DE19830275A1 - Selbstzündende Brennkraftmaschine mit einer Einrichtung zum Nachbehandeln von Abgasen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine selbstzündende Brennkraftmaschine mit einer Einrichtung zum Nachbehandeln von Abgasen. Zur Reduzierung der NOx-Bestandteile des Abgases ist ein Reduktionskatalysator (10) vorgesehen. Als Reduktionsmittel dient Dieselkraftstoff, der durch eine im Abgasrohr (6) angeordnete spezielle Einspritzdüse (14), dosiert durch eine Steuereinheit (19), so eingebracht wird, daß er in dünnem Strahl (15) auf die Öffnung (16) des sich nach einem Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine öffnenden Auslaßventils (9) gerichtet ist. Der so eingebrachte Kraftstoff wird durch Kracken und Verdampfen optimal als Reduktionsmittel für die Reduktion der im Reduktionskatalysator (10) gespeicherten NOx-Anteile des Abgases aufbereitet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einer Einrichtung zum Nachbehandeln von Abgasen gemäß dem Ober­ begriff des Patentanspruches 1.

Eine derartige Brennkraftmaschine ist mit EP 0 488 386 beschrieben. Bei dieser bekannten Brennkraftmaschine ist zur Reduzierung der schädlichen Bestandteile des Abgases ein im Abgassystem auf ceolytischer Basis aufgebauter Ka­ talysator vorgesehen, welcher unter bestimmten Bedin­ gungen die im Abgasstrom befindlichen NOx-Anteile binden und bei Zuführung eines Reduktionsmittels zu weniger schädlichen Stoffen reduzieren kann. Dabei ist es be­ kannt, als Reduktionsmittel Kohlenwasserstoffe, z. B. auch den für den motorischen Betrieb eingesetzten Diesel­ kraftstoff zu verwenden.

Dabei hat sich jedoch herausgestellt, daß bei einer di­ rekten Zuführung von Kohlenwasserstoffen in den Abgas­ strom vor dem Katalysator - wie z. B. in WO 98/07 497 A1 beschrieben - eine nur unzureichende Reduktion der NOx- Anteile des Abgases erfolgt. Ein besserer Effekt tritt ein, wenn der als Reduktionsmittel eingesetzte Diesel­ kraftstoff durch Erhitzen gekrackt wird. Um dies mit einer üblichen Einspritzanlage zu erreichen, wird gemäß EP 0 488 386 eine bestimmte Menge Dieselkraftstoff in dem Moment dem Ansaugrohr zugeführt, bei dem eine Überschnei­ dung der Ventilöffnung von Einlaß- und Auslaßventil auf­ tritt. Während dieser Zeit soll der in das Ansaugrohr eingebrachte Kraftstoff mit den heißen Abgasen im Brenn­ raum in Kontakt kommen, gekrackt werden und dann zusammen mit den Abgasen dem Katalysator zugeführt werden. Ein ausreichender Gasstrom vom Einlaßkanal durch den Brenn­ raum in den Abgaskanal bei der Überschneidung der Ventil­ öffnungszeiten stellt sich bei einer Hubkolbenbrennkraftma­ schine aber nur bei relativ hohen Drehzahlen ein. Somit kann eine solche Abgasreinigungsanlage auch nur bei sol­ chen Drehzahlen wirksam sein.

Nach EP 0 708 230 ist es bekannt, einem Reduktionskataly­ sator Kraftstoff in dosierter Menge über einen fremd ge­ heizten Verdampfer direkt als Reduktionsmittel zuzufüh­ ren. Durch die Erhitzung des Kraftstoffes im Verdampfer kann eine gute Reaktion im Katalysator erreicht werden. Allerdings ist der Aufwand und der Energieverbrauch für einen fremd geheizten Verdampfer erheblich. Da als Ver­ dampfer ein poröser Hohlkörper vorgeschlagen wird, be­ steht auch die Gefahr des Zusetzens der Poren nach länge­ rem Betrieb. Außerdem ist ein als Sinterkörper ausgebil­ deter poröser Hohlkörper den ständig wechselnden Tempe­ raturen auf Dauer nicht gewachsen. Er wird vorzeitig zer­ stört. Um eine unzureichende Verdampfung des Kraftstoffs in einem porösen Kohlkörper zu vermeiden, wird mit DE 196 25 447 vorgeschlagen, als Verdampfer eine Hülse aus Me­ tall zu verwenden. Nachteilig ist bei einer solchen Ein­ richtung der weiterhin bestehende hohe Energieverbrauch für den Verdampfungsvorgang.

Nach EP 0 621 400 ist es auch bekannt, eine zugemessene Menge Dieselkraftstoff als Reduktionsmittel für eine Ab­ gasnachbehandlungseinrichtung durch eine Nacheinspritzung mittels der für die motorische Verbrennung vorgesehenen Einspritzdüse in den Brennraum einzubringen, und zwar zu einem Zeitpunkt, bei dem die Verbrennung des durch die primäre Einspritzung eingebrachten Kraftstoffes nahezu oder vollständig abgeschlossen ist. Eine derartige Maß­ nahme ist technisch aber nur mit einer aufwendigen Steue­ rung der Einspritzcharakteristik, z. B. mittels einer Common Rail Einspritzanlage - wie auch durch EP 0 784 738 vorgeschlagen - realisierbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brenn­ kraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Art zu schaffen, bei der mit relativ einfacher Technik eine Aufkrackung des als Reduktionsmittel zur NOx- Reduktion zugeführten Kraftstoffes in allen Betriebsbe­ reichen der Brennkraftmaschine möglich ist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Er­ findung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Durch das Einspritzen einer zugemessenen Dieselkraft­ stoffmenge als Reduktionsmittel zur Reduktion von NOx- Anteilen des Abgases in einem im Abgasstrang angeordneten Reduktionskatalysator über eine begrenzte Zeit in die von einem Auslaßventil nach einem Arbeitsspiel des betreffen­ den Zylinders der Brennkraftmaschine freigegebene Öffnung wird der Kraftstoff mit dem sauerstoffarmen und im Be­ reich der Ventilöffnung stark bewegten Abgas gründlich vermischt. Die dem Abgas innewohnende Wärme verdampft den Kraftstoff nicht nur, sondern krackt ihn auch auf, so daß ein sehr reaktionsfreudiges Reduktionsmittel im Katalysator zur Verfügung steht.

Es kann zwar an der Auslaßseite jedes Zylinders der Brennkraftmaschine eine Einspritzdüse zum Einspritzen von Kraftstoff als Reduktionsmittel vorgesehen sein; im all­ gemeinen wird es für die Bereitstellung von Reduktions­ mittel ausreichend sein, nur an einem Zylinder oder an einigen Zylindern solche zusätzlichen Einspritzdüsen vor­ zusehen, so daß der technische Aufwand für die Bereit­ stellung eines optimal aufbereitenden Reduktionsmittels gering bleibt.

Eine besonders innige Vermischung von heißem Abgas und eingespritztem sowie wirkungsvoll aufgekracktem Diesel­ kraftstoff wird erzielt, wenn der Kraftstoff als dünner Strahl direkt in die vom Auslaßventil freigegebene Öff­ nung entgegen dem ausströmenden Abgas in Richtung des Brennraumes des jeweiligen Zylinders gespritzt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend an­ hand einer Zeichnung näher beschrieben.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt in schematisierter Form eine selbstzündende Brennkraftmaschine. In einem Zy­ linder 1 ist ein Kolben 2 geführt, der über eine Pleuel­ stange 3 mit einer Kurbelwelle 4 verbunden ist. Der Zy­ linder 1 ist nach oben mit einem Zylinderkopf verschlos­ sene, in welchem ein Einlaßkanal 5 und ein Auslaßkanal 6 angeordnet sind, die mit einem über dem Kolben 2 befind­ lichen Brennraum 7 in Verbindung stehen. Der Einlaßkanal 5 ist mittels eines Einlaßventils B und der Auslaßkanal 6 mittels eines Auslaßventils 9 steuerbar. Einlaßventil 8 und Auslaßventil 9 werden in bekannter Weise mit einer Nockenwelle (nicht dargestellt) betätigt. An den Außlaßkanal 6 schließt sich ein Abgassystem mit einem Re­ duktionskatalysator 10 an. Im Zylinderkopf ist mittig eine Kraftstoffeinspritzdüse 11 angeordnet. Eine Kraft­ stoffeinspritzpumpe 12 liefert durch eine Einspritzlei­ tung 13 Kraftstoff unter Druck an die Kraftstoffein­ spritzdüse 11. Im Auslaßkanal 6 ist eine Einspritzdüse 14 so angeordnet, daß ihr Strahl 15 auf die vom Auslaßventil 9 zum Brennraum 7 hin freigegebene Öffnung 16 gerichtet ist. Die Einspritzdüse 14 wird über eine Druckleitung 17 mit unter Druck stehendem Kraftstoff versorgt. Die Ein­ spritzdüse 14 ist mittels einer Steuerleitung 18 verbun­ den mit einer elektronischen Steuereinheit 19. Die Steu­ ereinheit 19 wird über Leitungen 20, 21, 22 von Sensoren 23, 24, 25 mit Signalen von Betriebsparametern der Brenn­ kraftmaschine versorgt, wie z. B. die Betriebslast, die Drehzahl und den Katalysatorzustand. Dem Reduktionskata­ lysator 10 ist im Verlauf des Abgassystems stromab ein weiterer Katalysator (nicht gezeichnet) nachgeschaltet.

Die beim Betrieb einer selbstzündenden Brennkraftma­ schine, insbesondere einer solchen mit Direkteinsprit­ zung, entstehenden NOx-Anteile des Abgases lagern sich am Reduktionskatalysator 10 an und werden solange gespei­ chert, bis von der Steuereinheit 19 erkannt wird, daß eine Reduktion der gespeicherten NOx-Anteile erforderlich ist. Dazu wird von der Steuereinheit 19 veranlaßt, daß von der Einspritzdüse 14 über eine kurze Dauer Kraftstoff in bemessener Menge als Reduktionsmittel in den heißen Abgasstrom an der gerade vom Auslaßventil 9 freigegebenen Öffnung 16 des Auslaßkanals 6 in dünnem Strahl 15 entge­ gen der Richtung des Abgasstromes eingespritzt wird. Die­ ser Kraftstoff wird in dem sauerstoffarmen Abgas nicht verbrennen, sondern durch Wärme und im Abgas befindliche Radikale zumindest teilweise gekrackt und vollständig verdampft.

Der so vorbehandelte Kraftstoff gelangt zusammen mit dem Abgas in den Reduktionskatalysator 10 und wirkt in diesem als Reduktionsmittel für die angelagerten NOx-Anteile. Im Reduktionskatalysator 10 bilden sich Reaktionen zwischen den NOx-Molekülen und den hoch reaktiven Kohlenwasserstoffbruchstücken des gekrackten Kraftstof­ fes, was zur Reduktion der NOx-Moleküle in Stickstoff und Sauerstoff führt. Verbleibende Anteile von Kohlenwasser­ stoffen und Kohlenmonoxid werden im nachgeschalteten wei­ teren Katalysator zu unschädlichen Bestandteilen umgewan­ delt.

Der besondere Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß mit relativ einfachen technischen Mitteln, die auch an eine bisher ohne Reduktionskatalysator und mit übli­ cher Einspritzung arbeitende Dieselbrennkraftmaschine nachrüstbar sind, eine hochwirksame Aufbereitung von Die­ selkraftstoff zu einem Reduktionsmittel ermöglicht wird.

Claims (4)

1. Selbstzündende Brennkraftmaschine mit einer Ein­ richtung zum Nachbehandeln von Abgasen, mit minde­ stens einem Zylinder und einem darin beweglich ge­ führten Kolben, einem über dem Kolben befindlichen Verbrennungsraum mit mindestens einem Einlaßventil und einem Auslaßventil, einen zum Einlaßventil füh­ renden Einlaßkanal und einen vom Auslaßventil zu ei­ nem Abgassystem führenden Auslaßkanal, einem im Ab­ gabesystem angeordneten Reduktionskatalysator zu Re­ duktion von NOx-Bestandteilen des Abgases, mit einer ersten Einrichtung zum dosierten Einspritzen von Kraftstoff in den Verbrennungsraum sowie einer zwei­ ten von einer Einspritzdüse und einem Zumessystem gebildeten Einrichtung zum dosierten Einbringen von Kraftstoff als Reduktionsmittel in den Strom des dem Reduktionskatalysator zugeführten Abgases in Abhän­ gigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftma­ schine und des Reduktionskatalysators, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Einspritzdüse (14) der zweiten Einrichtung den zugemessenen Kraftstoff in den Be­ reich zumindest eines sich nach einem Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine öffnenden Auslaßventils (9) spritzt.

2. Selbstzündende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Zylinder (1) der Brennkraftmaschine eine Einspritzdüse (14) zum Einspritzen von Kraftstoff in dem Bereich eines sich nach einem Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine öff­ nenden Auslaßventils (16) vorgesehen ist.

3. Selbstzündende Brennkraftmaschinen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils für eine Gruppe von Zylindern (1) eine Einspritzdüse (14) zum Einspritzen von Kraftstoff in den Bereich eines sich nach einem Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine öff­ nenden Auslaßventils (9) vorgesehen ist.

4. Selbstzündende Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüse (14) der zweiten Einrichtung den zuge­ messenen Kraftstoff durch die von einem Auslaßventil (9) nach einem Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine freigegebene Öffnung (16) entgegen dem ausströmenden Abgas in den Brennraum (7) des jeweiligen Zylinders (1) spritzt.