DE10009541A1 - Brennkraftmaschine mit direkter Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum - Google Patents

Brennkraftmaschine mit direkter Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (1) mit direkter Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum, mit einem Abgasstrang (3), in welchem zumindest ein NO¶x¶-Speicherkatalysator (5) 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 stromaufwärts des NO¶x¶-Speicherkatalysators (5) ein Abgaskühler (6) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit direkter Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum, mit einem Abgasstrang, in welchem zumindest ein NOX-Speicherkatalysator an­ geordnet ist, wobei stromaufwärts des NOX-Speicherkatalysators ein Abgaskühler angeordnet ist.
Eine Diesel-Brennkraftmaschine mit direkter Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum und einem NOX-Speicherkatalysator ist aus der US 5 732 554 A bekannt.
Die japanische Offenlegungsschrift JP 08-028254 A beschreibt eine Einrichtung zur Steue­ rung der Abgasemissionen bei einer Dieselbrennkraftmaschine mit einem NOX-Katalysator im Abgasstrang, wobei das Abgas vor dem Eintreten in den NOX-Katalysator eine umgehbare Kühleinrichtung durchströmt.
Einem Katalysator vorgeschaltete Kühleinrichtungen sind auch aus der DE 41 27 634 A1, der DE 23 03 773 A oder der DE 43 22 949 A1 bekannt.
Die DE 21 29 210 A offenbart ein Verfahren zur Reinigung der Abgase von Brennkraftma­ schinen, wobei die Abgase nach Passieren einer Kühleinrichtung in eine Katalysatorschicht eintreten, wo an einem Edelmetallkatalysator die Stickoxide durch die Restkohlenwasserstoffe und das Kohlenmonoxyd des Abgases zu elementarem Stickstoff reduziert werden. Hierauf durchströmt das Abgas eine Wärmetauschervorrichtung und tritt danach in einen Aktivkoh­ leadsorber ein, wo die Restkohlenwasserstoffe in Aktivkohle adsorbiert werden.
Aus der DE 30 12 182 A1 ist weiters ein katalytisches System mit nichteinheitlicher Zellen­ größe und ein Verfahren zur Oxidation von Gasen bekannt. Die Auspuffgase strömen dabei durch eine erste und eine zweite Katalysatorzone ein, wobei zwischen den beiden Katalysa­ torzonen eine Kühlzone vorgesehen ist. Um ein Verstopfen zu vermeiden, weisen die Strö­ mungskanäle der ersten Katalysatorzone einen größeren Querschnitt auf als die Strömungska­ näle der zweiten Katalysatorzone.
Die DE 197 13 442 A1 beschreibt eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, welche eine Katalysatorkühleinrichtung mit einem flüssigen oder pastösem Kühlmittel aufweist. Dadurch sollen die Schadstoffemissionen reduziert werden.
Fremdgezündete Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung verfügen aufgrund eines besse­ ren thermischen Wirkungsgrades im Schichtbereich 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 direkteinspritzenden Brennkraftmaschi­ nen 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 Adsorber-Katalysatoren verfügen über ein bestimmtes Temperaturfenster, in welchem eine NOX-Konvertierung stattfindet. Dieses Temperaturfenster bestimmt im wesentlichen im Betriebsbereich der direkt einspritzenden Otto-Brennkraftmaschine, in dem mit überstöchio­ metrischen Motorbetrieb gefahren werden kann. Bei Verlassen des Temperaturfensters muss zur Reduktion der NOX-Produktion der Lambda-Wert reduziert werden, was den Treibstoff­ verbrauch erhöht. Speicherkatalysatoren sind außerdem empfindlichen auf hohe Temperaturen und weisen bei Abgastemperaturen, welche eine spezifische Alterungstemperatur überschrei­ ten, eine verstärkte Neigung zu einer irreversiblen Katalysatoralterung auf. Um diese Schädi­ gung zu vermeiden, ist es bekannt, zum Schutz des Katalysators vor zu hohen Abgastempera­ turen das Abgas mit einem Bypass-System am Adsorber vorbeizuleiten oder bei Überschrei­ ten einer bestimmten Abgastemperatur auf stark unterstöchiometrischen Motorbetrieb umzu­ schalten. Dies wirkt sich allerdings nachteilig auf die Abgasqualität und/oder den Treibstoff­ verbrauch aus.
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. Gleichzeitig soll ein wirksamer Schutz für den NOX- Speicherkatalysator bereitgestellt werden.
Erfindungsgemäß erfolgt dies dadurch, dass der Abgaskühler zwischen einem dem NOX- Speicherkatalysator vorgeschalteten Vorkatalysator und dem NOX-Speicherkatalysator ange­ ordnet ist. Der Abgaskühler ist im Abgasstrang nach dem Vorkatalysator angebracht und wird auf der Wasserseite mit Kühlmittel durchströmt. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Abgasküh­ ler in den Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine integriert ist. Alternativ dazu kann vorgese­ hen sein, dass der Abgaskühler in einem eigenen Kühlkreislauf angeordnet ist, welcher über einen Wärmetauscher mit dem Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine thermisch 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 Ab­ gases aufgeheizt und führt dadurch zu einer rascheren Erwärmung der direkt einspritzenden Brennkraftmaschine. Durch die raschere Erwärmung des Motors kann die Reibleistung im Motorwarmlauf wesentlich verringert werden. Weiters ermöglicht der Abgaskühler eine Auf­ weitung des Betriebsbereiches, in welchem die Brennkraftmaschine überstöchiometrisch be­ trieben werden kann, da die Abgastemperatur vor dem NOX-Speicherkatalysator durch den Abgaskühler 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 überstö­ chiometrische Betriebsbereich stark ausgedehnt und der Kraftstoffverbrauch wesentlich redu­ ziert werden kann. Der Abgaskühler verhindert weiters, dass die Temperatur des in den NOX- Speicherkatalysator einströmenden Abgases die spezifische Alterungstemperatur überschrei­ tet, wodurch der Abgaskühler gleichzeitig einen wirksamen Schutz für den NOX- Speicherkatalysator bietet. Der Abgaskühler muss dabei so ausgelegt sein, dass die Eintritts­ temperatur in den NOX-Speicherkatalysator in keinem Betriebszustand der Brennkraftmaschi­ ne jeweilige Alterungstemperatur überschreiten kann.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figur näher erläutert.
Die Figur zeigt schematisch eine fremdgezündete direkt einspritzende Brennkraftmaschine 1 mit mehreren Zylinder 2 und einem von den Zylindern 2 ausgehenden Abgasstrang 3. Der Abgasstrang 3 weist einen Vorkatalysator 4 und einen De-NOX-Speicherkatalysator 5 auf. Zwischen dem Vorkatalysator 4 und dem NOX-Speicherkatalysator 5 ist ein Abgaskühler 6 angeordnet, der an den Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine angeschlossen ist. Alternativ dazu kann der Abgaskühler 6 auch in einem vom Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine un­ abhängigen eigenen Kühlkreislauf angeordnet sein, welcher über einen Wärmetauscher mit dem Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine thermisch verbunden ist. Mit Bezugszeichen 7 ist eine Kühlmittelpumpe und mit Bezugszeichen 8 ein Steuerventil angedeutet.
Im Warmlauf der Brennkraftmaschine 1 wird das Kühlmittel über den Abgaskühler 6 durch die Energie des Abgases aufgeheizt und führt über den Kühlmittelkreislauf des Motors zu einer rascheren Erwärmung der Brennkraftmaschine 1. Durch die raschere Erwärmung der Brennkraftmaschine 1 ergibt sich der Vorteil, dass die Reibleistung im Motorwarmlauf und somit der Kraftstoffverbrauch verringert werden kann. Weiters ergibt sich der Vorteil, dass über den Abgaskühler 6 das in den NOX-Speicherkatalysator 5 einströmende Abgas temperiert wird, sodass die Abgastemperatur des in den Speicherkatalysator 5 eintretenden Abgases in­ nerhalb des Betriebsfensters des NOX-Speicherkatalysators 5 bleibt. Diese quasi Entkoppelung der Abgastemperatur nach den Zylindern 2 und vor dem NOX-Speicherkatalysator 5 führt zu einer deutlichen Erweiterung des überstöchiometrischen Betriebsbereiches und dadurch zu einer zusätzlichen Kraftstoffverbrauchsabsenkung. Außerdem kann durch geeignete Dimensi­ onierung des Abgaskühlers 6 sichergestellt werden, dass das in den NOX-Speicherkatalysator einströmende Abgas die kritische Alterungstemperatur des NOX-Speicherkatalysators 5 in keinem Motorbetriebszustand überschreiten kann.
Der zwischen dem Vorkatalysator 4 und dem NOX-Speicherkatalysator 5 angeordnete Abgas­ kühler 6 stellt somit eine äußerst einfache Möglichkeit dar, den Kraftstoffverbrauch einer ma­ ger betriebenen Brennkraftmaschine 1, insbesondere mit Fremdzündung und direkter Ein­ spritzung, wesentlich zu verbessern und gleichzeitig den NOX-Speicherkatalysator 5 vor vor­ zeitiger Alterung zu schützen. Obwohl die Erfindung anhand einer Otto-Brennkraftmaschine beschrieben wird, ist deren Anordnung auch bei einer Diesel-Brennkraftmaschine möglich und vorteilhaft.

Claims (3)

1. Brennkraftmaschine (1) mit direkter Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum, mit einem Abgasstrang (3), in welchem zumindest ein NOX-Speicherkatalysator (5) angeordnet ist, wobei stromaufwärts des NOX-Speicherkatalysators (5) ein Abgaskühler (6) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskühler (6) zwischen einem dem NOX- Speicherkatalysator (5) vorgeschalteten Vorkatalysator (4) und dem NOX- Speicherkatalysator (5) angeordnet ist.
2. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgas­ kühler (6) in den Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine (1) integriert ist.
3. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgas­ kühler (6) in einem eigenen Kühlkreislauf angeordnet ist, welcher über einen Wärmetau­ scher mit dem Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine (1) thermisch verbunden ist.
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