DE4313348B4

DE4313348B4 - Luftverdichtende Einspritzbrennkraftmaschine mit einer Abgasnachbehandlungseinrichtung und Verfahren zur Reduzierung von Stickoxiden bei einer luftverdichtenden Einspritzbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE4313348B4
Application number: DE4313348A
Authority: DE
Inventors: Christian Dipl.-Ing. Enderle; Michael Dr.-Ing. Krämer; Gernot Dipl.-Ing. Hertweck; Bernd Dr. Krutzsch; Friedrich Dr.-Ing. Wirbeleit; Leopold Dr.-Ing. Mikulic; Frank Dipl.-Ing. Thoma
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1993-04-23
Filing date: 1993-04-23
Publication date: 2004-11-25
Anticipated expiration: 2013-04-24
Also published as: DE4345581B4; DE4313348A1

Abstract

Luftverdichtende Einspritzbrennkraftmaschine mit
– einer Abgasnachbehandlungseinrichtung,
– einer Kraftstoffeinspritzanlage, umfassend eine Hochdruckpumpe und mindestens eine Einspritzdüse, wobei von der Kraftstoffeinspritzanlage
– eine für die Verbrennung vorgesehene Kraftstoffmenge als Haupteinspritzung und
– innerhalb eines Arbeitsspiels mit zeitlichem Abstand zur Haupteinspritzung eine für die Reduzierung von Stickoxiden vorgesehene Kraftstoffmenge als Zusatzeinspritzung einspritzbar sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
– die beiden Einspritzungen in einen Brennraum der Einspritzbrennkraftmaschine erfolgen,
– die Zusatzeinspritzung als Nachspritzer frühestens in der Endphase der Verbrennung zwischen 20° und 50° nach OT erfolgt und
– die für die Haupteinspritzung vorgesehene Einspritzdüse zugleich für die Zusatzeinspritzung herangezogen wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine luftverdichtende Einspritzbrennkraftmaschine mit einer Abgasnachbehandlungseinrichtung, der Reduktionsmittel zur Reduzierung von Stickoxiden zuführbar sind, nach den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen sowie ein Verfahren zur Reduzierung von Stickoxiden bei einer luftverdichtenden Einspritzbrennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 5.

Aus der EP 0 488 386 A1 ist eine Einspritzbrennkraftmaschine bekannt, bei der zur Stickoxidreduzierung die Kraftstoffeinspritzanlage mit einer Nebeneinspritzleitung versehen ist, die von einer die Hochdruckpumpe und die Haupteinspritzdüse verbindenden Einspritzleitung abzweigt und zu einer in das Luftansaugrohr hineinragenden und magnetventilgesteuerten Nebeneinspritzdüse führt (7).

Die für die Verbrennung bestimmte Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum der Brennkraftmaschine erfolgt durch die Haupteinspritzdüse, während die zur Stickoxidreduzierung dienende Zusatzeinspritzung in das Luftansaugrohr durch die Nebeneinspritzdüse zum Zeitpunkt des Überschneidungs-OT erfolgt, bei dem Einlaß- und Auslaßventil gleichzeitig kurzweilig geöffnet sind.

Aus der Patentschrift US 4,132,209 ist eine fremdgezündete, d.h. gemischverdichtende Brennkraftmaschine bekannt, bei wel cher der zur Verbrennung vorgesehene Kraftstoff über einen Vergaser bereitgestellt wird. Die bei der Verbrennung entstandenen Stickoxide werden mit Hilfe von zusätzlich eingespritztem Kraftstoff in einer NO-Reduktionskammer bei hoher Temperatur und Sauerstoffmangel nichtkatalytisch reduziert. In einem Beispiel dient der Brennraum der Brennkraftmaschine als NO-Reduktionskammer, in welche zur Stickoxidreduzierung mittels einer separaten Einspritzdüse Kraftstoff im Expansionstakt eingespritzt wird.

Aus der Patentanmeldung DE 37 35 169 A1 ist ein Einspritzverfahren für eine Dieselbrennkraftmaschine mit Vor- und Haupteinspritzung von Kraftstoff bekannt. Beide Einspritzungen erfolgen während des Verdichtungstakts, wobei durch die Voreinspritzung als Zusatzeinspritzung Einfluss auf den Brennverlauf genommen wird.

Aus der Patentanmeldung WO 92/21 871 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit, einer Abgasnachbehandlungseinrichtung bekannt, bei der über einen im Saugsystem der Brennkraftmaschine angeordneten Injector Reduktionsmittel zur NOx-Reduktion zugeführt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine luftverdichtende Einspritzbrennkraftmaschine und ein Betriebsverfahren für eine luftverdichtende Einspritzbrennkraftmaschine anzugeben, mit welchen durch einfache und bauaufwandarme Maßnahmen eine wirkungsvolle Abgasreinigung ermöglicht ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.

Maßnahmen an einer Brennkraftmaschine der gattungsgemäßen Art den künftig strengeren Anforderungen gerechter werdende Stickoxidabsenkungen zu ermöglichen.

Die Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

In den Unteransprüchen sind noch förderliche Weiterbildungen der Erfindung angegeben.

Dadurch, daß nicht nur die zur Verbrennung bestimmte Kraftstoffmenge, sondern auch eine die Reduzierung der Stickoxide bewirkende Kraftstoffmenge mit einer einzigen Kraftstoffeinspritzdüse realisiert wird, ist eine mit wesentlich geringerem Fertigungsaufwand verbundene Ausführung erreicht, bei der die einzige Kraftstoffeinspritzdüse zweimal innerhalb eines Arbeitsspieles der Brennkraftmaschine mit definiertem zeitlichem Abstand oder bei einer Ausführung mit Vor- und Haupteinspritzung dreimal angesteuert wird.

Die Zusatzeinspritzung findet in der Endphase bzw. nach Abschluß der Verbrennung zwischen 20° und 50° nach OT statt; der Kraftstoff, z.B. Dieselkraftstoff als Nachspritzer, nimmt also nicht am: der Verbrennung teil und wird unter hohem Druck in den Brennraum bei optimaler Zerstäubung eingespritzt, verdampft dort, vermischt sich mit Luft und den Verbrennungsgasen, reduziert die NO_x-Moleküle noch im Brennraum im heißen Gas und strömt zum Abgasreiniger, einem Denox-Katalysator, z.B. in der Ausführung als Zeolith oder Perowskit.

Im Denox-Katalysator bilden sich Reaktionen zwischen den NOx-Molekülen und den hochreaktiven Kohlenwasserstoffbruchstücken oder reaktionsfreudigen Radikalen, was zur Reduktion der NO_x-Molekühle in Stickstoff und Sauerstoff führt. Die Zusatzeinspritzung bietet sich insbesondere bei Einspritzsystemen an, die auf Basis des Common-Rail-Prinzips arbeiten, da hier stets hohe Drücke im Speichersystem zur Verfügung stehen, die sich vorteilhaft auf die Zerstäubungsgüte auch bei der Zusatzeinspritzung auswirken.

Für die Zusatzeinspritzung sind aber auch sogenannte elektronisch angesteuerte Steck-Pumpe-Düsen verwendbar. Die Zusatzeinspritzung ist sowohl für Vorkammer- und Wirbelkammerbrennkraftmaschinen als auch für direkteinspritzende Brennkraftmaschinen geeignet und auch einsetzbar bei Einspritzsystemen mit Vor- und Haupteinspritzung.

Durch die stickoxidreduzierenden Maßnahmen sind wichtige Parameter frei einstell- bzw. wählbar, wie die Menge des Reduktionsmittels, der Zeitpunkt der Einbringung und die Höhe des Drucks, wodurch die Aufbereitung des Reduktionsmittels im Hinblick auf die Reduktionsraten optimierbar ist.

Der Gegenstand der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und im folgenden näher beschrieben.
Eine mehrzylindrige luftverdichtende Einspritzbrennkraftmaschine 1 weist eine nach dem Common-Rail-System arbeitende Kraftstoffeinspritzanlage 2 auf, die aus einer Hochdruckpumpe 3 und beispielsweise vier magnetventilgesteuerten Einspritzdüsen 4 besteht, die allesamt mit einem als Speicher wirkenden Verteilungsrohr 5 verbunden sind, in dem der von der Hochdruckpumpe 3 geförderte Kraftstoff, nämlich Dieselkraftstoff, auf hohem Druckniveau für die Kraftstoffeinspritzung und für die mit zeitlichem Abstand nachfolgende Zusatzeinspritzung pro Zylinder 6 gehalten wird.
Die Ansteuerung der mit den Einspritzdüsen 4 zusammenwirkenden Magnetventile 7 erfolgt durch eine betriebsparameterabhängig arbeitende Steuereinheit 8. Als Eingabegrößen sind z.B. die Drehzahl n, Last L, Kühlwassertemperatur K_t und sonstige Parameter vorgesehen.
Jede Einspritzdüse 4 wird pro Arbeitsspiel zweimal angesteuert, d.h. die erste Ansteuerung bestimmt die für die Verbrennung vorgesehene Einspritzmenge der Kraftstoffeinspritzung und die zweite Ansteuerung bestimmt die für die Stickoxidreduktion erforderliche Einspritzmenge der Zusatzeinspritzung, wobei diese der Kraftstoffeinspritzung um etwa 20° – 50° nach OT nacheilt, und zwar nach Abschluß der Verbrennung. Anstelle einer Zusatzeinspritzung pro Arbeitsspiel für alle Zylinder ist je nach Anforderung und Ausführung des Abgasreinigers 10 auch eine zyklische Einspritzung durchführbar, d. h. Zusatzeinspritzung nur jedes zweiten, dritten oder x-ten Arbeitsspieles, wobei die Zusatzeinspritzung nur an ausgewählten Zylindern stattfinden kann, die dann in einen bestimmten Regelzyklus umgeschaltet werden.
Die Menge der Zusatzeinspritzung beträgt weniger als 2% der Einspritzmenge der Kraftstoffeinspritzung, wobei der Einspritzdruck deutlich über dem Brennraumdruck liegt.
Die NO_x-haltigen Abgase gelangen in einen in der Abgasleitung 9 angeordneten und als Denox-Katalysator ausgebildeten Abgasreiniger 10, in dem Kohlenwasserstoffbruchstück oder Radikale die vorliegenden NO_x-Werte reduzieren.
Als Denox-Katalysator sind z.B. Zeolithe, Perowskite oder edelmetallhaltige Katalysatoren einsetzbar.

Claims

Luftverdichtende Einspritzbrennkraftmaschine mit – einer Abgasnachbehandlungseinrichtung, – einer Kraftstoffeinspritzanlage, umfassend eine Hochdruckpumpe und mindestens eine Einspritzdüse, wobei von der Kraftstoffeinspritzanlage – eine für die Verbrennung vorgesehene Kraftstoffmenge als Haupteinspritzung und – innerhalb eines Arbeitsspiels mit zeitlichem Abstand zur Haupteinspritzung eine für die Reduzierung von Stickoxiden vorgesehene Kraftstoffmenge als Zusatzeinspritzung einspritzbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass – die beiden Einspritzungen in einen Brennraum der Einspritzbrennkraftmaschine erfolgen, – die Zusatzeinspritzung als Nachspritzer frühestens in der Endphase der Verbrennung zwischen 20° und 50° nach OT erfolgt und – die für die Haupteinspritzung vorgesehene Einspritzdüse zugleich für die Zusatzeinspritzung herangezogen wird.
Einspritzbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffeinspritzanlage als Common-Rail-System oder als elektronisch angesteuerte Steckpumpe ausgeführt ist.
Einspritzbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffmenge der Zusatzeinspritzung deutlich kleiner als diejenige der Haupteinspritzung ist.
Einspritzbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der nacheingespritzte Kraftstoff als aufbereitetes Reduktionsmittel der Abgasnachbehandlungseinrichtung zur katalytischen Reduzierung von Stickoxiden zuführbar ist.
Verfahren zur Reduzierung von Stickoxiden bei einer luftverdichtenden Einspritzbrennkraftmaschine mit – einer Abgasnachbehandlungseinrichtung, – einer Kraftstoffeinspritzanlage, umfassend eine Hochdruckpumpe und mindestens eine Einspritzdüse, wobei von der Kraftstoffeinspritzanlage eine stickoxidreduzierende Zusatzeinspritzung von Kraftstoff durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass – die Zusatzeinspritzung als Nachspritzer frühestens in der Endphase der Verbrennung zwischen 20° und 50° nach OT innerhalb eines Arbeitsspiels mit zeitlichem Abstand nach einer für die Verbrennung vorgesehenen Haupteinspritzung in einen Brennraum der Einspritzbrennkraftmaschine erfolgt und – die für die Haupteinspritzung vorgesehene Einspritzdüse zugleich für die Zusatzeinspritzung herangezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Zusatzeinspritzung ein für die katalytische Reduzierung von Stickoxiden in der Abgasnachbehandlungseinrichtung aufbereitetes Reduktionsmittel erzeugt wird und mit den Verbrennungsgasen der Abgasnachbehandlungseinrichtung zugeführt wird.