DE4132814C2 - Method and device for exhaust gas detoxification of an internal combustion engine - Google Patents

Method and device for exhaust gas detoxification of an internal combustion engine

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor­ richtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. Anspruchs 3.The invention relates to a method and a direction to carry out the procedure according to Preamble of claim 1 or claim 3.

Entscheidend für die Schadstoffemission einer Brennkraftmaschine sind die ersten ein bis zwei Mi­ nuten nach dem Starten bei kalter Maschine.Crucial for the emission of pollutants Internal combustion engines are the first one or two Mi grooves after starting with a cold machine.

In dieser Phase werden ca. 70-80% der gesamten Emission von HC und CO ausgestoßen. Da in diesem Zeitraum der Katalysator noch keine Betriebstempe­ ratur aufweist, emittiert der Motor quasi die Roh­ emission.At this stage, approximately 70-80% of the total Emission of HC and CO emitted. Because in this Period of time the catalytic converter has no operating temperature the engine emits the raw emission.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, diesen Zeitraum zu überbrücken bzw. zu verkürzen, zum Beispiel da­ durch, daß der Katalysator durch ein Brennersystem beheizt wird (DE-A- 22 19 371).There are several options for this period to bridge or shorten, for example there through that the catalyst through a burner system is heated (DE-A-22 19 371).

Aus der PIERBURG-Produktinformation "Elektrische Sekundärluftpumpe", Nr. 5/4 00-151.01, 9/91, veröf­ fentlicht auf der Internationalen Automobil Aus­ stellung, Frankfurt/Main, 1991, ist ein Sekundär­ luftsystem entnehmbar, das bei einer Brennkraftma­ schine die Einblasung von Sekundärluft in die Ab­ gaskrümmer während der kalten, noch nicht betriebs­ bereiten Phase des Katalysators vorsieht.From the PIERBURG product information "Electrical Secondary air pump ", No. 5/4 00-151.01, 9/91, published published at the Internationale Automobil Aus position, Frankfurt / Main, 1991, is a secondary air system removable, that at an internal combustion engine seems to blow secondary air into the exhaust gas manifold during cold, not yet operating ready phase of the catalyst.

Hierdurch wird erreicht, daß die Schadstoffe CO und HC, die vermehrt in der Kaltphase durch eine motor­ seitige Luftzahl von Lambda < 1 entstehen, abge­ senkt werden und dem Katalysator Wärme zugeführt wird zur Erreichung schnellerer Betriebsbereit­ schaft nach dem Kaltstart. Das Sekundärlufteinblas­ system besteht aus einer Luftpumpe, einem oder meh­ reren Rückschlagventilen und einem Abschaltventil. This ensures that the pollutants CO and HC, which increases in the cold phase by a motor side air ratio of lambda <1 arise, abge are lowered and heat is added to the catalyst becomes operational faster shaft after the cold start. The secondary air injection system consists of an air pump, one or more check valves and a shut-off valve.  

Überlegungen, wie die Betriebsbereitschaft ausgehend von diesem Stand der Technik noch schneller erreicht werden kann, führten im Zusammenhang mit diesem Sekundärluftsystem zu dem im Anspruch 1 angegebenen Verfahren, bei dem der Katalysator durch einen mit Brennstoff der Brennkraftmaschine betriebenen Brenner beheizt wird, wobei dem Brennersystem Verbrennungsluft bereitgestellt wird, die von einer Luftpumpe des Sekundärluftsystems gefördert wird.Considerations as to how operational readiness is going from this state of the art even faster can be achieved related to this secondary air system to that specified in claim 1 Process in which the catalyst passes through one operated with fuel from the internal combustion engine Burner is heated, the burner system Combustion air is provided by a Air pump of the secondary air system is promoted.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens nach Anspruch 1 ist in dem Unteranspruch 2 genannt.An advantageous development of the method according to Claim 1 is mentioned in the sub-claim 2.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist mit dem Anspruch 3 angegeben, wobei auf diesen bezogene Unteransprüche 4 und 5 vorteilhafte Weiterbildungen angeben.A device for performing the method is specified with claim 3, wherein on this related sub-claims 4 and 5 advantageous Specify further training.

Mit dem Verfahren und der Vorrichtung kann die nach dem Kaltstart der Brennkraftmaschine erfolgende Emission von HC und CO erheblich verringert bzw. verkürzt werden.With the method and the device, the after the cold start of the internal combustion engine HC and CO emissions significantly reduced or be shortened.

Mit der Vorrichtung ist eine einfache Lösung gefun­ den worden, die mit geringem Bauaufwand realisier­ bar und auch als Nachrüstlösung geeignet ist.A simple solution has been found with the device been realized with little construction effort bar and is also suitable as a retrofit solution.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 1 der Zeichnung dargestellt und wird hinsichtlich der Vorrichtung und des Verfahrens beschrieben. Die Fig. 2 zeigt eine Einzelheit der Fig. 1. An embodiment of the invention is shown in Fig. 1 of the drawing and is described with respect to the device and the method. FIG. 2 shows a detail of FIG. 1.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine 1 mit einem Lufteinlaß 2 und einem Abgasauslaß 3. Im Sammelrohr 4 des Abgasauslasses 3 ist ein Sauer­ stoffsensor 5 angeordnet, der, da ggf. beheizt, kurz nach dem Starten bereits ein sogenanntes Lambdasignal bereitstellt und an ein Steuergerät 6 ausgibt, in dem ein Steuersignal für einen Gemisch­ bilder, z. B. eine Einspritzung mit Einspritzventi­ len 7, erzeugt wird. Fig. 1 shows schematically an internal combustion engine 1 with an air inlet 2 and an exhaust gas outlet. 3 In the manifold 4 of the exhaust gas outlet 3 , an oxygen sensor 5 is arranged, which, since possibly heated, provides a so-called lambda signal shortly after starting and outputs it to a control unit 6 , in which a control signal for a mixture images, e.g. B. an injection with injection valves len 7 is generated.

Der Lufteinlaß 2 weist eine stromauf einer Drossel­ klappe 8 abzweigende Luftleitung 9 auf, in derem Zuge eine Luftpumpe 10, ein Absperrventil 11 und ein 3/2-Wegeventil 12 angeordnet sind. Die Luftlei­ tung 9 führt über einen Ausgang 13 des 3/2-Wegeven­ tils 12 zum Abgasauslaß 3, verzweigt sich dort und tritt in einzelne Abgaskrümmer der Zylinder ein. Die Einspritzventile 7, die Luftpumpe 10, das Ab­ sperrventil 11 und das 3/2-Wegeventil 12 stehen über elektrische Leitungen mit dem Steuergerät 6 in Verbindung, mit dem das Motormanagement betrieben wird.The air inlet 2 has an upstream of a throttle valve 8 branching air line 9 , in the course of which an air pump 10 , a shut-off valve 11 and a 3/2-way valve 12 are arranged. The Luftlei device 9 leads via an output 13 of the 3/2-way valve 12 to the exhaust outlet 3 , branches there and enters individual exhaust manifolds of the cylinder. The injection valves 7 , the air pump 10 , the shut-off valve 11 and the 3/2-way valve 12 are connected via electrical lines to the control unit 6 , with which the engine management is operated.

Das bisher beschriebene System weist ein Brennersystem 14 auf, das mit Brennstoff der Brennkraftmaschine betrieben wird und aus einer Brennerdüse 15 und einem Zündmodul 16 besteht. Die Brennerdüse 15 ragt in das Sammelrohr 4 stromauf eines Katalysators 17 hinein und ist aus einem Luftleitungsabzweig 18 gebildet, der vom anderen Ausgang 19 des 3/2-Wegeventils 12 abgeht und in das Sammelrohr 4 einmündet, sowie einem im Einmündeabschnitt 20 des Luftleitungsabzweiges 18 angeordne­ ten Brennstoffaustritt 21, der über eine Brenn­ stoffleitung 22 mit dem Brennstoffversorgungssystem der Brennkraftmaschine verbunden ist, hier mit der Brennstoffverteilerleiste 23 vor den Einspritzventilen 7. Im Zuge dieser Brennstoffleitung 22 ist ein Magnetventil 24 angeordnet, das ebenfalls über eine elektrische Leitung mit dem Steuergerät 6 verbunden ist. Das Zündmodul 16 ragt mit Zündelektroden 25 derart in das Sammelrohr 4 hinein, daß das von der Brennerdüse 15 gebildete Brenngemisch auf diese auftrifft und gezündet wird.The system described so far has a burner system 14 which is operated with fuel from the internal combustion engine and consists of a burner nozzle 15 and an ignition module 16 . The burner nozzle 15 protrudes into the collecting pipe 4 upstream of a catalytic converter 17 and is formed from an air line branch 18 , which branches off from the other outlet 19 of the 3/2-way valve 12 and opens into the collecting pipe 4 , and one arranged in the mouth section 20 of the air line branch 18 th fuel outlet 21 , which is connected via a fuel line 22 to the fuel supply system of the internal combustion engine, here with the fuel rail 23 in front of the injection valves 7 . In the course of this fuel line 22 , a solenoid valve 24 is arranged, which is also connected to the control unit 6 via an electrical line. The ignition module 16 projects with ignition electrodes 25 into the collecting tube 4 in such a way that the combustion mixture formed by the burner nozzle 15 strikes it and is ignited.

Fig. 2 zeigt eine Vergrößerung aus Fig. 1, aus der der Aufbau der Brennerdüse 15 erkennbar ist. Die Brennerdüse 15 ist aus dem Einmündeabschnitt 20 des Luftleitungsabzweiges 18 gebildet, der in das Sam­ melrohr 4 stromauf des Katalysators 17 hineinragt und den Brennstoffaustritt 21 aufweist, der durch Abstandshalter 26 zum Einmündeabschnitt 20 zen­ triert wird und gleichzeitig äußere Durchlässe 27 für die Luft sowie am Luftaustritt einen konzentri­ schen Drosselklappenspalt bildet, über den die Luft bei Brennerbetrieb austritt und den zentrisch aus dem Brennstoffaustritt 21 austretenden Brennstoff fein zerstäubt. Über eine Luftleitung 28 steht die Luftleitung 18 mit der Brennstoffleitung 22 in Ver­ bindung, so daß bei Abschaltung des Brennersystems 14 Luft über eine Drossel 29 in den Brennstoffaus­ tritt 21 geblasen werden kann, um so Restbrennstoff auszublasen. FIG. 2 shows an enlargement from FIG. 1, from which the structure of the burner nozzle 15 can be seen. The burner nozzle 15 is formed from the mouth section 20 of the air line branch 18 , which protrudes into the Sam melrohr 4 upstream of the catalyst 17 and has the fuel outlet 21 , which is zen trated by spacers 26 to the mouth section 20 and at the same time outer passages 27 for the air and at Air outlet forms a concentric throttle valve gap, through which the air exits during burner operation and atomizes the fuel exiting the fuel outlet 21 centrally. Via an air line 28 , the air line 18 is connected to the fuel line 22 , so that when the burner system 14 is switched off, air can be blown through a throttle 29 into the fuel outlet 21 in order to blow out residual fuel.

Die in die Abgaskrümmer führende Luftleitung 9 weist eine das 3/2-Wegeventil 12 umgehende Umge­ hungsleitung 30 auf, so daß bei geschlossenem Aus­ gang 13 des 3/2-Wegeventils 12 ein über eine Dros­ sel 31 gedrosselter Luftstrom in die Abgaskrümmer geführt wird.The leading in the exhaust manifold air line 9 has a 3/2-way valve 12 bypass line 30 so that when the output 13 of the 3/2-way valve 12 is closed, a throttled air flow via a throttle sel 31 is guided into the exhaust manifold.

Funktionfunction

Bei Zündung "ein" bzw. bei Motorlauf nach dem Star­ ten, während der kalten, noch nicht betriebsberei­ ten Phase des Katalysators 17 erfolgt über das Steuergerät 6 angesteuert eine Bestromung der Luft­ pumpe 10, die Öffnung des Absperrventils 11 und des Austritts 19 des 3/2-Wegeventils 12 zur Brennerdüse 15 sowie die Öffnung des Magnetventils 24 in der Brennstoffleitung 22 und das Zünden des Zündmoduls 16. Das sich in der Brennerdüse 15 gebildete Brenn­ gemisch entflammt an den Elektroden des Zündmoduls, so daß gegen den Katalysator 17 gerichtete Flammen entstehen, die den Katalysator 17 erhitzen. Die durch den Luftleitungsabzweig 18 über die Durch­ lässe 27 der Brennerdüse 15 einströmende Luftmenge steht dabei in einem festgelegten Verhältnis zu der durch den Brennstoffaustritt 21 strömenden Brenn­ stoffmenge im Hinblick auf eine saubere Verbren­ nung. Die Katalysatortemperatur kann über einen im Katalysator 17 angeordneten Temperatursensor 32 oder indirekt über andere Größen aus dem Motormana­ gement festgestellt werden, z. B. der Lambdasonden­ temperatur, und führt zu einer vom Steuergerät 6 bewirkten Unterbrechung der Brennertätigkeit. Alternativ kann jedoch auch vorgesehen sein, daß die Beheizung bei Zündung "ein" bzw. beim Starten eingeschaltet und nach einer vorgegebenen Zeitspan­ ne, vorzugsweise zehn bis vierzig Sekunden, abge­ schaltet wird und daß die Beheizung mit konstanter Heizleistung erfolgt. Wird nach dieser ersten Heizphase durch noch kaltes Abgas die Betriebstemperatur des Katalysators wieder unterschritten, wird mit verringerter Heizleistung nachgeheizt.When the ignition is "on" or when the engine is running after starting, during the cold, not yet operational phase of the catalytic converter 17 , the control unit 6 controls an energization of the air pump 10 , the opening of the shut-off valve 11 and the outlet 19 of the third / 2-way valve 12 to the burner nozzle 15 and the opening of the solenoid valve 24 in the fuel line 22 and the ignition of the ignition module 16 . The fuel mixture formed in the burner nozzle 15 ignites at the electrodes of the ignition module, so that directed against the catalyst 17 flames arise which heat the catalyst 17 . The amount of air flowing in through the air line branch 18 through the passages 27 of the burner nozzle 15 is in a fixed ratio to the amount of fuel flowing through the fuel outlet 21 with a view to clean combustion. The catalyst temperature can be determined via a temperature sensor 32 arranged in the catalytic converter 17 or indirectly via other variables from the engine management, eg. B. the lambda probe temperature, and leads to an interruption of the burner activity caused by the control unit 6 . Alternatively, however, it can also be provided that the heating is switched on when the ignition is switched on or when starting and is switched off after a predetermined time span, preferably ten to forty seconds, and that the heating is carried out with constant heating power. If the operating temperature of the catalytic converter falls below the operating temperature again after this first heating phase due to cold exhaust gas, the heating is reduced with reduced heating output.

Es versteht sich von selbst, daß durch eine perio­ dische Brennerein- und -ausschaltung mit unter­ schiedlichem Tastverhältnis quasi eine Regelung der Katalysatortemperatur oberhalb der minimalen Be­ triebstemperatur erreicht wird, so daß die vom Sauerstoffsensor bereitgestellten Lambdasignale be­ reits kurze Zeit nach dem Anspringen des Motors zu einer Regelung verwendet werden können und ein ho­ her Wirkungsgrad des Katalysators erreicht wird.It goes without saying that a perio burner on and off with under different duty cycle a control of the Catalyst temperature above the minimum Be drive temperature is reached, so that from Oxygen sensor provided lambda signals riding shortly after the engine started a scheme can be used and a ho forth efficiency of the catalyst is achieved.

Die über den Anschluß des 3/2-Wegeventils 12 in den Ruhephasen des Brennersystems 14 in die Abgaskrüm­ mer geführte Luft bewirkt bekanntlich eine Absen­ kung der Schadstoffe CO und HC bereits vor dem Ka­ talysator 17. In den Betriebsphasen des Brennersy­ stems 14 kann eine verringerte Luftmenge über die Drossel 31 und die Umgehungsleitung 30 in die Abgaskrümmer eingeführt werden mit verringerter Umsetzungsrate.The air passed through the connection of the 3/2-way valve 12 in the resting phases of the burner system 14 into the exhaust manifold mer causes a reduction in the pollutants CO and HC before the catalyst 17 . In the operating phases of the Brennersy system 14 , a reduced amount of air can be introduced into the exhaust manifold via the throttle 31 and the bypass line 30 with a reduced conversion rate.

Claims (5)

1. Verfahren zur Abgasentgiftung bei einer mit einem Katalysator und einem Sekundärluftsystem ausgerüsteten Brennkraftmaschine während des Kaltbetriebs - ggf. in Verbindung mit einem beheizten Sauerstoffsensor im Abgas -, wobei der Katalysator durch ein auf Steuersignale eines Steuergerätes reagierenden Brennersystem auf Betriebstemperatur beheizt wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem Brennersystem (14) Verbrennungsluft bereitgestellt wird, die von einer Luftpumpe (10) des Sekundärluftsystems gefördert wird.1. A method for exhaust gas detoxification in an internal combustion engine equipped with a catalytic converter and a secondary air system during cold operation - possibly in conjunction with a heated oxygen sensor in the exhaust gas - the catalytic converter being heated to the operating temperature by a burner system which reacts to control signals from a control unit, characterized in that that the burner system ( 14 ) combustion air is provided, which is promoted by an air pump ( 10 ) of the secondary air system. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Sekundärluftsystem und das Brennersystem (14) mit Teilluftströmen der Sekundärluftpumpe (10) betrieben wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the secondary air system and the burner system ( 14 ) with partial air flows of the secondary air pump ( 10 ) is operated. 3. Vorrichtung zur Beheizung des Katalysators einer Brennkraftmaschine mit Sekundärluftsystem, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit einer Anordnung eines Brennersystems im Abgassammelrohr stromauf des Katalysators, das mit dem Brennstoff der Brennkraftmaschine betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Zuge einer Luftleitung (18) die Sekundärluftpumpe (10), ein Absperrventil (11) und ein 3/2-Wegeventil (12) angeordnet sind, zur wahlweisen Umschaltung der Luftleitung (18) entweder in das Sekundärluftsystem oder in das Brennersystem (14).3. Device for heating the catalyst of an internal combustion engine with a secondary air system, in particular for carrying out the method according to claim 1 or 2, with an arrangement of a burner system in the exhaust manifold upstream of the catalyst, which is operated with the fuel of the internal combustion engine, characterized in that in the course of a Air line ( 18 ), the secondary air pump ( 10 ), a shut-off valve ( 11 ) and a 3/2-way valve ( 12 ) are arranged for the optional switching of the air line ( 18 ) either into the secondary air system or into the burner system ( 14 ). 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Brennerbetrieb eine verringerte Luftmenge über eine das 3/2-Wegeventil (12) umgehende Umgehungsleitung (30) mit Drossel (31) in die Abgaskrümmer eingeführt wird. 4. The device according to claim 3, characterized in that a reduced amount of air is introduced via a 3/2-way valve ( 12 ) bypass line ( 30 ) with throttle ( 31 ) into the exhaust manifold during burner operation. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffleitung (22) des Brennersystems (14) stromab eines Magnetventils (24) über eine Luftleitung (28) mit Drossel (29) mit der Luftleitung (18) verbunden ist, so daß bei Abschaltung des Brennersystems (14) Restbrennstoff aus dem Brennstoffaustritt (21) ausgeblasen wird.5. Device according to one of claims 3 or 4, characterized in that the fuel line ( 22 ) of the burner system ( 14 ) downstream of a solenoid valve ( 24 ) via an air line ( 28 ) with a throttle ( 29 ) is connected to the air line ( 18 ) so that when the burner system ( 14 ) is switched off, residual fuel is blown out of the fuel outlet ( 21 ).
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