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AT3750U1 - Fremdgezündete brennkraftmaschine - Google Patents

Fremdgezündete brennkraftmaschine Download PDF

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AT3750U1
AT3750U1 AT0074799U AT74799U AT3750U1 AT 3750 U1 AT3750 U1 AT 3750U1 AT 0074799 U AT0074799 U AT 0074799U AT 74799 U AT74799 U AT 74799U AT 3750 U1 AT3750 U1 AT 3750U1
Authority
AT
Austria
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line
exhaust gas
exhaust
branch
catalytic converter
Prior art date
Application number
AT0074799U
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English (en)
Inventor
Gerhard Dipl Ing Holy
Walter Dr Piock
Eduard Dipl Ing Unger
Original Assignee
Avl List Gmbh
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Publication date
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine fremdgezündete Brennkraftmaschine (1) mit einem Abgasstrang (3) und einer Einlaßleitung (13), wobei im Abgasstrang (3) stromaufwärts eines NO`X- Speicherkatalysators (5) zur Abgaskühlung eine über eine Umgehungsleitung (8) umgehbare Abgaszweigleitung (7) angeordnet ist, und der Durchfluß durch die Abgaszweigleitung (7) und/oder die Umgehungsleitung (8) über zumindest ein Steuerventil (19) veränderbar ist, und wobei vorzugsweise im Abgasstrang (3) zwischen einer Abzweigung (9) einer zur Einlaßleitung (13) führenden Abgasrückführleitung (12) und einem Verzweigungsknoten (18) der Abgaszweigleitung (7) und der Umgehungsleitung (8) ein Vorkatalysator (4) angeordnet ist. Um den Kraftstoffverbrauch und die Abgasqualität auf möglichst einfache Art zu verbessern und die vorzeitige Alterung des NO`X- Speicherkatalysators (5) zu verhindern, ist vorgesehen, daß das Steuerventil (19) stromabwärts der Abzweigung (9) Abgasrückführleitung (12) im Bereich des Verzweigungsknotens (18) oder eines Vereinigungsknotens (20) der Abgaszweigleitung (7) und der Umgehungsleitung (8) angeordnet ist, wobei die Abgasrückführleitung (12) stromabwärts eines Verdichters (14) in die Einlaßleitung (13) einmündet.

Description


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  Die Erfindung betrifft eine fremdgezündete Brennkraftmaschine mit einem Abgasstrang und einer Einlassleitung, wobei im Abgasstrang stromaufwärts eines NOx-Speicherkatalysator zur Abgaskühlung eine über eine Umgehungsleitung umgehbare Abgaszweigleitung angeordnet ist, und der Durchfluss durch die Abgaszweigleitung und/oder die Umgehungsleitung über zumindest ein Steuerventil veränderbar ist, und wobei vorzugsweise im Abgasstrang zwischen einer Abzweigung einer zur Einlassleitung führenden Abgasrückführleitung und einem Ver- zweigungsknoten der Abgaszweigleitung und der Umgehungsleitung ein Vorkatalysator an- geordnet ist. 



  Fremdgezündete Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung verfügen aufgrund eines besse- ren thermischen Wirkungsgrades im Schichtbetrieb des Motors über einen geringeren Ener- gieeintrag ins Kühlwasser als Brennkraftmaschinen mit Gemischansaugung. Diese verlang- samte Aufheizung des Kühlmittels führt allerdings im Vergleich mit gemischansaugenden Brennkraftmaschinen zu höheren   Reibleistungen   der direkt einspritzenden Brennkraft- maschinen im Motorwarmlauf. 



  Um den NOx-Ausstoss bei direkt einspritzenden Otto-Motoren unter das vom Gesetzgeber vorgeschriebene Mass zu reduzieren, werden   NOx-Speicherkatalysatoren   eingesetzt. Speicher- oder Adsorberkatalysatoren verfügen über ein bestimmtes Temperaturfenster, in welchem eine NOx-Konvertierung stattfindet. Dieses Temperaturfenster bestimmt im wesentlichen den Be- triebsbereich der direkt einspritzenden Otto-Brennkraftmaschine, in dem mit überstöchio- metrischem Motorbetrieb gefahren werden kann. Bei Verlassen des Temperaturfensters muss zur Reduktion der NOx-Produktion der   #-Wert   reduziert werden, was den Treibstoffverbrauch erhöht.

   Speicherkatalysatoren sind ausserdem empfindlich auf hohe Temperaturen und weisen bei Abgastemperaturen, welche eine spezifische Alterungstemperatur überschreiten, eine ver- stärkte Neigung zu einer irreversiblen Katalysatoralterung auf. Um diese Schädigung zu ver- meiden ist es bekannt, zum Schutz des Katalysators vor zu hohen Abgastemperaturen das Ab- gas mit einem Bypass-System am Adsorber vorbeizuleiten oder bei Überschreiten einer be- stimmten Abgastemperatur auf stark unterstöchiometrischen Motorbetrieb umzuschalten. Dies wirkt sich allerdings nachteilig auf die Abgasqualität und/oder den Treibstoffverbrauch aus. 



  In der Gebrauchsmusteranmeldung 14 GM 152/99 der Anmelderin wurde bereits vorge- schlagen, stromaufwärts des NOx-Speicherkatalysators einen Abgaskühler anzuordnen, um auf möglichst einfache Weise Treibstoffverbrauch und Abgasemissionen zu reduzieren und um einen wirksamen Schutz für den NOx-Speicherkatalysator bereitzustellen. 



  Es ist weiters bekannt, bei einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine zwischen einem Vor- katalysator und einem NOx-Speicherkatalysator eine umgehbare Kühlstrecke vorzusehen, wobei der Durchfluss durch die Kühlstrecke über eine Abgasklappe gesteuert werden kann. 



  Dadurch ist ein Temperatur-Management des NOx-Speicherkatalysators möglich. Eine derar- tige Abgasanlagenkonfiguration wurde beim 9. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motor- 

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 technik 1999, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 4. bis 6. Oktober 1999, im Beitrag "Bestandsaufnahme und Perspektiven zur Abgasreinigung am Otto-Motor - Auf dem Weg zur Niedrigstemission", Dipl.-Ing. Anton Waltner et al., in Abb. 25, S. 31, vor- geschlagen. 



  Zur weiteren Verminderung des Treibstoffverbrauches und der Abgasemissionen ist eine Ausweitung des Schichtbetriebes wünschenswert. Zur Vermeidung eines unakzeptablen Er- höhung der Stickoxidemissionen bietet sich die bekannte Technologie der Abgasrückführung an. Eine interne Abgasrückführung kann durch Verstellung der Steuerzeiten bewerkstelligt werden. Nachteilig dabei ist allerdings der Kostenaufwand für die   Ventilsteuerzeiten-Verstell-   einrichtungen, die für Ein- und Auslassventile benötigt werden. Als kostengünstige Alternative kann die bekannte externe Abgasrückführung mit Durchflusssteuerung eingesetzt werden, bei der eine Abgasrückführleitung vom Abgasstrang in die Einlassleitung stromaufwärts eines Verdichters einmündet. 



  Bei aufgeladenem Magerbetrieb steigt allerdings im   Ansaugsammlerbereich   der Ladedruck an und würde eine Abgasrückführung behindern. Um trotzdem genügend externes Abgas rück- führen zu können, ist das Aufbringen eines Gegendruckes im Abgasstrang stromabwärts der Abzweigung der Abgasrückführleitung notwendig. Es ist bekannt, zur Aufbringung eines Ge- gendruckes im Abgasstrang eine Stauklappe vorzusehen. Problematisch ist allerdings, dass bei erweiterem Magerbetrieb bei Otto-Motoren hohe Abgastemperaturen auftreten, welche über dem Temperaturfenster des NOx-Speicherkatalysators liegen, wodurch die entstehenden Stickoxide nicht mehr eingespeichert werden können. 



  Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und bei einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art auf möglichst einfache Weise Treibstoffverbrauch und Abgas- emissionen zu reduzieren. Dabei soll gleichzeitig ein wirksamer Schutz für den   NOx-Spei-   cherkatalysator bereitgestellt werden. 



  Erfindungsgemäss erfolgt dies dadurch, dass das Steuerventil stromabwärts der Abzweigung im Bereich des Verzweigungsknotens oder eines Vereinigungsknotens der Abgaszweigleitung und der Umgehungsleitung angeordnet ist, wobei die Abgasrückführleitung stromabwärts eines Verdichters in die Einlassleitung einmündet. 



  Dadurch kann mit einem einzigen Steuerventil sowohl der Durchfluss durch den Abgaskühler, als auch der Staudruck im Abgasstrang gesteuert werden. 



  Der Abgaskühler kann in den Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine integriert sein. Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass der Abgaskühler in einem eigenen Kühlkreislauf angeordnet ist, welcher über einen Wärmetauscher mit dem Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine ther- misch verbunden ist. Dadurch können zur Kühlung des Motors und des Abgases verschiedene Kühlmedien verwendet werden. Im Warmlauf des Motors wird das Kühlmittel durch die Energie des Abgases aufgeheizt und führt dadurch zu einer rascheren Erwärmung der Brenn- kraftmaschine. Durch die raschere Erwärmung des Motors kann die Reibleistung im Motor-   warmlaufwesentlich   verringert werden.

   Weiters ermöglicht der Abgaskühler eine Aufweitung 

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 des Betriebsbereiches, in welchem die Brennkraftmaschine überstöchiometrisch betrieben werden kann, da die Abgastemperatur vor dem NOx-Speicherkatalysator durch den Abgas- kühler innerhalb des Betriebsfensters des NOx-Speicherkatalysators gehalten werden kann. 



  Dadurch ergibt sich gewissermassen eine Entkoppelung der Abgastemperatur vor dem NOx- Speicherkatalysator von der Abgastemperatur am Zylinderaustritt, wodurch der überstöchio- metrische Betriebsbereich stark ausgedehnt und der Kraftstoffverbrauch wesentlich reduziert werden kann. Der Abgaskühler verhindert weiters, dass die Temperatur des in den NOx-Spei- cherkatalysators einströmenden Abgases die spezifische Alterungstemperatur überschreitet, wodurch der Abgaskühler gleichzeitig einen wirksamen Schutz für den NOx -Speicherkataly- sator bietet. Der Abgaskühler muss dabei so ausgelegt sein, dass die Eintrittstemperatur in den NOx-Speicherkatalysator in keinem Betriebszustand der Brennkraftmaschine die jeweilige Alterungstemperatur überschreiten kann. 



  Darüberhinaus kann über das Steuerventil ein hoher Abgasgegendruck erzeugt werden, sodass insbesondere auch im aufgeladenen Magerbetrieb hohe   Abgasrückführmengen   möglich sind, was bei ausgeweitetem Schichtbetrieb die   Stickoxidbildung   wesentlich reduziert. 



  Im Magerbetrieb bei niedriger Last, im Warmlauf bei höherer Last sowie im Vollastbetrieb ist der Durchfluss durch die Umgehungsleitung unbehindert freigegeben, so dass weder eine Kühlung noch eine Drosselung des Abgases erfolgt. Im Magerbetrieb bei mittlerer Last wird der Umgehungsweg zumindest teilweise geschlossen, der Durchfluss durch die Abgas- zweigleitung bleibt aber geöffnet. Das Abgas gelangt somit gekühlt in den NOx-Speicher- katalysator. Mit steigender Last wird auch die Abgaszweigleitung gedrosselt, so dass der Ab- gasgegendruck ansteigt, und eine Abgasrückführung ermöglichst wird. Bei Vollast und hoher Drehzahlen kommt es zu einem starken Ansteigen der Abgastemperaturen. Um ein Über- schreiten des Temperaturfensters des NOx-Katalysators zu vermeiden, kann in diesem Be- triebsbereich ein Teil des Abgastromes über den Abgaskühler geleitet werden. 



  Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. 



  Es zeigen schematisch Fig. 1 eine erfindungsgemässe Brennkraftmaschine, Fig. 2 bis 4 ein Steuerventil dieser Brennkraftmaschine in verschiedenen Stellungen und Fig. 5 ein Kennfeld der Brennkraftmaschine. 



  Fig. 1 zeigt schematisch eine fremdgezündete, direkt einspritzende Brennkraftmaschine 1 mit mehreren Zylindern 2, und einem von den Zylindern 2 ausgehenden Abgasstrang 3. Der Ab- gasstrang 3 weist einen Vorkatalysator 4 und einen De-NOx-Speicherkatalysator 5 auf. Zwi- schen dem Vorkatalysator 4 und dem   NOx-Speicherkatalysator   5 ist ein Abgaskühler 6 in einer Abgaszweigleitung 7 angeordnet, welcher über eine Umgehungsleitung 8 umgehbar ist. 



  Im Vereinigungsknoten 20 der Abgaszweigleitung 7 und der Umgehungsleitung 8 ist ein Steuerventil 19 angeordnet. Alternativ dazu kann das Steuerventil 19 auch im Verzweigungs- knoten 18 der Abgaszweigleitung 7 und der Umgehungsleitung 8 positioniert sein, wie durch strichlierte Linien in Fig. 1 angedeutet ist. Der Abgaskühler 6 kann an den Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine 1 angeschlossen sein. Alternativ dazu kann der Abgaskühler 6 auch in einem vom Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine 1 unabhängigen Kühlkreislauf angeordnet 

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 sein, welcher über einen Wärmetauscher mit dem Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine thermisch verbunden ist. 



  Die Brennkraftmaschine 1 weist weiters ein Abgasrückführsystem 11mit einer Abgasrück- führleitung 12 auf, welche stromaufwärts des Vorkatalysators 4 vom Abgasstrang 3 abzweigt und in die Einlassleitung 13 stromaufwärts eines Verdichters 14 und einer Drosselklappe 15 einmündet. Die Abzweigung vom Abgasstrang 3 ist mit Bezugszeichen 9, die Einmündung in die Einlassleitung 13 mit 10 bezeichnet. Mit Bezugszeichen 16 ist ein Einlasssammler ange- deutet. Die rückgeführte Abgasmenge ist über ein in der Abgasrückführleitung 12 angeord- netes Abgasrückführventil 17 steuerbar. Der Verdichter 14 kann mechanisch durch die Brenn- kraftmaschine 1 oder über eine Abgasturbine angetrieben sein. 



  Über das Steuerventil 19 ist sowohl der Durchfluss durch den Kühler 6, als auch der Staudruck im Abgasstrang 3 einstellbar. Dadurch kann ein Gegendruck im Abgasstrang 3 erzeugt wer- den, welcher bei aufgeladenem Magerbetrieb mit relativ hohem Ladedruck in der Einlasslei- tung 13eine Abgasrückführung ermöglicht. 



  Die Fig. 2 bis 4 zeigen verschiedene Durchflussstellungen eines im Vereinigungsknoten 20 angeordneten Steuerventils 19, wobei das Steuerventil 19 als asymmetrischer Drehschieber ausgebildet ist. 



  In Fig. 2 ist dabei eine erste Durchflussstellung A dargestellt, bei der der Durchfluss durch die Umgehungsleitung 8, als auch durch die Abgaszweigleitung 7 ungehindert erfolgen kann. In Durchflussstellung A erfolgt weder eine Kühlung, noch ein Aufstauen des Abgases. Diese Durchflussstellung kann bei Magerbetrieb mit niederer Last, bei Warmlauf mit höherer Last, sowie bei Vollast eingenommen werden. 



  Fig. 3 zeigt das Steuerventil 19 in einer zweiten Durchflussstellung B, bei der der Durchfluss durch die Abgaszweigleitung 7 vollständig freigegeben, der Durchfluss durch die Umge- hungsleitung 8 aber zumindest teilweise blockiert ist. Mit den Pfeilen 21 ist die Abgasströ- mung angedeutet. In der Stellung B wird somit ein Abgaskühlbetrieb ohne wesentliche Ab- gasdrosselung erreicht, was im Magerbetrieb bei mittlerer Last aber auch im Vollastbetrieb bei hoher Drehzahl gewünscht ist. 



  In der in Fig. 4 dargestellten dritten Durchflussstellung C des Steuerventiles 19 ist die Umge- hungsleitung 8 vollständig, die Abgaszweigleitung 7 teilweise gesperrt, so dass der Abgas- strom mehr oder weniger stark gedrosselt wird. Diese Stellung C des Steuerventiles 19 er- möglicht einen Stau- und Abgaskühlbetrieb, welcher bei Magerbetrieb bei höherer Last er- wünscht ist. Es wird somit ein relativ hoher Gegendruck im Abgasstrang 3 erzeugt, welcher auch beim aufgeladenen Magerbetrieb, bei dem ein relativ hoher Ladedruck in der Einlasslei- tung 13 herrscht, eine ausreichende Abgasrückführung ermöglicht, um eine gute NOx-Reduk- tion zu erreichen.

   Gleichzeitig wird der Abgasstrom zum   NOx-Speicherkatalysator   5 gekühlt und somit verhindert, dass die Temperatur des in den NOx-Speicherkatalysator einströmenden Abgases dessen spezifische Alterungstemperatur überschreitet. 

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  Fig. 5 zeigt ein Motorkennfeld der erfindungsgemässen Brennkraftmaschine, wobei der Mitteldruck p über der Motordrehzahl n aufgetragen ist. Im Kennfeld sind die beschriebenen Durchflussstellungen A, B, C eingezeichnet.

Claims (4)

  1. ANSPRÜCHE 1 Fremdgezündete Brennkraftmaschine (1) mit einem Abgasstrang (3) und einer Einlasslei- tung (13), wobei im Abgasstrang (3) stromaufwärts eines NOx-Speicherkatalysator (5) zur Abgaskühlung eine über eine Umgehungsleitung (8) umgehbare Abgaszweigleitung (7) angeordnet ist, und der Durchfluss durch die Abgaszweigleitung (7) und/oder die Umgehungsleitung (8) über zumindest ein Steuerventil (19) veränderbar ist, und wobei vorzugsweise im Abgasstrang (3) zwischen einer Abzweigung (9) einer zur Einlasslei- tung (13) führenden Abgasrückführleitung (12) und einem Verzweigungsknoten (18) der Abgaszweigleitung (7) und der Umgehungsleitung (8) ein Vorkatalysator (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (19) stromabwärts der Abzweigung (9) im Bereich eines Verzweigungsknotens (18) oder eines Vereinigungsknotens (20) der Abgaszweigleitung (7)
    und der Umgehungsleitung (8) angeordnet ist, wobei die Abgas- rückfiihrleitung (12) stromabwärts eines Verdichters (14) in die Einlassleitung (13) ein- mündet.
  2. 2. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuer- ventil (19) als Drehschieber ausgebildet ist.
  3. 3. Verfahren zum Betreiben einer magerbetriebenen aufgeladenen Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung und einem NOx -Speicherkatalysator im Abgasstrang, dadurch ge- kennzeichnet, dass das Abgas - im Magerbetrieb bei niedriger Last, im Warmlauf bei höherer Last sowie bei Vollast ungekühlt und ungedrosselt zum NOx-Speicherkatalysator geführt wird, - im Magerbetrieb bei mittlerer Last gekühlt zum NOx -Speicherkatalysator geführt wird, und - im Magerbetrieb bei höherer Last zwischen Mittellast und Vollast gekühlt und der Abgasstrang stromaufwärts des NOx-Speicherkatalysators gedrosselt wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas bei Vollast und hoher Drehzahl zumindest teilweise gekühlt zum NOx-Speicherkatalysator geleitet wird.
AT0074799U 1999-10-28 1999-10-28 Fremdgezündete brennkraftmaschine AT3750U1 (de)

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