DE102010055548A1 - Internal combustion engine and method for operating the same - Google Patents
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Abstract
Beschrieben wird eine Verbrennungskraftmaschine (1), umfassend wenigstens einen Abgastrakt (2), wenigstens einen Brenner und/oder Verdampfer (3), wenigstens eine Dosiervorrichtung (4), wenigstens eine Regel- bzw. Steuerungseinheit (5) und eine mit dem Brenner und/oder Verdampfer (3) kommunizierende Kraftstoffversorgungseinheit (6) sowie wenigstens einen SCR-Katalysator (10).An internal combustion engine (1) is described, comprising at least one exhaust gas tract (2), at least one burner and / or evaporator (3), at least one metering device (4), at least one regulating or control unit (5) and one with the burner and / or the fuel supply unit (6) communicating with the evaporator (3) and at least one SCR catalytic converter (10).
Description
Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine und ein Verfahren zum Betreiben derselben.The invention relates to an internal combustion engine and a method for operating the same.
Derartige Verbrennungskraftmaschinen bzw. Verfahren sind zum Beispiel bekannt aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbrennungskraftmaschine mit Verdampfereinrichtung beziehungsweise ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Verbrennungskraftmaschine mit Verdampfereinrichtung in einem Abgastrakt, insbesondere vor einem SCR-Katalysator anzugeben, die ohne zusätzliches Reduktionsmittel auskommen. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass in die Abgasleitung eines Brenners eine Einbringvorrichtung für eine Verdampfflüssigkeit eingesetzt ist. Das entsprechende Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Brenner eine thermische Grundleistung zur Verfügung stellt, deren Untergrenze durch die Bereitstellung einer ausreichenden Energiemenge zur Verdampfung einer über eine in die Abgasleitung eingebrachte Verdampfflüssigkeitsmenge vorgegeben ist. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Verdampfereinrichtung für eine beliebige zu verdampfende Flüssigkeit verwendet werden kann. Für den Fall, dass die Flüssigkeit ein Brennstoff ist, ist dieser bevorzugt der gleiche Brennstoff, beispielsweise Dieselkraftstoff, der auch mit der Versorgungsvorrichtung des Brenners eingespritzt wird. Grundsätzlich ist es aber möglich, zum Betreiben des Brenners auch einen gasförmigen Brennstoff, beispielsweise Erdgas, zu verwenden. Die getrennte Einbringung des zusätzlichen Brennstoffs über die Einbringvorrichtung bietet den Vorteil, dass im Gegensatz zum Stand der Technik eine für einen Prozess beispielsweise benötigte Brennstoffmenge nicht mehr insgesamt durch die Versorgungsvorrichtung des Brenners zugeführt werden muss, sondern stromabwärts des Brenners eine Teilmenge des insgesamt benötigten Brennstoffs als ”Sekundärbrennstoffmenge” zugeführt wird. Diese Sekundärbrennstoffmenge wird dann letztendlich ganz kontrolliert aufbereitet und/oder verbrannt. Die entsprechenden möglichen Verfahrensvarianten werden nachfolgend im Zusammenhang mit den abhängigen Verfahrensansprüchen erläutert. In Weiterbildung der Erfindung weist eine Mündung der Einbringvorrichtung in der Abgasleitung eine Zerstäuberdüse, insbesondere eine Druckzerstäuberdüse oder eine Luftstromzerstäuberdüse auf. Mit der Druckzerstäuberdüse wird die Verdampfflüssigkeit allein durch den Druck der Verdampfflüssigkeit zerstäubt. Alternativ kann die Einbringvorrichtung aber auch als Luftstromzerstäuberdüse ausgestaltet sein. Dabei wird die Luftstromzerstäuberdüse so betrieben, dass die Verdampfflüssigkeit mit einer geringen Luftmenge in die Abgasleitung eingebracht wird. Ist die Verdampfflüssigkeit Brennstoff, würde bei normalem Betrieb einer Luftstromzerstäuberdüse beispielsweise 20 l Luft/min. und 2 cm3/min. Brennstoff zur Bereitstellung eines zündfähigen Brennstoff-Luft-Gemisches gefördert werden, während mit der erfindungsgemäß betriebenen Luftstromzerstäuberdüse bis zu 100 cm3/min. Brennstoff gefördert werden. Ein derartig fettes Brennstoff-Luft-Gemisch ist primär nicht zündfähig. In weiterer Ausgestaltung ist in der Abgasleitung im Bereich einer Mündung der Einbringvorrichtung eine Venturieinrichtung angeordnet. Diese bewirkt eine schnelle Vermischung der aufeinander treffenden Teilströme von Abgas und Verdampfflüssigkeit. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind der Brenner mit der Brennkammer, die Abgasleitung und die Einbringvorrichtung in ein Gehäuse integriert und das Gehäuse ist an das Abgasrohr adaptiert. Es wird somit eine Baueinheit bereitgestellt, die an verschiedene Abgasrohre angebaut werden kann. Dabei kann das Gehäuse im Idealfall so ausgestaltet sein, dass dieses bei Anwendung an einer Brennkraftmaschine bevorzugt brennkraftmaschinennah, beispielsweise direkt hinter der Abgassammelleitung oder einem Abgasturbolader der Brennkraftmaschine, an das Abgassystem angebaut werden kann. In weiterer Ausgestaltung ragt die Abgasleitung mit zumindest einem Austritt in das Abgasrohr hinein. Dadurch wird eine gute Vermischung der zusammentreffenden Gasströme gewährleistet. Dazu ist die Abgasleitung bevorzugt konzentrisch in das Abgasrohr so eingeführt, dass der Austritt aus der Abgasleitung in Strömungsrichtung des Prozessabgasstroms, also beispielsweise des Brennkraftmaschinenabgasstroms, angeordnet ist. Dadurch wird eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Prozessabgases erreicht, was für eine schnelle Durchmischung des Gasgemischs aus Brennerabgas und Dampf (verdampfte Verdampfflüssigkeit) mit dem Prozessabgas sorgt. Dadurch kann eine Entzündung des Gasgemischs auch dann verhindert werden, wenn das Prozessabgas Sauerstoff enthält. Um das Auftreten chemischer Reaktionen im Bereich der Einleitung weiter zu unterbinden, können entsprechende Hilfsmittel, die dies unterstützen, vorgesehen sein. Solche mögliche Hilfsmittel sind beispielsweise eine Platte oder ein Kegel, die vor dem Austritt der Abgasleitung angeordnet sind, wobei die Kegelspitze zu dem Austritt der Abgasleitung hin ausgerichtet ist. Auch ist es vorgesehen, zusätzlich oder alternativ zur weiteren Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit im Bereich des Austritts eine Strömungsverengung in dem Abgasrohr beispielsweise in Form einer Venturieinrichtung oder Venturidüse vorzusehen. Mit anderen Worten soll eine mögliche Reaktion des mit Verdampfflüssigkeit aufbereiteten Brennerabgases mit dem Prozessabgas gequencht werden. In Weiterbildung der Erfindung mündet in die Abgasleitung eine Prozessabgas führende Gasleitvorrichtung ein. Dadurch wird dem Brennerabgas und der Verdampfflüssigkeit Prozessabgas zugeführt. Dadurch wird das Brennerabgas (bei einer Zuführung in Strömungsrichtung vor der Mündung der Einleitvorrichtung) kontrolliert abgekühlt, und zwar in der Form, dass noch genügend Leistung zum Verdampfen der Verdampfflüssigkeit bereitgestellt wird, aber dessen Entzündung (falls die Verdampfflüssigkeit Brennstoff ist) verhindert wird. Die Zuführung kann aber auch im Bereich der Mündung oder in Strömungsrichtung hinter der Mündung erfolgen. Durch geeignete Wahl der beschriebenen Hilfsmittel können die chemische Reaktionen der Verdampfflüssigkeit mit dem Brennerabgas und/oder dem Prozessabgas je nach darf gefördert oder verhindert werden. Insbesondere durch Beeinflussung der Temperatur im Bereich der Einleitvorrichtung ist es möglich, durch Reaktionen der Verdampfflüssigkeit mit dem Brennerabgas gezielt Stoffe zu erzeugen, die in den nachfolgenden Katalysatoren gewünschte Reaktionen unterstützen. In weiterer Ausgestaltung weist die Abgasnachbehandlungseinrichtung einen Stickstoffoxide selektiv katalytisch reduzierenden Katalysator und/oder einen Oxidationskatalysator und/oder zumindest einen Partikelfilter auf. Jeder der Katalysatoren beziehungsweise der Katalysator-Partikelfiltersysteme ist mit der erfindungsgemäßen Verdampfungseinrichtung allein oder in beliebiger Kombination betreibbar, wie im Einzelnen nachfolgend im Zusammenhang mit den Betreibungsverfahren erläutert wird. Die vorliegende Erfindung umfasst eine Verdampfereinheit, die die Eigenschaft besitzt, Dieselkraftstoff in andere (idealerweise kurzkettige) Kohlenwasserstoffe umzuwandeln. dieser besondere HC-Mix sorgt für hohe NOx-Konvertierungsraten auf dem nachgeschalteten SCR-Katalysator, wie er in
Weitere Vorteile der Erfindung sind nachfolgend aufgeführt:
- – Es sind hohe NOx-Umsatzraten darstellbar.
- – Es ist keine Bereitstellung eines zweiten Betriebsmittels erforderlich.
- – Ein besonderer HC-Mix wird aus mitgeführtem Dieselkraftstoff durch die Brenner/Verdampfer-Einheit bereitgestellt. Brenner/Verdampfer wirkt als Reformator.
- – Es ist keine kostenintensive Infrastruktur (Tank, Dosiermodul, Pumpe, Beheizung des Betriebsmittels, Diagnose (OBD), etc...) notwendig.
- – Eine gute Mischbarkeit und Gleichverteilung ist darstellbar.
- – Es erfolgt keine Kristallisationsbildung im Abgassystem.
- - There are high NOx conversion rates can be displayed.
- - There is no need to provide a second resource.
- A special HC mix is provided from entrained diesel fuel through the burner / evaporator unit. Burner / evaporator acts as a reformer.
- - There is no costly infrastructure (tank, dosing module, pump, heating of the equipment, diagnosis (OBD), etc ...) necessary.
- - Good miscibility and uniform distribution can be displayed.
- - There is no crystallization in the exhaust system.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der das in der Figur dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben ist. Es zeigen:Further advantageous embodiments of the invention are described in the drawings, in which the embodiment of the invention shown in the figure is described in more detail. Show it:
In
Detaillierte Brenner-VerdampfereinheitDetailed burner evaporator unit
Zur Erfüllung der Abgasgesetzgebung ab dem Jahr 2011 wird das Abgasnachbehandlungssystem (EATS) entweder aus einer AGR in Kombination mit DPF und vorgeschaltetem DOC oder aus einem SCR-System zur Reduzierung der Stickoxide bestehen. Für die thermische Regeneration des DPF unter allen Umwelt- und Betriebsbedingungen ist ein zweistufiger Brenner vorgesehen.To meet emissions legislation from 2011, the exhaust after-treatment system (EATS) will consist of either an EGR in combination with DPF and upstream DOC or an SCR system to reduce nitrogen oxides. For the thermal regeneration of the DPF under all environmental and operating conditions, a two-stage burner is provided.
Die Brenner-Verdampfereinheit wird beschrieben. Für die erforderliche Wärmeerzeugung in zwei Stufen arbeitet das System wie folgt:
- 1. Stufe: Atmosphärischer Dieselbrenner
- 2. Stufe: Dieselverdampfer
- 1st stage: Atmospheric diesel burner
- 2nd stage: diesel evaporator
Die thermische Leistung der ersten Stufe wird dabei so ausgelegt, dass die Light-Off-Temperatur des DOC von ca. 300°C, der als katalytischer Brenner für die thermische Regeneration eines DPFs dient, im gesamten Motorkennfeld unter allen Umwelt- und Betriebsbedingungen erreicht wird.The thermal performance of the first stage is designed so that the light-off temperature of the DOC of about 300 ° C, which serves as a catalytic burner for the thermal regeneration of a DPF, is achieved in the entire engine map under all environmental and operating conditions ,
In der ersten Brennerstufe wird der atmosphärische Dieselbrenner stöchiometrisch mit einer turbulenten Vormischflamme betrieben, wobei die Flammenstabilisierung mittels einer Drallströmung und eines Rezirkulationswirbels erreicht wird. Die Gemischbildung erfolgt mit einer Luftzerstäuberdüse, die gleichzeitig für die Drallerzeugung innerhalb der Brennkammer genutzt wird. Die Auslegung der Zerstäuberdüse und die Dimensionierung der Brennkammer ermöglichen den Betrieb des Dieselbrenners in einem Leistungsbereich von 8 bis 15 kW. Eine elektrische Luftpumpe mit Drehzahlregelung liefert dazu die benötigte Verbrennungsluft. Zur Bestimmung des Luftmassenstroms wird ein Heißfilmsensor eingesetzt. Die Luftzufuhr zum Brenner ist so gestaltet, dass einerseits die Zündkomponenten gekühlt werden und andererseits eine Verbrennungsluftvorwärmung realisiert wird, die für eine Erhöhung der Brennstabilität sorgt.In the first burner stage, the atmospheric diesel burner is operated stoichiometrically with a turbulent premix flame, wherein the flame stabilization is achieved by means of a swirling flow and a recirculation vortex. The mixture formation takes place with a Luftzerstäuberdüse, which is used at the same time for the swirl generation within the combustion chamber. The design of the atomizer nozzle and the dimensioning of the combustion chamber allow the operation of the diesel burner in a power range from 8 to 15 kW. An electric air pump with speed control provides the required combustion air. To determine the air mass flow, a hot film sensor is used. The air supply to the burner is designed so that on the one hand the ignition components are cooled and on the other hand, a combustion air preheating is realized, which ensures an increase in combustion stability.
Im Gegensatz zu einer Brennerkopfkühlung mit Kühlwasser kann hierbei erreicht werden, dass die komplette Brennerleistung zur Aufheizung des Abgases bereitsteht und nicht über das Kühlmittel abgeführt wird. Die Kraftstoffzufuhr erfolgt mittels eines erweiterten Dosiermoduls, wobei für die Kraftstoffzufuhr der ersten Brennerstufe ein zusätzliches Dosierventil eingebaut ist.In contrast to a burner head cooling with cooling water can be achieved in this case that the complete burner power is available for heating the exhaust gas and is not dissipated via the coolant. The fuel is supplied by means of an extended metering module, wherein an additional metering valve is installed for the fuel supply of the first burner stage.
Das Zündsystem des Brenners besteht aus zwei Hauptkomponenten. Zentral zur Drallzerstäuberdüse ist eine Glühkerze zur Verdampfung des Brennstoffs angeordnet und in der Brennkammerrückwand sind zwei Zündkerzen eingebaut, die eine kontinuierliche Funkenzündung ermöglichen. Durch diese Konfiguration lässt sich eine sichere Zündung auch bei hoch instationären Motorbetrieb und im extremen Kälteeinsatz bis –25°C sowie für Biodieselbeimischungen bis 30% realisieren.The ignition system of the burner consists of two main components. Centrally to the swirl atomizing nozzle, a glow plug for the evaporation of the fuel is arranged and in the combustion chamber rear wall two spark plugs are installed, which allow a continuous spark ignition. With this configuration, a reliable ignition can be realized even with highly unsteady engine operation and in extreme cold weather conditions down to -25 ° C as well as for biodiesel mixtures up to 30%.
In der zweiten Stufe wird Dieselkraftstoff in das Abgas der ersten Stufe eindosiert, so dass dieser in dem sehr heißen sauerstoffarmen Abgas verdampft, aber kaum oxidiert wird.In the second stage diesel fuel is metered into the exhaust gas of the first stage, so that it evaporates in the very hot oxygen-poor exhaust gas, but is hardly oxidized.
Dazu ist unmittelbar am Brenneraustritt ein Verdampferrohr verbaut, das so dimensioniert ist, dass dem eingespritzten Spray hinreichend Verweildauer zur vollständigen Verdampfung zur Verfügung steht und somit eine ideale Aufbereitung für die katalytische Oxidation ermöglicht. Die Sprayerzeugung wird hierbei luftunterstützt, um die notwendigen feinen Tropfen zu erzeugen. Am Austritt aus dem Verdampferrohr des Brenners erfolgt die Mischung des Brennergases mit dem Motorabgas und anschließender Oxidation der verdampften Kohlenwasserstoffe im DOC. Die Eindosiermenge der zweiten Stufe dient als Stellgröße für die Regenerationstemperatur. Im vorliegenden Design stehen eine hinreichend große Tropfenoberfläche und Verweildauer der Tropfen im Verdampferrohr zur Verfügung, um etwa 150 g Dieselbrennstoff pro Minute aufzubereiten. Der Hauptvorteil der vollständigen Verdampfung des Dieselkraftstoffs in der zweiten Brennerstufe besteht darin, dass zum Einen verdampfter Dieselkraftstoff über sehr gute Transporteigenschaften verfügt. Dabei lassen sich ohne weiteren Applikationsaufwand sehr unterschiedliche Rohrführung realisieren. Zum Anderen wird eine homogene Verteilung der Kohlenwasserstoffe auf der Katalysatoroberfläche garantiert. Dies führt zu sehr geringen radialen Temperaturgradienten im Katalysator, was sich positiv auf die thermo-mechanische Belastung des Katalysators und somit auf die Dauerhaltbarkeit auswirkt.For this purpose, an evaporator tube is installed directly at the burner outlet, which is dimensioned so that the spray injected sufficient residence time for complete evaporation is available, thus allowing an ideal treatment for the catalytic oxidation. The spray generation is air assisted to produce the necessary fine droplets. At the exit from the evaporator tube of the burner, the mixture of the burner gas with the engine exhaust gas and subsequent oxidation of the vaporized hydrocarbons in the DOC takes place. The metering amount of the second stage serves as a control variable for the regeneration temperature. In the present design, a sufficiently large drop surface and residence time of the droplets in the evaporator tube are available to process about 150 g of diesel fuel per minute. The main advantage of the complete evaporation of the diesel fuel in the second burner stage is that on the one hand vaporized diesel fuel has very good transport properties. It can be realized without further application effort very different pipe guide. On the other hand, a homogeneous distribution of hydrocarbons on the catalyst surface is guaranteed. This leads to very low radial temperature gradients in the catalyst, which has a positive effect on the thermo-mechanical loading of the catalyst and thus on the durability.
Gaszusammensetzung des verdampften Dieselkraftstoffs Untersuchungen haben gezeigt, dass die Verdampfung des Dieselkraftstoffs in der heißen Atmosphäre des Brennerabgases zu veränderten chemischen Eigenschaften des Dieselkraftstoffs führt, denen durch die Katalysatortechnologie Rechnung getragen werden muss. Hauptsächlich konnten hierbei Teiloxidationen und kurzkettige Crackprodukte des Dieselkraftstoffs gefunden werden. Eine gänzlich platinfreie Beschichtung auf Palladiumbasis kann eine Kostenreduktion in der Edelmetallbeladung des Katalysators erzielen. Eine Erhöhung der Stickstoffdioxidemissionen (N2O), die von platinhaltigen Beschichtungen bekannt ist, wurde nicht festgestellt, was den Einsatz dieser Technologie auch für den Innenraum- und Untertageeinsatz ermöglicht. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde eine detaillierte Analyse des verdampften Dieselkraftstoffs durchgeführt. Dazu werden während der thermischen Regeneration eines DPF im Motorbetrieb verschiedene Gasproben mit einem Gassammelrohr (”Gasmaus”) entnommen, indem der Probegasstrom nach
Für die Untersuchung wurde ein 6,2 l Dieselmotor (TCD 2012 L06) der Abgasstufe EU IIIB stationär im Teillastbereich (1650 1/min, 260 Nm) betrieben. Ausgehend von einer Motorabgastemperatur von 285°C konnte die Temperatur nach Zuschalten der ersten Brennerstufe auf 405°C vor DOC erhöht werden. Die Zieltemperatur von 650°C nach DOC konnte nach
Dies ist in der Abkühlung des Brennerabgases der ersten Stufe begründet, da für die Verdampfung großer Dieselkraftstoffmengen der zweiten Brennerstufe eine hohe Verdampfungsenthalpie erforderlich ist.This is due to the cooling of the burner exhaust gas of the first stage, since a high evaporation enthalpy is required for the evaporation of large quantities of diesel fuel of the second burner stage.
Zusätzlich zur FTIR-Analyse wurden Gasproben chemisch analysiert. Mittels der Gaschromatographie konnte für die verschiedenen Gasproben, die während der Regeneration erzeugt wurden, in der Flüssiggasanalyse nach
Der Anteil von Ethen beträgt an der gesamten Gaszusammensetzung nur 0,12 v% [I I–1], jedoch hat diese Komponente innerhalb der detektierbaren Kohlenwasserstoffe einen Anteil von 31,5 w% [kg kg–1].The proportion of ethene in the total gas composition is only 0.12 v% [II -1 ], but this component has a fraction of 31.5 w% [kg kg -1 ] within the detectable hydrocarbons.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- VerbrennungskraftmaschineInternal combustion engine
- 22
- Abgastraktexhaust tract
- 33
- Brenner und/oder VerdampferBurner and / or evaporator
- 44
- Dosiervorrichtungmetering
- 55
- Regel- bzw. SteuerungseinheitControl unit
- 66
- KraftstoffversorgungseinheitFuel supply unit
- 77
- LuftversorgungseinheitAir supply unit
- 88th
- Druck- bzw. Temperaturmesssensor vor dem SCR-KatalysatorPressure or temperature measuring sensor in front of the SCR catalytic converter
- 99
- Druck- bzw. Temperaturmesssensor nach dem SCR-KatalysatorPressure or temperature measuring sensor after the SCR catalytic converter
- 1010
- SCR-KatalysatorSCR catalyst
- 1111
- LuftmassensensorAir mass sensor
- 1414
- Mündung der EinbringvorrichtungMouth of the introduction device
- 1515
- Gehäusecasing
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- DIN 51 619 [0022] DIN 51 619 [0022]
- DIN EN ISO 6974-3 [0022] DIN EN ISO 6974-3 [0022]
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