirculation can be avoided.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Steuerventil als 3/3-Wege-Ventil ausgebildet ist. Durch ein 3/3-Wege-Ventil ist ein besonders einfaches Umschalten zwischen den einzelnen Betriebszuständen des Verbrennungsmotors möglich. Alternativ können auch zwei einfache Ventile verwendet werden, welche derart hintereinander geschaltet sind, dass sich eine 3/3-Wege-Funktion ergibt.In a preferred embodiment of the invention it is provided that the control valve is designed as a 3/3-way valve. A 3/3-way valve enables particularly simple switching between the individual operating states of the internal combustion engine. Alternatively, two simple valves can also be used, which are connected in series in such a way that a 3/3-way function results.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn eine erste Anschlussöffnung des Steuerventils mit dem Hauptkanal, eine zweite Anschlussöffnung mit dem Bypass und eine dritte Anschlussöffnung mit der Niederdruckabgasrückführungsleitung verbunden sind. Sind der Hauptkanal der Niederdruck-Abgasrückführung mit einer ersten Anschlussöffnung, der Bypass mit einer zweiten Anschlussöffnung und die Niederdruckabgasrückführungsleitung mit einer dritten Anschlussöffnung des Steuerventils verbunden, ist eine einfache Steuerung und Aufteilung des Abgasstroms möglich, sodass der Abgasstrom in Abhängigkeit der Abgastemperatur und/oder der Kühlwassertemperatur des Verbrennungsmotors entsprechend zurückgeführt werden kann oder dem Abgaskanal zugeführt wird. Insbesondere ist auf diesem Weg eine Abgaswärmerückgewinnung möglich, bei welcher das Kühlmittel des Verbrennungsmotors durch den Abgasstrom erwärmt wird.It is particularly preferred if a first connection opening of the control valve is connected to the main channel, a second connection opening is connected to the bypass and a third connection opening is connected to the low-pressure exhaust gas return line. Are the main duct of the low pressure Exhaust gas recirculation with a first connection opening, the bypass with a second connection opening and the low-pressure exhaust gas recirculation line connected with a third connection opening of the control valve, a simple control and division of the exhaust gas flow is possible so that the exhaust gas flow can be fed back depending on the exhaust gas temperature and / or the cooling water temperature of the internal combustion engine can or is fed to the exhaust duct. In particular, exhaust gas heat recovery is possible in this way, in which the coolant of the internal combustion engine is heated by the exhaust gas flow.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Bypass stromabwärts der Abgasklappe mit dem Abgaskanal des Verbrennungsmotors verbunden ist. Dadurch kann über die Abgasklappe ein Aufheizen des Verbrennungsmotors auf seine Betriebstemperatur beschleunigt werden, indem der Abgasstrom des Verbrennungsmotors durch den im Hauptkanal der Niederdruck-Abgasrückführung befindlichen Abgasrückführungskühler geleitet wird und somit zusätzlich zur Erwärmung des Kühlwassers genutzt werden kann. Somit kann die Abwärme des Abgases zum Erwärmen des Verbrennungsmotors genutzt werden.In a further preferred embodiment of the invention it is provided that the bypass is connected to the exhaust gas duct of the internal combustion engine downstream of the exhaust gas flap. This allows the combustion engine to heat up to its operating temperature via the exhaust flap, in that the exhaust gas flow of the combustion engine is passed through the exhaust gas recirculation cooler located in the main duct of the low-pressure exhaust gas recirculation and can thus also be used to heat the cooling water. The waste heat from the exhaust gas can thus be used to heat the internal combustion engine.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass im Hauptkanal und im Bypass jeweils ein Filter angeordnet ist. Durch einen Filter kann das Eindringen von Rußpartikeln in die Niederdruckabgasrückführung vermieden oder verringert werden. Dadurch kann der Verschleiß an dem Steuerventil sowie an den Komponenten des Luftversorgungssystems des Verbrennungsmotors stromabwärts der Einmündung der Niederdruckabgasrückführungsleitung reduziert werden. Ferner können Funktionsstörungen durch Rußpartikel verhindert werden, welche sich ohne Filter an dem Steuerventil ablagern würden.According to a preferred embodiment of the invention it is provided that a filter is arranged in each case in the main channel and in the bypass. A filter can prevent or reduce the penetration of soot particles into the low-pressure exhaust gas recirculation system. This can reduce wear on the control valve and on the components of the air supply system of the internal combustion engine downstream of the confluence of the low-pressure exhaust gas recirculation line. Furthermore, malfunctions caused by soot particles can be prevented, which would be deposited on the control valve without a filter.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors vorgeschlagen, wobei
- - ein Abgasstrom des Verbrennungsmotors über einen Abgasrückführungskühler geleitet wird, welcher mit einem Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors verbunden ist, wobei
- - bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors das Kühlmittel durch den Abgasrückführungskühler erwärmt wird, wobei
- - durch die Erwärmung des Kühlmittels die Abgastemperatur des Verbrennungsmotors angehoben wird, und wobei
- - ein Reduktionsmittel stromabwärts der Verzweigungsstelle in den Abgaskanal eindosiert wird.
- - An exhaust gas flow of the internal combustion engine is passed through an exhaust gas recirculation cooler which is connected to a coolant circuit of the internal combustion engine, wherein
- - During a cold start of the internal combustion engine, the coolant is heated by the exhaust gas recirculation cooler, wherein
- - The exhaust gas temperature of the internal combustion engine is raised by the heating of the coolant, and wherein
- - A reducing agent is metered into the exhaust gas duct downstream of the branching point.
Durch ein erfindungsgemäßes Verfahren kann in Abhängigkeit der Temperatur des Abgases, des Kühlwassers und oder des Motoröls des Verbrennungsmotors eine schnellstmögliche Aktivierung zumindest eines SCR-Katalysators erfolgen. Dabei kann durch die Abgaswärmerückgewinnung über den Niederdruck-Abgasrückführungskühler das Aufheizen des Verbrennungsmotors und der Abgasnachbehandlungskomponenten verkürzt werden. Dadurch ist es möglich, deutlich früher die SCR-Katalysatoren auf ihre Light-Off-Temperatur aufzuheizen, wodurch die Abgasnachbehandlung verbessert werden kann. Somit können die Emissionen des Verbrennungsmotors gesenkt werden. Zudem führt die Abgaswärmerückgewinnung in einer Warmlaufphase des Verbrennungsmotors zu einer besseren Verbrennungsqualität, wodurch die Abgasrohemissionen, insbesondere die Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen, Kohlenstoffmonoxid und die Partikelrohemissionen gesenkt werden können. Dabei kann die Abgasrückführung über die Niederdruck-Abgasrückführung derart gesteuert werden, dass die Abwärme des Verbrennungsmotors genutzt wird, um das Aufheizen des Kühlmittels des Verbrennungsmotors zu beschleunigen und zumindest einen der SCR-Katalysatoren zeitnah nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors mit Reduktionsmittel, insbesondere mit Ammoniak, zu beladen. Dadurch kann die Konvertierung von Stickoxiden in einer Kaltstartphase verbessert und somit die Endrohremissionen gesenkt werden. Durch die Möglichkeit einer ungekühlten Abgasrückführung kann die Niederdruckabgasrückführung zeitlich früher nach einem Kaltstart eines Verbrennungsmotors aktiviert werden, wodurch die Rohemissionen des Verbrennungsmotors gesenkt werden können.A method according to the invention can activate at least one SCR catalyst as quickly as possible, depending on the temperature of the exhaust gas, the cooling water and / or the engine oil of the internal combustion engine. The exhaust gas heat recovery via the low-pressure exhaust gas recirculation cooler can shorten the heating of the internal combustion engine and the exhaust gas aftertreatment components. This makes it possible to heat the SCR catalytic converters to their light-off temperature much earlier, which can improve the exhaust gas aftertreatment. In this way, the emissions of the internal combustion engine can be reduced. In addition, the exhaust gas heat recovery in a warm-up phase of the internal combustion engine leads to better combustion quality, whereby the raw exhaust emissions, in particular the emissions of unburned hydrocarbons, carbon monoxide and the raw particulate emissions can be reduced. The exhaust gas recirculation can be controlled via the low pressure exhaust gas recirculation in such a way that the waste heat from the internal combustion engine is used to accelerate the heating of the coolant of the internal combustion engine and at least one of the SCR catalytic converters with reducing agent, in particular with ammonia, shortly after a cold start of the internal combustion engine, to load. As a result, the conversion of nitrogen oxides can be improved in a cold start phase and thus the tailpipe emissions can be reduced. Due to the possibility of uncooled exhaust gas recirculation, the low-pressure exhaust gas recirculation can be activated earlier after a cold start of an internal combustion engine, whereby the raw emissions of the internal combustion engine can be reduced.
In einer vorteilhaften Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass in einem ersten Betriebszustand des Verbrennungsmotors die Abgasklappe zumindest teilweise geschlossen wird, wobei ein Abgasstrom durch den Hauptkanal der Niederdruck-Abgasrückführung geleitet wird und das Steuerventil derart gestellt ist, dass der Abgasstrom über den Bypass zurück in den Abgaskanal des Verbrennungsmotors geleitet wird. Dadurch kann die Restwärme des Abgases genutzt werden, um das Kühlwasser des Verbrennungsmotors über den Abgasrückführungskühler aufzuheizen und somit nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors dazu beizutragen, dass der Verbrennungsmotor schneller seine Betriebstemperatur erreicht. Dadurch kann die Niederdruck-Abgasrückführung schneller aktiviert werden und die Emissionen des Verbrennungsmotors können gesenkt werden.In an advantageous improvement of the method it is provided that in a first operating state of the internal combustion engine, the exhaust flap is at least partially closed, an exhaust gas flow being passed through the main duct of the low-pressure exhaust gas recirculation and the control valve being set in such a way that the exhaust gas flow is returned via the bypass the exhaust duct of the internal combustion engine is conducted. As a result, the residual heat of the exhaust gas can be used to heat the cooling water of the internal combustion engine via the exhaust gas recirculation cooler and thus contribute to the internal combustion engine reaching its operating temperature more quickly after a cold start of the internal combustion engine. As a result, the low-pressure exhaust gas recirculation can be activated more quickly and the emissions from the combustion engine can be reduced.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens ist vorgesehen, dass unter einer ersten Schwellentemperatur des Abgases oder einer zweiten Schwellentemperatur des Kühlmittels des Verbrennungsmotors keine Abgasrückführung über die Niederdruck-Abgasrückführung erfolgt, oberhalb der ersten Schwellentemperatur und unterhalb einer dritten Schwellentemperatur des Abgases oder einer vierten Schwellentemperatur des Kühlmittels des Verbrennungsmotors eine ungekühlte Abgasrückführung über den Bypass erfolgt und oberhalb der dritten Schwellentemperatur und/oder der vierten Schwellentemperatur eine gekühlte Abgasrückführung über den Hauptkanal der Niederdruck-Abgasrückführung erfolgt. Unterhalb der ersten und zweiten Schwellentemperaturen, insbesondere unterhalb einer Kühlwassertemperatur von 50°C und einer Abgastemperatur von weniger als 120°C besteht die Gefahr, dass der im Abgas enthaltene Wasserdampf in der Niederdruck-Abgasrückführung auskondensiert und als Wassertopfen in das Luftversorgungsystem des Verbrennungsmotors gelangt. Dies kann zu Schäden an dem Verdichter des Abgasturboladers und an Teilen des Verbrennungsmotors führen. Daher wird unterhalb dieser ersten Schwellentemperatur eine Abgasrückführung über die Niederdruck-Abgasrückführung unterbunden. Oberhalb der ersten Schwellentemperatur und unterhalb einer zweiten Schwellentemperatur kann eine zusätzliche Kühlung des über die Niederdruck-Abgasrückführung zurückgeführten Abgasstroms dazu führen, dass der Wasserdampf auskondensiert. Daher wird in einem Temperaturbereich oberhalb der ersten und zweiten Schwellentemperatur und unterhalb der dritten und vierten Schwellentemperatur von etwa 80° Kühlwassertemperatur und 180°C Abgastemperatur das Abgas über den Bypass an dem Abgasrückführungskühler vorbeigeführt, um ein zusätzliches Abkühlen des Abgases und die damit verbundene Gefahr eines Auskondensierens von Wassertropfen zu vermeiden. Oberhalb der dritten und vierten Schwellentemperatur wird der Abgasstrom mit Vorteil über den Hauptkanal der Niederdruck-Abgasrückführung und den Abgasrückführungskühler in das Luftversorgungssystem zurückgeführt, um die Verbrennungstemperatur in den Brennräumen des Verbrennungsmotors zu senken und somit die Stickoxid-Rohemissionen zu vermindern.In a preferred embodiment of the method it is provided that below a first threshold temperature of the exhaust gas or a second threshold temperature of the coolant of the Internal combustion engine, there is no exhaust gas recirculation via the low-pressure exhaust gas recirculation, above the first threshold temperature and below a third threshold temperature of the exhaust gas or a fourth threshold temperature of the coolant of the internal combustion engine, an uncooled exhaust gas recirculation takes place via the bypass and above the third threshold temperature and / or the fourth threshold temperature a cooled exhaust gas recirculation takes place takes place via the main duct of the low-pressure exhaust gas recirculation. Below the first and second threshold temperatures, in particular below a cooling water temperature of 50 ° C and an exhaust gas temperature of less than 120 ° C, there is a risk that the water vapor contained in the exhaust gas will condense out in the low-pressure exhaust gas recirculation system and enter the air supply system of the internal combustion engine as a water plug. This can lead to damage to the compressor of the exhaust gas turbocharger and to parts of the internal combustion engine. Exhaust gas recirculation via the low-pressure exhaust gas recirculation is therefore suppressed below this first threshold temperature. Above the first threshold temperature and below a second threshold temperature, additional cooling of the exhaust gas flow recirculated via the low-pressure exhaust gas recirculation can lead to the water vapor condensing out. Therefore, in a temperature range above the first and second threshold temperature and below the third and fourth threshold temperature of about 80 ° cooling water temperature and 180 ° C exhaust gas temperature, the exhaust gas is bypassed past the exhaust gas recirculation cooler in order to additionally cool the exhaust gas and the associated risk of a Avoid condensation of water droplets. Above the third and fourth threshold temperature, the exhaust gas flow is advantageously returned to the air supply system via the main duct of the low-pressure exhaust gas recirculation and the exhaust gas recirculation cooler, in order to lower the combustion temperature in the combustion chambers of the internal combustion engine and thus to reduce the raw nitrogen oxide emissions.
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 can be advantageously combined with one another, unless stated otherwise in the individual case.
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 Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors, wobei in einer Niederdruck-Abgasrückführung eine Abgasrückführung mit einem Abgasrückführungskühler und eine parallele Abgasrückführung ohne einen Kühler vorgesehen sind, welche über ein Steuerventil schaltbar sind und stromabwärts einer Verzweigung der Niederdruck-Abgasrückführung ein Dosierelement und ein SCR-Katalysator angeordnet sind; -
2 einen ersten Betriebszustand des Verbrennungsmotors, wobei eine Abgasrückführung in den Ansaugtrakt unterbunden ist, und ein Abgasstrom des Verbrennungsmotors durch den Hauptkanal und den Bypass zurück in den Abgaskanal geleitet wird; -
3 einen dritten Betriebszustand des Verbrennungsmotors, bei dem das Abgas über den Hauptkanal und den Abgasrückführungskühler in den Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors zurückgeführt wird; -
4 eine Betriebssituation des Verbrennungsmotors, bei dem ein Abgasstrom über den Hauptkanal zurückgeführt und dann geteilt wird, sodass ein erster Teilstrom über die Niederdruck-Abgasrückführung in den Ansaugtrakt zurückgeführt wird und ein zweiter Teilstrom über den Bypass zurück in den Abgaskanal geleitet wird; und -
5 einen zweiten Betriebszustand des Verbrennungsmotors, wobei ein Abgasstrom über den Bypass an dem Abgasrückführungskühler vorbei in den Ansaugtrakt zurückgeführt wird.
-
1 an embodiment of an internal combustion engine according to the invention, wherein an exhaust gas recirculation with an exhaust gas recirculation cooler and a parallel exhaust gas recirculation without a cooler are provided in a low pressure exhaust gas recirculation, which can be switched via a control valve and a metering element and an SCR catalyst are arranged downstream of a branch of the low pressure exhaust gas recirculation ; -
2 a first operating state of the internal combustion engine, wherein exhaust gas recirculation into the intake tract is prevented, and an exhaust gas flow of the internal combustion engine is passed through the main duct and the bypass back into the exhaust gas duct; -
3 a third operating state of the internal combustion engine, in which the exhaust gas is returned via the main duct and the exhaust gas recirculation cooler into the intake tract of the internal combustion engine; -
4th an operating situation of the internal combustion engine in which an exhaust gas flow is returned via the main duct and then divided, so that a first partial flow is returned to the intake tract via the low-pressure exhaust gas recirculation and a second partial flow is passed back into the exhaust gas duct via the bypass; and -
5 a second operating state of the internal combustion engine, an exhaust gas flow being returned to the intake tract via the bypass past the exhaust gas recirculation cooler.
Die Abgasanlage
Stromabwärts der Abgasklappe
Der Verbrennungsmotor
In
In
In
In
Sinkt die Abgastemperatur TEG unter eine erste Schwellentemperatur TS1 und/oder die Kühlmitteltemperatur TCF unter eine zweite Schwellentemperatur TS2 ab oder liegt die Kühlmitteltemperatur TCF oder die Abgastemperatur TEF nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors
Bevorzugt ist, wenn in einem Bypassbetrieb, in dem das über die Niederdruck-Abgasrückführung
Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass durch einen erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1010
- VerbrennungsmotorInternal combustion engine
- 1212
- BrennraumCombustion chamber
- 1414th
- Einlassinlet
- 1616
- AuslassOutlet
- 1818th
- Kühlmittelkreislauf Coolant circuit
- 2020th
- LuftversorgungssystemAir supply system
- 2222nd
- LuftfilterAir filter
- 2424
- Verdichtercompressor
- 2626th
- FrischgasleitungFresh gas line
- 2828
- Ladeluftkühler Intercooler
- 3030th
- LuftmassenmesserAir mass meter
- 3232
- RegelklappeControl flap
- 3434
- Hochdruck-Abgasrückführungs-VentilHigh pressure exhaust gas recirculation valve
- 3636
- AbgasturboladerExhaust gas turbocharger
- 3838
- Abgasrückführungsleitung Exhaust gas recirculation line
- 4040
- AbgasanlageExhaust system
- 4242
- Turbineturbine
- 4444
- AbgaskanalExhaust duct
- 4646
- erste Abgasnachbehandlungskomponentefirst exhaust aftertreatment component
- 4848
- Abgasklappe Exhaust flap
- 5050
- NOx-SpeicherkatalysatorNOx storage catalytic converter
- 5252
- erstes Dosierelementfirst metering element
- 5454
- Partikelfilter mit SCR-BeschichtungParticle filter with SCR coating
- 5656
- SCR-KatalysatorSCR catalytic converter
- 5858
- Oxidationskatalysator / Ammoniak-Sperrkatalysator Oxidation catalyst / ammonia barrier catalyst
- 6060
- Niederdruck-AbgasrückführungLow pressure exhaust gas recirculation
- 6262
- SteuerventilControl valve
- 6464
- AbgasrückführungskühlerExhaust gas recirculation cooler
- 6666
- Hauptkanal der Niederdruck-AbgasrückführungMain channel of the low-pressure exhaust gas recirculation
- 6868
- Bypass der Niederdruck-Abgasrückführung Low pressure exhaust gas recirculation bypass
- 7070
- NiederdruckabgasrückführungsleitungLow pressure exhaust gas recirculation line
- 7272
- Filterfilter
- 7474
- Filterfilter
- 7676
- EinmündungConfluence
- 7878
- Verzweigungsstelle Branching point
- 8080
- VerzweigungsstelleBranching point
- 8282
- ZusammenführungMerging
- 8484
- erste Anschlussöffnungfirst connection opening
- 8686
- zweite Anschlussöffnungsecond connection opening
- 8888
- dritte Anschlussöffnung third connection opening
- 9090
- SteuergerätControl unit
- 9292
- SignalleitungSignal line
- 9696
- zweites Dosierelementsecond metering element
- 9898
- Abgasmischer Exhaust mixer
- TT
- Temperaturtemperature
- TCF T CF
- Kühlmitteltemperatur des VerbrennungsmotorsCoolant temperature of the internal combustion engine
- TCFL T CFL
- Schwellenwert für die KühlmitteltemperaturThreshold for the coolant temperature
- TEG T EG
- Abgastemperatur Exhaust gas temperature
- TS1 T S1
- erste Schwellentemperaturfirst threshold temperature
- TS2 T S2
- zweite Schwellentemperatursecond threshold temperature
- TS3 T S3
- dritte Schwellentemperaturthird threshold temperature
- TS4 T S4
- vierte Schwellentemperaturfourth threshold temperature
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 102008020408 A1 [0004]DE 102008020408 A1 [0004]
- EP 2956657 B1 [0005]EP 2956657 B1 [0005]
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-
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