DE102019133509A1 - Method for operating an exhaust system and an exhaust system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasanlage (1), die stromabwärts einer Brennkraftmaschine (2) angeordnet ist, wobei
- das Abgas der Brennkraftmaschine (2), die mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ = 1 betrieben wird, der Abgasanlage (1) zugeführt wird,
- in einen Abgasleitungsabschnitt (4) der Abgasanlage (1) in der Nähe einer Entflammvorrichtung eine definierte Kraftstoffmenge eingespritzt wird, so dass sich lokal ein Luft-Kraftstoff-Gemisch mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ < 1 ergibt,
- in den Abgasleitungsabschnitt (4) eine zu dieser eingespritzten Kraftstoffmenge passende Luftmenge eingebracht wird, so dass sich in Summe wieder ein stöchiometrisches Abgas ergibt, das ein Luft-Kraftstoff-Gemisch mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ = 1 aufweist,
- das Luft-Kraftstoff-Gemisch mittels der Entflammvorrichtung entflammt wird. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine Abgasanlage (1) zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
The invention relates to a method for operating an exhaust system (1) which is arranged downstream of an internal combustion engine (2), wherein
- the exhaust gas of the internal combustion engine (2), which is operated with a combustion air ratio λ = 1, is fed to the exhaust system (1),
- A defined amount of fuel is injected into an exhaust line section (4) of the exhaust system (1) in the vicinity of an inflammation device, so that an air-fuel mixture with a combustion air ratio λ <1 results locally,
- A quantity of air that matches this injected fuel quantity is introduced into the exhaust line section (4), so that in total a stoichiometric exhaust gas is again obtained, which has an air-fuel mixture with a combustion air ratio λ = 1,
- the air-fuel mixture is ignited by means of the ignition device. The present invention also relates to an exhaust system (1) for carrying out such a method.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasanlage. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine Abgasanlage.The present invention relates to a method for operating an exhaust system. The present invention also relates to an exhaust system.
Eine Abgasanlage ist stromabwärts einer Brennkraftmaschine angeordnet und dient dem Zweck, das während des Verbrennungsprozesses eines Luft-Kraftstoff-Gemischs entstehende Abgas auszuleiten und mittels einer oder mehrerer Abgasbehandlungseinrichtungen zu reinigen. Bei diesen Abgasbehandlungseinrichtungen handelt es sich zum Beispiel um Katalysatoren sowie Partikelfilter. Derzeit werden in Kraftfahrzeugen üblicherweise so genannte Drei-Wege-Katalysatoren verwendet, die dazu in der Lage sind, die während des Verbrennungsprozesses entstehenden Schadstoffe wie Stickoxide, Kohlenmonoxid sowie unverbrannte Kohlenwasserstoffe in einem katalytischen Prozess in Kohlenstoffdioxid, Stickstoff und Wasser umzuwandeln. Partikelfilter dienen dem Zweck, aus dem Abgas der Brennkraftmaschine darin enthaltene Rußpartikel herauszufiltern. Wenn die Funktionen des Drei-Wege-Katalysators und des Partikelfilters in einem einzigen Katalysator realisiert sind, wird häufig auch von einem Vier-Wege-Katalysator gesprochen.An exhaust system is arranged downstream of an internal combustion engine and serves the purpose of discharging the exhaust gas produced during the combustion process of an air-fuel mixture and cleaning it by means of one or more exhaust gas treatment devices. These exhaust gas treatment devices are, for example, catalytic converters and particle filters. So-called three-way catalytic converters are currently used in motor vehicles, which are capable of converting the pollutants such as nitrogen oxides, carbon monoxide and unburned hydrocarbons into carbon dioxide, nitrogen and water in a catalytic process. Particle filters serve the purpose of filtering out the soot particles contained therein from the exhaust gas of the internal combustion engine. When the functions of the three-way catalytic converter and the particulate filter are implemented in a single catalytic converter, it is often referred to as a four-way catalytic converter.
Mit steigenden Anforderungen an die Einhaltung gesetzlich vorgeschriebener Emissionsgrenzwerte, wie sie zum Beispiel in der zukünftig geltenden Norm Euro 7 für Otto-Motoren geplant sind, vergrößern sich sehr wahrscheinlich auch die Volumina der Katalysatoren und Partikelfilter. Dieses hat zur Folge, dass bei einigen Fahrzeugtypen die Vorkatalysatoren der Abgasanlage voraussichtlich den gesamten motornahen Bereich als Bauraum benötigen. Ein zusätzlicher Katalysator beziehungsweise ein Partikelfilter oder Vier-Wege-Katalysator wird dann in einer ersten Position im Unterboden des Kraftfahrzeugs verbaut. Dadurch ergibt sich speziell bei Kraftfahrzeugen mit geringen Fahrwiderständen und leistungsstarken Motoren die Notwendigkeit, die Katalysatoren beziehungsweise Partikelfilter aktiv zu heizen.With increasing requirements for compliance with legally prescribed emission limit values, such as those planned in the future Euro 7 standard for gasoline engines, the volumes of the catalytic converters and particle filters will very likely also increase. As a result, in some vehicle types, the pre-catalytic converters of the exhaust system will probably require the entire area close to the engine as installation space. An additional catalytic converter or a particle filter or four-way catalytic converter is then installed in a first position in the underbody of the motor vehicle. This results in the need, especially in motor vehicles with low driving resistance and powerful engines, to actively heat the catalytic converters or particle filters.
Bei Kraftfahrzeugen mit einer so genannten Segel-Funktion sowie bei Hybrid-Fahrzeugen, die zusätzlich zu einer Brennkraftmaschine eine elektrische Maschine als Antriebsvorrichtung aufweisen, verstärkt sich durch längere Stillstandszeiten der Brennkraftmaschine im rein elektromotorischen Fahrbetrieb der Effekt des Auskühlens der Abgasanlage im Fahrbetrieb nochmals.In motor vehicles with a so-called sailing function and in hybrid vehicles that have an electric machine as a drive device in addition to an internal combustion engine, the longer downtimes of the internal combustion engine in purely electric driving mode intensify the effect of cooling the exhaust system while driving.
Andererseits muss die Abgasnachbehandlung innerhalb kürzester Zeit konvertierungsfähig sein. Das bedeutet, dass eine Temperatur erreicht werden muss, bei der die Katalysatoren aktiv werden (so genannte „Light-Off-Temperatur“), um die strengen Abgasvorschriften unter allen realen Fahrbedingungen einzuhalten.On the other hand, the exhaust gas aftertreatment must be convertible within a very short time. This means that a temperature must be reached at which the catalytic converters become active (so-called “light-off temperature”) in order to comply with the strict emissions regulations under all real driving conditions.
Das Aufheizen der Komponenten der Abgasanlage kann auf ganz unterschiedliche Art und Weise erfolgen und hängt beispielsweise von der Größe der Brennkraftmaschine sowie vom Fahrwiderstand des Kraftfahrzeugs ab. Vergleichsweise klein bauende Brennkraftmaschinen, wie zum Beispiel Vierzylinder-Reihenmotoren (R4-Motoren), in größeren Kraftfahrzeugen können dieses zum Beispiel über ein herkömmliches Heizen des Katalysators mit einem Sekundärluft-System erreichen. Mittelschwere Kraftfahrzeuge mit mittelgroßen Brennkraftmaschinen, wie zum Beispiel V6-Motoren, können diese Energie über elektrische Heizkatalysatoren direkt der Abgasanlage zuführen. Entsprechende Beispiele hierfür liefern die
Bei Brennkraftmaschinen, die in eher kleineren Kraftfahrzeugen mit geringen Lasten und damit auch mit niedrigen Abgastemperaturen betrieben werden, kann ein Brennersystem notwendig werden, um die hohe benötigte Energie durch das Verbrennen von Kraftstoff bereit zu stellen, ähnlich wie bei einem Zuheizer-System für eine Standheizung oder für eine Innenraumheizung eines Kraftfahrzeugs. Beispiele hierfür liefern die
Wenn diese Systeme autark beziehungsweise in einem Teilstrom betrieben werden, sind sie allerdings sehr aufwändig zu steuern und nur mit einem erheblichen Zusatzaufwand in der On-Board-Diagnose des Kraftfahrzeugs zu überwachen (siehe
Wenn die Brennkraftmaschine als Otto-Motor ausgeführt ist, wird für eine ideale Verbrennung von 1 kg Benzin eine Luftmasse von 14,7 kg benötigt. Das Massenverhältnis von Luftmasse zu Benzin beträgt dann 14,7:1 (stöchiometrisches Verhältnis). Das so genannte Verbrennungsluftverhältnis λ gibt bei einem Verbrennungsprozess an, wie das dem Verbrennungsprozess tatsächlich zugeführte Luft-Kraftstoff-Gemisch vom theoretisch für eine stöchiometrisch vollständige Verbrennung erforderlichen Massenverhältnis abweicht. Wenn die dem Verbrennungsprozess tatsächlich zugeführte Luftmasse der theoretisch für die vollständige Verbrennung erforderlichen Luftmasse entspricht, gilt für das Verbrennungsluftverhältnis λ = 1. Bei einem Verbrennungsluftverhältnis λ < 1 herrscht ein Luftmangel vor. In diesem Zusammenhang wird häufig auch von einem fetten Gemisch gesprochen. Bei einem Verbrennungsluftverhältnis λ > 1 besteht ein Luftüberschuss, so dass sich ein mageres Gemisch ergibt.If the internal combustion engine is designed as a gasoline engine, an air mass of 14.7 kg is required for ideal combustion of 1 kg of gasoline. The mass ratio of air mass to gasoline is then 14.7: 1 (stoichiometric ratio). In a combustion process, the so-called combustion air ratio λ indicates how the air-fuel mixture actually supplied to the combustion process deviates from the mass ratio theoretically required for stoichiometrically complete combustion. If the air mass actually supplied to the combustion process corresponds to the air mass theoretically required for complete combustion, then the combustion air ratio λ = 1. With a combustion air ratio λ <1, there is a lack of air. In this context, one often speaks of a rich mixture. With a combustion air ratio λ> 1, there is an excess of air, resulting in a lean mixture.
Die oben bereits erwähnte, zukünftig geltende Abgasnorm Euro 7 wird voraussichtlich dazu führen, dass der Verbrennungsprozess eines Otto-Motors stets mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ = 1 (stöchiometrisches Verhältnis) im gesamten Betriebsbereich zu erfolgen hat. Das Verbrennungsluftverhältnis kann also nicht derart variiert werden, dass der Otto-Motor temporär mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ < 1 oder mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ > 1 betrieben wird.The above-mentioned, future Euro 7 emissions standard will presumably mean that the combustion process of a gasoline engine will always have to take place with a combustion air ratio λ = 1 (stoichiometric ratio) over the entire operating range. The combustion air ratio cannot therefore be varied in such a way that the Otto engine is operated temporarily with a combustion air ratio λ <1 or with a combustion air ratio λ> 1.
Die vorliegende Erfindung macht es sich zur Aufgabe, ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasanlage sowie eine Abgasanlage zur Durchführung eines derartigen Verfahrens zur Verfügung zu stellen, die einen Betrieb einer Brennkraftmaschine in einem stöchiometrischen Verhältnis ermöglicht.It is an object of the present invention to provide a method for operating an exhaust system and an exhaust system for carrying out such a method, which enables an internal combustion engine to be operated in a stoichiometric ratio.
Die Lösung dieser Aufgabe liefert ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Hinsichtlich der Abgasanlage wird diese Aufgabe durch eine Abgasanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.The solution to this problem is provided by a method for operating an exhaust system with the features of
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Abgasanlage, die stromabwärts einer Brennkraftmaschine angeordnet ist, ist vorgesehen, dass
- - das Abgas der Brennkraftmaschine, die mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ = 1 betrieben wird, der Abgasanlage zugeführt wird,
- - in einen Abgasleitungsabschnitt der Abgasanlage in der Nähe einer Entflammvorrichtung, wie bspw. einer elektrischen Zünd- oder Heizvorrichtung, eine definierte Kraftstoffmenge eingespritzt wird, so dass sich lokal ein Luft-Kraftstoff-Gemisch mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ < 1 ergibt,
- - in den Abgasleitungsabschnitt eine zu dieser eingespritzten Kraftstoffmenge passende Luftmenge eingebracht wird, so dass sich in Summe wieder ein stöchiometrisches Abgas ergibt, das ein Luft-Kraftstoff-Gemisch mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ = 1 aufweist,
- - das Luft-Kraftstoff-Gemisch mittels der Entflammvorrichtung entflammt wird.
- - the exhaust gas of the internal combustion engine, which is operated with a combustion air ratio λ = 1, is fed to the exhaust system,
- - A defined amount of fuel is injected into an exhaust pipe section of the exhaust system in the vicinity of an ignition device, such as an electrical ignition or heating device, so that an air-fuel mixture with a combustion air ratio λ <1 results locally,
- - A quantity of air that matches this injected fuel quantity is introduced into the exhaust line section, so that in total a stoichiometric exhaust gas is again obtained, which has an air-fuel mixture with a combustion air ratio λ = 1,
- - the air-fuel mixture is ignited by means of the ignition device.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht ein Aufheizen von Teilen der Abgasanlage, insbesondere Katalysatoren und/oder Partikelfiltern, in der Weise, dass ein erster Teil der Temperaturerhöhung direkt über die elektrische Energie zum Betrieb der Entflammvorrichtung zugeführt wird und ein zweiter Teil der Temperaturerhöhung über die exotherme Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs hinzukommt. Dadurch wird sichergestellt, dass keiner der Energiepfade, die für das Aufheizen von Teilen der Abgasanlage verwendet werden können, überlastet wird. Die Brennkraftmaschine kann dabei stets mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ = 1 betrieben. Auch das Abgas weist ein globales Luftverhältnis von λ = 1 auf. So können die zukünftig geltenden gesetzlichen Normen eingehalten werden. Weitere Vorteile sind zum Beispiel ein geringerer Bauraumbedarf und geringere Kosten im Vergleich zu einem autarken Brennersystem, welches in einem Nebenstrom der Abgasanlage zum Aufheizen von Teilen der Abgasanlage vorgesehen sein kann.The method according to the invention enables parts of the exhaust system, in particular catalytic converters and / or particle filters, to be heated in such a way that a first part of the temperature increase is supplied directly via the electrical energy to operate the ignition device and a second part of the temperature increase is supplied via the exothermic combustion of the Air-fuel mixture is added. This ensures that none of the energy paths that can be used to heat parts of the exhaust system are overloaded. The internal combustion engine can always be operated with a combustion air ratio λ = 1. The exhaust gas also has a global air ratio of λ = 1. In this way, the legal standards that will apply in the future can be complied with. Further advantages are, for example, a smaller space requirement and lower costs compared to an autonomous burner system, which can be provided in a bypass flow of the exhaust system for heating parts of the exhaust system.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass das Entflammen des Luft-Kraftstoff-Gemischs mittels der Zündvorrichtung innerhalb eines ersten Katalysators der Abgasanlage erfolgt. Der erste Katalysator bildet dabei aus funktionaler Sicht einen Heizkatalysator.In a preferred embodiment it is proposed that the air-fuel mixture be ignited by means of the ignition device within a first catalytic converter of the exhaust system. From a functional point of view, the first catalyst is a heating catalyst.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass eine elektrische Heizvorrichtung als Entflammvorrichtung für das Luft-Kraftstoff-Gemisch verwendet wird.In an advantageous embodiment, it is proposed that an electrical heating device be used as the ignition device for the air-fuel mixture.
In einer alternativen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass eine Glüheinrichtung oder eine Glühkerze als Entflammvorrichtung für das Luft-Kraftstoff-Gemisch verwendet wird.In an alternative embodiment it can be provided that a glow device or a glow plug is used as an ignition device for the air-fuel mixture.
Ferne kann alternativ vorgesehen sein, dass eine beheizte Zündkerze als Entflammvorrichtung für das Luft-Kraftstoff-Gemisch verwendet wird.Furthermore, it can alternatively be provided that a heated spark plug is used as an ignition device for the air-fuel mixture.
Eine erfindungsgemäße Abgasanlage, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 geeignet ist, ist stromabwärts einer Brennkraftmaschine angeordnet und weist entlang einer Strömungsrichtung eines Abgases der Brennkraftmaschine einen Abgasleitungsabschnitt sowie eine elektrische Zündvorrichtung auf, wobei der Abgasleitungsabschnitt zumindest einen Kraftstoffinjektor, mittels dessen Kraftstoff in den Abgasleitungsabschnitt einspritzbar ist, und zumindest einen Lufteinlass, mittels dessen Luft in den Abgasleitungsabschnitt einbringbar ist, umfasst, wobei
- - der Kraftstoffinjektor dazu eingerichtet ist, in die Abgasleitung eine definierte Kraftstoffmenge einzuspritzen, so dass das Abgas der Brennkraftmaschine innerhalb des Abgasleitungsabschnitts lokal ein Luft-Kraftstoff-Gemisch mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ < 1 aufweist,
- - über den Lufteinlass in den Abgasleitungsabschnitt eine zu dieser eingespritzten Kraftstoffmenge passende Luftmenge einbringbar ist, so dass sich in Summe wieder ein stöchiometrisches Abgas ergibt, das ein Luft-Kraftstoff-Gemisch mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ = 1 aufweist, und
- - die elektrische Zündvorrichtung dazu eingerichtet ist, das Luft-Kraftstoff-Gemisch zu entflammen.
- - The fuel injector is set up to inject a defined amount of fuel into the exhaust pipe so that the exhaust gas of the internal combustion engine has an air-fuel mixture with a combustion air ratio λ <1 locally within the exhaust pipe section,
- - A quantity of air that matches this injected fuel quantity can be introduced into the exhaust line section via the air inlet, so that, in total, a stoichiometric exhaust gas is again obtained, which is an air-fuel Has mixture with a combustion air ratio λ = 1, and
- - The electrical ignition device is set up to ignite the air-fuel mixture.
Mittels der erfindungsgemäßen Abgasanlage erfolgt ein Aufheizen von Teilen der Abgasanlage mit den oben bereits erwähnten Vorteilen in der Weise, dass ein erster Teil der Temperaturerhöhung direkt über die elektrische Energie zum Betrieb der elektrischen Zündvorrichtung zugeführt wird und ein zweiter Teil der Temperaturerhöhung über die exotherme Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs hinzukommt. Die Brennkraftmaschine kann dabei stets im stöchiometrischen Verhältnis mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ = 1 betrieben werden.By means of the exhaust system according to the invention, parts of the exhaust system are heated up with the advantages already mentioned above in such a way that a first part of the temperature increase is supplied directly via the electrical energy to operate the electrical ignition device and a second part of the temperature increase is supplied via the exothermic combustion of the Air-fuel mixture is added. The internal combustion engine can always be operated in the stoichiometric ratio with a combustion air ratio λ = 1.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die Abgasanlage einen ersten Katalysator aufweist, der stromabwärts hinter dem Abgasleitungsabschnitt angeordnet ist.In a preferred embodiment it is proposed that the exhaust system has a first catalytic converter which is arranged downstream behind the exhaust line section.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform besteht die Möglichkeit, dass die Entflammvorrichtung innerhalb des ersten Katalysators untergebracht ist. Aus funktionaler Sicht bildet der erste Katalysator dann einen Heizkatalysator.In a particularly preferred embodiment, there is the possibility that the ignition device is accommodated within the first catalytic converter. From a functional point of view, the first catalytic converter then forms a heating catalytic converter.
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Entflammvorrichtung als elektrische Heizvorrichtung, insbesondere als Heizscheibe, ausgebildet ist.In an advantageous embodiment it can be provided that the ignition device is designed as an electrical heating device, in particular as a heating disk.
In einer alternativen Ausführungsform besteht die Möglichkeit, dass die Entflammvorrichtung als Glüheinrichtung oder Glühkerze ausgebildet ist.In an alternative embodiment, there is the possibility that the ignition device is designed as a glow device or glow plug.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform besteht die Möglichkeit, dass die Entflammvorrichtung als beheizte Zündkerze ausgebildet ist.In a further alternative embodiment, there is the possibility that the ignition device is designed as a heated spark plug.
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Abgasanlage einen zweiten Katalysator aufweist, der stromabwärts hinter dem ersten Katalysator angeordnet ist. Dieser zweite Katalysator kann zum Beispiel als Drei-Wege-Katalysator, dem ein Partikelfilter vorgelagert sein kann, oder als Vier-Wege-Katalysator mit einem integrierten Partikelfilter ausgebildet sein. Die Abgasnachbehandlungsfunktionen des zweiten Katalysators und/oder ein Partikelfilter können in einer vorteilhaften Weiterbildung auch in den ersten Katalysator integriert sein.In an advantageous embodiment it can be provided that the exhaust system has a second catalytic converter which is arranged downstream behind the first catalytic converter. This second catalytic converter can be designed, for example, as a three-way catalytic converter, which can be preceded by a particle filter, or as a four-way catalytic converter with an integrated particle filter. The exhaust gas aftertreatment functions of the second catalytic converter and / or a particle filter can also be integrated into the first catalytic converter in an advantageous development.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende
Die Abgasanlage
Die Abgasanlage
Der zweite Katalysator
Insbesondere bei Kraftfahrzeugen mit geringen Fahrwiderständen und leistungsstarken Brennkraftmaschinen ist es erforderlich, Teile der Abgasanlage
Nachfolgend soll erläutert werden, auf welche Weise ein rasches Aufheizen von Teilen der Abgasanlage
Die Abgasanlage
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben der Abgasanlage
Der erste Katalysator
Die elektrische Heizvorrichtung
Mittels des Kraftstoffinjektors
Mit Hilfe des hier vorgestellten Verfahrens erfolgt ein Aufheizen von Teilen der Abgasanlage
Ein Vorteil des hier beschriebenen Verfahrens besteht darin, dass ein schnelles Aufheizen von Teilen der Abgasanlage
Eine On-Board-Diagnose des hier beschriebenen Verfahrens kann vorzugsweise über bereits existierende Sensormittel mit neuen Funktionalitäten, aber ohne zusätzliche Sensorik erfolgen.An on-board diagnosis of the method described here can preferably take place via existing sensor means with new functionalities, but without additional sensors.
Weitere Vorteile sind zum Beispiel in einem geringeren Bauraumbedarf und geringeren Kosten gegenüber einem autarken Brennersystem in einem Nebenstrom der Abgasanlage
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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