DE102019133509A1 - Method for operating an exhaust system and an exhaust system - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasanlage (1), die stromabwärts einer Brennkraftmaschine (2) angeordnet ist, wobei
- das Abgas der Brennkraftmaschine (2), die mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ = 1 betrieben wird, der Abgasanlage (1) zugeführt wird,
- in einen Abgasleitungsabschnitt (4) der Abgasanlage (1) in der Nähe einer Entflammvorrichtung eine definierte Kraftstoffmenge eingespritzt wird, so dass sich lokal ein Luft-Kraftstoff-Gemisch mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ < 1 ergibt,
- in den Abgasleitungsabschnitt (4) eine zu dieser eingespritzten Kraftstoffmenge passende Luftmenge eingebracht wird, so dass sich in Summe wieder ein stöchiometrisches Abgas ergibt, das ein Luft-Kraftstoff-Gemisch mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ = 1 aufweist,
- das Luft-Kraftstoff-Gemisch mittels der Entflammvorrichtung entflammt wird. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine Abgasanlage (1) zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.

Figure DE102019133509A1_0000
The invention relates to a method for operating an exhaust system (1) which is arranged downstream of an internal combustion engine (2), wherein
- the exhaust gas of the internal combustion engine (2), which is operated with a combustion air ratio λ = 1, is fed to the exhaust system (1),
- A defined amount of fuel is injected into an exhaust line section (4) of the exhaust system (1) in the vicinity of an inflammation device, so that an air-fuel mixture with a combustion air ratio λ <1 results locally,
- A quantity of air that matches this injected fuel quantity is introduced into the exhaust line section (4), so that in total a stoichiometric exhaust gas is again obtained, which has an air-fuel mixture with a combustion air ratio λ = 1,
- the air-fuel mixture is ignited by means of the ignition device. The present invention also relates to an exhaust system (1) for carrying out such a method.
Figure DE102019133509A1_0000

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasanlage. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine Abgasanlage.The present invention relates to a method for operating an exhaust system. The present invention also relates to an exhaust system.

Eine Abgasanlage ist stromabwärts einer Brennkraftmaschine angeordnet und dient dem Zweck, das während des Verbrennungsprozesses eines Luft-Kraftstoff-Gemischs entstehende Abgas auszuleiten und mittels einer oder mehrerer Abgasbehandlungseinrichtungen zu reinigen. Bei diesen Abgasbehandlungseinrichtungen handelt es sich zum Beispiel um Katalysatoren sowie Partikelfilter. Derzeit werden in Kraftfahrzeugen üblicherweise so genannte Drei-Wege-Katalysatoren verwendet, die dazu in der Lage sind, die während des Verbrennungsprozesses entstehenden Schadstoffe wie Stickoxide, Kohlenmonoxid sowie unverbrannte Kohlenwasserstoffe in einem katalytischen Prozess in Kohlenstoffdioxid, Stickstoff und Wasser umzuwandeln. Partikelfilter dienen dem Zweck, aus dem Abgas der Brennkraftmaschine darin enthaltene Rußpartikel herauszufiltern. Wenn die Funktionen des Drei-Wege-Katalysators und des Partikelfilters in einem einzigen Katalysator realisiert sind, wird häufig auch von einem Vier-Wege-Katalysator gesprochen.An exhaust system is arranged downstream of an internal combustion engine and serves the purpose of discharging the exhaust gas produced during the combustion process of an air-fuel mixture and cleaning it by means of one or more exhaust gas treatment devices. These exhaust gas treatment devices are, for example, catalytic converters and particle filters. So-called three-way catalytic converters are currently used in motor vehicles, which are capable of converting the pollutants such as nitrogen oxides, carbon monoxide and unburned hydrocarbons into carbon dioxide, nitrogen and water in a catalytic process. Particle filters serve the purpose of filtering out the soot particles contained therein from the exhaust gas of the internal combustion engine. When the functions of the three-way catalytic converter and the particulate filter are implemented in a single catalytic converter, it is often referred to as a four-way catalytic converter.

Mit steigenden Anforderungen an die Einhaltung gesetzlich vorgeschriebener Emissionsgrenzwerte, wie sie zum Beispiel in der zukünftig geltenden Norm Euro 7 für Otto-Motoren geplant sind, vergrößern sich sehr wahrscheinlich auch die Volumina der Katalysatoren und Partikelfilter. Dieses hat zur Folge, dass bei einigen Fahrzeugtypen die Vorkatalysatoren der Abgasanlage voraussichtlich den gesamten motornahen Bereich als Bauraum benötigen. Ein zusätzlicher Katalysator beziehungsweise ein Partikelfilter oder Vier-Wege-Katalysator wird dann in einer ersten Position im Unterboden des Kraftfahrzeugs verbaut. Dadurch ergibt sich speziell bei Kraftfahrzeugen mit geringen Fahrwiderständen und leistungsstarken Motoren die Notwendigkeit, die Katalysatoren beziehungsweise Partikelfilter aktiv zu heizen.With increasing requirements for compliance with legally prescribed emission limit values, such as those planned in the future Euro 7 standard for gasoline engines, the volumes of the catalytic converters and particle filters will very likely also increase. As a result, in some vehicle types, the pre-catalytic converters of the exhaust system will probably require the entire area close to the engine as installation space. An additional catalytic converter or a particle filter or four-way catalytic converter is then installed in a first position in the underbody of the motor vehicle. This results in the need, especially in motor vehicles with low driving resistance and powerful engines, to actively heat the catalytic converters or particle filters.

Bei Kraftfahrzeugen mit einer so genannten Segel-Funktion sowie bei Hybrid-Fahrzeugen, die zusätzlich zu einer Brennkraftmaschine eine elektrische Maschine als Antriebsvorrichtung aufweisen, verstärkt sich durch längere Stillstandszeiten der Brennkraftmaschine im rein elektromotorischen Fahrbetrieb der Effekt des Auskühlens der Abgasanlage im Fahrbetrieb nochmals.In motor vehicles with a so-called sailing function and in hybrid vehicles that have an electric machine as a drive device in addition to an internal combustion engine, the longer downtimes of the internal combustion engine in purely electric driving mode intensify the effect of cooling the exhaust system while driving.

Andererseits muss die Abgasnachbehandlung innerhalb kürzester Zeit konvertierungsfähig sein. Das bedeutet, dass eine Temperatur erreicht werden muss, bei der die Katalysatoren aktiv werden (so genannte „Light-Off-Temperatur“), um die strengen Abgasvorschriften unter allen realen Fahrbedingungen einzuhalten.On the other hand, the exhaust gas aftertreatment must be convertible within a very short time. This means that a temperature must be reached at which the catalytic converters become active (so-called “light-off temperature”) in order to comply with the strict emissions regulations under all real driving conditions.

Das Aufheizen der Komponenten der Abgasanlage kann auf ganz unterschiedliche Art und Weise erfolgen und hängt beispielsweise von der Größe der Brennkraftmaschine sowie vom Fahrwiderstand des Kraftfahrzeugs ab. Vergleichsweise klein bauende Brennkraftmaschinen, wie zum Beispiel Vierzylinder-Reihenmotoren (R4-Motoren), in größeren Kraftfahrzeugen können dieses zum Beispiel über ein herkömmliches Heizen des Katalysators mit einem Sekundärluft-System erreichen. Mittelschwere Kraftfahrzeuge mit mittelgroßen Brennkraftmaschinen, wie zum Beispiel V6-Motoren, können diese Energie über elektrische Heizkatalysatoren direkt der Abgasanlage zuführen. Entsprechende Beispiele hierfür liefern die DE 10 2009 052 008 A1 , die EP 0 783 621 B1 , die DE 10 2014 115 923 A1 sowie die US 9,060,387 B2 .The components of the exhaust system can be heated in very different ways and depend, for example, on the size of the internal combustion engine and the driving resistance of the motor vehicle. Comparatively small internal combustion engines such as four-cylinder in-line engines (R4 engines) in larger motor vehicles can achieve this, for example, by conventional heating of the catalytic converter with a secondary air system. Medium-weight motor vehicles with medium-sized internal combustion engines, such as V6 engines, can feed this energy directly into the exhaust system via electrical heating catalytic converters. Corresponding examples are provided by DE 10 2009 052 008 A1 , the EP 0 783 621 B1 , the DE 10 2014 115 923 A1 as well as the US 9,060,387 B2 .

Bei Brennkraftmaschinen, die in eher kleineren Kraftfahrzeugen mit geringen Lasten und damit auch mit niedrigen Abgastemperaturen betrieben werden, kann ein Brennersystem notwendig werden, um die hohe benötigte Energie durch das Verbrennen von Kraftstoff bereit zu stellen, ähnlich wie bei einem Zuheizer-System für eine Standheizung oder für eine Innenraumheizung eines Kraftfahrzeugs. Beispiele hierfür liefern die EP 0 590 699 B1 , die EP 0 238 916 A1 sowie die EP 1 807 612 B1 .In internal combustion engines that are operated in smaller motor vehicles with low loads and thus also with low exhaust gas temperatures, a burner system may be necessary to provide the high energy required by burning fuel, similar to an auxiliary heater system for an auxiliary heater or for an interior heater of a motor vehicle. Examples of this are provided by EP 0 590 699 B1 , the EP 0 238 916 A1 as well as the EP 1 807 612 B1 .

Wenn diese Systeme autark beziehungsweise in einem Teilstrom betrieben werden, sind sie allerdings sehr aufwändig zu steuern und nur mit einem erheblichen Zusatzaufwand in der On-Board-Diagnose des Kraftfahrzeugs zu überwachen (siehe DE 41 04 165 A1 ).If these systems are operated independently or in a partial flow, they are, however, very complex to control and only need to be monitored with considerable additional effort in the on-board diagnosis of the motor vehicle (see DE 41 04 165 A1 ).

Wenn die Brennkraftmaschine als Otto-Motor ausgeführt ist, wird für eine ideale Verbrennung von 1 kg Benzin eine Luftmasse von 14,7 kg benötigt. Das Massenverhältnis von Luftmasse zu Benzin beträgt dann 14,7:1 (stöchiometrisches Verhältnis). Das so genannte Verbrennungsluftverhältnis λ gibt bei einem Verbrennungsprozess an, wie das dem Verbrennungsprozess tatsächlich zugeführte Luft-Kraftstoff-Gemisch vom theoretisch für eine stöchiometrisch vollständige Verbrennung erforderlichen Massenverhältnis abweicht. Wenn die dem Verbrennungsprozess tatsächlich zugeführte Luftmasse der theoretisch für die vollständige Verbrennung erforderlichen Luftmasse entspricht, gilt für das Verbrennungsluftverhältnis λ = 1. Bei einem Verbrennungsluftverhältnis λ < 1 herrscht ein Luftmangel vor. In diesem Zusammenhang wird häufig auch von einem fetten Gemisch gesprochen. Bei einem Verbrennungsluftverhältnis λ > 1 besteht ein Luftüberschuss, so dass sich ein mageres Gemisch ergibt.If the internal combustion engine is designed as a gasoline engine, an air mass of 14.7 kg is required for ideal combustion of 1 kg of gasoline. The mass ratio of air mass to gasoline is then 14.7: 1 (stoichiometric ratio). In a combustion process, the so-called combustion air ratio λ indicates how the air-fuel mixture actually supplied to the combustion process deviates from the mass ratio theoretically required for stoichiometrically complete combustion. If the air mass actually supplied to the combustion process corresponds to the air mass theoretically required for complete combustion, then the combustion air ratio λ = 1. With a combustion air ratio λ <1, there is a lack of air. In this context, one often speaks of a rich mixture. With a combustion air ratio λ> 1, there is an excess of air, resulting in a lean mixture.

Die oben bereits erwähnte, zukünftig geltende Abgasnorm Euro 7 wird voraussichtlich dazu führen, dass der Verbrennungsprozess eines Otto-Motors stets mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ = 1 (stöchiometrisches Verhältnis) im gesamten Betriebsbereich zu erfolgen hat. Das Verbrennungsluftverhältnis kann also nicht derart variiert werden, dass der Otto-Motor temporär mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ < 1 oder mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ > 1 betrieben wird.The above-mentioned, future Euro 7 emissions standard will presumably mean that the combustion process of a gasoline engine will always have to take place with a combustion air ratio λ = 1 (stoichiometric ratio) over the entire operating range. The combustion air ratio cannot therefore be varied in such a way that the Otto engine is operated temporarily with a combustion air ratio λ <1 or with a combustion air ratio λ> 1.

Die vorliegende Erfindung macht es sich zur Aufgabe, ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasanlage sowie eine Abgasanlage zur Durchführung eines derartigen Verfahrens zur Verfügung zu stellen, die einen Betrieb einer Brennkraftmaschine in einem stöchiometrischen Verhältnis ermöglicht.It is an object of the present invention to provide a method for operating an exhaust system and an exhaust system for carrying out such a method, which enables an internal combustion engine to be operated in a stoichiometric ratio.

Die Lösung dieser Aufgabe liefert ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Hinsichtlich der Abgasanlage wird diese Aufgabe durch eine Abgasanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.The solution to this problem is provided by a method for operating an exhaust system with the features of claim 1. With regard to the exhaust system, this object is achieved by an exhaust system with the features of claim 5. The subclaims relate to advantageous developments of the invention.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Abgasanlage, die stromabwärts einer Brennkraftmaschine angeordnet ist, ist vorgesehen, dass

  • - das Abgas der Brennkraftmaschine, die mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ = 1 betrieben wird, der Abgasanlage zugeführt wird,
  • - in einen Abgasleitungsabschnitt der Abgasanlage in der Nähe einer Entflammvorrichtung, wie bspw. einer elektrischen Zünd- oder Heizvorrichtung, eine definierte Kraftstoffmenge eingespritzt wird, so dass sich lokal ein Luft-Kraftstoff-Gemisch mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ < 1 ergibt,
  • - in den Abgasleitungsabschnitt eine zu dieser eingespritzten Kraftstoffmenge passende Luftmenge eingebracht wird, so dass sich in Summe wieder ein stöchiometrisches Abgas ergibt, das ein Luft-Kraftstoff-Gemisch mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ = 1 aufweist,
  • - das Luft-Kraftstoff-Gemisch mittels der Entflammvorrichtung entflammt wird.
In a method according to the invention for operating an exhaust system which is arranged downstream of an internal combustion engine, it is provided that
  • - the exhaust gas of the internal combustion engine, which is operated with a combustion air ratio λ = 1, is fed to the exhaust system,
  • - A defined amount of fuel is injected into an exhaust pipe section of the exhaust system in the vicinity of an ignition device, such as an electrical ignition or heating device, so that an air-fuel mixture with a combustion air ratio λ <1 results locally,
  • - A quantity of air that matches this injected fuel quantity is introduced into the exhaust line section, so that in total a stoichiometric exhaust gas is again obtained, which has an air-fuel mixture with a combustion air ratio λ = 1,
  • - the air-fuel mixture is ignited by means of the ignition device.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht ein Aufheizen von Teilen der Abgasanlage, insbesondere Katalysatoren und/oder Partikelfiltern, in der Weise, dass ein erster Teil der Temperaturerhöhung direkt über die elektrische Energie zum Betrieb der Entflammvorrichtung zugeführt wird und ein zweiter Teil der Temperaturerhöhung über die exotherme Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs hinzukommt. Dadurch wird sichergestellt, dass keiner der Energiepfade, die für das Aufheizen von Teilen der Abgasanlage verwendet werden können, überlastet wird. Die Brennkraftmaschine kann dabei stets mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ = 1 betrieben. Auch das Abgas weist ein globales Luftverhältnis von λ = 1 auf. So können die zukünftig geltenden gesetzlichen Normen eingehalten werden. Weitere Vorteile sind zum Beispiel ein geringerer Bauraumbedarf und geringere Kosten im Vergleich zu einem autarken Brennersystem, welches in einem Nebenstrom der Abgasanlage zum Aufheizen von Teilen der Abgasanlage vorgesehen sein kann.The method according to the invention enables parts of the exhaust system, in particular catalytic converters and / or particle filters, to be heated in such a way that a first part of the temperature increase is supplied directly via the electrical energy to operate the ignition device and a second part of the temperature increase is supplied via the exothermic combustion of the Air-fuel mixture is added. This ensures that none of the energy paths that can be used to heat parts of the exhaust system are overloaded. The internal combustion engine can always be operated with a combustion air ratio λ = 1. The exhaust gas also has a global air ratio of λ = 1. In this way, the legal standards that will apply in the future can be complied with. Further advantages are, for example, a smaller space requirement and lower costs compared to an autonomous burner system, which can be provided in a bypass flow of the exhaust system for heating parts of the exhaust system.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass das Entflammen des Luft-Kraftstoff-Gemischs mittels der Zündvorrichtung innerhalb eines ersten Katalysators der Abgasanlage erfolgt. Der erste Katalysator bildet dabei aus funktionaler Sicht einen Heizkatalysator.In a preferred embodiment it is proposed that the air-fuel mixture be ignited by means of the ignition device within a first catalytic converter of the exhaust system. From a functional point of view, the first catalyst is a heating catalyst.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass eine elektrische Heizvorrichtung als Entflammvorrichtung für das Luft-Kraftstoff-Gemisch verwendet wird.In an advantageous embodiment, it is proposed that an electrical heating device be used as the ignition device for the air-fuel mixture.

In einer alternativen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass eine Glüheinrichtung oder eine Glühkerze als Entflammvorrichtung für das Luft-Kraftstoff-Gemisch verwendet wird.In an alternative embodiment it can be provided that a glow device or a glow plug is used as an ignition device for the air-fuel mixture.

Ferne kann alternativ vorgesehen sein, dass eine beheizte Zündkerze als Entflammvorrichtung für das Luft-Kraftstoff-Gemisch verwendet wird.Furthermore, it can alternatively be provided that a heated spark plug is used as an ignition device for the air-fuel mixture.

Eine erfindungsgemäße Abgasanlage, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 geeignet ist, ist stromabwärts einer Brennkraftmaschine angeordnet und weist entlang einer Strömungsrichtung eines Abgases der Brennkraftmaschine einen Abgasleitungsabschnitt sowie eine elektrische Zündvorrichtung auf, wobei der Abgasleitungsabschnitt zumindest einen Kraftstoffinjektor, mittels dessen Kraftstoff in den Abgasleitungsabschnitt einspritzbar ist, und zumindest einen Lufteinlass, mittels dessen Luft in den Abgasleitungsabschnitt einbringbar ist, umfasst, wobei

  • - der Kraftstoffinjektor dazu eingerichtet ist, in die Abgasleitung eine definierte Kraftstoffmenge einzuspritzen, so dass das Abgas der Brennkraftmaschine innerhalb des Abgasleitungsabschnitts lokal ein Luft-Kraftstoff-Gemisch mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ < 1 aufweist,
  • - über den Lufteinlass in den Abgasleitungsabschnitt eine zu dieser eingespritzten Kraftstoffmenge passende Luftmenge einbringbar ist, so dass sich in Summe wieder ein stöchiometrisches Abgas ergibt, das ein Luft-Kraftstoff-Gemisch mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ = 1 aufweist, und
  • - die elektrische Zündvorrichtung dazu eingerichtet ist, das Luft-Kraftstoff-Gemisch zu entflammen.
An exhaust system according to the invention, which is suitable for carrying out a method according to one of claims 1 to 4, is arranged downstream of an internal combustion engine and has an exhaust line section and an electrical ignition device along a flow direction of an exhaust gas from the internal combustion engine, the exhaust line section by means of at least one fuel injector Fuel can be injected into the exhaust line section, and comprises at least one air inlet, by means of which air can be introduced into the exhaust line section, wherein
  • - The fuel injector is set up to inject a defined amount of fuel into the exhaust pipe so that the exhaust gas of the internal combustion engine has an air-fuel mixture with a combustion air ratio λ <1 locally within the exhaust pipe section,
  • - A quantity of air that matches this injected fuel quantity can be introduced into the exhaust line section via the air inlet, so that, in total, a stoichiometric exhaust gas is again obtained, which is an air-fuel Has mixture with a combustion air ratio λ = 1, and
  • - The electrical ignition device is set up to ignite the air-fuel mixture.

Mittels der erfindungsgemäßen Abgasanlage erfolgt ein Aufheizen von Teilen der Abgasanlage mit den oben bereits erwähnten Vorteilen in der Weise, dass ein erster Teil der Temperaturerhöhung direkt über die elektrische Energie zum Betrieb der elektrischen Zündvorrichtung zugeführt wird und ein zweiter Teil der Temperaturerhöhung über die exotherme Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs hinzukommt. Die Brennkraftmaschine kann dabei stets im stöchiometrischen Verhältnis mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ = 1 betrieben werden.By means of the exhaust system according to the invention, parts of the exhaust system are heated up with the advantages already mentioned above in such a way that a first part of the temperature increase is supplied directly via the electrical energy to operate the electrical ignition device and a second part of the temperature increase is supplied via the exothermic combustion of the Air-fuel mixture is added. The internal combustion engine can always be operated in the stoichiometric ratio with a combustion air ratio λ = 1.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die Abgasanlage einen ersten Katalysator aufweist, der stromabwärts hinter dem Abgasleitungsabschnitt angeordnet ist.In a preferred embodiment it is proposed that the exhaust system has a first catalytic converter which is arranged downstream behind the exhaust line section.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform besteht die Möglichkeit, dass die Entflammvorrichtung innerhalb des ersten Katalysators untergebracht ist. Aus funktionaler Sicht bildet der erste Katalysator dann einen Heizkatalysator.In a particularly preferred embodiment, there is the possibility that the ignition device is accommodated within the first catalytic converter. From a functional point of view, the first catalytic converter then forms a heating catalytic converter.

In einer vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Entflammvorrichtung als elektrische Heizvorrichtung, insbesondere als Heizscheibe, ausgebildet ist.In an advantageous embodiment it can be provided that the ignition device is designed as an electrical heating device, in particular as a heating disk.

In einer alternativen Ausführungsform besteht die Möglichkeit, dass die Entflammvorrichtung als Glüheinrichtung oder Glühkerze ausgebildet ist.In an alternative embodiment, there is the possibility that the ignition device is designed as a glow device or glow plug.

In einer weiteren alternativen Ausführungsform besteht die Möglichkeit, dass die Entflammvorrichtung als beheizte Zündkerze ausgebildet ist.In a further alternative embodiment, there is the possibility that the ignition device is designed as a heated spark plug.

In einer vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Abgasanlage einen zweiten Katalysator aufweist, der stromabwärts hinter dem ersten Katalysator angeordnet ist. Dieser zweite Katalysator kann zum Beispiel als Drei-Wege-Katalysator, dem ein Partikelfilter vorgelagert sein kann, oder als Vier-Wege-Katalysator mit einem integrierten Partikelfilter ausgebildet sein. Die Abgasnachbehandlungsfunktionen des zweiten Katalysators und/oder ein Partikelfilter können in einer vorteilhaften Weiterbildung auch in den ersten Katalysator integriert sein.In an advantageous embodiment it can be provided that the exhaust system has a second catalytic converter which is arranged downstream behind the first catalytic converter. This second catalytic converter can be designed, for example, as a three-way catalytic converter, which can be preceded by a particle filter, or as a four-way catalytic converter with an integrated particle filter. The exhaust gas aftertreatment functions of the second catalytic converter and / or a particle filter can also be integrated into the first catalytic converter in an advantageous development.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende 1, die eine schematisch stark vereinfachte Ansicht einer Abgasanlage 1 zeigt, die stromabwärts einer Brennkraftmaschine 2 eines Kraftfahrzeugs angeordnet ist. Bei der Brennkraftmaschine 2 handelt es sich vorliegend um einen Otto-Motor.Further features and advantages of the present invention will become clear on the basis of the following description of a preferred exemplary embodiment with reference to the enclosed 1 , which is a schematically simplified view of an exhaust system 1 shows the downstream of an internal combustion engine 2 a motor vehicle is arranged. In the internal combustion engine 2 In the present case, it is a gasoline engine.

Die Abgasanlage 1 ist einlassseitig in an sich bekannter Weise an einen hier nicht näher bezeichneten Abgaskrümmer der Brennkraftmaschine 2 angeschlossen. Dieser Abgaskrümmer hat die Aufgabe, das von den Zylindern der Brennkraftmaschine 2 während des Verbrennungsprozesses eines Luft-Kraftstoff-Gemischs ausgestoßene Abgas zu sammeln und der stromabwärts hinter dem Abgaskrümmer angeordneten Abgasanlage 1 zum Zwecke der Abgasnachbehandlung zuzuführen. In einem an die Brennkraftmaschine 1 angrenzenden Bereich weist die Abgasanlage 1 in diesem Ausführungsbeispiel zumindest einen Vorkatalysator 3 auf.The exhaust system 1 is on the inlet side in a manner known per se to an exhaust manifold of the internal combustion engine, which is not specified here 2 connected. This exhaust manifold has the task of that of the cylinders of the internal combustion engine 2 to collect exhaust gas emitted during the combustion process of an air-fuel mixture and the exhaust system arranged downstream of the exhaust manifold 1 for the purpose of exhaust gas aftertreatment. In one to the internal combustion engine 1 adjacent area shows the exhaust system 1 in this embodiment, at least one primary catalytic converter 3rd on.

Die Abgasanlage 1 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel ferner einen Abgasleitungsabschnitt 4, der einlassseitig an einen Auslass des Vorkatalysators 3 angeschlossen ist, sowie einen ersten Katalysator 5, der einlassseitig an einen Auslass des Abgasleitungsabschnitts 4 angeschlossen ist. Ferner umfasst die Abgasanlage 1 in diesem Ausführungsbeispiel einen Partikelfilter 6, der stromabwärts hinter dem ersten Katalysator 5 angeordnet ist, sowie einen zweiten Katalysator 7, der stromabwärts hinter dem Partikelfilter 6 angeordnet ist. Der erste Katalysator 5, der Partikelfilter 6 sowie der zweite Katalysator 7 sind vorliegend in einem Unterboden des Kraftfahrzeugs angeordnet.The exhaust system 1 In this exemplary embodiment further comprises an exhaust line section 4th , the inlet side to an outlet of the primary catalytic converter 3rd is connected, as well as a first catalyst 5 , the inlet side to an outlet of the exhaust line section 4th connected. It also includes the exhaust system 1 in this embodiment a particle filter 6th that is downstream after the first catalytic converter 5 is arranged, as well as a second catalyst 7th , the downstream behind the particulate filter 6th is arranged. The first catalyst 5 , the particle filter 6th as well as the second catalyst 7th are presently arranged in an underbody of the motor vehicle.

Der zweite Katalysator 7 kann zum Beispiel als Drei-Wege-Katalysator ausgeführt sein. Alternativ kann der zweite Katalysator 7 auch ein Vier-Wege-Katalysator sein, bei dem die Funktion des Partikelfilters 6 in den zweiten Katalysator 7 integriert ist. Der Partikelfilter 6 kann je nach konstruktiver Auslegung auch an einer anderen Stelle der Abgasanlage 1 angeordnet sein. Beispielsweise kann der Partikelfilter 6 stromabwärts hinter dem Vorkatalysator 3 angeordnet sein oder auch in den ersten Katalysator 5 integriert sein.The second catalyst 7th can be designed, for example, as a three-way catalytic converter. Alternatively, the second catalyst 7th also be a four-way catalytic converter in which the function of the particulate filter 6th into the second catalyst 7th is integrated. The particle filter 6th Depending on the design, it can also be at another point in the exhaust system 1 be arranged. For example, the particle filter 6th downstream behind the primary catalytic converter 3rd be arranged or in the first catalyst 5 be integrated.

Insbesondere bei Kraftfahrzeugen mit geringen Fahrwiderständen und leistungsstarken Brennkraftmaschinen ist es erforderlich, Teile der Abgasanlage 1, insbesondere die im Unterboden angeordneten Katalysatoren 5, 7 beziehungsweise den Partikelfilter 6, aktiv zu heizen. Denn die Abgasnachbehandlung muss innerhalb kürzester Zeit konvertierungsfähig sein. Das bedeutet, dass eine Temperatur erreicht werden muss, bei der die Katalysatoren 5, 6 aktiv werden (so genannte „Light-Off-Temperatur“), um die strengen Abgasvorschriften auch unter allen Fahrbedingungen einzuhalten. Bei Kraftfahrzeugen mit einer so genannten Segel-Funktion sowie bei Hybrid-Fahrzeugen, die zusätzlich zu einer Brennkraftmaschine eine elektrische Maschine als Antriebsvorrichtung aufweisen, verstärkt sich durch längere Stillstandszeiten der Brennkraftmaschine im rein elektromotorischen Fahrbetrieb der Effekt des Auskühlens der Abgasanlage 1 im Fahrbetrieb nochmals.In particular in motor vehicles with low driving resistance and powerful internal combustion engines, it is necessary to remove parts of the exhaust system 1 , especially the catalytic converters located in the underbody 5 , 7th or the particle filter 6th to actively heat. Because the exhaust gas aftertreatment must be convertible within a very short time. This means that a temperature must be reached at which the catalytic converters 5 , 6th become active (so-called “light-off temperature”) in order to comply with the strict emissions regulations under all driving conditions. In motor vehicles with a so-called sailing function and in hybrid vehicles that in addition to a Internal combustion engine have an electric machine as a drive device, the effect of cooling the exhaust system is intensified by longer downtimes of the internal combustion engine in purely electric motor driving mode 1 again while driving.

Nachfolgend soll erläutert werden, auf welche Weise ein rasches Aufheizen von Teilen der Abgasanlage 1 erfolgen kann.The following explains how parts of the exhaust system are heated up quickly 1 can be done.

Die Abgasanlage 1 weist zumindest einen Kraftstoffinjektor 8 auf, der in Strömungsrichtung des Abgases vor dem ersten Katalysator 5 in den Abgasleitungsabschnitt 4 mündet und während des Betriebs Kraftstoff in diesen Bereich einspritzen kann. Der Abgasleitungsabschnitt 4 weist darüber hinaus einen Lufteinlass 40 auf, mittels dessen dem Abgasleitungsabschnitt 4 Luft zugeführt werden kann.The exhaust system 1 has at least one fuel injector 8th on, in the flow direction of the exhaust gas upstream of the first catalytic converter 5 in the exhaust pipe section 4th opens and can inject fuel into this area during operation. The exhaust pipe section 4th also has an air inlet 40 on, by means of which the exhaust pipe section 4th Air can be supplied.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben der Abgasanlage 1 wird das Abgas der Brennkraftmaschine 2, die in stöchiometrischer Betriebsweise mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ = 1 betrieben wird, der Abgasanlage 1 zugeführt. Nach dem Durchströmen des Vorkatalysators 3 wird das Abgas über den Abgasleitungsabschnitt 4 dem ersten Katalysator 5, dem Partikelfilter 6 und dem zweiten Katalysator 7 zur Abgasbehandlung zugeführt.In a method according to the invention for operating the exhaust system 1 becomes the exhaust gas of the internal combustion engine 2 , which is operated in stoichiometric mode with a combustion air ratio λ = 1, the exhaust system 1 fed. After flowing through the primary catalytic converter 3rd the exhaust gas is via the exhaust pipe section 4th the first catalyst 5 , the particle filter 6th and the second catalyst 7th supplied for exhaust gas treatment.

Der erste Katalysator 5 ist vorliegend als Heizkatalysator ausgebildet und umfasst eine elektrische Heizvorrichtung 50 mit einem elektrischen Anschluss 51. Vorzugsweise weist der erste Katalysator 5 den gleichen Durchmesser wie der zweite Katalysator 7 auf. Alternativ kann der erste Katalysator 5 einen etwas größeren Durchmesser als der zweite Katalysator 7 aufweisen.The first catalyst 5 is in the present case designed as a heating catalytic converter and comprises an electrical heating device 50 with an electrical connection 51 . The first catalyst preferably has 5 the same diameter as the second catalyst 7th on. Alternatively, the first catalyst 5 a slightly larger diameter than the second catalyst 7th exhibit.

Die elektrische Heizvorrichtung 50 bildet aus funktionaler Sicht eine elektrische Zündquelle im Abgas-Hauptstrom der Abgasanlage 1 und kann zum Beispiel als Heizscheibe ausgebildet sein. Vorliegend ist die elektrische Heizvorrichtung 50 in den ersten Katalysator 5 integriert, so dass dieser aus funktionaler Sicht einen Heizkatalysator bildet. Die insbesondere als Heizscheibe ausgebildete elektrische Heizvorrichtung 50 kann alternativ auch außerhalb des ersten Katalysators 5 vor diesem angeordnet sein. Alternativ kann zum Beispiel auch eine elektrische Glüheinrichtung beziehungsweise Glühkerze als elektrische Zündquelle zum Einsatz kommen.The electric heater 50 From a functional point of view, forms an electrical ignition source in the main exhaust gas flow of the exhaust system 1 and can be designed as a heating disk, for example. Here is the electric heater 50 in the first catalyst 5 integrated, so that from a functional point of view it forms a heating catalytic converter. The electrical heating device designed in particular as a heating disk 50 can alternatively also outside of the first catalytic converter 5 be arranged in front of this. Alternatively, for example, an electrical glow device or glow plug can also be used as an electrical ignition source.

Mittels des Kraftstoffinjektors 8 kann während des Betriebs eine definierte Kraftstoff-Einspritzung in den Abgasleitungsabschnitt 4 in der Nähe eines Einlasses des ersten Katalysators 5 erfolgen. Dadurch wird erreicht, dass das Luft-Kraftstoff-Gemisch in diesem Bereich lokal fett wird, so dass für das Verbrennungsluftverhältnis lokal gilt: λ < 1. Ferner wird eine zu dieser zugeführten Kraftstoffmenge passende stöchiometrische Luftmenge über den Lufteinlass 40 zugeführt, so dass sich in Summe wieder ein stöchiometrisches Abgas mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ = 1 ergibt. Nach der entsprechenden Gemischaufbereitung erfolgt in einem Entflammungsbereich 9 eine Entflammung/Verbrennung des dem ersten Katalysator 5 zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemischs mittels der elektrischen Heizvorrichtung 50 innerhalb des ersten Katalysators 5.By means of the fuel injector 8th can be a defined fuel injection into the exhaust line section during operation 4th near an inlet of the first catalyst 5 respectively. This ensures that the air-fuel mixture becomes locally rich in this area, so that the following applies locally to the combustion air ratio: λ <1. Furthermore, a stoichiometric amount of air that matches this supplied amount of fuel is supplied via the air inlet 40 supplied, so that in total there is again a stoichiometric exhaust gas with a combustion air ratio λ = 1. After the appropriate mixture preparation takes place in an inflammation area 9 an ignition / combustion of the first catalyst 5 supplied air-fuel mixture by means of the electric heater 50 inside the first catalyst 5 .

Mit Hilfe des hier vorgestellten Verfahrens erfolgt ein Aufheizen von Teilen der Abgasanlage 1 in der Weise, dass ein erster Teil der Temperaturerhöhung direkt über die elektrische Energie zum Betrieb der elektrischen Heizvorrichtung 50 des ersten Katalysators 5 zugeführt wird und ein zweiter Teil der Temperaturerhöhung über die exotherme Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs innerhalb des ersten Katalysators 5 hinzukommt. Die Brennkraftmaschine 2 wird hierbei konstant mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ = 1 betrieben (stöchiometrisches Verhältnis).With the help of the method presented here, parts of the exhaust system are heated up 1 in such a way that a first part of the temperature increase is directly via the electrical energy to operate the electrical heating device 50 of the first catalyst 5 is supplied and a second part of the temperature increase via the exothermic combustion of the air-fuel mixture within the first catalyst 5 come in addition. The internal combustion engine 2 is operated constantly with a combustion air ratio λ = 1 (stoichiometric ratio).

Ein Vorteil des hier beschriebenen Verfahrens besteht darin, dass ein schnelles Aufheizen von Teilen der Abgasanlage 1 realisiert werden kann, ohne dabei einen einzelnen der zur Verfügung stehenden Energieversorgungspfade zu überlasten. In der Summe bleibt das Luft-Kraftstoff-Gemisch global wieder in einem stöchiometrischen Verhältnis (Verbrennungsluftverhältnis λ = 1), wie es für zukünftige Abgasemissionsnormen als notwendig erachtet wird.One advantage of the method described here is that parts of the exhaust system are heated up quickly 1 can be realized without overloading a single one of the available energy supply paths. In total, the air-fuel mixture remains globally in a stoichiometric ratio (combustion air ratio λ = 1), as it is considered necessary for future exhaust emission standards.

Eine On-Board-Diagnose des hier beschriebenen Verfahrens kann vorzugsweise über bereits existierende Sensormittel mit neuen Funktionalitäten, aber ohne zusätzliche Sensorik erfolgen.An on-board diagnosis of the method described here can preferably take place via existing sensor means with new functionalities, but without additional sensors.

Weitere Vorteile sind zum Beispiel in einem geringeren Bauraumbedarf und geringeren Kosten gegenüber einem autarken Brennersystem in einem Nebenstrom der Abgasanlage 1 zum Aufheizen zu sehen.Further advantages are, for example, a smaller space requirement and lower costs compared to an independent burner system in a bypass flow of the exhaust system 1 to see heating up.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Claims (12)

Verfahren zum Betreiben einer Abgasanlage (1), die stromabwärts einer Brennkraftmaschine (2) angeordnet ist, wobei - das Abgas der Brennkraftmaschine (2), die mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ = 1 betrieben wird, der Abgasanlage (1) zugeführt wird, - in einen Abgasleitungsabschnitt (4) der Abgasanlage (1) in der Nähe einer Entflammvorrichtung eine definierte Kraftstoffmenge eingespritzt wird, so dass sich lokal ein Luft-Kraftstoff-Gemisch mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ < 1 ergibt, - in den Abgasleitungsabschnitt (4) eine zu dieser eingespritzten Kraftstoffmenge passende Luftmenge eingebracht wird, so dass sich in Summe wieder ein stöchiometrisches Abgas ergibt, das ein Luft-Kraftstoff-Gemisch mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ = 1 aufweist, - das Luft-Kraftstoff-Gemisch mittels der Entflammvorrichtung entflammt wird.Method for operating an exhaust system (1) which is arranged downstream of an internal combustion engine (2), wherein - the exhaust gas of the internal combustion engine (2), which is operated with a combustion air ratio λ = 1, is fed to the exhaust system (1), - A defined amount of fuel is injected into an exhaust line section (4) of the exhaust system (1) in the vicinity of an inflammation device, so that an air-fuel mixture with a combustion air ratio λ <1 results locally, - A quantity of air that matches this injected fuel quantity is introduced into the exhaust line section (4), so that in total a stoichiometric exhaust gas is again obtained, which has an air-fuel mixture with a combustion air ratio λ = 1, - the air-fuel mixture is ignited by means of the ignition device. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Entflammen des Luft-Kraftstoff-Gemischs mittels der Entflammvorrichtung innerhalb eines ersten Katalysators (5) der Abgasanlage (1) erfolgt.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the air-fuel mixture is ignited by means of the ignition device within a first catalytic converter (5) of the exhaust system (1). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Heizvorrichtung (50) als Entflammvorrichtung für das Luft-Kraftstoff-Gemisch verwendet wird.Method according to one of the Claims 1 or 2 , characterized in that an electrical heating device (50) is used as an ignition device for the air-fuel mixture. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Glüheinrichtung oder eine Glühkerze als Entflammvorrichtung für das Luft-Kraftstoff-Gemisch verwendet wird.Method according to one of the Claims 1 or 2 , characterized in that a glow device or a glow plug is used as an ignition device for the air-fuel mixture. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine beheizte Zündkerze als Entflammvorrichtung für das Luft-Kraftstoff-Gemisch verwendet wird.Method according to one of the Claims 1 or 2 , characterized in that a heated spark plug is used as an ignition device for the air-fuel mixture. Abgasanlage (1) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Abgasanlage (1) stromabwärts einer Brennkraftmaschine (2) angeordnet ist und entlang einer Strömungsrichtung eines Abgases der Brennkraftmaschine (2) einen Abgasleitungsabschnitt (4) sowie eine Entflammvorrichtung aufweist, wobei der Abgasleitungsabschnitt (4) zumindest einen Kraftstoffinjektor (8), mittels dessen Kraftstoff in den Abgasleitungsabschnitt (4) einspritzbar ist, und zumindest einen Lufteinlass (40), mittels dessen Luft in den Abgasleitungsabschnitt (4) einbringbar ist, umfasst, wobei - der Kraftstoffinjektor (8) dazu eingerichtet ist, in die Abgasleitung (4) eine definierte Kraftstoffmenge einzuspritzen, so dass das Abgas der Brennkraftmaschine (2) innerhalb des Abgasleitungsabschnitts (4) lokal ein Luft-Kraftstoff-Gemisch mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ < 1 aufweist, - über den Lufteinlass (40) in den Abgasleitungsabschnitt (4) eine zu dieser eingespritzten Kraftstoffmenge passende Luftmenge einbringbar ist, so dass sich in Summe wieder ein stöchiometrisches Abgas ergibt, das ein Luft-Kraftstoff-Gemisch mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ = 1 aufweist, und - die Entflammvorrichtung dazu eingerichtet ist, das Luft-Kraftstoff-Gemisch zu entflammen.Exhaust system (1) for performing a method according to one of the Claims 1 to 4th , wherein the exhaust system (1) is arranged downstream of an internal combustion engine (2) and along a flow direction of an exhaust gas of the internal combustion engine (2) has an exhaust line section (4) and an inflammation device, the exhaust line section (4) having at least one fuel injector (8) by means of the fuel of which can be injected into the exhaust line section (4) and comprises at least one air inlet (40), by means of which air can be introduced into the exhaust line section (4), wherein - the fuel injector (8) is configured to feed into the exhaust line (4) inject a defined amount of fuel so that the exhaust gas of the internal combustion engine (2) has an air-fuel mixture with a combustion air ratio λ <1 locally within the exhaust line section (4), - via the air inlet (40) into the exhaust line section (4) one to this injected fuel quantity can be introduced, so that in total a stoichiometric amount of air can be introduced isches exhaust gas that has an air-fuel mixture with a combustion air ratio λ = 1, and the ignition device is set up to ignite the air-fuel mixture. Abgasanlage (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasanlage (1) einen ersten Katalysator (5) aufweist, der stromabwärts hinter dem Abgasleitungsabschnitt (4) angeordnet ist.Exhaust system (1) Claim 6 , characterized in that the exhaust system (1) has a first catalytic converter (5) which is arranged downstream behind the exhaust line section (4). Abgasanlage (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Entflammvorrichtung innerhalb des ersten Katalysators (5) untergebracht ist.Exhaust system (1) Claim 7 , characterized in that the ignition device is housed within the first catalytic converter (5). Abgasanlage (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Entflammvorrichtung als elektrische Heizvorrichtung (50), insbesondere als Heizscheibe, ausgebildet ist.Exhaust system (1) after one of the Claims 6 to 8th , characterized in that the ignition device is designed as an electrical heating device (50), in particular as a heating disk. Abgasanlage (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Entflammvorrichtung als Glüheinrichtung oder Glühkerze ausgebildet ist.Exhaust system (1) after one of the Claims 6 to 8th , characterized in that the ignition device is designed as a glow device or glow plug. Abgasanlage (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Entflammvorrichtung als beheizte Zündkerze ausgebildet ist.Exhaust system (1) after one of the Claims 6 to 8th , characterized in that the ignition device is designed as a heated spark plug. Abgasanlage (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasanlage (1) einen zweiten Katalysator (7) und/oder einen Partikelfilter (6) aufweist, der stromabwärts hinter dem ersten Katalysator (5) angeordnet ist.Exhaust system (1) after one of the Claims 6 to 10 , characterized in that the exhaust system (1) has a second catalytic converter (7) and / or a particle filter (6) which is arranged downstream behind the first catalytic converter (5).
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