WO2008012005A1 - Spark-ignited internal combustion engine for gaseous fuels, and method for the operation of such an internal combustion engine - Google Patents

Spark-ignited internal combustion engine for gaseous fuels, and method for the operation of such an internal combustion engine Download PDF

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WO2008012005A1
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Martin Bechtold
Frank Jacobi
Martin Matt
Jörg SIEVERT
Klaus Wunderlich
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Definitions

  • the invention relates to a foreign-fired internal combustion engine for gaseous fuels with the features of the preamble of claim 1 and a method for operating a foreign-fired internal combustion engine for gaseous fuels with the features of the preamble of claim. 7
  • German Offenlegungsschrift DE 102 49 274 A1 discloses a gas-fueled internal combustion engine in which a gas-air mixture is introduced into the exhaust system upstream of the catalytic converter for the purpose of rapid heating of the catalytic converter. From an air filter, air is pumped into the exhaust system by a secondary air pump. In order to improve afterburning of the exhaust gas and heating of the catalyst, gaseous fuel is supplied to the air from the secondary air pump from a gas tank via a gas valve. With the method shown, it is not possible to achieve an accurate metering of the gaseous fuel in order to produce a good fuel gas and a good mixing with the air. Depending on the operating point, different pressures prevail in the exhaust system, as a result of which different amounts of air are pumped through the secondary air pump into the exhaust system. The Problem of this device is therefore in the exact mixing of the amount of fuel to the amount of secondary air.
  • the object of the invention is in contrast to provide a foreign-fired internal combustion engine for gaseous fuels available, in addition to the heating of a catalyst during cold start air and gaseous fuel is introduced in the correct mixing ratio in the exhaust system.
  • Another object of the invention is to provide a method of operating such an internal combustion engine.
  • the inventive, externally ignited internal combustion engine for gaseous fuels has a mixing device for mixing air and gaseous fuel.
  • the mixer provides a mixture of air and gaseous fuel in a particular ratio.
  • the additional fuel gas necessary for a post-reaction is therefore not achieved by enrichment of the mixture in the cylinder, but is blown together with the secondary air into the exhaust system upstream of the catalyst. Since the injected air volume fluctuates and depends on the exhaust backpressure, it is essential for a good afterburning to be able to regulate the amount of fuel supplied as well. This is done by means of a mixing device with which a certain ratio of supplied air and additionally injected gaseous fuel is adjustable.
  • the ratio of the supplied air and the gaseous fuel to each other is fixed in the mixing device or controllable in a more complex design by a control unit depending on the operating point of the internal combustion engine.
  • the mixing device is constructed so that at least one check valve and a pressure control valve are provided.
  • the air from the secondary air pump can be attributed to the gaseous fuel.
  • the mixing device is constructed so that in each case at least one check valve and a pressure regulating valve are provided for the air and the gaseous fuel.
  • the pressure control valves in the air or fuel line are arranged within the mixing device and are regulated by the respective other gas flow so that a predetermined ratio of the two gases is maintained.
  • Any type of mixing device that adjusts a predetermined ratio of the two gases is usable, but a simple and less susceptible structure is preferable. With such a mixing device, a fuel-air mixture in the correct mixing ratio is injected into the exhaust system at each exhaust back pressure.
  • the inventive method for operating an externally ignited, operated with gaseous fuel internal combustion engine is characterized in that for the rapid heating of an exhaust gas treatment device, air and gaseous fuel is fed into an exhaust system upstream of an exhaust aftertreatment device.
  • the exhaust aftertreatment device is designed for example as a 3-way catalyst.
  • the air and the gaseous fuel burn in an exothermic reaction and heat the catalyst at the start of the engine quickly to its operating temperature.
  • the amount of fuel is metered independently of the exhaust back pressure depending on the amount of air and / or the air pressure. As a result, both a lack of air and an excess of air in the fuel gas for afterburning avoided.
  • the air and the gaseous fuel are mixed in the mixing device.
  • the catalyst can be heated in order to achieve the highest possible pollutant conversion in the catalyst.
  • a further embodiment of the method according to the invention is set in lean operation of the internal combustion engine in the mixing device rich fuel-air mixture and added to the exhaust gas.
  • Internal combustion engines with gaseous fuel, such as natural gas can be operated with a lean mixture in certain operating ranges without combustion incidents occurring.
  • a rich fuel-air mixture is adjusted in the mixing device.
  • a late ignition timing is set at stoichiometric operation of the internal combustion engine, in order thereby to delay the combustion.
  • a stoichiometric fuel-air mixture is adjusted by the mixing device and added to the exhaust gas upstream of the catalyst.
  • the ratio between the amount of air and the amount of gaseous fuel is regulated in the mixing device with pressure regulating valves connected in cross. In this way, a correct ratio between the amount of air and the amount of gaseous fuel is always set at different pressures in the exhaust system.
  • Fig. 1 is a schematic representation of
  • FIG. 2 Internal combustion engine and Fig. 2 is a schematic representation of the mixing device.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an internal combustion engine 1 for gaseous fuels, such as natural gas, shown.
  • gaseous fuels such as natural gas
  • CNG Compressed Natural Gas
  • the gaseous fuel is hereinafter referred to as fuel gas.
  • the internal combustion engine 1 consists of a motor housing 2 with a cylinder head, not shown, which is shown in four-cylinder in-line construction. However, other cylinder numbers and arrangements are also conceivable.
  • a throttle valve 3 and an intake system 4 are arranged on the internal combustion engine 1. The intake air flows through an air filter 5 and the throttle valve 3 in the intake system 4 and is passed over four individual intake 6 in the cylinder head.
  • an exhaust system 7 is provided on the internal combustion engine 1, which collects the exhaust gases from the internal combustion engine 1 in an exhaust manifold 8 and from there an exhaust aftertreatment system 9, such as a catalyst, passes. From there, the cleaned exhaust gases leave the exhaust system 7 into the environment via a silencer (not shown).
  • an air line 10, a secondary air pump 11, a mixing device 12 and a plurality of secondary air lines 13 are arranged in the immediate vicinity of the internal combustion engine 1.
  • the mixing device 12 the air with fuel gas from a fuel gas tank 14 is intensively mixed and then close to several, in particular four secondary air lines 13 of the exhaust system 7 close the internal combustion engine 1 is supplied.
  • each secondary air line 13 is connected to a single exhaust manifold pipe 15 upstream of a collection point 16.
  • a central introduction of the secondary air can be provided in a manifold of the exhaust system 7. This fuel gas-air mixture reacts exothermally or burns due to the hot exhaust gas in the exhaust system 7 and brings in this way the exhaust system 7 downstream catalyst 9 quickly to its operating temperature.
  • a rich fuel-air mixture that is, a mixture with lack of air, blown into the exhaust system 7 for afterburning, so as to exothermic reaction by afterburning obtained, which heats the catalyst 9.
  • the secondary air pump 11 is usually designed as a simple, electrically or mechanically driven pump, which is not readjusted to pressure fluctuations on the pressure side, but is controlled only to an operating state or standstill. A fluctuating back pressure on the pressure side can not be compensated by such a pump, which means that at different pressures in the exhaust system 7 different amounts of air are pumped through the secondary air pump 11.
  • a mixing device 12 is provided in order to avoid an expensive air mass meter for detecting the secondary air quantity or secondary air mass.
  • the mixing device 12 Due to the pressure conditions in the air supply via the secondary air pump and the fuel gas supply, the mixing device 12 always sets a predetermined ratio of air quantity to gas quantity. 2, a possible embodiment of such a mixing device 12 is shown schematically.
  • the mixing device 12 has a first supply line 17 for air from the secondary air pump 11 and a second supply line 18 for the fuel gas from the fuel gas tank 14 and for the fuel gas-air mixture formed later a leading-off line 19 to the four secondary air lines 13.
  • both supply lines 17, 18, the air or the fuel gas flows in each case to a pressure regulating valve 20; 21, whose control pressure from the other medium via a connection 22; 23 from a check valve 24; 25 is formed.
  • the pressure control valves 20, 21 are each connected in cross with the check valves 24, 25.
  • the air is pumped by the secondary air pump 11 via the first supply line 17 into the first pressure regulating valve 20. From there, the air flows through the first check valve 24 into the mixing chamber 26.
  • the fuel gas flows from the fuel gas tank 14 via the second supply line 18 in the second pressure control valve 21. The fuel gas is in the fuel gas tank 14 under high, but filling-dependent pressure and therefore does not need to be pumped become. From the second pressure control valve 21, the fuel via the second check valve 25 also flows into the mixing chamber 26. In the mixing chamber 26 in the mixing device 12 fuel gas and air is mixed, so that a fuel gas-air mixture is formed, which leaves the mixing device 12 and on the away Line 19 continues to flow into the four secondary air lines 13 or via a central introduction, not shown, in the exhaust system 7.
  • connection 22, 23 are the pressure control valves 20, 21 with the check valves 24, 25 of the other medium in such a cross in combination that at any time a predetermined mixing ratio between air and fuel gas is adjusted. This happens independently of the pressure in the exhaust system 7 and the dependent pressure that the secondary air pump 11 generates.
  • mixing device 12 there are also other types and designs of the mixing device 12 as the shown possible. However, it is necessary that the mixing ratio between air and fuel gas in the mixing device 12 can be set independently of the exhaust gas back pressure in the exhaust system 7.

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Abstract

Spark-ignited internal combustion engines for gaseous fuels are known in prior art. Catalytic converters for aftertreating exhaust gases are also known in prior art, said catalytic converters being rapidly heated during the warm-up period of the internal combustion engine by afterburning fuel in the emission system. The invention relates to a spark-ignited internal combustion engine (1) that is operated by means of gaseous fuel and comprises an emission system (7) with an exhaust gas aftertreatment device (9), upstream of which a mixture of air and gaseous fuel provided for afterburning can be delivered in order to increase the exhaust gas temperature. The air is supplied from a secondary air pump (11) while the gaseous fuel is supplied from a fuel gas tank (14). A mixing device (12) for mixing air and gaseous fuel is provided, said mixing device (12) supplying a mixture of air and gaseous fuel at a certain ratio. The invention applies to spark-ignited internal combustion engines for gaseous fuels.

Description

FREMDGEZUNDETE BRENNKRAFTMASCHINE FÜR GASFÖRMIGE KRAFTSTOFFE UND VERFAHREN ZUM BETRIEB EINER SOLCHEN BRENNKRAFTMASCHINE FORCED INTERNAL COMBUSTION ENGINE FOR GASEOUS FUELS AND METHOD FOR OPERATING SUCH A COMBUSTION ENGINE
Die Erfindung betrifft eine fremd gezündete Brennkraftmaschine für gasförmige Kraftstoffe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 beziehungsweise ein Verfahren zum Betrieb einer fremd gezündeten Brennkraftmaschine für gasförmige Kraftstoffe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 7.The invention relates to a foreign-fired internal combustion engine for gaseous fuels with the features of the preamble of claim 1 and a method for operating a foreign-fired internal combustion engine for gaseous fuels with the features of the preamble of claim. 7
Aus der Offenlegungsschrift DE 102 49 274 Al ist eine mit Gas betriebene Brennkraftmaschine bekannt, bei der zum Zweck einer schnellen Aufheizung des Katalysators ein Gas- Luftgemisch in die Abgasanlage stromauf des Katalysators eingebracht wird. Aus einem Luftfilter wird durch eine Sekundärluftpumpe Luft in die Abgasanlage gepumpt . Um eine Nachverbrennung des Abgases und eine Aufheizung des Katalysators zu verbessern, wird aus einem Gastank über ein Gasventil gasförmiger Kraftstoff der Luft aus der Sekundärluftpumpe zugeleitet. Mit dem gezeigten Verfahren ist es nicht möglich, eine genaue Dosierung des gasförmigen Kraftstoffs zu erreichen, um ein gutes Brenngas und ein gutes Vermischen mit der Luft zu erzeugen. In der Abgasanlage herrschen betriebspunktabhängig unterschiedliche Drücke, wodurch unterschiedliche Luftmengen durch die Sekundärluftpumpe in die Abgasanlage gepumpt werden. Das Problem dieser Vorrichtung liegt daher in der exakten Zumischung der Kraftstoffmenge zur Menge der Sekundärluft.German Offenlegungsschrift DE 102 49 274 A1 discloses a gas-fueled internal combustion engine in which a gas-air mixture is introduced into the exhaust system upstream of the catalytic converter for the purpose of rapid heating of the catalytic converter. From an air filter, air is pumped into the exhaust system by a secondary air pump. In order to improve afterburning of the exhaust gas and heating of the catalyst, gaseous fuel is supplied to the air from the secondary air pump from a gas tank via a gas valve. With the method shown, it is not possible to achieve an accurate metering of the gaseous fuel in order to produce a good fuel gas and a good mixing with the air. Depending on the operating point, different pressures prevail in the exhaust system, as a result of which different amounts of air are pumped through the secondary air pump into the exhaust system. The Problem of this device is therefore in the exact mixing of the amount of fuel to the amount of secondary air.
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine fremd gezündete Brennkraftmaschine für gasförmige Kraftstoffe zur Verfügung zu stellen, bei der zur Aufheizung eines Katalysators beim Kaltstart zusätzlich Luft und gasförmiger Kraftstoff im richtigen Mischungsverhältnis in die Abgasanlage eingebracht wird. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Brennkraftmaschine zur Verfügung zu stellen.The object of the invention is in contrast to provide a foreign-fired internal combustion engine for gaseous fuels available, in addition to the heating of a catalyst during cold start air and gaseous fuel is introduced in the correct mixing ratio in the exhaust system. Another object of the invention is to provide a method of operating such an internal combustion engine.
Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst .This object is achieved by an internal combustion engine with the features of claim 1 and by a method for operating an internal combustion engine with the features of claim 7.
Die erfindungsgemäße, fremd gezündete Brennkraftmaschine für gasförmige Kraftstoffe weist eine Mischeinrichtung zur Mischung von Luft und gasförmigem Kraftstoff auf. Die Mischeinrichtung stellt ein Gemisch von Luft und gasförmigem Kraftstoff in einem bestimmten Verhältnis bereit.The inventive, externally ignited internal combustion engine for gaseous fuels has a mixing device for mixing air and gaseous fuel. The mixer provides a mixture of air and gaseous fuel in a particular ratio.
Zukünftige Abgasgesetzgebungen erfordern ein effizientes Katalysatoraufheizen beim Start der Verbrennungskraftmaschine, um damit schnell die Betriebstemperatur des Katalysators zu erreichen und die Abgasemissionen zu verringern. Entsprechend dem Stand der Otto-Benzin-Technik wird dies durch ein fettes Brennstoff-Luftgemisch, dem im Abgastrakt über eine Sekundärluftpumpe Luft zugeführt wird, erzeugt. Durch die Nachreaktion der unverbrannten Kraftstoffbestandteile und des Kohlenmonoxids mit der eingeblasenen Luft wird in der Abgasanlage eine starke Temperaturanhebung im Abgas erreicht, die den Katalysator schnell auf Betriebstemperatur bringt . Bei Brennkraftmaschinen mit gasförmigen Kraftstoffen, wie beispielsweise Erdgas (CNG, Compressed Natural Gas) , ist aber nur eine sehr geringe Anfettung möglich, wodurch eine Katalysatoraufheizung durch nachträgliches Lufteinblasen und Nachreaktion nicht wirkungsvoll möglich ist. Das für eine Nachreaktion notwendige zusätzliche Brenngas wird deshalb nicht durch eine Anfettung des Gemischs im Zylinder erreicht, sondern wird mit der Sekundärluft zusammen in die Abgasanlage stromauf des Katalysators eingeblasen. Da die eingeblasene Luftmenge schwankt und vom Abgasgegendruck abhängt, ist es für eine gute Nachverbrennung unerlässlich, die zugeführte Kraftstoffmenge ebenfalls regeln zu können. Dies geschieht mittels einer Mischeinrichtung, mit der ein bestimmtes Verhältnis von zugeführter Luft und zusätzlich eingeblasenem gasförmigen Kraftstoff einstellbar ist.Future exhaust gas legislation requires efficient catalyst heating at the start of the internal combustion engine to quickly reach the operating temperature of the catalytic converter and reduce exhaust emissions. According to the state of the art of petrol-gasoline, this is produced by a rich fuel-air mixture, which is supplied with air in the exhaust tract via a secondary air pump. By the after-reaction of the unburned fuel components and the carbon monoxide with the injected air in the exhaust system, a strong temperature increase in the exhaust gas is achieved, which is the catalyst brings quickly to operating temperature. In internal combustion engines with gaseous fuels, such as natural gas (CNG, compressed natural gas), but only a very low enrichment is possible, whereby a catalyst heating by subsequent Lufteinblasen and post-reaction is not effectively possible. The additional fuel gas necessary for a post-reaction is therefore not achieved by enrichment of the mixture in the cylinder, but is blown together with the secondary air into the exhaust system upstream of the catalyst. Since the injected air volume fluctuates and depends on the exhaust backpressure, it is essential for a good afterburning to be able to regulate the amount of fuel supplied as well. This is done by means of a mixing device with which a certain ratio of supplied air and additionally injected gaseous fuel is adjustable.
Da der Druck in der Luftleitung von der Sekundärluftpumpe zur Abgasanlage vom Abgasruck in der Abgasanlage abhängig ist und demzufolge schwankt, ist es vorteilhaft, wenn das Verhältnis der von der Sekundärluftpumpe zugeführten Luft und des zusätzlich eingeblasenen, gasförmigen Kraftstoffs unhängig vom Druck der zugeführten Luft einstellbar ist. Auf diese Weise ist bei unterschiedlichen Abgasdrücken in unterschiedlichen Betriebszuständen jederzeit eine effektive Nachverbrennung möglich.Since the pressure in the air line from the secondary air pump to the exhaust system is dependent on the exhaust pressure in the exhaust system and therefore fluctuates, it is advantageous if the ratio of the air supplied from the secondary air pump and additionally injected, gaseous fuel is independent of the pressure of the supplied air adjustable , In this way, effective afterburning is possible at different exhaust pressures in different operating conditions at any time.
Das Verhältnis der zugeführten Luft und des gasförmigen Kraftstoffs zueinander ist in der Mischeinrichtung fest eingestellt oder in einer aufwändigeren Ausführung durch ein Steuergerät abhängig vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine steuerbar. Die Mischeinrichtung ist so aufgebaut, dass mindestens ein Rückschlagventil und ein Druckregelventil vorgesehen sind. Damit kann die Luft aus der Sekundärluftpumpe dem gasförmigen Kraftstoff zugemessen werden.The ratio of the supplied air and the gaseous fuel to each other is fixed in the mixing device or controllable in a more complex design by a control unit depending on the operating point of the internal combustion engine. The mixing device is constructed so that at least one check valve and a pressure control valve are provided. Thus, the air from the secondary air pump can be attributed to the gaseous fuel.
Die Mischeinrichtung ist so aufgebaut, dass für die Luft und den gasförmigen Kraftstoff jeweils mindestens ein Rückschlagventil und ein Druckregelventil vorgesehen sind. Die Druckregelventile in der Luft- oder Kraftstoffleitung sind innerhalb der Mischeinrichtung angeordnet und werden vom jeweils anderen Gasstrom so geregelt, dass ein vorbestimmtes Verhältnis der beiden Gase eingehalten wird. Es ist jede Art von Mischeinrichtung, die ein vorbestimmtes Verhältnis der beiden Gase einregelt, verwendbar, jedoch ist ein einfacher und wenig störanfälliger Aufbau vorzuziehen. Mit einer derartigen Mischeinrichtung wird bei jedem Abgasgegendruck ein Kraftstoff-Luft-Gemisch im richtigen Mischungsverhältnis in die Abgasanlage eingeblasen.The mixing device is constructed so that in each case at least one check valve and a pressure regulating valve are provided for the air and the gaseous fuel. The pressure control valves in the air or fuel line are arranged within the mixing device and are regulated by the respective other gas flow so that a predetermined ratio of the two gases is maintained. Any type of mixing device that adjusts a predetermined ratio of the two gases is usable, but a simple and less susceptible structure is preferable. With such a mixing device, a fuel-air mixture in the correct mixing ratio is injected into the exhaust system at each exhaust back pressure.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer fremd gezündeten, mit gasförmigem Kraftstoff betriebenen Brennkraftmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass zur schnellen Aufheizung einer Abgasnachbehandlungseinrichtung Luft und gasförmiger Kraftstoff in eine Abgasanlage stromauf einer Abgasnachbehandlungseinrichtung zugeführt wird. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung ist beispielsweise als 3- Wege-Katalysator ausgeführt. Die Luft und der gasförmige Kraftstoff verbrennen dabei in einer exothermen Reaktion und heizen beim Start der Brennkraftmaschine den Katalysator schnell auf seine Betriebstemperatur auf. Mittels einer Mischeinrichtung wird dabei unabhängig vom Abgasgegendruck die Kraftstoffmenge abhängig von der Luftmenge und/oder dem Luftdruck zugemessen. Dadurch wird sowohl ein Luftmangel als auch ein Luftüberschuss im Brenngas für die Nachverbrennung vermieden. Die Luft und der gasförmige Kraftstoff werden in der Mischeinrichtung gemischt. Auf diese Weise ist eine gute Vermischung der beiden Gase bis zum Eintritt in die Abgasanlage gewährleistet. Bei einer Vermischung der beiden Gase bereits in der Mischeinrichtung sind keine weiteren Vorrichtungen oder Verfahren notwendig, um die beiden Gase für eine gute Nachverbrennung in die Abgasanlage einzubringen. Mittels dieses Verfahrens kann beim Start der Brennkraftmaschine und bei niedrigen Abgastemperaturen außerhalb des Warmlaufs der Katalysator aufgeheizt werden, um eine möglichst hohe Schadstoffumsetzung im Katalysator zu erreichen.The inventive method for operating an externally ignited, operated with gaseous fuel internal combustion engine is characterized in that for the rapid heating of an exhaust gas treatment device, air and gaseous fuel is fed into an exhaust system upstream of an exhaust aftertreatment device. The exhaust aftertreatment device is designed for example as a 3-way catalyst. The air and the gaseous fuel burn in an exothermic reaction and heat the catalyst at the start of the engine quickly to its operating temperature. By means of a mixing device, the amount of fuel is metered independently of the exhaust back pressure depending on the amount of air and / or the air pressure. As a result, both a lack of air and an excess of air in the fuel gas for afterburning avoided. The air and the gaseous fuel are mixed in the mixing device. In this way, a good mixing of the two gases is guaranteed until it enters the exhaust system. If the two gases are already mixed in the mixing device, no further devices or processes are necessary in order to introduce the two gases into the exhaust system for good afterburning. By means of this method, at the start of the internal combustion engine and at low exhaust gas temperatures outside the warm-up, the catalyst can be heated in order to achieve the highest possible pollutant conversion in the catalyst.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei magerem Betrieb der Brennkraftmaschine in der Mischeinrichtung fettes Kraftstoff-Luft-Gemisch eingestellt und dem Abgas zugemischt. Brennkraftmaschinen mit gasförmigem Kraftstoff wie beispielsweise Erdgas können in bestimmten Betriebsbereichen mit einem mageren Gemisch betrieben werden, ohne dass es zu Störungen in der Verbrennung kommt. Um in diesem Fall jedoch trotzdem eine exotherme Nachreaktion in der Abgasanlage zu erreichen, wird in der Mischeinrichtung ein fettes Kraftstoff-Luft-Gemisch eingestellt .In a further embodiment of the method according to the invention is set in lean operation of the internal combustion engine in the mixing device rich fuel-air mixture and added to the exhaust gas. Internal combustion engines with gaseous fuel, such as natural gas, can be operated with a lean mixture in certain operating ranges without combustion incidents occurring. In order to achieve an exothermic after-reaction in the exhaust system in this case, however, a rich fuel-air mixture is adjusted in the mixing device.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei stöchiometrischem Betrieb der Brennkraftmaschine eine späte Zündzeitpunktlage eingestellt, um dadurch die Verbrennung zu verschleppen. Zusätzlich wird durch die Mischeinrichtung ein stöchiometrisches Kraftstoff- Luft-Gemisch eingestellt und dem Abgas stromauf des Katalysators zugemischt . In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird in der Mischeinrichtung das Verhältnis zwischen der Luftmenge und der Menge an gasförmigem Kraftstoff mit über in Kreuz geschalteten Druckregelventilen geregelt. Auf diese Weise wird bei verschiedenen Drücken in der Abgasanlage immer ein richtiges Verhältnis zwischen der Luftmenge und der Menge an gasförmigem Kraftstoff eingestellt.In a further embodiment of the method according to the invention, a late ignition timing is set at stoichiometric operation of the internal combustion engine, in order thereby to delay the combustion. In addition, a stoichiometric fuel-air mixture is adjusted by the mixing device and added to the exhaust gas upstream of the catalyst. In a further embodiment of the invention, the ratio between the amount of air and the amount of gaseous fuel is regulated in the mixing device with pressure regulating valves connected in cross. In this way, a correct ratio between the amount of air and the amount of gaseous fuel is always set at different pressures in the exhaust system.
Weitere Vorteile, Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ein Ausführungs- beispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert .Further advantages, features and combinations of features will become apparent from the description and the drawings. An embodiment of the invention is shown in simplified form in the drawing and explained in more detail in the following description.
Dabei zeigen:Showing:
Fig. 1 eine schematische Darstellung derFig. 1 is a schematic representation of
Brennkraftmaschine und Fig. 2 eine schematische Darstellung der Mischeinrichtung.Internal combustion engine and Fig. 2 is a schematic representation of the mixing device.
In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine 1 für gasförmige Kraftstoffe, wie beispielsweise Erdgas, gezeigt. Derartige Brennkraftmaschinen sind unter dem Begriff CNG- (Compressed Natural Gas) Brennkraftmaschine bekannt . Der gasförmige Kraftstoff wird im Folgenden als Brenngas bezeichnet. Die Brennkraftmaschine 1 besteht aus einem Motorgehäuse 2 mit einem nicht gezeigten Zylinderkopf, das in Vierzylinder-Reihenbauweise dargestellt ist. Andere Zylinderzahlen und -anordnungen sind jedoch ebenso denkbar. Ansaugseitig ist an der Brennkraftmaschine 1 eine Drosselklappe 3 und eine Sauganlage 4 angeordnet. Die Ansaugluft strömt über ein Luftfilter 5 und die Drosselklappe 3 in die Sauganlage 4 und wird über vier Einzelsaugrohre 6 in den Zylinderkopf geleitet.In Fig. 1 is a schematic representation of an internal combustion engine 1 for gaseous fuels, such as natural gas, shown. Such internal combustion engines are known by the term CNG (Compressed Natural Gas) internal combustion engine. The gaseous fuel is hereinafter referred to as fuel gas. The internal combustion engine 1 consists of a motor housing 2 with a cylinder head, not shown, which is shown in four-cylinder in-line construction. However, other cylinder numbers and arrangements are also conceivable. On the intake side, a throttle valve 3 and an intake system 4 are arranged on the internal combustion engine 1. The intake air flows through an air filter 5 and the throttle valve 3 in the intake system 4 and is passed over four individual intake 6 in the cylinder head.
Auslassseitig ist an der Brennkraftmaschine 1 eine Abgasanlage 7 vorgesehen, die die Abgase von der Brennkraftmaschine 1 in einem Abgaskrümmer 8 sammelt und von dort einer Abgasnachbehandlungsanlage 9, beispielsweise einem Katalysator, übergibt. Von dort verlassen die gereinigten Abgase über einen nicht gezeigten Schalldämpfer die Abgasanlage 7 in die Umgebung.On the exhaust side, an exhaust system 7 is provided on the internal combustion engine 1, which collects the exhaust gases from the internal combustion engine 1 in an exhaust manifold 8 and from there an exhaust aftertreatment system 9, such as a catalyst, passes. From there, the cleaned exhaust gases leave the exhaust system 7 into the environment via a silencer (not shown).
Weiterhin sind im nahen Umfeld der Brennkraftmaschine 1 eine Luftleitung 10, eine Sekundärluftpumpe 11, eine Mischeinrichtung 12 und mehrere Sekundärluftleitungen 13 angeordnet. Die Sekundärluftpumpe 11 entnimmt über die Luftleitung 10 stromauf der Drosselklappe 3 gefilterte Frischluft und fördert diese in die Mischeinrichtung 12. In der Mischeinrichtung 12 wird die Luft mit Brenngas aus einem Brenngastank 14 intensiv gemischt und danach über mehrere, insbesondere vier Sekundärluftleitungen 13 der Abgasanlage 7 nahe der Brennkraftmaschine 1 zugeführt. Dabei ist jede Sekundärluftleitung 13 mit einem einzelnen Abgaskrümmerrohr 15 stromauf einer Sammelstelle 16 verbunden. In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel kann auch eine zentrale Einleitung der Sekundärluft in ein Sammelrohr der Abgasanlage 7 vorgesehen werden. Dieses Brenngas -Luft -Gemisch reagiert auf Grund des heißen Abgases in der Abgasanlage 7 exotherm beziehungsweise verbrennt und bringt auf diese Weise den der Abgasanlage 7 nach geschalteten Katalysator 9 schnell auf seine Betriebstemperatur. Dies ist beim Start und Warmlauf der Brennkraftmaschine 1 erforderlich. Es ist aber auch möglich, bei Betriebszuständen niedriger Abgastemperatur den Katalysator 9 durch eine Nachreaktion mittels Sekundär- lufteinblasung und Brenngaszugäbe aufzuheizen. Ein fettes Kraftstoffgemisch zur Verbrennung in der Brennkraftmaschine 1 mit einer reinen Lufteinblasung zur Nachreaktion, wie es bei herkömmlichen Otto-Benzin- Brennkraftmaschinen der Fall ist, ist bei Brennkraftmaschinen mit Brenngas nicht im gesamten gewünschten Luftverhältnis möglich. Daher muss zur Sekundärluft zusätzlich Brenngas zugeführt werden. Bei einem mageren Betrieb der Brennkraftmaschine 1, das heißt bei einem Betrieb mit Luftüberschuss im Brennraum, wird zur Nachverbrennung ein fettes Kraftstoff-Luft-Gemisch, das heißt ein Gemisch mit Luftmangel, in die Abgasanlage 7 eingeblasen, um damit durch Nachverbrennung eine exotherme Reaktion zu erhalten, die den Katalysator 9 aufheizt.Furthermore, an air line 10, a secondary air pump 11, a mixing device 12 and a plurality of secondary air lines 13 are arranged in the immediate vicinity of the internal combustion engine 1. In the mixing device 12, the air with fuel gas from a fuel gas tank 14 is intensively mixed and then close to several, in particular four secondary air lines 13 of the exhaust system 7 close the internal combustion engine 1 is supplied. In this case, each secondary air line 13 is connected to a single exhaust manifold pipe 15 upstream of a collection point 16. In an embodiment not shown, a central introduction of the secondary air can be provided in a manifold of the exhaust system 7. This fuel gas-air mixture reacts exothermally or burns due to the hot exhaust gas in the exhaust system 7 and brings in this way the exhaust system 7 downstream catalyst 9 quickly to its operating temperature. This is required when starting and warming up the internal combustion engine 1. However, it is also possible, in the case of operating states of low exhaust gas temperature, to heat the catalytic converter 9 by means of a secondary reaction by means of secondary air injection and addition of fuel gas. A rich fuel mixture for combustion in the internal combustion engine 1 with a pure Lufteinblasung for post-reaction, as is the case with conventional gasoline petrol engines is not possible in internal combustion engines with fuel gas in the entire desired air ratio. Therefore, additional fuel gas must be supplied to the secondary air. In a lean operation of the internal combustion engine 1, that is, in an operation with excess air in the combustion chamber, a rich fuel-air mixture, that is, a mixture with lack of air, blown into the exhaust system 7 for afterburning, so as to exothermic reaction by afterburning obtained, which heats the catalyst 9.
Da der Abgasdruck in der Abgasanlage 7 starken Schwankungen unterworfen ist, schwankt die Luftmenge, die von der Sekundärluftpumpe 11 gegen den Abgasdruck in der Abgasanlage 7 gepumpt wird, ebenfalls. Die Sekundärluftpumpe 11 ist meist als einfache, elektrisch oder mechanisch angetriebene Pumpe ausgeführt, die auf Druckschwankungen auf der Druckseite nicht nachgeregelt wird, sondern nur auf einen Betriebszustand oder Stillstand geregelt wird. Ein schwankender Gegendruck auf der Druckseite ist durch eine derartige Pumpe nicht auszugleichen, was bedeutet, dass bei unterschiedlichen Drücken in der Abgasanlage 7 unterschiedliche Luftmengen durch die Sekundärluftpumpe 11 gepumpt werden. Um einen teuren Luftmassenmesser zur Erfassung der Sekundärluftmenge beziehungsweise Sekundärluftmasse zu vermeiden, ist eine Mischeinrichtung 12 vorgesehen. Die Mischeinrichtung 12 stellt auf Grund der Druckverhältnisse in der Luftzufuhr über die Sekundärluftpumpe und der Brenngaszufuhr immer ein vorbestimmtes Verhältnis von Luftmenge zur Gasmenge ein. In Fig. 2 ist eine mögliche Ausführungsform einer derartigen Mischeinrichtung 12 schematisch dargestellt. Die Mischeinrichtung 12 weist eine erste Zuleitung 17 für Luft aus der Sekundärluftpumpe 11 und eine zweite Zuleitung 18 für das Brenngas aus dem Brenngastank 14 und für das später entstehende Brenngas -Luft-Gemisch eine wegführende Leitung 19 zu den vier Sekundärluftleitungen 13 auf. In beiden Zuleitungen 17, 18 strömt die Luft beziehungsweise das Brenngas jeweils zu einem Druckregelventil 20; 21, dessen Regeldruck vom jeweils anderen Medium über eine Verbindung 22; 23 von einem Rückschlagventil 24; 25 gebildet wird. Die Druckregelventile 20, 21 sind jeweils über Kreuz mit den Rückschlagventilen 24, 25 geschaltet.Since the exhaust pressure in the exhaust system 7 is subject to strong fluctuations, the amount of air that is pumped by the secondary air pump 11 against the exhaust pressure in the exhaust system 7, also varies. The secondary air pump 11 is usually designed as a simple, electrically or mechanically driven pump, which is not readjusted to pressure fluctuations on the pressure side, but is controlled only to an operating state or standstill. A fluctuating back pressure on the pressure side can not be compensated by such a pump, which means that at different pressures in the exhaust system 7 different amounts of air are pumped through the secondary air pump 11. In order to avoid an expensive air mass meter for detecting the secondary air quantity or secondary air mass, a mixing device 12 is provided. Due to the pressure conditions in the air supply via the secondary air pump and the fuel gas supply, the mixing device 12 always sets a predetermined ratio of air quantity to gas quantity. 2, a possible embodiment of such a mixing device 12 is shown schematically. The mixing device 12 has a first supply line 17 for air from the secondary air pump 11 and a second supply line 18 for the fuel gas from the fuel gas tank 14 and for the fuel gas-air mixture formed later a leading-off line 19 to the four secondary air lines 13. In both supply lines 17, 18, the air or the fuel gas flows in each case to a pressure regulating valve 20; 21, whose control pressure from the other medium via a connection 22; 23 from a check valve 24; 25 is formed. The pressure control valves 20, 21 are each connected in cross with the check valves 24, 25.
Die Luft wird von der Sekundärluftpumpe 11 über die erste Zuleitung 17 in das erste Druckregelventil 20 gepumpt. Von dort strömt die Luft über das erste Rückschlagventil 24 in den Mischraum 26. Das Brenngas strömt aus dem Brenngastank 14 über die zweite Zuleitung 18 in das zweite Druckregelventil 21. Das Brenngas steht im Brenngastank 14 unter hohem, aber füllungsabhängigem Druck und muss deshalb nicht gepumpt werden. Vom zweiten Druckregelventil 21 strömt der Kraftstoff über das zweite Rückschlagventil 25 ebenfalls in den Mischraum 26. Im Mischraum 26 in der Mischeinrichtung 12 wird Brenngas und Luft gemischt, so dass ein Brenngas-Luft-Gemisch entsteht, das die Mischeinrichtung 12 verlässt und über die wegführende Leitung 19 in die vier Sekundärluftleitungen 13 beziehungsweise über eine nicht gezeigte zentrale Einleitung in die Abgasanlage 7 weiterströmt. Durch die Verbindungen 22, 23 stehen die Druckregelventile 20, 21 mit den Rückschlagventilen 24, 25 des jeweils anderen Mediums so über Kreuz in Verbindung, dass jederzeit ein vorherbestimmtes Mischungsverhältnis zwischen Luft und Brenngas eingeregelt wird. Dies geschieht unabhängig vom Druck in der Abgasanlage 7 und vom davon abhängigen Druck, den die Sekundärluftpumpe 11 erzeugt.The air is pumped by the secondary air pump 11 via the first supply line 17 into the first pressure regulating valve 20. From there, the air flows through the first check valve 24 into the mixing chamber 26. The fuel gas flows from the fuel gas tank 14 via the second supply line 18 in the second pressure control valve 21. The fuel gas is in the fuel gas tank 14 under high, but filling-dependent pressure and therefore does not need to be pumped become. From the second pressure control valve 21, the fuel via the second check valve 25 also flows into the mixing chamber 26. In the mixing chamber 26 in the mixing device 12 fuel gas and air is mixed, so that a fuel gas-air mixture is formed, which leaves the mixing device 12 and on the away Line 19 continues to flow into the four secondary air lines 13 or via a central introduction, not shown, in the exhaust system 7. Through the connections 22, 23 are the pressure control valves 20, 21 with the check valves 24, 25 of the other medium in such a cross in combination that at any time a predetermined mixing ratio between air and fuel gas is adjusted. This happens independently of the pressure in the exhaust system 7 and the dependent pressure that the secondary air pump 11 generates.
Bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine 1 mit Luftüber- schuss, so genannter Magerbetrieb, und bei niedriger Abgastemperatur ist es möglich, durch ein Steuergerät 27 gesteuert, das Verhältnis von Luft und Brenngas in der Mischeinrichtung 12 in Richtung eines Brenngasüberschusses zu verschieben, um dadurch eine erhöhte exotherme Nachreaktion in der Abgasanlage 7 zu erreichen.In an operation of the internal combustion engine 1 with excess air, so-called lean operation, and at low exhaust gas temperature, it is possible controlled by a controller 27 to shift the ratio of air and fuel gas in the mixing device 12 in the direction of a fuel gas excess, thereby increasing To achieve exothermic after-reaction in the exhaust system 7.
Es sind auch andere Bauformen und Ausführungen der Mischeinrichtung 12 als die gezeigte möglich. Es ist jedoch notwendig, dass das Mischungsverhältnis zwischen Luft und Brenngas in der Mischeinrichtung 12 unabhängig vom Abgasgegendruck in der Abgasanlage 7 eingestellt werden kann. There are also other types and designs of the mixing device 12 as the shown possible. However, it is necessary that the mixing ratio between air and fuel gas in the mixing device 12 can be set independently of the exhaust gas back pressure in the exhaust system 7.

Claims

DaimlerChrysler AGPatentansprüche DaimlerChrysler AGPatent claims
1. Fremdgezündete, mit gasförmigem Kraftstoff betriebene Brennkraftmaschine (1) mit einer Abgasanlage (7) mit einer Abgasnachbehandlungseinrichtung, wobei stromauf der Abgasnachbehandlungseinrichtung zur Erhöhung der Abgastemperatur ein zur Nachverbrennung vorgesehenes Gemisch aus Luft und gasförmigem Kraftstoff zuführbar ist, wobei die Luft aus einer Sekundärluftpumpe (11) und der gasförmige Kraftstoff aus einem Kraftstoffgastank (14) stammen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mischeinrichtung (12) zur Mischung von Luft und gasförmigem Kraftstoff vorgesehen ist, die ein Gemisch von Luft und gasförmigem Kraftstoff in einem bestimmten Verhältnis von Luft und gasförmigem Kraftstoff bereitstellt .1. Foreign-ignited, with gaseous fuel-powered internal combustion engine (1) with an exhaust system (7) with an exhaust aftertreatment device, wherein upstream of the exhaust aftertreatment device for increasing the exhaust gas temperature for Nachverbrennung provided mixture of air and gaseous fuel can be supplied, wherein the air from a secondary air pump ( 11) and the gaseous fuel originate from a fuel gas tank (14), characterized in that a mixing device (12) is provided for mixing air and gaseous fuel, which is a mixture of air and gaseous fuel in a certain ratio of air and gaseous fuel provides.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass in der Mischeinrichtung (12) das Verhältnis der zugeführten Luft und des gasförmigen Kraftstoffs unabhängig vom Druck der zugeführten Luft einstellbar ist. 2. Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that in the mixing device (12), the ratio of the supplied air and the gaseous fuel is independent of the pressure of the supplied air adjustable.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Mischeinrichtung (12) das Verhältnis der zugeführten Luft und des gasförmigen Kraftstoffs fest eingestellt oder durch ein Steuergerät (27) betriebspunktabhängig steuerbar ist.3. Internal combustion engine according to claim 1 or 2, characterized in that in the mixing device (12), the ratio of the supplied air and the gaseous fuel fixed or controlled by a control unit (27) operating point dependent.
4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischeinrichtung (12) mindestens ein Rückschlagventil (24, 25) und mindestens ein Druckregelventil (20, 21) aufweist .4. Internal combustion engine according to one of claims 1 to 3, characterized in that the mixing device (12) has at least one check valve (24, 25) and at least one pressure regulating valve (20, 21).
5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischeinrichtung (12) für die Luft und den gasförmigen Kraftstoff jeweils mindestens ein erstes und ein zweites Rückschlagventil (24 , 25), und mindestens ein erstes und ein zweites Druckregelventil (20, 21) aufweist .5. Internal combustion engine according to one of claims 1 to 4, characterized in that the mixing device (12) for the air and the gaseous fuel in each case at least a first and a second check valve (24, 25), and at least a first and a second pressure regulating valve ( 20, 21).
6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Mischeinrichtung (12) sowohl das erste Rückschlagventil (24) der Luft und das zweite Druckregelventil (21) des gasförmigen Kraftstoffs als auch das zweite Rückschlagventil (25) des gasförmigen Kraftstoffs und das erste Druckregelventil (20) der Luft miteinander verbunden sind.6. Internal combustion engine according to claim 5, characterized in that in the mixing device (12) both the first check valve (24) of the air and the second pressure control valve (21) of the gaseous fuel and the second check valve (25) of the gaseous fuel and the first Pressure control valve (20) of the air are interconnected.
7. Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten, mit gasförmigem Kraftstoff betriebenen Brennkraftmaschine (1) mit einer Abgasanlage (7) mit einer Abgasnachbehandlungseinrichtung, wobei stromauf der Abgasnachbehandlungs- einrichtung zur Erhöhung der Abgastemperatur ein zur Nachverbrennung vorgesehenes Gemisch aus Luft und gasförmigem Kraftstoff zugeführt wird, wobei die Luft aus einer Sekundärluftpumpe (11) und der gasförmige Kraftstoff aus einem Kraftstoffgastank (14) stammen, dadurch gekennzeichnet, dass zur schnellen Aufheizung der Abgasnachbehandlungseinrichtung (9) Luft und gasförmiger Kraftstoff in eine Abgasanlage (7) stromauf der Abgasnachbehandlungseinrichtung (9) zugeführt wird, wobei mittels einer Mischeinrichtung (12) unabhängig vom Abgasgegendruck die Kraftstoffmenge abhängig von der Luftmenge und/oder dem Luftdruck zugemessen wird.7. A method for operating a spark-ignited, operated with gaseous fuel internal combustion engine (1) with an exhaust system (7) with an exhaust aftertreatment device, wherein upstream of the exhaust aftertreatment Device for increasing the exhaust gas temperature is supplied to a post-combustion intended mixture of air and gaseous fuel, wherein the air from a secondary air pump (11) and the gaseous fuel from a fuel gas tank (14), characterized in that for rapid heating of the exhaust aftertreatment device (9 Air and gaseous fuel in an exhaust system (7) upstream of the exhaust aftertreatment device (9) is supplied, wherein by means of a mixing device (12) regardless of the exhaust back pressure, the amount of fuel is metered depending on the amount of air and / or the air pressure.
8. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei magerem Betrieb der Brennkraftmaschine (1) in der Mischeinrichtung (12) ein fettes Kraftstoff-Luft-Gemisch eingestellt und dem Abgas zugemischt wird.8. A method for operating an internal combustion engine according to claim 7, characterized in that when lean operation of the internal combustion engine (1) in the mixing device (12) set a rich fuel-air mixture and the exhaust gas is mixed.
9. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet, dass bei stöchiometrischem Betrieb der Brennkraftmaschine (1) eine späte Zündzeitpunktlage eingestellt wird und in der Mischeinrichtung (12) ein stöchiometrisches Kraftstoff- Luft-Gemisch zugemischt wird.9. A method for operating an internal combustion engine according to claim 8, characterized in that at stoichiometric operation of the internal combustion engine (1) a late Zündzeitpunktlage is set and in the mixing device (12) a stoichiometric fuel-air mixture is added.
10. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Mischeinrichtung (12) das Verhältnis zwischen der10. A method for operating an internal combustion engine according to claim 8 or 9, characterized in that in the mixing device (12), the ratio between the
Luftmenge und der Menge an gasförmigem Kraftstoff mit über in Kreuz geschalteten Druckregelventilen (20, 21) geregelt wird. Air quantity and the amount of gaseous fuel with is regulated by cross-connected pressure control valves (20, 21).
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