DE10323314B4 - Combustion engine assembly with operating method therefor - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotoraggregats mit einem Verbrennungsmotor (1) und einem in einem Abgasstrom des Verbrennungsmotors angeordneten Katalysator (9), welches einen Lastbereich (H) aufweist, in welchem der Katalysator (9) überhitzt, wenn eine Maßnahme zur Kühlung des Katalysators unterlassen wird, und zum Kühlen des Katalysators ein Rückführen von Verbrennungsabgasen in eine Brennkammer (2) des Verbrennungsmotors (1) stattfindet, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Lastbereich (H) die Menge an rückgeführtem Abgas und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis so festgelegt werden, dass für alle Lastwerte des Lastbereichs (H) eine im Wesentlichen einheitliche Temperatur des Katalysators (9) resultiert.Method for operating an internal combustion engine unit with an internal combustion engine (1) and a catalytic converter (9) which is arranged in an exhaust gas flow of the internal combustion engine and has a load range (H) in which the catalytic converter (9) overheats if a measure to cool the catalytic converter is neglected , and combustion exhaust gases are recirculated into a combustion chamber (2) of the internal combustion engine (1) for cooling the catalytic converter, characterized in that the amount of recirculated exhaust gas and the air-fuel ratio are determined in the load range (H) so that a substantially uniform temperature of the catalytic converter (9) results for all load values of the load range (H).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbrennungsmotoraggregat mit einem Verbrennungsmotor und einem in einem Abgasstrom des Verbrennungsmotors angeordneten Katalysator, sowie ein Betriebsverfahren für ein solches Verbrennungsmotoraggregat. Derartige Verbrennungsmotoraggregate sind aus einer Vielzahl von Schriften bekannt, unter denen
Bei frühen Bauformen dieser Aggregate war der Katalysator in einer Abgasleitung beabstandet vom Verbrennungsmotor angeordnet und wurde im Wesentlichen nur durch in den Verbrennungsabgasen mitgeführte Wärme erhitzt. Diese Bauweise hatte zur Folge, dass nach dem Anlassen des Verbrennungsmotors eine recht lange Aufwärmphase erforderlich war, bis der Katalysator eine Betriebstemperatur erreichte, bei der er einen wirksamen Abbau der Schadstoffe in den Verbrennungsabgasen bewirkte.In early designs of these units, the catalyst was located in an exhaust conduit spaced from the internal combustion engine and was heated substantially only by heat entrained in the combustion exhaust gases. The result of this design was that a fairly long warm-up period was required after starting the internal combustion engine until the catalyst reached an operating temperature at which it caused effective degradation of the pollutants in the combustion exhaust gases.
Die Schadstoffmenge, die der Motor eines Kraftfahrzeugs abgeben darf, ist durch gesetzliche Vorgaben beschränkt. Genauer gesagt, sind Obergrenzen für den Gesamtschadstoffausstoß eines Fahrzeugs während eines standardisierten Testzyklus festgelegt, der innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne, jeweils beginnend mit kaltem Motor, unterschiedliche Lastzustände in jeweils festgelegten Zeitspannen umfasst. Ein erheblicher Beitrag zum Gesamtschadstoffausstoß während eines solchen Testzyklus entsteht in der Zeitspanne nach dem Starten des Motors und bevor der Katalysator seine Betriebstemperatur erreicht hat. Um den Schadstoffausstoß während eines solchen Testzyklus zu begrenzen, ist ein sehr wirksames Mittel, die Aufheizung des Katalysators zu beschleunigen. Dies hat zu einer Tendenz bei der Konstruktion von Verbrennungsmotoraggregaten geführt, den Katalysator immer näher am Motor selbst anzuordnen, zum einen, um Wärmeverluste des Abgases auf dem Weg vom Motor zum Katalysator gering zu halten, zum anderen, um durch das Abgas aufzuheizende Massen wie Krümmer und Abgasrohre zu minimieren. Diese Bauweise hat jedoch den Nachteil, dass eine Erwärmung des Motors bei Betrieb unter hoher Last sich auch auf den Katalysator überträgt, so dass es zu Überschreitungen der zulässigen Betriebstemperatur des Katalysators und damit zu einer irreversiblen Schädigung kommen kann, sofern keine Maßnahmen für eine Kühlung des Katalysators getroffen werden.The amount of pollutants that the engine of a motor vehicle may deliver is limited by statutory requirements. Specifically, upper limits for the overall emissions of a vehicle are set during a standardized test cycle that includes different load conditions within a predetermined period of time, each starting with a cold engine, at predetermined time intervals. A significant contribution to total emissions during such a test cycle is made in the period after the engine is started and before the catalyst has reached operating temperature. To limit pollutant emissions during such a test cycle is a very effective means of accelerating catalyst heating. This has led to a tendency in the design of internal combustion engine assemblies to place the catalyst ever closer to the engine itself, on the one hand to minimize heat losses of the exhaust gas on the way from the engine to the catalyst, on the other hand to be heated by the exhaust gas masses such as manifold and to minimize exhaust pipes. However, this design has the disadvantage that heating of the engine during operation under high load is also transferred to the catalyst, so that it can lead to exceeding the permissible operating temperature of the catalyst and thus to irreversible damage, unless measures for cooling the Catalyst are taken.
Ein z. B. aus
Eine bekannte Technik zum Reduzieren des Schadstoffausstoßes eines Verbrennungsmotors ist die Abgasrückführung. Sie wird herkömmlicherweise im unteren bis mittleren Lastbereich eingesetzt, um den Ausstoß an Stickoxiden zu vermindern. Durch das rückgeführte Abgas wird die Ladungsluft verdünnt. Dadurch verschlechtert sich jedoch die Verbrennung, und oberhalb einer kritischen Abgasrückführrate steigt der Gehalt an Kohlenwasserstoffen im Abgas und der Kraftstoffverbrauch bei schlechterer Laufruhe des Motors an. Es gibt daher eine Grenze der Abgasrückführrate, oberhalb derer der Ausstoß aller Schadstoffe nicht weiter vermindert werden kann. Dementsprechend ist es üblich, die Abgasrückführrate, d. h. den Anteil rückgeführten Abgases an der Ladung der Brennkammern, auf geringe, „ausgewogene” Schadstoffwerte und geringen Verbrauch zu optimieren.One known technique for reducing pollutant emissions of an internal combustion engine is exhaust gas recirculation. It is conventionally used in the low to medium load range to reduce the emission of nitrogen oxides. The recirculated exhaust gas dilutes the charge air. As a result, however, the combustion deteriorates, and above a critical exhaust gas recirculation rate, the content of hydrocarbons in the exhaust gas and the fuel consumption increases with poorer running smoothness of the engine. There is therefore a limit to the exhaust gas recirculation rate above which the emission of all pollutants can not be further reduced. Accordingly, it is common for the exhaust gas recirculation rate, i. H. To optimize the proportion of recirculated exhaust gas to the charge of the combustion chambers, to low, "balanced" pollutant values and low consumption.
Eine solche Optimierung wird herkömmlicherweise für stöchiometrische Verbrennung an einem Motorprüfstand für einen Prototypen eines Motors vorgenommen, und die dabei gewonnenen Ergebnisse fließen in die Programmierung der Steuergeräte der seriengefertigten Motoren ein. Dabei zeigt sich, dass die Vorteile der Abgasrückführung mit zunehmender Motorlast geringer werden, und dass bei den meisten Motoren eine Lastgrenze existiert, oberhalb derer sich die Abgasrückführung verbrauchssteigernd auswirkt.Such optimization is conventionally made for stoichiometric combustion on an engine test bench for a prototype engine, and the results obtained are incorporated into the programming of the control units of the in-line engines. It shows that the advantages of exhaust gas recirculation decrease with increasing engine load, and that in most engines there is a load limit above which the exhaust gas recirculation increases consumption.
Aus
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Betriebsverfahren für ein Verbrennungsmotoraggregat bzw. ein Verbrennungsmotoraggregat mit einem Katalysator anzugeben, die eine hohe Langzeithaltbarkeit des Katalysators und gleichzeitig einen niedrigen Kraftstoffverbrauch und geringe Schadstoffwerte im Abgas erreichen. The object of the present invention is to specify an operating method for a combustion engine assembly or a combustion engine assembly with a catalyst which achieves a high long-term durability of the catalyst and at the same time low fuel consumption and low pollutant values in the exhaust gas.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 9.The object is achieved by a method having the features of claim 1 and an internal combustion engine having the features of
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es durch Abgasrückführung auch möglich ist, die Temperatur des Katalysators zu verringern und diesen so vor Überhitzung zu schützen. Ein solcher Überhitzungsschutz ist insbesondere in einem Hochlastbereich erforderlich, wo ein Fehlen von temperaturbegrenzenden Maßnahmen zu einer Schädigung des Katalysators durch Überhitzung führen könnte. Durch geeignete Auswahl der Menge an rückgeführtem Abgas und des Wertes des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses wird der Katalysator im gesamten überhitzungsgefährdeten Lastbereich auf einer einheitlichen Temperatur betrieben.The present invention is based on the finding that it is also possible by exhaust gas recirculation to reduce the temperature of the catalyst and thus to protect it from overheating. Such overheat protection is particularly required in a high load area where a lack of temperature limiting measures could result in overheating damage to the catalyst. By properly selecting the amount of recirculated exhaust gas and the value of the air-fuel ratio, the catalyst is operated at a uniform temperature throughout the overheated load area.
Die Abgasrückführung macht es möglich, zumindest in einem ersten Teilintervall desjenigen Lastbereichs, in dem Maßnahmen zur Katalysatorkühlung erforderlich sind, auf die herkömmliche, verbrauchs- und schadstoffsteigernde Technik des Anfettens zu verzichten.Exhaust gas recirculation makes it possible, at least in a first subinterval of that load range in which measures for catalyst cooling are required to dispense with the conventional, consumption and pollution-increasing technique of enrichment.
In einem anderen Teilintervall des überhitzungsgefährdeten Lastbereichs hat es sich für den Verbrauch als günstig erwiesen, die Abgasrückführung mit einer Anfettung des Luft-Kraftstoff-Gemischs zu kombinieren. Dabei mag zwar im stöchiometrischen Betrieb der Verbrauch in diesem Lastbereich mit Abgasrückführung immer noch geringfügig höher sein als ohne, doch wird man dies billigend in Kauf nehmen, da es eine geringe Anfettung die Voraussetzung dafür ist, den Katalysator überhaupt betreiben zu können. Dabei ist das Ausmaß der Anfettung um so geringer, d. h. das Luft-Kraftstoff-Verhältnis um so größer, je höher die Menge an rückgeführtem Abgas ist.In another sub-interval of the overheating-prone load range, it has proven to be favorable for the consumption to combine the exhaust gas recirculation with an enrichment of the air-fuel mixture. Although in stoichiometric operation, the consumption in this load range with exhaust gas recirculation may still be slightly higher than without, but this will be acceptable, since it is a low Anfettung the prerequisite for being able to operate the catalyst at all. The extent of enrichment is the lower, d. H. the higher the amount of recirculated exhaust gas, the greater the air-fuel ratio.
Da bei den gegenwärtigen Katalysatorzusammensetzungen die Langzeithaltbarkeit bei Betriebstemperaturen oberhalb 950°C schnell abnimmt, andererseits bei niedrigen Temperaturen die Wirksamkeit des Katalysators beeinträchtigt ist, wird man diese einheitliche Temperatur vorzugsweise in einem Bereich von 900°C bis 950°C, vorzugsweise bei ca. 930°C, wählen.Since in the present catalyst compositions the long-term durability rapidly decreases at operating temperatures above 950 ° C, on the other hand, at low temperatures, the effectiveness of the catalyst is impaired, this uniform temperature is preferably in a range of 900 ° C to 950 ° C, preferably about 930 ° C, select.
Da sowohl die Abgasrückführung als auch die Anfettung des Gemischs jeweils für sich wirksam sind, um die Temperatur des Katalysators zu begrenzen, gibt es für Lastwerte des zweiten Teilintervalls jeweils eine Vielzahl von Wertepaaren der Menge an rückgeführtem Abgas und des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, mit denen die gewünschte Katalysatortemperatur erreichbar ist. Unter diesen Wertepaaren wird man zweckmäßigerweise dasjenige wählen, bei welchem ein minimaler Kraftstoffverbrauch resultiert.Since both the exhaust gas recirculation and the enrichment of the mixture are effective per se to limit the temperature of the catalyst, there are a plurality of value pairs of the amount of recirculated exhaust gas and the air-fuel ratio, for load values of the second sub-interval where the desired catalyst temperature is reached. Among these pairs of values, it will be expedient to choose the one in which a minimum fuel consumption results.
Die Erfindung ist sowohl auf externe Abgasrückführung, d. h. auf Bauformen des Verbrennungsmotoraggregats, bei denen eine Abgasrückführleitung von einer Abgasleitung über ein Ventil zum Saugrohr des Verbrennungsmotors geführt ist, als auch auf interne Abgasrückführung anwendbar, bei der Ein- und Auslassventile einer Brennkammer des Verbrennungsmotors so gesteuert werden, dass in jedem Verbrennungszyklus eine bestimmte Abgasmenge durch das Einlassventil in die Saugleitung zurückgedrängt wird.The invention is applicable both to external exhaust gas recirculation, i. H. On designs of the internal combustion engine unit, in which an exhaust gas recirculation line is guided by an exhaust pipe via a valve to the intake manifold of the engine, and applicable to internal exhaust gas recirculation, be controlled in the intake and exhaust valves of a combustion chamber of the engine so that in each combustion cycle, a certain amount of exhaust gas is forced back into the suction line through the inlet valve.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments with reference to the accompanying figures. Show it:
In einer Abgasrückführleitung
Die Steuerschaltung
Die Arbeitsweise des Steuergeräts
Die Kurve
Die Kurve
Das Diagramm der
Im Geschwindigkeitsbereich bis 100 km/h, in dem sich die Rückführraten der Kurven
Die erfindungsgemäße starke Abgasrückführung gemäß Kurve
Bei noch höherer Motorlast würde sich eine Beibehaltung einer hohen Abgasrückführrate in der Größenordnung von 10% verbrauchssteigernd auswirken oder mangels Unterdrucks im Ansaugkrümmer
In
Da mit der erfindungsgemäßen Steuerung der Wert der Motorlast, oberhalb dessen eine Gemischanfettung zum Schutz des Katalysators vor Überhitzung erforderlich ist, nach oben verschoben wird, wird somit nicht nur eine Verringerung des Schadstoffausstoßes, insbesondere von unverbrannten Kohlenwasserstoffen, sondern darüber hinaus ein deutlicher Verbrauchsvorteil erzielt.Since with the control according to the invention the value of the engine load, above which a mixture enrichment is required to protect the catalyst from overheating, is shifted upwards, not only a reduction of pollutant emissions, especially unburned hydrocarbons, but also a significant fuel consumption advantage is achieved.
Es versteht sich, dass die oben als Grenzen der Lastbereiche H, H1 und H2 angegebenen Geschwindigkeitswerte lediglich Beispiele sind, und dass sich je nach Bauart des Motors und des Katalysators und der thermischen Kopplung zwischen beiden für verschiedene Typen von Motoraggregaten andere Grenzen dieser Intervalle ergeben können. Wesentlich für die vorliegende Erfindung ist nicht die Lage dieser Intervalle, sondern die Tatsache, dass unter Lastbedingungen, die Maßnahmen zur Kühlung des Katalysators erfordern, um Schäden an ihm zu vermeiden, die Abgasrückführung die herkömmliche Methode des Anfettens ersetzen oder wenigstens unterstützen und dadurch Verbrauch und Schadstoffausstoß senken kann.It is understood that the velocity values given above as limits of the load ranges H, H1 and H2 are only examples, and that different limits of these intervals may result for different types of motor assemblies depending on the type of engine and the catalyst and the thermal coupling between them , Essential to the present invention is not the location of these intervals, but the fact that under load conditions which require measures to cool the catalyst to prevent damage to it, the exhaust gas recirculation replace or at least assist the conventional enrichment method and thereby fuel consumption and Can reduce pollutant emissions.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Motorblockblock
- 22
- Brennkammercombustion chamber
- 33
- Kolbenpiston
- 44
- Kurbelwellecrankshaft
- 55
- VentilValve
- 66
- VentilValve
- 77
- Ansaugkrümmerintake manifold
- 88th
- Abgaskrümmerexhaust manifold
- 99
- Katalysatorcatalyst
- 1010
- Steuergerätcontrol unit
- 1111
- RückführleitungReturn line
- 1212
- VentilValve
- 1313
- Einlassventilintake valve
- 1414
- Auslassventiloutlet valve
- 1515
- Fahrpedalaccelerator
- 1616
- EinspritzventilInjector
- 1717
- 1818
- 1919
- 2020
- KurveCurve
- 2121
- KurveCurve
- 2222
- KurveCurve
- 2323
- KurveCurve
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