WO2005093235A1 - Verfahren und vorrichtung zum betrieb einer brennkraftmaschine mit abgasturboaufladung - Google Patents

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Berthold Keppeler
Arno Nolte
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Daimlerchrysler Ag
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Definitions

  • the invention relates to a method for operating an internal combustion engine with exhaust gas turbocharging, in which the exhaust gas turbine, at least in the event of a positive change in the load of the internal combustion engine, by an additional fuel and / or air supply with an increased exhaust gas mass flow and by converting the exhaust gas mass flow in a catalytic converter with an additionally increased one Exhaust gas energy is applied so that the exhaust gas turbocharger is accelerated to a higher turbocharger speed and a higher boost pressure, as well as a device for this method.
  • the exhaust gas mass flow is increased by an additional injection of fuel into the exhaust gas, and the exhaust gas energy in the exhaust gas mass flow is greatly increased overall by the afterburning of the unburned fuel components in the catalytic converter.
  • the exhaust gas turbocharger is then acted on with this increased exhaust gas energy, thereby causing a rapid acceleration of the exhaust gas turbocharger speed to a higher speed and thus to a higher boost pressure is achieved. This results in the internal combustion engine responding quickly with a high torque build-up even at low engine speeds.
  • the invention is based on the object of developing the generic method in such a way that operation of the internal combustion engine is achieved with improved system efficiency and dynamics with reduced exhaust gas pollutant values.
  • a device with a simple structure for carrying out the method is specified in claim 3.
  • the starter-generator unit can be operated via the coupled exhaust gas turbocharger without operating the internal combustion engine to generate energy.
  • a reciprocating piston internal combustion engine is designated, which can be designed as a diesel or gasoline engine.
  • a total of 2 exhaust gas system is connected to the exhaust side of the cylinders.
  • This comprises an exhaust gas line 3 with a catalytic converter 4 installed near the engine and an exhaust gas turbocharger 5 located downstream, to whose exhaust gas turbine 6 the exhaust gas line 3 leading away from the outlet of the catalytic converter 4 is connected.
  • the exhaust gas turbine 6 drives the compressor 7 for conveying combustion air, to which a combustion air line 8 is connected, which ends on the intake side of the cylinders.
  • the exhaust line 2 comprises an exhaust gas recirculation line 9, which branches off from the line part of the exhaust line 3 lying between the catalytic converter 4 and the exhaust gas turbocharger 5, and which opens into the part of the combustion air line 8 located downstream of the compressor 7.
  • an exhaust gas recirculation valve can be arranged in the exhaust gas return line 9.
  • the arrangement of the exhaust gas recirculation line 9 downstream of the catalytic converter 4 has the advantage that the risk of the exhaust gas recirculation line 9 becoming fouled by unreacted exhaust gas components, such as hydrocarbons, is minimized, since these were previously implemented when passing through the catalyst 4.
  • the internal combustion engine 1 is suitable for an operating mode with a substoichiometric fuel / air ratio (fat mixture) as well as an overstoichiometric fuel / air ratio (lean mixture).
  • the catalytic converter 4 is designed as an oxidation catalytic converter and / or as a NOx storage catalytic converter.
  • a catalyst can also be used which, in substoichiometric operation ( ⁇ ⁇ 1), converts all or some of the excess hydrocarbons into an H 2 / CO-containing mixture (by means of partial oxidation, steam reforming, autothermal reforming or any combination thereof).
  • a secondary post-injection device 10 is arranged in the exhaust gas line 3 upstream of the catalytic converter 4 in order to introduce additional fuel into the exhaust system in a targeted manner and independently of the internal engine combustion.
  • the secondary fuel injection can either be activated in addition to an internal engine late post-injection or separately.
  • the system efficiency of the internal combustion engine and at the same time the exhaust gas emissions during the cold start are to be improved.
  • an additional amount of fuel is injected into the exhaust gas line 3 when the internal combustion engine 1 is cold started via the post-injection device 10 or an internal engine late post-injection.
  • This extra amount of force Substance is implemented together with the unburned exhaust gas components of the internal combustion engine 1 in the catalyst 4 close to the engine.
  • the catalytic converter 4 reaches its operating temperature within a very short time, so that the catalytic converter 4 is already able to convert the exhaust gas components of the internal combustion engine 1 and the unburned fuel immediately after the engine is started.
  • an increased exhaust gas mass flow with a relatively high temperature and thus overall with a high exhaust gas energy, with which the exhaust gas turbocharger 5 is acted upon, is generated already in the cold start, as a result of which the latter is accelerated from a lower speed range to an upper speed range with a higher boost pressure.
  • the catalytic converter arranged in front of the exhaust gas turbocharger 5 can be electrically heated (better cold start behavior).
  • the response of the internal combustion engine 1 can be improved in the sense of a rapid torque build-up by introducing an additional amount of fuel into the exhaust gas stream via the injection device 10 and / or an internal engine late post-injection in the event of a positive change in load on the internal combustion engine 1.
  • the entry of an additional amount of fuel into the exhaust gas stream upstream of the catalytic converter 4 increases the exhaust gas mass flow and the subsequent conversion in the catalytic converter 4 greatly increases its exhaust gas energy, so that the exhaust gas turbocharger 5 charged with this increased exhaust gas energy is accelerated, whereby the boost pressure rises rapidly, with the result that the internal combustion engine 1 responds quickly.
  • the exhaust gas turbocharger 5 is connected via a mechanical drive connection 11 to an electrical starter-generator unit 12, which generates electrical energy from the excess charging energy of the exhaust gas turbocharger 5 and is then stored in a battery 12 ,
  • an electrical starter-generator unit 12 which generates electrical energy from the excess charging energy of the exhaust gas turbocharger 5 and is then stored in a battery 12 .
  • the amount of fuel introduced can influence the operation of the exhaust gas turbocharger 5 in such a way that excess charging energy can be generated and stored on the exhaust gas turbocharger 5 even in the cold start phase, in the event of a positive change in the load of the internal combustion engine or even in constant load operation.
  • the excess charging energy stored in this way can be used both for accelerated startup of the exhaust gas turbocharger 5 and for supplying other electrical devices on the internal combustion engine 1 or on the vehicle driven by the internal combustion engine 1, thereby improving the overall system efficiency.
  • the exhaust gas turbocharger 5 should also be ramped up extremely quickly.
  • the exhaust gas turbocharger 5 is not only subjected to an increased exhaust gas energy from the exhaust gas flow, but is additionally mechanically driven by the starter-generator unit.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) mit Aufladung und mit einem Abgasnachbehandlungssystem, das einen motornahe angeordneten Katalysator (4), einen stromab angeordneten Abgasturbolader (5) sowie eine Nacheinspritzeinrichung (10) zum Einbringen einer zusätzlichen Kraftstoffmenge in den Abgasstrom stromauf des Katalysators (4) umfasst. Ferner ist noch eine Abgasrückführleitung (9) im Abgasstrang zwischen Katalysator (4) und Abgasturbolader (5) vorgesehen. Um den Systemwirkungsgrad zu verbessern, wird durch eine Steuerung der zusätzlich über die Nacheinspritzeinrichtung (10) in den Abgasstrom eingebrachten Kraftstoffmenge die Wärmeenergie des den Abgasturboladers beaufschlagenden Abgasmassenstromes derart verändert, das neben einer Verbesserung des Ansprechverhaltens der Brennkraftmaschine (1) eine überschüssige Aufladeenergie am Abgasturbolader (5) erzeugt werden kann, die über eine Starter-Generator-Einheit (12) als elektrische Energie in einer Batterie (12) gespeichert und zur Unterstützung des Abgasturboladers (5) oder anderer Systeme genutzt werden kann.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung, bei dem die Ab- gasturbine zumindest bei einer positiven Laständerung der Brennkraftmaschine durch eine zusätzliche Kraftstoff- und/oder Luftzufuhr mit einem erhöhten Abgasmassenstrom und durch Umsetzen des Abgasmassenstromes in einem Katalysator mit einer zusätzlich erhöhten Abgasenergie beaufschlagt wird, so dass der Abgasturbolader beschleunigt auf einer höhere Turboladerdrehzahl und einen höheren Ladedruck hochgefahren wird sowie eine Vorrichtung für dieses Verfahren.
Aus der DE 41 39 291 AI ist ein gattungsgemäßes Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader im Abgasstrang bekannt. Stromauf des Abgasturboladers ist ein Katalysator angeordnet, der auch als Oxidationskatalysator ausgebildet sein kein.
Beim Kaltstart oder bei einer positiven Laständerung der Brennkraftmaschine wird durch eine zusätzliche Einspritzung von Kraftstoff in das Abgas der Abgasmassenstrom erhöht und durch die Nachverbrennung der unverbrannten Kraftstoffbestandteile im Katalysator die Abgasenergie im Abgasmassenstrom insgesamt stark erhöht. Mit dieser erhöhten Abgasenergie wird dann der Abgasturbolader beaufschlagt, wodurch ein schneller Hochlauf der Abgasturboladerdrehzahl auf eine höhere Drehzahl und damit auf einen höheren Ladedruck erreicht wird. Daraus resultiert ein schnelles Ansprechen der Brennkraftmaschine mit hohem Drehmomentaufbau bereits bei niedrigen Drehzahlen.
Von Nachteil ist, dass bei dem bekannten Verfahren ein Betrieb der Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung zur verbesserten Einstellung des Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine nicht möglich ist. Ferner ist es nachteilig, dass eine Verbesserung des Systemwirkungsgrades bei einer negativen Laständerung nicht vorgesehen ist. Weiterhin benötigt das System Sekundärluft um im unterstöchiometrischen Bereich (λ<l) funktionieren zu können. Zusätzlich ist die beschriebene Anordnung auf eine innermotorische Kraftstoffdosierung beschränkt .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Verfahren derart weiterzubilden, dass ein Betrieb der Brennkraftmaschine mit einem verbesserten Systemwirkungsgrad und Dynamik bei verringerten Abgasschadstoffwerten erreicht wird.
Die verfahrensgemäße Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 enthaltenen Merkmale gelöst .
Dadurch, dass eine am Abgasturbolader anfallende überschüssige Laderenergie an eine Starter-Generator-Einheit weitergeleitet wird, kann die überschüssige Energie als elektrische Energie in einer Batterie gespeichert werden. Damit steht diese überschüssige Laderenergie dem System insgesamt als zusätzliche Energie zur Verfügung, wodurch letztendlich der Systemwirkungsgrad erhöht wird.
Eine im Aufbau einfache Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist im Patentanspruch 3 angegeben. Schließlich ist auch noch vorteilhaft, dass mit Hilfe der sekundären Kraftstoffeinspritzung sowie einer sekundären Luft- einblasung die Starter-Generator-Einheit über den gekoppelten Abgasturbolader ohne den Betrieb des Verbrennungsmotors zur Energieerzeugung betrieben werden kann.
Weitere Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer einzigen Zeichnung schematisch dargestellt.
Mit 1 ist eine Hubkolben-Brennkraftmaschine bezeichnet, die als Diesel- oder Ottomotor ausgeführt sein kann. An die Auslassseite der Zylinder ist ein insgesamt mit 2 angegebener Abgasstrang angeschlossen. Dieser umfasst eine Ab- gasleitung 3 mit einem motornah eingebauten Katalysator 4 und einem stromab gelegenen Abgasturbolader 5, an dessen Abgas- turbine 6 die vom Ausgang des Katalysators 4 wegführende Ab- gasleitung 3 angeschlossen ist. Von der Abgasturbine 6 wird der Verdichter 7 zur Förderung von Verbrennungsluft angetrieben, an den eine Verbrennungsluftleitung 8 angeschlossen ist, die auf der Einlassseite der Zylinder endet.
Ferner umfasst der Abgasstrang 2 eine Abgasruckfuhrleitung 9, die von dem zwischen Katalysator 4 und Abgasturbolader 5 liegenden Leitungsteil der Abgasleitung 3 abgezweigt ist, und die in den stromab des Verdichters 7 liegenden Teil der Verbrennungsluftleitung 8 einmündet. Optional kann dabei in der Abgasruckfuhrleitung 9 ein Abgasrückfuhrventil angeordnet werden. Die Anordnung der Abgasruckfuhrleitung 9 stromab des Katalysators 4 hat den Vorteil, dass die Gefahr einer Versot- tung der Abgasruckfuhrleitung 9 durch nicht umgesetzte Abgasbestandteile, wie z.B. Kohlenwasserstoffe minimiert ist, da diese zuvor beim Passieren des Katalysators 4 umgesetzt wurden.
Die Brennkraftmaschine 1 ist sowohl für eine Betriebsweise mit einem unterstöchiometrischen Kraftstoff/Luft-Verhältnis (Fettgemisch) als auch einem überstöchiometrischen Kraftstoff/Luft-Verhältnis (Magergemisch) geeignet. Demzufolge ist der Katalysator 4 als ein Oxidationskatalysator und/oder als ein NOx-Speicherkatalysator ausgebildet. Optional kann auch ein Katalysator eingesetzt werden, der im unterstöchiometrischen Betrieb (λ<l) überschüssige Kohlenwasserstoffe ganz oder teilweise in ein H2/CO-haltiges Gemisch umwandelt (mittels partieller Oxidation, Dampfreformierung, autotherme Reformierung bzw. beliebige Kombinationen davon) . Dadurch werden die HC-Emissionen im unterstöchiometrischen Betrieb reduziert und gegebenenfalls die Regeneration eines optionalen NOx-Speicherkatalysators (DeNOx + DeSOx) , der stromab positioniert sein kann, erleichtert. Um gezielt und unabhängig von der innermotorischen Verbrennung zusätzlichen Kraftstoff in den Abgasstrang einzubringen (zum Anfetten und/oder zur Exothermieerzeugung) , ist in der Abgasleitung 3 stromauf des Katalysators 4 eine sekundäre Nacheinspritzeinrichtung 10 angeordnet. Die sekundäre Kraftstoffeinspritzung kann entweder zusätzlich zu einer innermotorischen späten Nacheinspritzung oder auch separat dazu aktiviert werden.
Gemäß der Erfindung soll mit Hilfe der Nacheinspritzeinrichtung 10 und/oder einer späten innermotorischen Nacheinspritzung (NE) der Systemwirkungsgrad der Brennkraftmaschine und gleichzeitig auch die Abgasemissionen im Kaltstart verbessert werden.
Hierzu wird beim Kaltstart der Brennkraftmaschine 1 über die Nacheinspritzeinrichtung 10 bzw. einer innermotorischen späten Nacheinspritzung eine zusätzliche Menge Kraftstoff in die Abgasleitung 3 eingespritzt. Diese zusätzliche Menge Kraft- stoff wird zusammen mit den unverbrannten Abgasbestandteilen der Brennkraftmaschine 1 in dem motornahen Katalysator 4 umgesetzt. Infolge der motornahen Anordnung sowie der zusätzlichen Kraftstoffmenge erreicht der Katalysator 4 innerhalb kürzester Zeit seine Betriebstemperatur, so dass bereits unmittelbar nach dem Start der Brennkraftmaschine der Katalysator 4 zur Umsetzung der Abgasbestandteile der Brennkraftmaschine 1 sowie des unverbrannten Kraftstoffes in der Lage ist . Durch diese Maßnahmen wird bereits im Kaltstart ein erhöhter Abgasmassenstrom mit einer relativ hohen Temperatur und damit insgesamt mit einer hohen Abgasenergie erzeugt, mit der der Abgasturbolader 5 beaufschlagt wird, wodurch dieser beschleunigt aus einem unteren Drehzahlbereich auf einen oberen Drehzahlbereich mit einem höheren Ladedruck hochgefahren wird. Daraus resultiert bereits in der Kaltstartphase ein schnelles Ansprechen der Brennkraftmaschine 1 mit einem hohen Drehmomentaufbau bei niedrigen Drehzahlen. Optional kann der vor dem Abgasturbolader 5 angeordnete Katalysator elektrisch beheizt werden (besseres Kaltstartverhalten) . In gleicher Weise kann bei betriebswarmer Brennkraftmaschine 1 bei einer geforderten positiven Laständerung an der Brennkraftmaschine 1 durch Einbringen einer zusätzlichen Kraftstoffmenge in den Abgasstrom über die Nachspritzeinrichtung 10 und/oder einer innermotorischen späten Nacheinspritzung das Ansprechen der Brennkraftmaschine 1 im Sinne eines schnellen Drehmomentaufbaues verbessert werden. Auch hier wird - wie beim Kaltstart - durch den Eintrag einer zusätzlichen Kraftstoffmenge in den Abgasstrom stromauf des Katalysators 4 der Abgasmassenstrom und durch die nachfolgende Umsetzung im Katalysator 4 dessen Abgasenergie stark erhöht, so dass der mit dieser erhöhten Abgasenergie beaufschlagte Abgasturbolader 5 beschleunigt hochgefahren wird, wodurch der Ladedruck schnell ansteigt mit der Folge eines schnellen An- sprechens der Brennkraftmaschine 1. Bei einer negativen Laständerung an der Brennkraftmaschine wird am Abgasturbolader 5 Aufladeenergie erzeugt, die für den Betrieb der Brennkraftmaschine 1 nicht unmittelbar genutzt werden kann. Damit diese Aufladeenergie nicht verloren geht, ist gemäß der Erfindung der Abgasturbolader 5 über eine mechanische Antriebsverbindung 11 mit einer elektrischen Starter-Generator-Einheit 12 verbunden, die aus der überschüssigen Aufladeenergie des Abgasturboladers 5 elektrische Energie erzeugt, die dann in einer Batterie 12 gespeichert wird. Im Rahmen der Erfindung ist optional vorgesehen, dass nicht nur die bei einer negativen Laständerung freiwerdende Aufladeenergie gespeichert wird, sondern grundsätzlich soll jede am Abgasturbolader 5 anfallende überschüssige Aufladeenergie über die Starter-Generator-Einheit 12 in der Batterie 13 gespeichert werden. Durch die eingebrachte Kraftstoffmenge kann der Betrieb des Abgasturboladers 5 derart beeinflusst werden, dass selbst in der Kaltstartphase, bei einer positiven Laständerung der Brennkraftmaschine oder auch bei konstantem Lastbetrieb überschüssige Aufladeenergie am Abgasturbolader 5 erzeugt und gespeichert werden kann.
Die so gespeicherte überschüssige Aufladeenergie kann sowohl für ein beschleunigtes Hochfahren des Abgasturboladers 5 als auch zur Versorgung anderer elektrischer Einrichtungen an der Brennkraftmaschine 1 bzw. an dem von der Brennkraftmaschine 1 angetriebenen Fahrzeug genutzt, wodurch insgesamt der Systemwirkungsgrad verbessert wird.
Insbesondere soll bei einer extremen positiven Laständerung der Brennkraftmaschine 1 aus einem unteren Lastbereich in einen oberen Lastbereich, ebenfalls ein extrem schnelles Hochfahren des Abgasturboladers 5 ermöglicht werden. Um dies zu erreichen, wird der Abgasturbolader 5 nicht nur mit einer erhöhten Abgasenergie aus dem Abgasstrom beaufschlagt, sondern zusätzlich noch durch die Starter-Generator-Einheit mechanisch angetrieben.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) mit Abgasturboaufladung, bei dem die Abgasturbine (6) zumindest bei einer positiven Laständerung der Brennkraftmaschine (1) durch eine zusätzliche Kraftstoff- und/oder Luftzufuhr mit einem erhöhten Abgasmassenstrom und durch Umsetzen des Abgasmassenstromes in einem Katalysator (4) mit einer zusätzlich erhöhten Abgasenergie beaufschlagt wird, so dass der Abgasturbolader (5) beschleunigt auf einer höhere Turboladerdrehzahl und einen höheren Ladedruck hochgefahren wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine bei einer positiven oder negativen Laständerung der Brennkraftmaschine (1) am Abgasturbolader (5) anfallende überschüssige Aufladeenergie einer Starter- Generator-Einheit (12) zur Erzeugung von elektrischer E- nergie zugeführt wird, die in einer Speichereinheit (Batterie 13) gespeichert wird, und dass bei einer extremen positiven Laständerung der Brennkraftmaschine aus einem unteren Lastbereich in einen oberen Lastbereich der Abgasturbolader (5) von der Starter-Generator-Einheit zusätzlich angetrieben wird, derart, das der Abgasturbolader (5) schnell beschleunigt auf eine höhere Turboladerdrehzahl mit einem höheren Ladedruck hochgefahren wird.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass unabhängig von der Stellgeschwindigkeit eines Fahrpedals und damit unabhängig von der innermotorischen Verbrennung die Nacheinspritzung (Nacheinspritzeinrichtung 10) aktiviert und/oder die Starter-Generator-Einheit (12) als Antrieb für den Abgasturbolader (5) zugeschaltet werden kann.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasstrang (2) der Brennkraftmaschine (1) ein Katalysator (4) motornah angeordnet ist, dem stromab ein Abgasturbolader (5) folgt, der mit einer Starter- Generator-Einheit (12) mechanisch schaltbar gekoppelt ist .
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Nachspritzeinrichtung (10) im Abgasstrang (2) stromauf des Katalysators (4) angeordnet ist.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Nachspritzeinrichtung (10) ein normales Kraftstoffventil mit einer Flammglühkerze ist, wodurch gleichzeitiges Dosieren, Heizen und Verdampfen von Kraftstoff möglich ist.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (4) als Oxidationskatalysator ausgebildet ist.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (4) ein NOx-Speicherkatalysator ist.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (4) aus einem Speicherkatalysator und einem Oxidationskatalysator gebildet ist.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (4) elektrisch beheizbar ist.
10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2 , gekennzeichnet durch einen Katalysator (4), der im unterstöchiometrischen Bereich (λ<l) überschüssige Kohlenwasserstoffe ganz oder teilweise in ein H2- und C0- haltiges Gemisch umwandelt.
11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Katalysator (4) und Abgasturbolader (5) vom Abgasstrang (2) eine Abgasruckfuhrleitung (9) abgezweigt ist .
12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass in Beschleunigungsphasen zur Einstellung von λ>l an der Vollastbegrenzung zusätzlich Sekundärluft in den Abgasstrang (2) stromauf des Katalysators (4) einbringbar ist .
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