WO2005038205A1 - Brennkraftmaschine mit abgasnachbehandlungssystem - Google Patents

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WO2005038205A1
WO2005038205A1 PCT/DE2004/001692 DE2004001692W WO2005038205A1 WO 2005038205 A1 WO2005038205 A1 WO 2005038205A1 DE 2004001692 W DE2004001692 W DE 2004001692W WO 2005038205 A1 WO2005038205 A1 WO 2005038205A1
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WO
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internal combustion
combustion engine
exhaust gas
active substance
injection
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Application number
PCT/DE2004/001692
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Hofmann
Ulrich Meingast
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/18—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control
    • F01N3/20—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control specially adapted for catalytic conversion ; Methods of operation or control of catalytic converters
    • F01N3/2066—Selective catalytic reduction [SCR]
    • F01N3/208—Control of selective catalytic reduction [SCR], e.g. dosing of reducing agent
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/92—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases
    • B01D53/94—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases by catalytic processes
    • B01D53/9495—Controlling the catalytic process
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
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    • F01N2610/02—Adding substances to exhaust gases the substance being ammonia or urea
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    • F01N2610/10—Adding substances to exhaust gases the substance being heated, e.g. by heating tank or supply line of the added substance
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention first relates to an internal combustion engine, in particular with direct fuel injection, with an exhaust gas aftertreatment system for reducing pollutants in the exhaust gas, which comprises: a storage container with a liquid active substance, a conveying device for conveying the active substance, and an injection device for injecting the active substance into the exhaust.
  • Nitrogen oxide emissions from internal combustion engines can be used, for example, so-called selective catalytic reduction (SCR).
  • SCR selective catalytic reduction
  • a defined amount of a reducing agent for example urea
  • urea is solid under normal ambient conditions, it is present in a urea-water solution that is injected into the exhaust gas.
  • the urea reacts with water to form ammonia and carbon dioxide.
  • the ammonia reduces nitrogen oxides contained in exhaust gas to nitrogen, 'while producing water as a byproduct.
  • the object of the present invention is to improve the efficiency of the exhaust gas aftertreatment.
  • the exhaust gas aftertreatment system comprises a pressure accumulator into which the conveying device conveys, in which the active substance can be stored under pressure, and to which the
  • a first advantage of the internal combustion engine according to the invention is that the active substance can be atomized particularly well by the injection device owing to the increased pressure in the pressure accumulator, which in principle is then also present in the injection device, so that the spray that arises as a result has good preparation quality. This leads to an improved conversion rate of the active substance in the exhaust gas. Di? Intermediate storage of the active substance in the pressure accumulator is permitted, in addition, if necessary, the use of a conveyor device with a smaller delivery capacity, since With a corresponding system configuration, "consumption peaks" are not covered by an increased delivery rate, but rather by the active substance temporarily stored in the pressure accumulator.
  • the conveying device comprises a prefeed pump and a high-pressure pump.
  • the pre-feed pump can be, for example, a diaphragm pump, the high-pressure pump a piston pump.
  • the high-pressure pump a piston pump.
  • the pressure accumulator is connected to a pressure control device. This allows either a high pressure constancy or, in the case of an adjustable pressure control device, a variability of the pressure in the pressure accumulator, which enables the pressure in the pressure accumulator to be optimally adapted to the current operating state of the exhaust gas aftertreatment system and / or the internal combustion engine.
  • a particularly advantageous embodiment of the internal combustion engine according to the invention is characterized in that it comprises a control and / or regulating device which measures the delivery rate of the delivery device, the pressure in the pressure accumulator, the time of injection of the active substance, and / or the duration of an injection de * Active substance controls depending on the operating state of the internal combustion engine. This allows a particularly economical consumption of the Active substance with an optimal conversion rate of the active substance in the exhaust gas.
  • the cost of the internal combustion engine according to the invention can be reduced if the conveyor, the
  • Accumulator, and / or the injector are of the type used in direct injection fuel systems.
  • those fuel systems that work with a fuel rail (“common rail") come into question here.
  • the active substance comprises urea.
  • the urea is generally bound in an aqueous solution and is harmless, but enables an effective reduction of the nitrogen oxides in the exhaust gas.
  • the pressure accumulator can be heated.
  • the urea-water solution commonly used has the property of freezing at temperatures below minus 11 ° C, that is to say from the liquid to the solid state. Due to the heatability of the pressure accumulator
  • the invention also relates to a method for operating an internal combustion engine of the above type. It is proposed that the delivery capacity of the delivery device, the pressure in the pressure accumulator, the time of injection of the active substance, and / or the duration of the injection of the active substance be current Depend on the operating parameters of the internal combustion engine. This results in a particularly effective reduction in pollutant emissions in the exhaust gas while at the same time using less active substance.
  • the operating parameters be a rotational speed of a crankshaft, a torque of the internal combustion engine, a fuel mass injected into a combustion chamber, a temperature of the internal combustion engine, a temperature of the ambient air, a humidity of the ambient air, a temperature upstream and / or downstream of a catalytic converter , an N0 ⁇ - and / or NH 3 content in the exhaust gas, and / or a fuel-air ratio in the combustion chamber, or each include an equivalent size.
  • Many of these operating parameters be a rotational speed of a crankshaft, a torque of the internal combustion engine, a fuel mass injected into a combustion chamber, a temperature of the internal combustion engine, a temperature of the ambient air, a humidity of the ambient air, a temperature upstream and / or downstream of a catalytic converter , an N0 ⁇ - and / or NH 3 content in the exhaust gas, and / or a fuel-air ratio in the combustion chamber, or each include an equivalent size.
  • Active substance required data can be determined using maps of the internal combustion engine. This could save an additional control unit, and certain quantity corrections could be made in parallel on the basis of corresponding correction coefficients used in the Control of the internal combustion engine are calculated to be performed.
  • Figure 1 is a schematic diagram of an internal combustion engine with an exhaust gas aftertreatment system
  • FIG. 2 shows the input and output variables for controlling or regulating the exhaust gas aftertreatment system from FIG. 1,
  • an internal combustion engine bears the reference number 10 overall. It comprises a plurality of combustion chambers, of which only one is shown in FIG. 1 with reference number 12 for reasons of illustration.
  • Combustion air enters the combustion chamber 12 via an inlet valve 14 and an intake pipe 16.
  • a temperature TAMS and a humidity FANS of the intake ambient air are detected by sensors 15 and 17.
  • the hot combustion exhaust gases are discharged from the combustion chamber 12 via an exhaust valve 18 and an exhaust pipe 20.
  • a crankshaft 21 is rotated.
  • Fuel enters combustion chamber 12 directly through a fuel injector 22.
  • the injected fuel is diesel fuel.
  • the fuel Einsprit ⁇ vorric 'ntung 22 manifold 24 ( "rail") is connected to a fuel.
  • the fuel is stored under high pressure. It reaches the fuel collecting line 24 through a high-pressure fuel pump 26, which is fed by a prefeed pump 28. This delivers from a fuel tank 30.
  • the pressure in the fuel manifold 24 is detected by a sensor 32 and set via a pressure regulator 34.
  • a quantity control valve 36 is used to adjust the delivery rate of the high-pressure fuel pump 26.
  • the above-mentioned components 22 to 36 are part of a fuel system 37.
  • the latter includes an exhaust gas aftertreatment system 38.
  • This comprises an oxidation catalytic converter 39 arranged in the exhaust pipe 20, which converts NO into NO 2 , and a catalytic converter 40 with which the pollutants initially contained in the exhaust gas are reduced.
  • a temperature sensor 41 for detecting the temperature TSCR of the exhaust gas and an injection device 42 are arranged upstream of the catalytic converter 40 in the exhaust pipe 20.
  • An active substance, urea 43 in the present exemplary embodiment can be injected through this into the exhaust gas flowing in the exhaust pipe 20. For this purpose, the urea is dissolved in water, so a urea-water solution is ultimately injected.
  • a lambda probe 45 and an NO : ⁇ sensor 47 are present behind the catalytic converter 40.
  • the urea-water solution 43 is stored in a urea container 44.
  • a prefeed pump 46 urges the urea-water solution 43 from the urea container 44 to a high-pressure pump 48 (the two Pumps 46 and 48 together form a conveyor 49).
  • the injection device 42 is in turn connected to it.
  • the pressure in the urea pressure accumulator 50 is detected by a pressure sensor 52.
  • the pressure in the pressure accumulator 50 is set by a pressure regulator 54, the delivery rate of the high-pressure urea pump 48 by a quantity control valve 56. All components of the exhaust gas aftertreatment system 38, with the exception of the catalytic converter 40 and the injection device 42, can be heated by an electric heating device 58.
  • the operation of the internal combustion engine 10, including the fuel system 37, is controlled or regulated by a control and regulating device 60.
  • This receives signals from numerous sensors, for example the two pressure sensors 32 and '52, but still further sensors, not shown in FIG. 1, and controls corresponding adjusting and regulating devices, for example the injectors 22 and 42, the quantity control valves 36 and 56 and the Pressure regulators 34 and 54, which result in the internal combustion engine 10 delivering a desired output with the lowest possible fuel consumption and optimal emission behavior.
  • the operation of the exhaust gas aftertreatment system 38 is also controlled or regulated by the control and regulating device 60.
  • a processing block for this purpose.
  • This includes a speed N of the crankshaft 21, a relative air filling RL in the combustion chamber 12, an in Relative fuel mass RK injected into combustion chamber 12 by fuel injection device 22, a temperature TMOT of internal combustion engine 10 (for example a cooling water or cylinder head temperature), and the fuel-air ratio in combustion chamber 12, which is usually represented by the air ratio LAM3DA.
  • Further variables can be a temperature TSCR of the catalyst 40, a relative humidity FANS of the intake air, for example a temperature TANS of the ambient air, or an MO ⁇ value.
  • the manipulated variables required for the operation of the exhaust gas aftertreatment system 38 are determined from these variables. This includes a pressure PR_HDS in the urea pressure accumulator 50, one
  • Control voltage U_HDS for the quantity control valve 56 which in turn sets a delivery quantity M_HDS of the delivery device 49, an injection duration TI_HDS of the urea 43 injection device 42, and a bit B_HEIZ, by means of which the heating device 58 is switched on or off.
  • the pressure PR_HDS in the urea pressure accumulator 50 and the injection duration TI_HDS of the urea injection device 42 can, on the one hand, align the amount injected and, on the other hand, the degree of atomization of the urea / water solution 43 to the current operating conditions of the internal combustion engine 10. This ensures on the one hand an optimal implementation of the injected urea-water solution 43, which leads to a reduction in pollutant emissions, and on the other hand the urea-water reading 43 can be used very sparingly as it can be avoided that too much ammonia is generated, but at the same time an almost 100% conversion rate can be guaranteed.
  • the pressure in the urea pressure accumulator 50 can be very high and in the range from 50 bar, possibly even a few hundred bar to over a thousand bar.
  • the components used for the exhaust gas aftertreatment system 38 can be similar to the components of the fuel system 37. If necessary, identical components can also be used at least in some areas.
  • the processing patterns used in processing block 62 can also be similar to or even identical to those used to control or regulate the
  • Fuel system 37 can be used.
  • pressure PR_HDS will usually depend primarily on the speed N of crankshaft 21 and on the temperature TSCR of the exhaust gas.
  • a constant pressure in the urea pressure accumulator 50 can be set via the pressure regulator 54 and the quantity control valve 56.
  • the urea-water solution 43 is injected directly into the exhaust pipe '20 by the urea injection device 42. It is also possible, however, that air is also fed into the urea injection device 42 and this is mixed with the urea-water solution 43 in the urea injection device 42 or when it emerges from it.
  • urea 43 is mentioned as the active substance. It goes without saying that with the described configuration of the exhaust gas aftertreatment system 38 as the active substance, however, any other active agent can be used as long as it can be injected into the exhaust gas.
  • urea components for example
  • urea pressure accumulator for example

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Abstract

Eine Brennkraftmaschine umfasst ein Abgasnachbehandlungssystem (38) zur Verminderung von Schadstoffen im Abgas. Dieses umfasst einen Vorratsbehälter (44) mit einer Wirksubstanz (43), eine Fördereinrichtung (49) zum Fördern der Wirksubstanz (43), und eine Einspritzvorrichtung (42) zum Einspritzen der Wirksubstanz in das Abgas. Es wird vorgeschlagen, dass das Abgasnachbehandlungssystem (38) einen Druckspeicher (50) umfasst, in den die Fördereinrichtung (49) fördert, in dem die Wirksubstanz (43) unter Druck speicherbar ist, und an den die Einspritzvorrichtung (42) direkt angeschlossen ist.

Description

Brennkraftmaschine mit Abqasnachbehandlunqssystem
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft zunächst eine Brennkraftmaschine,- insbesondere mit Kraftstoff-Direkteinspritzung, mit einem Abgasnachbehandlungssystem zur Verminderung von Schadstoffen im Abgas, welches umfasst: einen Vorratsbehälter mit einer flüssigen Wirksubstanz, eine Fördereinrichtung zum Fördern der Wirksubstanz, und eine Einspritzvorrichtung zum Einspritzen der Wirksubstanz in das Abgas.
Besonders im Zusammenhang mit künftigen gesetzlichen Vorgaben ist eine Verminderung der Stickoxide issionen von Kraftfahrzeugen erforderlich. Zur Verringerung der
Stickoxidemissionen von Brennkraftmaschinen, beispielsweise solchen mit Benzin- oder Diesel-Direkteinspritzung, kann beispielsweise die so genannte Sele ktive Katalytische Reduktion (SCR) eingesetzt werden. Bei diesem wird in einen Abgasstrang eine definierte Menge eines Reduktionsmittels, beispielsweise Harnstoff, eingebracht. Da Harnstoff bei normalen Umgebungsbedingungen fest ist, liegt er in einer Harnstoff-Wasser-Lösung vor, die in das Abgas eingespritzt wird. Der Harnstoff reagiert in einer ersten Reaktionsstufe mit Wasser zu Ammoniak und Kohlendioxid. In einer zweiten Reaktionsstufe reduziert das Ammoniak die im Abgas enthaltenen Stickoxide zu Stickstoff,' wobei als Nebenprodukt Wasser erzeugt wird. c Aus der DE 101 39 142 AI ist ein Abgasnachbehandlungssystem für e-iπe Brennkraftmaschine bekannt, bei dem eine Pumpe eine Harnstoff-Wasser-Lösung aus einem Vorratsbehälter zu einer ischkam er fördert, in der mittels Druckluft ein Aerosol erzeugt wird, welches schließlich in das Abgas der L0 Brennkraftmaschine eingespritzt wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Wirkungsgrad der Abgasnachbehandlung zu verbessern.
L5 Diese Aufgabe wird bei einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das Abgasnachbehandlungssystem einen Druckspeicher umfasst, in den die Fördereinrichtung fördert, in dem die Wirksubstanz unter Druck speicherbar ist, und an den die
20 Einspritzvorrichtung direkt angeschlossen ist.
Vorteile der Erfindung 5 Ein erster Vorteil bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine liegt darin, dass die Wirksubstanz von der Einspritzvorrichtung aufgrund des erhöhten Drucks im Druckspeicher, der prinzipbedingt dann auch in der Einspritzvorrichtung vorliegt, besonders gut zerstäubt 0 werden kann, so dass das hierdurch entstehende Spray eine gute Aufbereitungsqualität hat. Dies führt zu einer verbesserten ümsetzungsrate der Wirksubstanz im Abgas. Di? Zv/ischenspeicherung der Wirksubstanz im Druckspeicher gestattet, darüber hinaus gegebenenfalls den Einsatz einer 5 Fördereinrichtung mit kleinerer Förderleistung, da "Verbrauchsspitzen" bei einer entsprechenden Systemkonfiguration nicht durch eine erhöhte Förderleistung, sondern durch die im Druckspeicher zwischengespeicherte Wirksubstanz abgedeckt werden können.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
Zunächst wird vorgeschlagen, dass die Fördereinrichtung eine Vorförderpumpe und eine Hochdruckpumpe umfasst. Die
Vorförderpumpe kann beispielsweise eine Membranpumpe sein, die Hochdruckpumpe eine Kolbenpumpe. Hierdurch sind besonders hohe Drücke im Druckspeicher erzielbar, was wiederum zu einer besonders guten Zerstäubung der Wirksubstanz bei der Einspritzung in das Abgas führt.
Vorteilhaft ist ferner, wenn der Druckspeicher mit einer Druckrεgeleinrichtung verbunden ist. Dies gestattet entweder eine hohe Druckkonstanz oder, bei einer einstellbaren Druckregeleinrichtung, eine Variabilität des Drucks im Druckspeicher, was eine optimale Anpassung des Drucks im Drucksoeicher an den augenblicklichen Betriebszustand des Abgasnachbehandlungssystems und/oder der Brennkraftmaschine ermöglicht.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass sie eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung umfasst, welche die Förderleistung der Fördereinrichtung, den Druck im Druckspeicher, den Zeitpunkt der Einspritzung der Wirksubstanz, und/oder die Dauer einer Einspritzung de* Wirksubstanz abhängig vom Betriebszustand der Brennkraf maschine steuert beziehungsweise regelt. Dies gestattet einen besonders sparsamen Verbrauch der Wirksubstanz bei gleichzeitig optimaler ümset zungsrate des Wirksubstanz im Abgas.
Die Kosten für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine können gesenkt werden, wenn die Fördereinrichtung, der
Druckspeicher, und/oder die Einspritzvorrichtung von jenem Typ sind, wie er bei direkteinspritzenden KraftstoffSystemen verwendet wird. In Frage kommen hier insbesondere jene KraftstoffSysteme, welche mit einer Kraftstoff-Sammelleitung ( "Common-Rail" ) arbeiten.
Gegebenenfalls müssen solche Systeme ausgewählt werden, deren Fördereinrichtungen nicht durch das geförderte Fluid geschmiert werden.
Eine weitere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Wirksubstanz Harnstoff umfasst. Dabei ist der Harnstoff im allgemeinen in einer wässrigen Lösung gebunden' und ungefährlich, ermöglicht jedoch eine wirkungsvolle Reduktion der Stickoxide im Abgas.
In Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass der Druckspeicher beheizbar ist. Die üblicherweise verwendete Harnstoff-Wasser-Lösung hat die Eigenschaft, bei Temperaturen unter minus 11 °C zu gefrieren, das heißt vom flüssigen in den festen Zustand überzugehen. Durch die Beheizbarkeit des Druckspeichers wird die
Funktionsfähigkeit des Abgasnachbehandlungssystems auch bei derart, tiefen Temperaturen sichergestellt.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine der obigen Art. Es wird vorgeschlagen, dass die Förderleistung der Fördereinrichtung, der Druck in dem Druckspeicher, der Zeitpunkt der Einspritzung der Wirksubstanz, und/oder die Dauer der Einspritzung der Wirksubstanz von aktuellen Betriebsparametern der Brennkraftmaschine abhängen. Hierdurch wird eine besonders wirkungsvolle Reduktion, der Schadstoffemissionen im Abgas erzielt bei gleichzeitig geringem Verbrauch an Wirksubstanz.
In Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass die Betriebsparameter eine Drehzahl einer Kurbelwelle, ein Drehmoment der Brennkraftmaschine, eine in einen Brennraum eingespritzte Kraftstoffmasse, eine Temperatur der Brennkraftmaschine, eine Temperatur der Umgebungsluft, eine Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft, eine Temperatur vor und/oder hinter einem Katalysator, einen N0κ- und/oder NH3- Gehalt im Abgas, und/oder ein Kraftstoff-Luftverhältnis im Brennraum, oder jeweils eine äquivalente Größe umfassen. Diese Betriebsparameter werden bei vielen
Brennkraftmaschine ohnehin erfasst, sodass für Ihre Verwendung keine zusätzlichen Sensoren erforderlich sind, was die Kosten der Brennkraftmaschine senkt. Vor allem die Verwendung eines NOx- oder NH3-Gehalts im Abgas gestattet eine geregelte Dosierung der Wirksubstanz und gegebenenfalls sogar eine Adaption der für die Dosierung verwendeten Modelle.
Die entsprechenden Steuer- beziehungsweise Regelalgorithmen liegen üblicherweise bereits vor, da die für die Berechnung der Dosiermengen nötigen Ein- und Ausgangsgrößen in ähnlicher Form im "Rahmen der Kraftstoff-Direkteinspritzung verwendet werden und daher bereits weitestgehend vorliegen. Denkbar ist auch, dass die Berechnung und Applikation der für die Einspritzung beziehungsweise Dosierung der
Wirksubstanz erforderlichen Daten anhand von Kennfeldern der Brennkraftmaschine ermittelt werden können. Hierdurch könnte ein zusätzliches Steuergerät eingespart werden, und bestimmte Mengenkorrekturen könnten parallel auf der Basis entsprechender Korrekturkoeffizien en, die bei der Steuerung der Brennkraftmaschine berechnet werden, durchgeführt werden.
Zeichnung
Machfolgend wird ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert . In der Zeichnung zeigen:
Figur 1 eine Prinzipskizze einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasnachbehandlungssystem; und
Figur 2 eine Darstellung der Ein- und Ausgangsgrößen zur Steuerung beziehungsweise Regelung des Abgasnachbehandlungssystems von Figur 1,
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In Figur 1 trägt eine Brennkraftmaschine insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie umfasst mehrere Brennräume, von denen in Figur 1 aus Darstellungsgründen nur einer mit dem Bezugszeichen 12 gezeigt ist. Verbrennungsluft gelangt in den Brennraum 12 über ein Einlassventil 14 und ein Ansaugrohr 16. Eine Temperatur TAMS und eine Luftfeuchtigkeit FANS der angesaugten Umgebungsluft werden von Sensoren 15 und 17 erfasst. Die heißen Verbrennungsabgase v/erden aus dem Brennraum 12 über ein Auslassventil 18 und ein Abgasrohr 20 abgeleitet. Im Betrieb wird eine Kurbelwelle 21 in Drehung versetzt. Kraftstoff gelangt in den Brennraum 12 direkt durch eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 22. Bei dem eingespritzten Kraftstoff handelt es sich im vorliegende Ausführungsbeispiel um Diesel-Kraftstoff. Die Kraftstoff-Einsprit∑vorric'ntung 22 ist an eine Kraftstoff- Sammelleitung 24 ("Rail") angeschlossen. In dieser ist der Kraftstoff unter hohem Druck gespeichert. Er gelangt in die Kraftstoff-Sammelleitung 24 durch eine Kraftstoff- Hochdruckpumpe 26, die von einer Vorförderpumpe 28 gespeist wird. Diese fördert aus einem Kraftstoffbehälter 30. Der Druck in der Kraftstoff-Sammelleitung 24 wird von einem Sensor 32 erfasst und über einen Druckregler 34 eingestellt. Zur Einstellung der Fördermenge der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 26 dient ein Mengensteuerventil 36. Die oben genannten Komponenten 22 bis 36 sind Teil eines KraftstoffSystems .37.
Um schädliche Emissionen im Abgas der Brennkraftmaschine 10 zu verringern, umfasst diese ein Abgasnachbehandlungssystem 38. Dieses umfasst einen im Abgasrohr 20 angeordneten Oxidationskatalysator 39, der NO in N02 umwandelt, sowie einen Katalysator 40, mit dem die im Abgas zunächst enthaltenen Schadstoffe reduziert werden. Stromaufwärts vom Katalysator 40 sind im Abgasrohr 20 ein Temperatursensor 41 zur Erfassung der Temperatur TSCR des Abgases und eine Einspritzvorrichtung 42 angeordnet. Durch diese kann eine Wirksubstanz, im vorliegenden Ausführungsbeispiel Harnstoff 43, in das im Abgasrohr 20 strömende Abgas eingespritzt werden. Hierzu liegt der Harnstoff in Wasser gelöst vor, es wird also letztlich eine Harnstoff-Wasser-Lösung eingespritzt. Hinter dem Katalysator 40 sind eine Lambdasonde 45 und ein NO:<-Sensor 47 vorhanden.
Die Harnstoff-Wasser-Lösung 43 ist in einem Harnstoffbehälter 44 gelagert. Eine Vorförderpumpe 46 fordert die Harnstoff-Wasser-Lösung 43 aus dem Harnstoffbehälter 44 zu einer Hochdruckpumpe 48 (die beiden Pumpen 46 und 48 bilden zusammen eine Fördereinrichtung 49). Diese komprimiert die Harnstoff-Wasser-Lösung 43 auf einen sehr hohen Druck und fördert sie zu einem Harnstoff- Druckspeicher 50. Dieser kann beispielsweise röhr- oder kugelförmig ausgebildet sein. An ihn ist wiederum die Einspritzvorrichtung 42 angeschlossen.
Der Druck im Harnstoff-Druckspeicher 50 wird von einem Drucksensor 52 erfasst. Der Druck im Druckspeicher 50 wird durch einen Druckregler 54, die Fördermenge der Hochdruck- Harnstoffpumpe 48 durch ein Mengensteuerventil 56 eingestellt. Sämtliche Komponenten des Abgasnachbehandlungssystems 38, mit Ausnahme des Katalysators 40 und der Einspritzvorrichtung 42, können durch eine elektrische Heizeinrichtung 58 beheizt werden.
Der Betrieb der Brennkraftmaschine 10, einschließlich des KraftstoffSystems 37, wird von einem Steuer- und Regelgerät 60 gesteuert beziehungsweise geregelt. Dieses erhält Signale von zahlreichen Sensoren, beispielsweise den beiden Drucksensoren 32 und' 52, jedoch noch weiterer, in Figur 1 nicht dargestellter Sensoren, und steuert entsprechende Stell- und Regeleinrichtungen an, beispielsweise die Einspritzvorrichtungen 22 und 42, die Mengensteuerventile 36 und 56 und die Druckregler 34 und 54, die dazu führen, dass die Brennkraftmaschine 10 eine gewünschte Leistung abgibt bei einem möglichst geringen Kraftstoffverbrauch und einem optimalen Emissionsverhalten. Auch der Betrieb des Abgasnachbehandlungssystems 38 wird vom Steuer- und Regelgerät 60 gesteuert beziehungsweise geregelt.
Wie aus Figur 2 hervorgeht, v/erden hierzu in einen Verarbeitungsblock 62 verschiedene Eingangsgrößen eingespeist. Hierzu gehört eine Drehzahl N der Kurbelwelle 21, eine relative Luftfüllung RL im Brennraum 12, eine in den Brennraum 12 von der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 22 eingespritzte relative Kraftstoffmasse RK, eine Temperatur TMOT der Brennkraftmaschine 10 (beispielsweise eine Kühlwasser- oder, Zylinderkopftemperatur) , sowie das Kraftstoff-Luft-Verhältnis im Brennraum 12, welches üblicherweise durch die Luftzahl LAM3DA dargestellt wird. Weitere Größen können eine Temperatur TSCR des Katalysators 40, eine relative Feuchtigkeit FANS der angesaugten Luft, beispielsweise eine Temperatur TANS der Umgebungsluft, oder ein MOκ-Wert sein.
Im Verarbeitungsblock 62 werden aus diesen Größen die für den Betrieb des Abgasnachbehandlungssystems 38 erforderlichen Stellgrößen bestimmt. Hierzu gehören ein Druck PR_HDS im Harnstoff-Druckspeicher 50, eine
Ansteuerspannung U_HDS für das Mengensteuerventil 56, durch die wiederum eine Fördermenge M_HDS der Fördereinrichtung 49 eingestellt wird, eine Einspritzdauer TI_HDS der Harnstoff 43-Einspritzvorrichtung 42, sowie ein Bit B_HEIZ, durch welches die Heizeinrichtung 58 ein- beziehungsweise ausgeschaltet wird.
Man erkennt, dass bei der Brennkraftmaschine 10 der Betrieb des Abgasnachbehandlungssystems 38 wesentlich durch Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 10 gesteuert wird.
Durch den Druck PR_HDS im Harnstoff-Druckspeicher 50 sowie die Einspritzdauer TI_HDS der Harnstoff- Einspritzvorrichtung 42 kann zum einen die eingespritzte Menge und zum anderen der Zerstäubungsgrad der Harnstoff- Wasser-Lösung 43 auf die aktuellen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine 10 ausgerichtet werden. Hierdurch ist einerseits eine optimale Umsetzung der eingespritzten Harnstoff-Wasser-Lösung 43 gewährleistet, was zu einer Reduktion der Schadstoffemissionen führt, und andererseits kann die Harnstoff-Wasser-Lesung 43 sehr sparsam eingesetzt werden, da vermieden werden kann, dass zuviel Ammoniak erzeugt wird, .gleichzeitig aber dennoch eine fast 100%ige Um≤etzungsrate gewährleistet werden kann.
Dabei kann der Druck im Harnstoff-Druckspeicher 50, ähnlich wie beim KraftstoffSystem 37, sehr hoch sein und im Bereich von 50 bar, gegebenenfalls sogar einigen hundert bar bis über tausend bar liegen. Die für das Abgasnachbehandlungssystem 38 eingesetzten Komponenten können ähnlich zu den Komponenten des KraftstoffSystems 37 sein. Gegebenenfalls können zumindest bereichsweise auch identische Komponenten eingesetzt v/erden. Auch die im Verarbeitungsblock 62 verwendeten Verarbeitungsmuster können denen ähneln oder sogar zu jenen identisch sein, welche zur Steuerung beziehungsweise Regelung des
KraftstoffSystems 37 verwendet werden. Üblicherweise wird im Verarbeitungsblock 62 der Druck PR_HDS vor allem von der Drehzahl N der Kurbelwelle 21 und von der Temperatur TSCR des Abgases abhängen. Bei konstanter Drehzahl kann über den Druckregler 54 und das Mengensteuerventil 56 ein konstanter Druck im Harnstoff-Druckspeicher 50 eingestellt werden.
Bei dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Harnstoff-Wasser-Lösung 43 von der Harnstoff- Einspritzvorrichtung 42 unmittelbar in das Abgasrohr '20 eingespritzt. Möglich ist aber auch, dass in die Harnstoff- Einspritzvorrichtung 42 auch Luft eingespeist wird und diese in der Harnstoff-Einspritzvorrichtung 42 oder beim Austritt aus dieser mit der Harnstoff-Wasser-Lösung 43 vermischt wird.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird als Wirksubstanz Harnstoff 43 genannt. Es versteht- sich, dass bei der beschriebenen Ausgestaltung des Abgasnachbehandlungssystems 38 als Wirksubstanz aber auch jedes andere Wirkmittel eingesetzt v/erden kann, solange es in das Abgas eingespritzt werden kann. In rage kommt beispielsweise d: ili i b r-L u
Figure imgf000013_0001
allgemein die Einspitzung von HC, oder auch die Einspritzung gasförmiger oder pulvriger Substanzen.
Außerdem sei darauf hingewiesen, dass verschiedene Komponenten im Rahmen der obigen Beschreibung der Einfachheit halber nur als "Harnstoff-Komponenten bezeichnet wurden (beispielsweise "Harnstoff- Druckspeicher") , obwohl bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel selbstverständlich kein reiner Harnstoff, sondern immer eine Harnstoff-Wasser-Lösung verwendet wird.

Claims

Ansprüche
1. Brennkraftmaschine (10), insbesondere mit Kraftstoff- Direkteinspritzung, mit einem Abgasnachbehandlungssystem (38) zur Verminderung von Schadstoffen im Abgas, v/elches umfasst: einen Vorratsbehälter (44) mit einer Wirksubstanz (43), eine Fördereinrichtung (49) zum Fördern der Wirksubstanz (43) , und eine Einspritzvorrichtung (42) zum Einspritzen der Wirksubstanz (43) in das Abgas, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasnachbehandlungssystem (38) einen Druckspeicher (50) umfasst, in den die
Fördereinrichtung (49) fördert, in dem die Wirksubstanz (43) unter Druck speicherbar ist, und an den die Einspritzvorrichtung (42) direkt angeschlossen ist.
2. Brennkraftmaschine (10) nach .Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördereinrichtung eine
Vorförderpumpe (46) und eine Hochdruckpumpe (48) umfasst.
3. Brennkraftmaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckspeicher (50) mit einer Druckregeleinrichtung (54) verbunden ist.
4. Brennkraftmaschine (10) nach einem der' vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie. eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung (60) umfasst, welche die Förderleistung (M_HDS) der Fördereinrichtung (49) , den Druck (PR_HDS) im Druckspeicher (50) , den Zeitpunkt der Einspritzung der Wirksubstanz, und/oder die Dauer (TI_HDS) einer Einspritzung der Wirksubstanz abhängig vcm Betriebs zustand (M, RL, RK, TMOT, LAM3DA) der Brennkraftmaschine (10) steuert beziehungsweise regelt.
5. Brennkraft aschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördereinrichtung (49), der Druckspeicher (50), und/oder die Einspritzvorrichtung (42) von jenem Typ sind, wie er bei direkteinspritzenden KraftstoffSystemen (37) verwendet wird.
6. Brennkraftmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirksubstanz Harnstoff ist.
7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckspeicher (50) beheizbar ist (58) .
8. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderleistung (M_HD'S) der Fördereinrichtung (49), der Druck (PR_HDS) in dem Druckspeicher (50), der Zeitpunkt der Einspritzung der Wirksubstanz, und/oder die Dauer (TI__HDS) der Einspritzung der Wirksubstanz von aktuellen Betriebsparametern ( , RL, RK, TMOT, TAMS, FANS, TΞCR, MOX, LAMBDA) der Brennkraftmaschine (10) abhängen.
9.. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsparameter eine Drehzahl (N) einer Kurbelwelle (21), ein Drehmoment der Brennkraftmaschine (10), eine in einen Brennraum (12) eingespritzte Kraftstoffmasse (RK), eine Temperatur (TMOT) der
Brennkraftmaschine (10), eine Temperatur (TA S) der Umgebungsluft, eine Feuchtigkeit (FANS) der ümgebungsluft, eine Temperatur (TSCR) vor und/oder hinter einem Katalysator (40), einen NO:<- und/oder MH3-Gehalt (NOX) im Abgas, und/oder ein Kraftstoff-Luft erhältnis (LAMBDA) im Brennraum (12), oder jeweils eine äquivalente Größe (RL) umfassen.
10. Computerprogramm., dadurch gekennzeichnet, dass es zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9 programmiert ist.
11. Elektrisches Speichermedium für eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung (60) einer Brennkraftmaschine (10), dadurch gekennzeichnet, dass auf ihm ein Computerprogramm zur Anwendung in einem Verfahren der Ansprüche 8 oder 9 abgespeichert ist.
12. Steuer- und/oder Regeleinrichtung (60) für eine Brennkraftmaschine (10) , dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9 programmiert ist.
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