DE10248508A1 - Internal combustion engine system with direct-injection gasoline engine and a catalyst system - Google Patents

Internal combustion engine system with direct-injection gasoline engine and a catalyst system Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungsmotoranlage (10), die einen direkteinspritzenden Ottomotor (12), der nicht oder nur zu einem geringen Anteil schichtladefähig ist, und ein dem Ottomotor (12) nachgeordnetes Katalysatorsystem (16), das mindestens einen Katalysator (18) besitzt, aufweist. DOLLAR A Es ist vorgesehen, dass das Katalysatorsystem (16) insgesamt ein Katalysatorvolumen (KV) von unter 0,8 x Motorhubvolumen (VH) oder von unter 1,3 von unter 1,3 pro 100 kW Motortrennleistung (PNENN) aufweist und dass die mittlere spezifische Edelmetallbeladung des mindestens einen Katalysators (18) des Katalysatorsystems (16) unter 3,59 g/dm·3· liegt, wobei die gesamte Edelmetallmasse des mindestens einen Katalysators (18) unter 2 g pro Liter Motorhubraum (VH) oder unter 3,5 pro 100 kW Nennleistung (PNENN) des Ottomotors (12) liegt.The invention relates to an internal combustion engine system (10) which has a direct injection gasoline engine (12) which is not or only partially capable of stratified charging, and a catalyst system (16) which is arranged downstream of the gasoline engine (12) and which has at least one catalytic converter (18), having. DOLLAR A It is provided that the catalyst system (16) has a total catalyst volume (KV) of less than 0.8 x engine stroke volume (VH) or less than 1.3 of less than 1.3 per 100 kW engine separation capacity (PNENN) and that average specific precious metal loading of the at least one catalyst (18) of the catalyst system (16) is less than 3.59 g / dm * 3, the total precious metal mass of the at least one catalyst (18) being less than 2 g per liter of engine displacement (VH) or less than 3 .5 per 100 kW nominal power (PNENN) of the gasoline engine (12).

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungsmotoranlage mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.The invention relates to an internal combustion engine system with the features mentioned in the preamble of claim 1.

Zur Nachbehandlung von Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen ist es allgemein üblich, das Abgas katalytisch zu reinigen. Dazu wird das Abgas über mindestens einen Katalysator geleitet, der eine Konvertierung einer oder mehrerer Schadstoffkomponenten des Abgases vornimmt. Es sind unterschiedliche Arten von Katalysatoren bekannt. Oxidationskatalysatoren fördern die Oxidation von unverbrannten Kohlenwasserstoffen (NC) und Kohlenmonoxid (CO), während Reduktionskatalysatoren eine Reduzierung von Stickoxiden (NOX) des Abgases unterstützen. Ferner werden 3-Wege-Katalysatoren verwendet, um die Konvertierung der drei vorgenannten Komponenten (HC, CO, NOX) gleichzeitig zu katalysieren. Die Verwendung eines 3-Wege-Katalysators ist jedoch nur möglich, wenn ein streng stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis bei λ = 1 vorliegt.For the aftertreatment of exhaust gases from internal combustion engines, it is generally customary to catalytically clean the exhaust gas. For this purpose, the exhaust gas is passed over at least one catalytic converter, which converts one or more pollutant components of the exhaust gas. Different types of catalysts are known. Oxidation catalysts promote the oxidation of unburned hydrocarbons (NC) and carbon monoxide (CO), while reduction catalysts help reduce nitrogen oxides (NO x ) in the exhaust gas. Furthermore, 3-way catalysts are used to catalyze the conversion of the three aforementioned components (HC, CO, NO X ) at the same time. However, the use of a 3-way catalytic converter is only possible if there is a strictly stoichiometric air-fuel ratio at λ = 1.

Bei Fahrzeugen mit direkteinspritzenden Ottomotoren, die auch geschichtet betriebenen werden können, werden vergleichsweise großvolumige Katalysatorsysteme mit einem Katalysatorvolumen KV > 0,9 x Motorhubvolumen VH eingesetzt. Dies betrifft insbesondere Fahrzeuge, die im Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ) mit thermisch ungeschädigten Katalysatoren eine NC-Emission von < 0,07 g/km und eine NOX-Emission von < 0,05 g/km erreichen.Comparatively large-volume catalytic converter systems with a catalytic converter volume KV> 0.9 x engine stroke volume VH are used in vehicles with direct-injection gasoline engines that can also be operated in stratified mode. This applies particularly to vehicles that achieve NC emissions of <0.07 g / km and NO X emissions of <0.05 g / km in the New European Driving Cycle (NEDC) with thermally undamaged catalysts.

Neben diesen direkteinspritzenden Ottomotoren, die bis zu einem effektiven Mitteldruck von etwa 3 bar sowie einer Drehzahl von etwa 3000 U/min im Schichtlademodus betrieben werden können, sind direkteinspritzende Ottomotoren bekannt, die nicht schichtladefähig sind oder nur in einem sehr eingeschränkten leerlaufnahen Bereich schichtladefähig sind (Alfa 2,0 JTS, The new Alfa Romeo 2 ltr JTS engine with Direct Gasoline Injection, 10. Aachener Fahrzeug- und Motorenkolloquium 2001). Auch diese Fahrzeuge und Motoren weisen analog zu schichtladefähigen direkteinspritzenden Ottomotoren relativ große Katalysatorvolumina auf.In addition to these direct injection Gasoline engines that have an effective mean pressure of around 3 bar and a speed of about 3000 rpm in stratified mode can be operated direct-injection gasoline engines are known which are not capable of stratified charging or only in a very limited areas close to idle are capable of stratified charging (Alfa 2.0 JTS, The new Alfa Romeo 2 ltr JTS engine with Direct Gasoline Injection, 10th Aachen Vehicle and Engine Colloquium 2001). These vehicles too and engines have analogous to stratified direct injection Otto engines relatively large Catalyst volumes.

Die großen Katalysatorvolumina bieten zwar einerseits eine hohe Emissionssicherheit, jedoch werden zur Herstellung der Katalysatoren bekanntermaßen Edelmetalle verwendet, so dass mit den großen Katalysatorvolumina nachteilhafterweise hohe Edelmetallkosten einhergehen.The large catalyst volumes offer on the one hand, a high level of emission security, but are becoming Production of the catalysts known to use noble metals, so with the big ones Catalyst volumes disadvantageously go hand in hand with high precious metal costs.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Verbrennungsmotoranlage mit einem direkteinspritzenden Ottomotor und einem Katalysatorsystem zu schaffen, die im Vergleich zu Verbrennungsmotoranlagen nach dem Stand der Technik bei vergleichbarer niedriger Emission geringere Herstellungskosten hinsichtlich des Katalysatorsystems aufweist.The invention is therefore the object based on an internal combustion engine system with a direct injection To create a gasoline engine and a catalyst system that compared to internal combustion engine systems according to the prior art at comparable lower emission lower manufacturing costs in terms of Has catalyst system.

Diese Aufgabe wird durch eine Verbrennungsmotoranlage mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst.This task is accomplished by an internal combustion engine system solved with the features mentioned in claim 1.

Erfindungsgemäß ist eine Verbrennungsmotoranlage vorgesehen, die einen direkteinspritzenden Ottomotor, der nicht oder nur zu einem geringen Anteil schichtladefähig ist, und ein dem Ottomotor nachgeordnetes Katalysatorsystem, das mindestens einen Katalysator besitzt, aufweist, bei der das Katalysatorsystem insgesamt ein Katalysatorvolumen (KV) von 0,8 bis 0,5 x Motorhubvolumen (VN) oder von 1,3 bis 0,7 l pro 100 kW Motornennleistung (PNENN) aufweist und bei der die mittlere spezifische Edelmetallbeladung des oder der Katalysator/en des Katalysatorsystems unter 3,59 g/dm3 (100 g/ft3), vorzugsweise unter 2,87 g/dm3 (80 g/ft3), ideal unter 2,15 g/dm3 (60 g/ft3) liegt, wobei die gesamte Edelmetallmasse des oder der Katalysator/en unter 2 g, vorzugsweise unter 1,6 g, ideal unter 1,2 g, optimal unter 0,8 g pro Liter Motorhubraum (VN) oder unter 3,5 g, vorzugsweise unter 2,8 g, ideal unter 2,3 g, optimal unter 1,8 g pro 100 kW Nennleistung (PNENN) des Ottomotors liegt.According to the invention, an internal combustion engine system is provided which has a direct-injection gasoline engine, which is not or only to a small extent capable of stratified charging, and a catalyst system arranged downstream of the gasoline engine and which has at least one catalyst, in which the catalyst system has a total catalyst volume (KV) of 0. Has 8 to 0.5 x engine stroke volume (VN) or from 1.3 to 0.7 l per 100 kW nominal engine power (PNENN) and in which the mean specific noble metal loading of the catalyst (s) of the catalyst system is below 3.59 g / dm 3 (100 g / ft 3 ), preferably less than 2.87 g / dm 3 (80 g / ft 3 ), ideally less than 2.15 g / dm 3 (60 g / ft 3 ), the total precious metal mass of the or the catalyst (s) below 2 g, preferably below 1.6 g, ideally below 1.2 g, optimally below 0.8 g per liter of engine displacement (VN) or below 3.5 g, preferably below 2.8 g, ideally below 2.3 g, optimally less than 1.8 g per 100 kW nominal power (PNENN) of the gasoline engine.

Trotz dieses geringen Katalysatorvolumens beziehungsweise dieser geringen Edelmetallbeladung werden mit der erfindungsgemäßen Verbrennungsmotoranlage die Emissionsgrenzwerte für EU IV erfüllt. Dies gilt insbesondere auch noch für gealterte Katalysatoren. Eine solche Alterung kann beispielsweise durch abwechselndes Beaufschlagen des Katalysators mit Abgasen aus einem mindestens 90%igen Volllastbetrieb und Schubabschaltung erreicht werden. Erfindungsgemäß wurden Untersuchungen mit gleichartigen Verbrennungsmotoranlagen vorgenommen, die sich hinsichtlich der Kraftstoffeinspritzung unterschieden. Zum einen wurden Messungen mit einem Saugrohreinspritzer, zum anderen Messungen mit direkteinspritzenden Ottomotoren vorgenommen. Dabei zeigte sich, dass die direkteinspritzenden Ottomotoren neben einer bis zu 7 % höheren Nennleistung insbesondere geringere HC-Emissionen aufweisen konnten. Die geringeren NC-Emissionen wurden erreicht bei Vorliegen einer der nachfolgenden Spezifikationen:

  • - Die Einspritzdüse hat eine Einbaulage im Bereich –20° bis +50° bezogen auf den kreisförmigen Zylinderquerschnitt (negative Gradzahl entspricht Ausrichtung zum Zylinderkopf hin, 0° entspricht Ausrichtung parallel zum kreisförmigen Zylinderquerschnitt, positive Gradzahl entspricht Ausrichtung in Richtung Kurbelwelle).
  • – Die Mittellage des Einspritzstrahls am Injektoraustritt der Einspritzdüse hat einen Einspritzwinkel im Bereich –5° bis –45° oder 70° bis 90° bezogen auf den kreisförmigen Zylinderschnitt (Ausrichtung hier oben).
  • – Der Einspritzdruck beträgt mindestens 40 bar, vorzugsweise mindestens 60 bar. Vorzugsweise ist der maximale Einspritzdruck 2000 bar und insbesondere maximal 1000 bar.
  • – Der Einspritzbeginn erfolgt 330° bis 150° vor Zünd-OT, insbesondere 280° bis 250° vor Zünd-OT.
Despite this small catalyst volume or this low precious metal loading, the emission limit values for EU IV are met with the internal combustion engine system according to the invention. This also applies in particular to aged catalysts. Such aging can be achieved, for example, by alternately exposing the catalytic converter to exhaust gases from at least 90% full load operation and overrun fuel cutoff. According to the invention, studies were carried out with similar internal combustion engine systems, which differed in terms of fuel injection. On the one hand, measurements were made with an intake manifold injector, on the other hand measurements with direct-injection gasoline engines. It was shown that the direct-injection gasoline engines, in addition to an up to 7% higher nominal output, could have lower HC emissions in particular. The lower NC emissions were achieved with one of the following specifications:
  • - The injector has an installation position in the range of –20 ° to + 50 ° in relation to the circular cylinder cross-section (negative number corresponds to the orientation towards the cylinder head, 0 ° corresponds to orientation parallel to the circular cylinder cross-section, positive number corresponds to the orientation towards the crankshaft).
  • - The middle position of the injection jet at the injector outlet of the injection nozzle has an injection angle in the range of -5 ° to –45 ° or 70 ° to 90 ° in relation to the circular cylinder section (orientation here above).
  • - The injection pressure is at least 40 bar, preferably at least 60 bar. The maximum injection pressure is preferably 2000 bar and in particular a maximum of 1000 bar.
  • - The injection begins 330 ° to 150 ° before TDC, in particular 280 ° to 250 ° before TDC.

Mit diesen Spezifikationen wird einzeln oder auch in Kombination eine Einspritzung derart erreicht, dass der Kraftstoff genügend im Brennraum verteilt ist beziehungsweise nur geringe Wandfilmeffekte ausbildet. Hierdurch wird gegenüber dem Saugrohreinspritzer bei gleichartigem Katalysator auch nach Alterung des Katalysators eine bis zu 50 % geringere Emissionen, insbesondere bei NC-Emissionen, erreicht. Damit wird es möglich, direkteinspritzende Ottomotoren, insbesondere, wenn sie mindestens eine der obigen Spezifikationen erfüllen, mit den erfindungsgemäßen Katalysatorvolumen – beziehungsweise Katalysatoredelmetallbeladungsspezifikationen – zu versehen, wobei dennoch auch nach einer vorgeschriebenen Alterung im NEFZ die EU IV-Norm erfüllt wird.With these specifications will be individually or in combination an injection is achieved such that the fuel enough is distributed in the combustion chamber or only slight wall film effects formed. This will counter the intake manifold injector with the same type of catalyst Aging of the catalyst up to 50% lower emissions, especially with NC emissions. This will make direct injection possible Otto engines, especially if they have at least one of the above specifications fulfill, with the catalyst volume according to the invention - or Catalyst precious metal loading specifications - to be provided, however the EU IV standard even after mandatory aging in the NEDC Fulfills becomes.

Bevorzugt wird erfindungsgemäß ein Katalysatorvolumen (KV) < 0,7 und insbesondere < 0,6 x Motorhubvolumen (VH). Bei Bestimmung des Katalysatorvolumens (KV) über die Motornennleistung (PNENN) wird ein Katalysatorvolumen (KV) von < 1,15 l, insbesondere vori < 1,00 l pro 100 kW Motornennleistung (PNENN), bevorzugt, wobei ein Katalysatorvolumen (KV) von < 0,85 l pro 100 kW Motornennleistung (PNENN) optimal ist.A catalyst volume is preferred according to the invention (KV) <0.7 and especially <0.6 x engine stroke volume (VH). When determining the catalyst volume (KV) via the Nominal engine power (PNENN) is a catalyst volume (KV) of <1.15 l, in particular before i <1.00 l per 100 kW nominal engine power (PNENN), preferred, with a catalyst volume (KV) of <0.85 l per 100 kW nominal motor power (PNENN) is optimal.

Die mittlere spezifische Edelmetallbeladung des oder der Katalysator/en des Katalysatorsystems beträgt vorzugsweise ≤ 2,87 g/dm3 (80g/ft3). Bei Vorhandensein von mindestens einem Vorkatalysator kann der/die Vorkatalysator/en eine um bis zu 70 %, vorzugsweise bis zu 50 %, optimal bis zu 30 %, höhere spezifische Edelmetallbeladung aufweisen als der/die Hauptkatalysator/en. Wobei vorzugsweise die gesamte Edelmetallmasse des Abgasreinigungssystems bevorzugt bei < 1,7 Gramm, besonders bevorzugt bei < 1,4 Gramm, optimal bei < 1,2 Gramm, perfekt bei < 1,0 Gramm, pro Liter Motorhubraum VN oder bevorzugt bei < 3 Gramm, insbesondere bei < 2,5 Gramm, optimal bei < 2,2 Gramm, perfekt bei < 2 Gramm, pro 100 kW Nennleistung des Ottomotors liegt.The average specific noble metal loading of the catalyst (s) of the catalyst system is preferably 2,8 2.87 g / dm 3 (80 g / ft 3 ). If at least one pre-catalyst is present, the pre-catalyst (s) can have a specific noble metal loading which is up to 70%, preferably up to 50%, optimally up to 30%, higher than the main catalyst (s). Preferably, the total precious metal mass of the exhaust gas purification system is preferably <1.7 grams, particularly preferably <1.4 grams, optimally <1.2 grams, perfect at <1.0 gram, per liter engine displacement VN or preferably at <3 grams , especially at <2.5 grams, optimally at <2.2 grams, perfectly at <2 grams, per 100 kW nominal power of the gasoline engine.

Der direkteinspritzende Ottomotor ist in < 7 %, insbesondere in < 5 %, vorzugsweise in < 3 %, optimal in 0 %, aller Betriebspunkte schichtladefähig. Bei dem Ottomotor handelt es sich bevorzugt um einen freisaugenden Motor.The direct-injection gasoline engine is in <7%, especially in <5%, preferably in <3%, optimal in 0%, all operating points can be stratified. Acting with the gasoline engine it is preferably a free-sucking motor.

Bei der Ausgestaltung des Katalysatorsystem sind vielfältige Variationen möglich. So kann ein einzelner Katalysator, mindestens zwei parallel angeordnete Katalysatoren, ein Hauptkatalysator mit mindestens zwei parallel angeordneten Vorkatalysatoren und parallel angeordnete Vorkatalysatoren mit parallel angeordneten Hauptkatalysatoren verwendet werden.When designing the catalyst system are diverse Variations possible. So a single catalyst, at least two arranged in parallel Catalysts, a main catalyst with at least two in parallel arranged pre-catalysts and pre-catalysts arranged in parallel can be used with main catalysts arranged in parallel.

Bei Verwendung eines einzigen stromab des Ottomotors angeordneten Katalysators ist dieser vorzugsweise < 800 mm, insbesondere < 500 mm, optimal < 300 mm Abgaslauflänge vom nächstgelegenen Auslassventil des Ottomotors entfernt. Das Katalysatorsystem kann aber auch zumindest zwei parallel geschaltete Katalysatoren aufweisen, welche jeweils < 800 mm, bevorzugt < 500 mm, optimal < 300 mm Abgaslauflänge hinter dem jeweils nächstgelegenen Auslassventil angeordnet sind.When using a single downstream of the gasoline engine arranged catalyst is preferably <800 mm, in particular <500 mm, optimally <300 mm exhaust gas run length from nearest exhaust valve of the gasoline engine removed. But the catalyst system can at least have two catalysts connected in parallel, each <800 mm, preferably <500 mm, optimally <300 mm exhaust gas run length behind the nearest outlet valve are arranged.

Bei einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbrennungsmotoranlage weist das Katalysatorsystem einen Vorkatalysator und einen nachgeschalteten Hauptkatalysator auf, der vorzugsweise vom Vorkatalysator > 100 mm beabstandet ist. Der Vorkatalysator ist vorzugsweise, analog zur Ausführungsform mit einem einzigen Katalysator, < 800 mm, bevorzugt < 500 mm Abgaslauflänge hinter dem nächstgelegenen Auslassventil angeordnet. Dabei weist der Vorkatalysator ein Volumen von maximal 70 %, vorzugsweise maximal 50 %, ideal maximal 30 % des nachgeschalteten Hauptkatalysators auf.In another embodiment the internal combustion engine system according to the invention the catalyst system has a pre-catalyst and a downstream one Main catalytic converter, which is preferably spaced> 100 mm from the pre-catalytic converter is. The precatalyst is preferably analogous to the embodiment with a single catalyst, <800 mm, preferably <500 mm exhaust gas run length behind the closest Exhaust valve arranged. The pre-catalyst has a volume of a maximum of 70%, preferably a maximum of 50%, ideally a maximum of 30% of the downstream main catalyst.

Erfindungsgemäß möglich ist auch eine Anordnung mit zumindest zwei parallel geschalteten Vorkatalysatoren, welche jeweils < 800 mm, bevorzugt < 500 mm, ideal 350 mm Abgaslauflänge hinter dem jeweils nächstgelegenen Auslassventil angeordnet sind, und zumindest einem diesen Vorkatalysatoren nachgeschalteten Hauptkatalysator. Dabei weisen die Vorkatalysatoren zusammen ein Volumen von maximal 70 %, bevorzugt maximal 50 %, des oder der nachgeschalteten Hauptkatalysator/en auf.An arrangement is also possible according to the invention with at least two pre-catalysts connected in parallel, which each <800 mm, preferably <500 mm, ideally 350 mm exhaust gas run length behind the closest one Exhaust valve are arranged, and at least one of these pre-catalysts downstream main catalyst. The pre-catalysts show together a volume of at most 70%, preferably at most 50%, of the or the downstream main catalyst / s.

Bei Verwendung eines einzigen Katalysators oder bei Vorliegen von Vor- und Hauptkatalysatoren basieren der einzige Katalysator und der beziehungsweise die Hauptkatalysatoren vorzugsweise auf einem keramischen Träger. Dieser keramische Träger weist bevorzugt eine Zelldichte von > 500 cpsi auf und das Produkt aus Zelldichte (in cpsi=Zellen pro Quadratzoll) und Zellwandstärke (in mil=tausendstel Zoll) liegt bei unter 2700, entsprechend 0,1063 bei Umrechnung der Zelldichte auf Quadratmillimeter und der Zellwandstärke auf Millimeter.When using a single catalyst or the only ones are based on the presence of primary and main catalysts Catalyst and the main catalyst or catalysts preferably a ceramic support. This ceramic support preferably has a cell density of> 500 cpsi and the product of cell density (in cpsi = cells per square inch) and cell wall thickness (in mil = thousandths of an inch) is below 2700, corresponding to 0.1063 when converting the cell density to square millimeters and the cell wall thickness to millimeters.

Der oder die Vorkatalysatoren können alternativ einen Träger auf Metallfolienbasis aufweisen. Dieser weist bevorzugterweise eine Zelldichte von > 500 cpsi auf und das Produkt aus Zelldichte (in cpsi=Zellen pro Quadratzoll) und Zellwandstärke (in my=tausendstel Millimeter) liegt bei unter 30000, bevorzugt unter 20000, entsprechend < 46,5, bevorzugt < 31 bei Angabe der Zelldichte in Zellen pro Quadratmillimeter.The precatalyst or catalysts can alternatively a carrier have based on metal foil. This preferably has one Cell density of> 500 cpsi on and the product of cell density (in cpsi = cells per square inch) and cell wall thickness (in my = thousandths of a millimeter) is less than 30,000, preferred less than 20,000, corresponding to <46.5, preferably <31 when specifying the cell density in cells per square millimeter.

Die erfindungsgemäße Verbrennungsmotoranlage mit thermisch ungeschädigtem Abgasreinigungssystem gewährleistet trotz wesentlicher Reduzierung der Edelmetallkosten für das Katalysatorsystem vorteilhafterweise eine Emissionssicherheit nach dem Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ).The internal combustion engine system according to the invention with thermally undamaged Exhaust gas cleaning system guaranteed despite a substantial reduction in precious metal costs for the catalyst system advantageously emission security according to the New European Driving Cycle (NEDC).

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.Further preferred configurations the invention result from the remaining, mentioned in the subclaims Features.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention is hereinafter in embodiments based on the associated Drawings closer explained. Show it:

1 in einer schematischen Darstellung die Verbrennungsmotoranlage mit einem Katalysator; 1 in a schematic representation the internal combustion engine system with a catalyst;

2 in einer schematischen Darstellung die Verbrennungsmotoranlage mit einem Vorkatalysator und einem Hauptkatalysator; 2 a schematic representation of the internal combustion engine system with a pre-catalyst and a main catalyst;

3 in einer schematischen Darstellung die Verbrennungsmotoranlage mit zwei Vorkatalysatoren und einem Hauptkatalysator und 3 in a schematic representation, the internal combustion engine system with two pre-catalysts and a main catalyst and

4 in einer schematischen Darstellung die Verbrennungsmotoranlage mü zwei Vorkatalysatoren und jeweils einem nachgeordnetem Hauptkatalysator. 4 in a schematic representation, the internal combustion engine mü two pre-catalysts and one subordinate main catalyst.

Die 1 bis 4 stellen jeweils eine erfindungsgemäße Verbrennungsmotoranlage 10 dar, die einen Ottomotor 12 mit nachgeordneter Abgasanlage 14 aufweist, wobei in der Abgasanlage 14 jeweils mindestens ein Katalysator zur Ausbildung eines Katalysatorsystems 16 befindlich ist.The 1 to 4 each represent an internal combustion engine system according to the invention 10 represents a gasoline engine 12 with downstream exhaust system 14 has, being in the exhaust system 14 in each case at least one catalyst to form a catalyst system 16 is located.

1 zeigt eine Verbrennungsmotoranlage 10, die über einen einzigen motornahen Katalysator 18 verfügt, der optimalerweise < 300 mm Abgaslauflänge vom nächstgelegenen, nicht näher dargestellten Auslassventil des Ottomotors 12 angeordnet ist. Eine Verbrennungsmotoranlage 10, die über einen Vorkatalysator 20 und einen nachgeordneten Hauptkatalysator 22 verfügt, die mindestens 100 mm voneinander beabstandet sind, ist in 2 dargestellt. Die Abgaslauflänge zum Vorkatalysator 20 vom nächstgelegenen Auslassventil des Ottomotors 12 wird äquivalent zur Ausführungsform gemäß 1 gewählt. Bei der Ausführungsform der Verbrennungsmotoranlage 10 gemäß 3 sind zwei Vorkatalysatoren 20 vorgesehen, die unterschiedlichen Zylindern des Ottomotors 12 zugeordnet sind. Beiden Vorkatalysatoren 20 ist gemeinsam ein Hauptkatalysator 22 nachgeordnet. Hingegen zeigt 4 eine Ausführungsform der Verbrennungsmotoranlage 10, die analog zu 3 zwei Vorkatalysatoren 20 aufweist, denen jedoch jeweils ein Hauptkatalysator 22 nachgeordnet ist, wobei die beiden Stränge 24, 26 der Abgasanlage 14 hinter den Hauptkatalysatoren 22 zusammengeführt werden. Die Abgaslauflängen und die Abstände der Vorkatalysatoren 20 zu den Hauptkatalysatoren werden, wie bei den anderen Ausführungsformen beschrieben, gewählt. 1 shows an internal combustion engine system 10 that have a single close-coupled catalyst 18 optimally <300 mm exhaust gas run length from the nearest, not shown exhaust valve of the gasoline engine 12 is arranged. An internal combustion engine system 10 that have a pre-catalyst 20 and a downstream main catalyst 22 that are at least 100 mm apart is in 2 shown. The exhaust gas run length to the pre-catalyst 20 from the nearest gasoline engine exhaust valve 12 becomes equivalent to the embodiment according to 1 selected. In the embodiment of the internal combustion engine system 10 according to 3 are two pre-catalysts 20 provided the different cylinders of the gasoline engine 12 assigned. Both pre-catalysts 20 together is a main catalyst 22 downstream. On the other hand shows 4 an embodiment of the internal combustion engine system 10 that are analogous to 3 two pre-catalysts 20 which, however, each have a main catalyst 22 is subordinate, the two strands 24 . 26 the exhaust system 14 behind the main catalysts 22 be brought together. The exhaust gas run lengths and the distances of the pre-catalysts 20 the main catalysts are selected as described in the other embodiments.

Claims (36)

Verbrennungsmotoranlage (10), die einen direkteinspritzenden Ottomotor (12), der nicht oder nur zu einem geringen Anteil schichtladefähig ist, und ein dem Ottomotor (12) nachgeordnetes Katalysatorsystem (16), das mindestens einen Katalysator (18) besitzt, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Katalysatorsystem (16) insgesamt ein Katalysatorvolumen (KV) von unter 0,8 x Motorhubvolumen (VH) oder von unter 1,3 pro 100 kW Motornennleistung (PNENN), aufweist und dass die mittlere spezifische Edelmetallbeladung des mindestens einen Katalysators (18) des Katalysatorsystems (16) unter 3,59 g/dm3 liegt, wobei die gesamte Edelmetallmasse des mindestens einen Katalysators (18) unter 2 g pro Liter Motorhubraum (VH) oder unter 3,5 g pro 100 kW Nennleistung (PNENN) des Ottomotors (12) liegt.Internal combustion engine system ( 10 ) that have a direct-injection gasoline engine ( 12 ), which is not or only to a small extent capable of stratified charging, and a gasoline engine ( 12 ) downstream catalyst system ( 16 ) that has at least one catalyst ( 18 ) has, characterized in that the catalyst system ( 16 ) has a total catalyst volume (KV) of less than 0.8 x engine stroke volume (VH) or less than 1.3 per 100 kW engine rating (PNENN), and that the average specific noble metal loading of the at least one catalyst ( 18 ) of the catalyst system ( 16 ) is below 3.59 g / dm 3 , the total noble metal mass of the at least one catalyst ( 18 ) less than 2 g per liter engine displacement (VH) or less than 3.5 g per 100 kW nominal power (PNENN) of the gasoline engine ( 12 ) lies. Verbrennungsmotoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Katalysatorsystem (16) insgesamt ein Katalysatorvolumen (KV) < 0,7 x Motorhubvolumen (VN) aufweist.Internal combustion engine system according to claim 1, characterized in that the catalyst system ( 16 ) has a total catalyst volume (KV) <0.7 x engine stroke volume (VN). Verbrennungsmotoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Katalysatorsystem (16) insgesamt ein Katalysatorvolumen (KV) < 0,6 x Motorhubvolumen (VN) aufweist.Internal combustion engine system according to claim 1, characterized in that the catalyst system ( 16 ) has a total catalyst volume (KV) <0.6 x engine stroke volume (VN). Verbrennungsmotoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Katalysatorsystem (16) ein Katalysatorvolumen (KV) von < 1,15 l pro 100 kW Motornennleistung (PNENN) aufweist.Internal combustion engine system according to claim 1, characterized in that the catalyst system ( 16 ) has a catalyst volume (KV) of <1.15 l per 100 kW engine rating (PNENN). Verbrennungsmotoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Katalysatorsystem (16) ein Katalysatorvolumen (KV) von < 1,00 l pro 100 kW Motornennleistung (PNENN) aufweist.Internal combustion engine system according to claim 1, characterized in that the catalyst system ( 16 ) has a catalyst volume (KV) of <1.00 l per 100 kW engine rating (PNENN). Verbrennungsmotoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Katalysatorsystem (16) ein Katalysatorvolumen (KV) von < 0,85 l pro 100 kW Motornennleistung (PNENN) aufweist.Internal combustion engine system according to claim 1, characterized in that the catalyst system ( 16 ) has a catalyst volume (KV) of <0.85 l per 100 kW engine rating (PNENN). Verbrennungsmotoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Katalysatorsystem (16) aus mindestens zwei parallel angeordnete Katalysatoren (18) oder einem Hauptkatalysator (22) mit mindestens zwei parallel angeordneten Vorkatalysatoren (20) oder mindestens zwei parallel angeordneten Hauptkatalysatoren (22) mit jeweils zumindest einem Vorkatalysatoren (20) besteht.Internal combustion engine system according to one of claims 1 to 6, characterized in that the catalyst system ( 16 ) from at least two catalysts arranged in parallel ( 18 ) or a main catalyst ( 22 ) with at least two pre-catalysts arranged in parallel ( 20 ) or at least two main catalysts arranged in parallel ( 22 ) with at least one pre-catalyst ( 20 ) consists. Verbrennungsmotoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere spezifische Edelmetallbeladung des mindestens einen Katalysators (18) des Katalysatorsystems (16) ≤ 2,87 g/dm3 beträgt.Internal combustion engine system according to one of claims 1 to 7, characterized in that the average specific noble metal loading of the at least one catalyst ( 18 ) of the catalyst system ( 16 ) ≤ 2.87 g / dm 3 . Verbrennungsmotoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere spezifische Edelmetallbeladung des mindestens einen Katalysators (18) des Katalysatorsystems (16) ≤ 2,15 g/dm3 beträgt.Internal combustion engine system according to one of claims 1 to 7, characterized in that the average specific noble metal loading of the at least one catalyst ( 18 ) of the catalyst system ( 16 ) ≤ 2.15 g / dm 3 . Verbrennungsmotoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Vorkatalysator/en (20) eine um bis zu 70 % höhere spezifische Edelmetallbeladung aufweist als der oder die Hauptkatalysator/en (22).Internal combustion engine system according to one of claims 1 to 8, characterized in that the pre-catalyst (s) (s) 20 ) has up to 70% higher specific precious metal loading as the main catalyst (s) ( 22 ). Verbrennungsmotoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Vorkatalysator/en (20) eine um bis zu 50 % höhere spezifische Edelmetallbeladung aufweist als der oder die Hauptkatalysator/en (22).Internal combustion engine system according to one of claims 1 to 8, characterized in that the pre-catalyst (s) (s) 20 ) has up to 50% higher specific precious metal loading than the main catalyst (s) ( 22 ). Verbrennungsmotoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Vorkatalysator/en (20) eine um bis zu 30 % höhere spezifische Edelmetallbeladung aufweist als der oder die Hauptkatalysator/en (r).Internal combustion engine system according to one of claims 1 to 8, characterized in that the pre-catalyst (s) (s) 20 ) has a specific precious metal load that is up to 30% higher than that of the main catalyst (s) ( r ). Verbrennungsmotoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Edelmetallmasse des Katalysatorsystems (16) bei < 1,6 g pro Liter Motorhubraum (VH) des Ottomotors (12) liegt.Internal combustion engine system according to one of claims 1 to 12, characterized in that the entire noble metal mass of the catalyst system ( 16 ) at <1.6 g per liter engine displacement (VH) of the gasoline engine ( 12 ) lies. Verbrennungsmotoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Edelmetallmasse des Katalysatorsystems (16) bei < 1,2 g pro Liter Motorhubraum (VH) des Ottomotors (12) liegt.Internal combustion engine system according to one of claims 1 to 12, characterized in that the entire noble metal mass of the catalyst system ( 16 ) at <1.2 g per liter engine displacement (VH) of the gasoline engine ( 12 ) lies. Verbrennungsmotoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Edelmetallmasse des Katalysatorsystems (16) bei < 1,0 g pro Liter Motorhubraum (VN) des Ottomotors (12) liegt.Internal combustion engine system according to one of claims 1 to 12, characterized in that the entire noble metal mass of the catalyst system ( 16 ) at <1.0 g per liter engine displacement (VN) of the gasoline engine ( 12 ) lies. Verbrennungsmotoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Edelmetallmasse des Katalysatorsystems (16) bei < 0,8 g pro Liter Motorhubraum (VN) des Ottomotors (12) liegt.Internal combustion engine system according to one of claims 1 to 12, characterized in that the entire noble metal mass of the catalyst system ( 16 ) at <0.8 g per liter of engine displacement (VN) of the gasoline engine ( 12 ) lies. Verbrennungsmotoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Edelmetallmasse des Katalysatorsystems (16) bei < 3 g pro 100 kW Nennleistung des Ottomotors (12) liegt.Internal combustion engine system according to one of claims 1 to 12, characterized in that the entire noble metal mass of the catalyst system ( 16 ) at <3 g per 100 kW nominal power of the gasoline engine ( 12 ) lies. Verbrennungsmotoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Edelmetallmasse des Katalysatorsystems (16) bei < 2,5 g pro 100 kW Nennleistung des Ottomotors (12) liegt.Internal combustion engine system according to one of claims 1 to 12, characterized in that the entire noble metal mass of the catalyst system ( 16 ) at <2.5 g per 100 kW nominal power of the gasoline engine ( 12 ) lies. Verbrennungsmotoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Edelmetallmasse des Katalysatorsystems (16) bei < 2,1 g pro 100 kW Nennleistung des Ottomotors (12) liegt.Internal combustion engine system according to one of claims 1 to 12, characterized in that the entire noble metal mass of the catalyst system ( 16 ) at <2.1 g per 100 kW nominal power of the gasoline engine ( 12 ) lies. Verbrennungsmotoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Edelmetallmasse des Katalysatorsystems (16) bei < 1,7 g pro 100 kW Nennleistung des Ottomotors (12) liegt.Internal combustion engine system according to one of claims 1 to 12, characterized in that the entire noble metal mass of the catalyst system ( 16 ) at <1.7 g per 100 kW nominal power of the gasoline engine ( 12 ) lies. Verbrennungsmotoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Katalysator (18) oder der mindestens eine Vorkatalysator (20) < 800 mm Abgaslauflänge vom nächstgelegenen Auslassventil des Ottomotors (12) entfernt sind.Internal combustion engine system according to one of claims 1 to 20, characterized in that the at least one catalyst ( 18 ) or the at least one pre-catalyst ( 20 ) <800 mm exhaust gas run length from the nearest exhaust valve of the gasoline engine ( 12 ) are removed. Verbrennungsmotoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Katalysator (18) oder der mindestens eine Vorkatalysator (20) < 500 mm Abgaslauflänge vom nächstgelegenen Auslassventil des Ottomotors (12) entfernt sind.Internal combustion engine system according to one of claims 1 to 20, characterized in that the at least one catalyst ( 18 ) or the at least one pre-catalyst ( 20 ) <500 mm exhaust gas run length from the nearest exhaust valve of the gasoline engine ( 12 ) are removed. Verbrennungsmotoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Katalysator (18) oder der mindestens eine Vorkatalysator (20) < 300 mm Abgaslauflänge vom nächstgelegenen Auslassventil des Ottomotors (12) entfernt sind.Internal combustion engine system according to one of claims 1 to 20, characterized in that the at least one catalyst ( 18 ) or the at least one pre-catalyst ( 20 ) <300 mm exhaust gas run length from the nearest exhaust valve of the gasoline engine ( 12 ) are removed. Verbrennungsmotoranlage nach einem der Ansprüche 7 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Vorkatalysator (20) und der mindestens eine nachgeschaltete Hauptkatalysator (22) zueinander einen Abstand von > 100 mm aufweisen.Internal combustion engine system according to one of claims 7 to 23, characterized in that the at least one pre-catalyst ( 20 ) and the at least one downstream main catalyst ( 22 ) have a distance of> 100 mm to each other. Verbrennungsmotoranlage nach einem der Ansprüche 7 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Vorkatalysator (20) ein Volumen von maximal 70 % des mindestens einen nachgeschalteten Hauptkatalysators (22) aufweist.Internal combustion engine system according to one of claims 7 to 24, characterized in that the at least one pre-catalyst ( 20 ) a maximum volume of 70% of the at least one main catalytic converter ( 22 ) having. Verbrennungsmotoranlage nach einem der Ansprüche 7 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Vorkatalysator (20) ein Volumen von maximal 50 % des mindestens einen nachgeschalteten Hauptkatalysators (22) aufweist.Internal combustion engine system according to one of claims 7 to 24, characterized in that the at least one pre-catalyst ( 20 ) a volume of at most 50% of the at least one downstream main catalyst ( 22 ) having. Verbrennungsmotoranlage nach einem der Ansprüche 7 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Vorkatalysator (20) ein Volumen von maximal 30 % des mindestens einen nachgeschalteten Hauptkatalysators (22) aufweist.Internal combustion engine system according to one of claims 7 to 24, characterized in that the at least one pre-catalyst ( 20 ) a volume of up to 30% of the at least one downstream main catalyst ( 22 ) having. Verbrennungsmotoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Katalysatoren des Katalysatorsystems (16) auf einem keramischen Träger basieren.Internal combustion engine system according to one of claims 1 to 26, characterized in that the catalyst or catalysts of the catalyst system ( 16 ) based on a ceramic support. Verbrennungsmotoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Katalysator (18) oder der mindestens eine Hauptkatalysator (22) auf einem keramischen Träger basieren.Internal combustion engine system according to one of claims 1 to 26, characterized in that the at least one catalyst ( 18 ) or the at least one main catalyst ( 22 ) based on a ceramic support. Verbrennungsmotoranlage nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass der beziehungsweise die auf einem keramischen Träger basierenden Katalysator/en (18) oder Hauptkatalysatoren (22) eine Zelldichte von > 500 cpsi aufweisen und das Produkt aus Zelldichte (in cpsi=Zellen pro Quadratzoll) und Zellwandstärke (in mil=tausendstel Zoll) bei unter 2700 liegt, entsprechend 0,1063 bei Angabe der Zelldichte in Zellen pro Quadratmillimeter und Zellwandstärken in Millimeter.Internal combustion engine system according to claim 28 or 29, characterized in that the reference for example, the catalyst (s) (18) or main catalysts ( 22 ) have a cell density of> 500 cpsi and the product of cell density (in cpsi = cells per square inch) and cell wall thickness (in mil = thousandths of an inch) is less than 2700, corresponding to 0.1063 if the cell density in cells per square millimeter and cell wall thicknesses is given in Millimeter. Verbrennungsmotoranlage nach einem der Ansprüche 7 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Vorkatalysator (20) einen Träger auf Metallfolienbasis aufweist.Internal combustion engine system according to one of claims 7 to 30, characterized in that the at least one pre-catalyst ( 20 ) has a carrier based on metal foil. Verbrennungsmotoranlage nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Vorkatalysator (20) eine Zelldichte von > 500 cpsi aufweist und das Produkt aus Zelldichte (in cpsi=Zellen pro Quadratzoll) und Zellwandstärke (in my=tausendstel Millimeter) bei unter 30000 liegt, bevorzugt unter 20000 liegt, entsprechend unter 46,5, bevorzugt unter 31 bei Angabe der Zelldichte in Zellen pro Quadratmillimeter.Internal combustion engine system according to claim 31, characterized in that the at least one pre-catalyst ( 20 ) has a cell density of> 500 cpsi and the product of cell density (in cpsi = cells per square inch) and cell wall thickness (in my = thousandths of a millimeter) is below 30,000, preferably below 20,000, correspondingly below 46.5, preferably below 31 Indication of the cell density in cells per square millimeter. Verbrennungsmotoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass der Ottomotor (12) in < 7 % aller Betriebspunkte schichtladefähig ist.Internal combustion engine system according to one of claims 1 to 32, characterized in that the gasoline engine ( 12 ) can be stratified in <7% of all operating points. Verbrennungsmotoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass der Ottomotor (12) in < 5 % aller Betriebspunkte schichtladefähig ist.Internal combustion engine system according to one of claims 1 to 32, characterized in that the gasoline engine ( 12 ) can be stratified at <5% of all operating points. Verbrennungsmotoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass der Ottomotor (12) in < 3 % aller Betriebspunkte schichtladefähig ist.Internal combustion engine system according to one of claims 1 to 32, characterized in that the gasoline engine ( 12 ) can be stratified at <3% of all operating points. Verbrennungsmotoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass der Ottomotor (12) freisaugend ist.Internal combustion engine system according to one of claims 1 to 32, characterized in that the gasoline engine ( 12 ) is sucking free.
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