DE102010052102B4 - Method for operating an engine - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Betrieb eines Triebwerks mit einem Verbrennungsmotor oder einem Verbrennungsmotor und einer alternativ oder zusätzlich einschaltbaren, emissionsfreien Antriebsquelle, wobei die mittels eines Brenners (4) erzeugte Wärme einer Abgasbehandlungseinrichtung (2) und/oder einem Wärmetauscher (5) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmestrom des Brenners (4) mittels einer Umschaltklappe (7) dem Wärmetauscher (5) zuführbar ist, wobei die Wärme des Brenners (4) vollständig für die Erwärmung eines Fahrgastraums eines Fahrzeugs genutzt wird.Method for operating an engine with an internal combustion engine or an internal combustion engine and an alternatively or additionally switchable, emission-free drive source, the heat generated by means of a burner (4) being supplied to an exhaust gas treatment device (2) and/or a heat exchanger (5), characterized in that that the heat flow from the burner (4) can be fed to the heat exchanger (5) by means of a switching flap (7), the heat from the burner (4) being used entirely for heating a passenger compartment of a vehicle.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Triebwerks, insbesondere eines Fahrzeugs, mit einem Verbrennungsmotor oder einem Verbrennungsmotor und einer alternativ oder zusätzlich einschaltbaren, emissionsfreien Antriebsquelle wobei die mittels eines Brenners erzeugte Wärme der Abgasbehandlungseinrichtung und/oder einem Wärmetauscher zugeführt wird.The invention relates to a method for operating an engine, in particular a vehicle, with an internal combustion engine or an internal combustion engine and an alternatively or additionally switchable, emission-free drive source, wherein the heat generated by a burner is supplied to the exhaust gas treatment device and/or a heat exchanger.
Die Druckschrift
Aus
Ein Wasserheizgerät zur Erwärmung von Kühlwasser eines Verbrennungsmotors ist aus der
Ein Verfahren der genannten Art ist aus der Druckschrift
Die Druckschrift
Es sind Fahrzeuge mit ausschließlich einem Verbrennungsmotor als Triebwerk bekannt. Weiterhin gibt es Fahrzeuge, deren Triebwerke einen Verbrennungsmotor und eine weitere Antriebsquelle umfassen. Diese weitere Antriebsquelle kann eine alternativ oder zusätzlich einschaltbare, emissionsfreie Antriebsquelle sein. Bei Hybridtriebwerken werden die verschiedenen Antriebskomponenten derart kombiniert, dass die jeweiligen Vorteile bei den unterschiedlichen Betriebszuständen des Triebwerks genutzt werden. Als Hauptantriebsquelle dient üblicherweise ein Verbrennungsmotor, welcher gegenüber anderen Antriebsarten bei vergleichbarem baulichen Aufwand eine höhere Leistung bieten kann und darüber hinaus eine größere Reichweite und einen höheren Wirkungsgrad aufweist. Der Betrieb eines Verbrennungsmotors bringt jedoch das bekannte Problem der Schadstofferzeugung bei der Kraftstoffverbrennung mit sich. Um die Abgasemissionen zu senken, werden üblicherweise in der Abgasleitung des Verbrennungsmotors Katalysatoren zur Reinigung des letztlich in die Umwelt entlassenen Abgases angeordnet. Die katalytische Reaktion im Abgas zur Reduktion von Kohlenwasserstoffen, Kohlenoxiden und Stickoxiden läuft bei Reaktionstemperaturen im Katalysator von etwa 300 bis 400 °C ab. Um insbesondere beim Start des Verbrennungsmotors hohe Abgasemissionen zu vermeiden, wurde bereits vorgeschlagen, beheizbare Katalysatoren zu verwenden und den Verbrennungsmotor erst nach Erreichen der Reaktionstemperatur des Katalysators zu starten.Vehicles with only an internal combustion engine as a power unit are known. There are also vehicles whose engines include an internal combustion engine and another drive source. This further drive source can be an alternatively or additionally switchable, emission-free drive source. In hybrid engines, the various drive components are combined in such a way that the respective advantages are used in the different operating states of the engine. The main drive source is usually an internal combustion engine, which can offer higher performance compared to other types of drive with comparable structural effort and also has a greater range and higher efficiency. However, the operation of an internal combustion engine brings with it the well-known problem of pollutant production during fuel combustion. In order to reduce exhaust emissions, catalytic converters are usually arranged in the exhaust pipe of the internal combustion engine to clean the exhaust gas that is ultimately released into the environment. The catalytic reaction in the exhaust gas to reduce hydrocarbons, carbon oxides and nitrogen oxides takes place at reaction temperatures in the catalytic converter of around 300 to 400 °C. In order to avoid high exhaust gas emissions, particularly when starting the internal combustion engine, it has already been proposed to use heatable catalytic converters and to start the internal combustion engine only after the reaction temperature of the catalytic converter has been reached.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Hybridtriebwerken wird der Brenner zur Erwärmung der Abgasbehandlungseinrichtung erst bei einer Startanforderung des Verbrennungsmotors aktiviert. Der Start des Verbrennungsmotors erfolgt jedoch erst nach Erreichen der Betriebstemperatur der Abgasbehandlungseinrichtung. Da das Erwärmen der Abgasbehandlungseinrichtung eine bestimmte Zeit dauert, kann der Verbrennungsmotor nicht sofort bei einer Startanforderung gestartet werden. Darüber hinaus muss auch bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor und vor allem bei ausschließlich elektrisch angetriebenen Fahrzeugen der Fahrgastraum des Fahrzeugs erwärmt werden können. Hierzu muss dann die emissionsfreie Antriebsquelle, beispielsweise die elektrische Energie, genutzt werden, die demnach zunächst nicht für die Fortbewegung des Fahrzeugs zur Verfügung steht.In the hybrid engines known from the prior art, the burner for heating the exhaust gas treatment device is only activated when the internal combustion engine requests a start. However, the internal combustion engine only starts after the exhaust gas treatment device has reached the operating temperature. Since the exhaust gas treatment device takes a certain time to warm up, the internal combustion engine cannot be started immediately upon a start request. In addition, it must be possible to warm the passenger compartment of the vehicle even when the combustion engine is switched off and especially in exclusively electrically powered vehicles. For this purpose, the emission-free drive source, for example electrical energy, must be used, which is therefore initially not available to move the vehicle.
Weiterhin muss die Abgasbehandlungseinrichtung regelmäßig regeneriert werden. Dies erfolgt üblicherweise mittels einer Erwärmung der Abgasbehandlungseinrichtung auf eine Regenerationstemperatur. Dazu muss der Verbrennungsmotor entsprechend temperiertes Abgas bereitstellen. Der Verbrennungsmotor ist jedoch nicht jederzeit, vor allem nicht bei Hybridtriebwerken, in einem Betriebszustand, der eine solche Anforderung an das Abgas erfüllen kann.Furthermore, the exhaust gas treatment device must be regenerated regularly. This is usually done by heating the exhaust gas treatment device to a regeneration temperature. To do this, the combustion engine must provide appropriately tempered exhaust gas. However, the internal combustion engine is not always in an operating state that can meet such exhaust gas requirements, especially not in the case of hybrid engines.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines Triebwerks der eingangs genannten Art derart auszuführen, dass möglichst viel der für die emissionsfreie Antriebsquelle mitgeführten Energie für die Fortbewegung des Fahrzeugs zur Verfügung steht, der Verbrennungsmotor bei einer Startanforderung schnell gestartet werden kann und/oder die Abgasbehandlungseinrichtung jederzeit regeneriert werden kann, wobei der Energieverbrauch der Brenners möglichst gering ist. Durch den Einsatz des Brenners werden die Betriebstemperatur, die Anspringtemperatur und/oder der Light-Off der Abgasbehandlungseinrichtung schnell erreicht.Against this background, the invention is based on the object of carrying out a method for operating an engine of the type mentioned in such a way that as much of the energy carried for the emission-free drive source is available for the movement of the vehicle and the internal combustion engine can be started quickly when a start request is made can and / or the exhaust gas treatment device can be regenerated at any time, with the energy consumption of the Bren ners is as low as possible. By using the burner, the operating temperature, the light-off temperature and/or the light-off of the exhaust gas treatment device are reached quickly.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Der Unteranspruch betrifft eine besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.This object is achieved with a method according to the features of
Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren vorgesehen, das mit einem Triebwerk ausführbar ist, bei dem zwischen der Abgasbehandlungseinrichtung und dem Brenner ein Wärmetauscher angeordnet ist. Hierdurch ist es möglich, die Komfortwärme für den Fahrgastraum des Fahrzeugs oder Regenerationstemperatur des Abgases für die Abgasbehandlungseinrichtung durch den Brenner zu unterstützen oder ausschließlich mittels des Brenners zu erzeugen. Die für die emissionsfreie Antriebsquelle vorgesehene Energie steht somit vollständig für die Fortbewegung des Fahrzeugs zur Verfügung. Darüber hinaus kann die Abgasbehandlungseinrichtung vor einem Kaltstart des Verbrennungsmotors mittels des Brenners erwärmt und so das Kaltstartverhalten des Triebwerks verbessert werden. Der Brenner kann darüber hinaus auch als Standheizung eingesetzt werden.According to the invention, a method is provided which can be carried out with an engine in which a heat exchanger is arranged between the exhaust gas treatment device and the burner. This makes it possible to support the comfort heat for the passenger compartment of the vehicle or the regeneration temperature of the exhaust gas for the exhaust gas treatment device through the burner or to generate it exclusively by means of the burner. The energy intended for the emission-free drive source is therefore completely available for the movement of the vehicle. In addition, the exhaust gas treatment device can be heated by means of the burner before a cold start of the internal combustion engine, thus improving the cold start behavior of the engine. The burner can also be used as an auxiliary heater.
Durch den Einsatz eines hochdynamischen und in weiten Bereichen der Leistung und Luftzahl modellierbaren Brenners wird es möglich, ein Triebwerk für das erfindungsgemäße Verfahren zu schaffen, bei dem sämtliche für die Fortbewegung des Fahrzeugs mitgeführte Energie der Fortbewegung zur Verfügung steht. Dabei hat es sich als günstig erwiesen, dass der Brenner für feste, flüssige und/oder gasförmige Brennstoffe geeignet ist. Vorzugsweise werden als Brennstoffe Fluide wie Gas, Öl, Diesel, Benzin oder regenerative Brennstoffe wie Pflanzenöl, Ethanol oder Biogas verwendet. Darüber hinaus wird es durch den Einsatz eines Verdichters in einer Zuluftleitung des Brenners möglich, die zugeführte Frischluft und/oder das zugeführte Luft-Brennstoff-Gemisch mit Druck aufzuladen und so die Leistung des Brenners und dessen Wirkungsgrad zu verbessern.By using a highly dynamic burner that can be modeled in wide ranges of power and air ratio, it is possible to create an engine for the method according to the invention in which all of the energy carried for the movement of the vehicle is available. It has proven to be advantageous that the burner is suitable for solid, liquid and/or gaseous fuels. Fluids such as gas, oil, diesel, gasoline or renewable fuels such as vegetable oil, ethanol or biogas are preferably used as fuels. In addition, the use of a compressor in a supply air line of the burner makes it possible to charge the supplied fresh air and/or the supplied air-fuel mixture with pressure and thus improve the performance of the burner and its efficiency.
Vor dem Start des Verbrennungsmotors ist die Abgasbehandlungseinrichtung noch kalt oder kann nach dem Abschalten auskühlen. Daher ist es günstig, dass der Wärmetauscher eine Umgehung aufweist. Hierdurch ist es möglich, dass die mit dem Brenner erzeugte Wärme teilweise oder vollständig für die Erwärmung der Abgasbehandlungseinrichtung genutzt werden kann. Bei einem Hybridtriebwerk, welches zeitweilig ausschließlich von der emissionsfreien Antriebsquelle betrieben wird, kann so das Auskühlen der Abgasbehandlungseinrichtung durch kontinuierliche Wärmezufuhr unterbunden werden. Dies ermöglicht einen schnellen Wiederstart des Verbrennungsmotors.Before the internal combustion engine starts, the exhaust gas treatment device is still cold or can cool down after it is switched off. It is therefore advantageous for the heat exchanger to have a bypass. This makes it possible for the heat generated by the burner to be used partially or completely to heat the exhaust gas treatment device. In the case of a hybrid engine, which is temporarily operated exclusively by the emission-free drive source, the exhaust gas treatment device can be prevented from cooling down by continuously supplying heat. This enables the combustion engine to restart quickly.
Mittels einer Umschaltklappe kann die Wärme des Brenners zu dem Wärmetauscher oder zu der Umgehung geführt werden. Vorteilhaft ist es, dass die Umschaltklappe in zumindest drei Schaltstellungen positionierbar ist. Hierdurch ist es möglich, den Anteil der zum Wärmetauscher und/oder zur Umgehung geführten Energie entsprechend dem Betriebszustand des Triebwerks festzulegen. Beispielsweise wird für die Regeneration der Abgasbehandlungseinrichtung das Abgas ausschließlich über die Umgehung geführt. Vorzugsweise ist die Umschaltklappe stufenlos einstellbar. In einer günstigen Ausführungsform ist die Umschaltklappe motorisch angetrieben.By means of a switching flap, the heat from the burner can be directed to the heat exchanger or to the bypass. It is advantageous that the switching flap can be positioned in at least three switching positions. This makes it possible to determine the proportion of energy directed to the heat exchanger and/or bypass according to the operating state of the engine. For example, for the regeneration of the exhaust gas treatment device, the exhaust gas is routed exclusively via the bypass. The switching flap is preferably infinitely adjustable. In a favorable embodiment, the switching flap is motor-driven.
Die Umschaltklappe ist in Strömungsrichtung nach dem Brenner angeordnet. Die Umschaltklappe kann in Strömungsrichtung nach dem Wärmetauscher und nach der Umgehung positioniert sein. Es hat sich als günstig erwiesen, dass die Umschaltklappe in Strömungsrichtung vor dem Wärmetauscher und vor der Umgehung positioniert ist. Hierdurch wird der Wärmetauscher nicht ständig mit heißem Abgas beaufschlagt.The changeover flap is arranged downstream of the burner in the direction of flow. The changeover flap can be positioned in the flow direction after the heat exchanger and after the bypass. It has proven to be advantageous that the changeover flap is positioned in the direction of flow in front of the heat exchanger and in front of the bypass. This means that the heat exchanger is not constantly exposed to hot exhaust gas.
Eine weitere Ausgestaltung des Triebwerks für das erfindungsgemäße Verfahren ist, dass der Wärmetauscher und die Umgehung ein gemeinsames Gehäuse aufweisen. Hierdurch ist es möglich, den Wärmetauscher und die Umgehung mit einem geringen Packmaß und/oder als universales Bauteil für unterschiedliche Fahrzeugtypen auszubilden. Dabei ist es günstig, dass der Wärmetauscher von der Umgehung und/oder von dem Gehäuse thermisch getrennt ist. Bei einer Weiterbildung der Ausführungsform ist es günstig, dass die Umschaltklappe in dem Gehäuse angeordnet ist.A further embodiment of the engine for the method according to the invention is that the heat exchanger and the bypass have a common housing. This makes it possible to design the heat exchanger and the bypass with a small pack size and/or as a universal component for different vehicle types. It is advantageous for the heat exchanger to be thermally separated from the bypass and/or from the housing. In a further development of the embodiment, it is advantageous for the switching flap to be arranged in the housing.
Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren zum Betrieb eines Triebwerks vorgesehen, bei dem die mittels des Brenners erzeugte Wärme mittels einer Umschaltklappe der Abgasbehandlungseinrichtung und/oder einem Wärmetauscher zugeführt wird. Hierdurch ist es möglich, dass die von dem Brenner erzeugte Wärme in Abhängigkeit des Betriebszustands des Triebwerks auch als Nutzwärme zur Verfügung steht. So kann bei einem beispielsweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug die Wärme des Brenners teilweise oder vollständig für die Erwärmung des Fahrgastraums des Fahrzeugs genutzt werden. Vorzugsweise wird das Abgas über die Umgehung geführt, damit die Wärme des Abgases für die Erwärmung der Abgasbehandlungseinrichtung zur Verfügung steht. Die Abgasbehandlungseinrichtung kann einen Partikelfilter und/oder Katalysator unter anderem für die selektive katalytische Reduktion oder einen Stickoxid-Speicher-Katalysator umfassen. Die Abgasbehandlungseinrichtung wird bei Start des Verbrennungsmotors und/oder bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor eines Hybridtriebwerks mittels des Brenners erwärmt.According to the invention, a method for operating an engine is provided, in which the heat generated by the burner is supplied to the exhaust gas treatment device and/or a heat exchanger by means of a switching flap. This makes it possible for the heat generated by the burner to also be available as useful heat depending on the operating state of the engine. For example, in an electrically powered vehicle, the heat from the burner can be used partially or completely to heat the passenger compartment of the vehicle. The exhaust gas is preferably guided via the bypass so that the heat of the exhaust gas is available for heating the exhaust gas treatment device. The exhaust gas treatment device can include a particle filter and/or catalyst for, among other things, selective catalytic reduction or a nitrogen oxide storage catalytic converter gate include. The exhaust gas treatment device is heated by means of the burner when the internal combustion engine is started and/or when the internal combustion engine of a hybrid engine is switched off.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt eine Abgasleitung 1 eines Verbrennungsmotors eines Triebwerks. In der Abgasleitung 1 ist eine Abgasbehandlungseinrichtung 2, beispielsweise ein Katalysator, angeordnet. Die Abgasleitung 1 wird im Betrieb des Verbrennungsmotors in Richtung der Pfeile 3 mit Abgas durchströmt. Wird beispielsweise bei einem Hybridtriebwerk ausschließlich eine emissionsfreie Antriebsquelle betrieben, werden die Abgasleitung 1 und die Abgasbehandlungseinrichtung 2 nicht von warmem Abgas durchströmt. Dies hat zur Folge, dass die Abgasbehandlungseinrichtung 2 auskühlt. Da die Abgasbehandlungseinrichtung 2 jedoch eine minimale Betriebstemperatur benötigt, ist es notwendig, sie vor dem Start beziehungsweise beim Startvorgang des Verbrennungsmotors zu erwärmen oder das Auskühlen durch kontinuierliche Wärmezufuhr zu unterbinden. Letzteres ermöglicht einen schnelleren Start des Verbrennungsmotors. Die hierzu erforderliche Wärmeenergie wird durch den Betrieb des Brenners 4 erzeugt. Darüber hinaus ist es möglich, mit dem Brenner 4 die Abgasbehandlungseinrichtung 2 auf eine Regenerationstemperatur zu erwärmen. So können Abgasbehandlungseinrichtungen 2 wie ein NOx-Speicher-Katalysator oder ein Partikelfilter unabhängig von der Leistungsanforderung beispielsweise des Verbrennungsmotors regeneriert werden.The invention allows numerous embodiments. To further clarify its basic principle, one of them is shown in the drawing and is described below. This shows an
Zur Erwärmung der Abgasbehandlungseinrichtung 2 ist ein Brenner 4 vorgesehen, dessen heiße Abgase in die Abgasleitung 1, stromaufwärts der Abgasbehandlungseinrichtung 2, eingespeist werden. Zwischen dem Brenner 4 und der Abgasleitung 1 ist ein Wärmetauscher 5 angeordnet. Mittels des Wärmetauschers 5 kann die von dem Brenner 4 erzeugte Wärme auch anderweitig, beispielsweise zur Heizung eines Fahrgastraums oder eines Lithium-Ionen-Akkumulators eines Fahrzeugs, genutzt werden. Um weiterhin die Abgasbehandlungseinrichtung 2 mit Wärme versorgen zu können, hat der Wärmetauscher 5 eine Umgehung 6. Mittels einer Umschaltklappe 7 kann die Wärme aus dem Brenner 4 entweder zum Wärmetauscher 5 oder, wie in der Abbildung gezeigt, durch die Umgehung 6 zur Abgasbehandlungseinrichtung 2 geführt werden. In einer hier nicht gezeigten Neutralstellung der Umschaltklappe 7 wird das heiße Abgas des Brenners 4 sowohl zum Wärmetauscher 5 als auch zur Abgasbehandlungseinrichtung 2 geleitet. Der Wärmetauscher 5, die Umleitung 6 und die Umschaltklappe 7 sind in einer bevorzugten Ausführungsform in einem gemeinsamen Gehäuse 8 angeordnet.To heat the exhaust
Über eine Luftleitung 9 wird dem Brenner 4 Frischluft zugeführt. Mittels eines in der Luftleitung 9 angeordneten Verdichters 10 wird die Frischluft komprimiert. Der Verdichter wird vorzugsweise elektrisch angetrieben. Über eine Leitung 11 wird dem Brenner 4 der Brennstoff zugeführt. Mittels eines Steuergeräts 12 wird der Betrieb des Brenners 4 geregelt. Dies betrifft insbesondere die Zumessung des Brennstoffs und der Frischluft.Fresh air is supplied to the
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 11
- AbgasleitungExhaust pipe
- 22
- AbgasbehandlungseinrichtungExhaust gas treatment device
- 33
- RichtungspfeilDirectional arrow
- 44
- Brennerburner
- 55
- WärmetauscherHeat exchanger
- 66
- UmgehungBypass
- 77
- UmschaltklappeSwitching flap
- 88th
- GehäuseHousing
- 99
- LuftleitungAir line
- 1010
- Verdichtercompressor
- 1111
- LeitungLine
- 1212
- SteuergerätControl unit
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