DE10358910B4 - exhaust aftertreatment - Google Patents

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Abstract

Motorsteuerungssystem in einem Fahrzeug, umfassend:
einen Dieselmotor (10) in dem Fahrzeug,
einen Dieselkraftstofftank (12), um dem Dieselmotor (10) Dieselkraftstoff zuzuführen,
einen Benzintank (14) in dem Fahrzeug,
einen Benzinreformer (16) zum Liefern von Produkten einer partiellen Oxidation von Benzin, das in dem Benzintank (14) enthalten ist,
eine NOx-Falle (18), die mit dem Auspuff des Dieselmotors (10) gekoppelt ist.An engine control system in a vehicle, comprising:
a diesel engine (10) in the vehicle,
a diesel fuel tank (12) for supplying diesel fuel to the diesel engine (10),
a gas tank (14) in the vehicle,
a gasoline reformer (16) for supplying products of partial oxidation of gasoline contained in the gasoline tank (14),
a NOx trap (18) coupled to the exhaust of the diesel engine (10).

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Die vorliegende Erfindung betrifft die Steuerung von Verbrennungsmotoren. Im Besonderen betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines Dieselmotors, um den katalytischen Wirkungsgrad zu verbessern.The The present invention relates to the control of internal combustion engines. In particular, the present invention relates to a method and a device for controlling a diesel engine to the catalytic Improve efficiency.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG BACKGROUND OF THE INVENTION

Die gegenwärtigen gesetzlichen Vorschriften auf dem Kraftfahrzeugmarkt haben zu einem zunehmenden Bedarf geführt, bei aktuellen Fahrzeugen Emissionen zu verringern. Katalytische Umformer und NOx-Fallen oder Absorptionseinheiten sind dabei die vorwiegenden Werkzeuge, die zur Reduzierung von Emissionen in Fahrzeugen verwendet werden.The current legal regulations in the motor vehicle market have become one increasing demand, to reduce emissions in current vehicles. catalytic Converters and NOx traps or absorption units are the predominant tools that reduce emissions in vehicles be used.

Ein katalytischer Dreiwegeumformer oxidiert Emissionen von Kohlenwasserstoffen (HC) und Kohlenmonoxid (CO) in einem Fahrzeug zu relativ gutartigen Verbindungen, wie etwa Kohlendioxid (CO2) und Wasser. Ein katalytischer Umformer umfasst typischerweise eine spezifische Katalysatorformulierung, die Platin, Palladium und Rhodium enthält, um gleichzeitig Oxide von Stickstoff (NOx), HC und CO zu reduzieren. Der Umwandlungswirkungsgrad eines Katalysators hängt von der Temperatur des Katalysators und dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis ab. NOx-Fallen werden dazu verwendet, während magerer Betriebsbedingungen NOx einzufangen und während fetter Betriebsbedingungen NOx freizugeben, so dass das NOx zu Kohlendioxid und Stickstoff (N2) reduziert wird.A three-way catalytic converter oxidizes emissions of hydrocarbons (HC) and carbon monoxide (CO) in a vehicle to relatively benign compounds such as carbon dioxide (CO 2 ) and water. A catalytic converter typically comprises a specific catalyst formulation containing platinum, palladium and rhodium to simultaneously reduce oxides of nitrogen (NOx), HC and CO. The conversion efficiency of a catalyst depends on the temperature of the catalyst and the air / fuel ratio. NOx traps are used to trap NOx during lean operating conditions and release NOx during rich operating conditions, reducing the NOx to carbon dioxide and nitrogen (N 2 ).

Der Funktionstemperaturbereich für einen typischen Katalysator zum Einfangen von NOx im mageren Zustand und zur Dreiwegeumwandlung ist in 1 gezeigt. Wie es in diesem Beispiel gezeigt ist, wird der höchste NOx-Umwandlungswirkungsgrad im Temperaturbereich von 250°C-450°C erhalten. Diese Temperaturen sind hoch genug, um das Abgas gleichzeitig in Bezug auf HC- und CO-Emissionen zu reinigen. Diese Temperaturen können auf der Grundlage der besonderen Formulierung von Edelmetallen und NOx einfangenden Materialien etwas variieren. Die in 2 gezeigte Katalysatorformulierung fängt NOx während des mageren Luft/Kraftstoff-Betriebs effektiv ein, indem NO zu NO2 katalysiert und dann dieses chemisch als eine Nitrat-(NO3)-Verbindung auf der Washcoat-Oberfläche gespeichert wird. Wenn alle NOx-Speicherstellen gefüllt sind, muss in dem katalytischen Umformer eine reduzierende (sauerstoffarme, CO-reiche) Abgasumgebung geschaffen werden. Die reduzierende Umgebung bewirkt, dass das gespeicherte Nitrat (NO3) als gasförmiges NO2 freigegeben wird. Das NO2 kann an einer Edelmetallstelle, wie etwa Platin, weiter zu Stickstoff N2 reduziert werden, wenn genügend Reduktionsmittel, wie etwa HC, CO und H2 vorhanden sind.The functional temperature range for a typical catalyst for NOx trapping and three-way conversion is in FIG 1 shown. As shown in this example, the highest NOx conversion efficiency is obtained in the temperature range of 250 ° C-450 ° C. These temperatures are high enough to simultaneously purify the exhaust gas for HC and CO emissions. These temperatures may vary somewhat based on the particular formulation of precious metals and NOx trapping materials. In the 2 The catalyst formulation shown effectively captures NOx during lean air / fuel operation by catalyzing NO to NO 2 and then chemically storing it as a nitrate (NO 3 ) compound on the washcoat surface. When all NOx storage locations are filled, a reducing (low-oxygen, CO-rich) exhaust gas environment must be created in the catalytic converter. The reducing environment causes the stored nitrate (NO 3 ) to be released as gaseous NO 2 . The NO 2 may be further reduced to nitrogen N 2 at a noble metal site, such as platinum, if sufficient reducing agents such as HC, CO and H 2 are present.

Die typischen Edelmetall-Katalysatorformulierungen behalten bis zu Temperaturen von 900°C sehr hohe Umwandlungswirkungsgrade. Die NOx-Speicherverbindungen, wie etwa Barium oder Kalium, die den Dreiwegekatalysatoren hinzugefügt werden, sind gewöhnlich bis zu Temperaturen von etwa 850°C stabil.The typical noble metal catalyst formulations retain up to temperatures from 900 ° C very much high conversion efficiencies. The NOx storage compounds, such as about barium or potassium, which are added to the three-way catalysts, are ordinary up to temperatures of about 850 ° C stable.

Die Leistung einer Mager-NOx-Falle bei Dieselmotoranwendungen ist durch die niedrigere Abgastemperaturen und die Schwierigkeit, häufige fette Abgasmischungen für den Katalysator bereitzustellen, stark begrenzt. Die sehr niedrigen Abgastemperaturen eines Dieselmotors sind das Ergebnis eines sehr mageren Betriebs und höherer Verdichtungs- und Ausdehnungsverhältnisse. Das sind die gleichen Ursachen, die für den höheren Kraftstoffwirkungsgrad im Vergleich mit fremd gezündeten Benzinmotoren sorgen.The Performance of a lean NOx trap in diesel engine applications is through the lower exhaust gas temperatures and the difficulty of frequent rich exhaust gas mixtures for the To provide catalyst, very limited. The very low Exhaust gas temperatures of a diesel engine are the result of a very lean operation and higher Compaction and expansion ratios. These are the same causes the for the higher one Fuel efficiency in comparison with externally ignited gasoline engines to care.

Luft/Kraftstoff-Verhältnisse können auch derart eingestellt werden, dass die katalytische Leistung in einem Fahrzeug verändert wird. Ein Luft/Kraftstoff-Gemisch wird durch ein Verhältnis angegeben, das Äquivalenzverhältnis genannt und durch das Symbol λ dargestellt wird. Das Äquivalenzverhältnis ist durch die folgende Gleichung definiert:

Figure 00030001
Air / fuel ratios may also be adjusted to vary the catalytic performance in a vehicle. An air / fuel mixture is indicated by a ratio called the equivalence ratio and represented by the symbol λ. The equivalence ratio is defined by the following equation:
Figure 00030001

Ein relativ kleines Luft/Kraftstoff-Verhältnis unter 14,7 (λ < 1) wird als fettes Gemisch charakterisiert, und ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis über 14,7 (λ > 1) kann als mageres Gemisch charakterisiert werden. Traditionelle Fahrzeugbenzinmotoren werden bei Stöchiometrie (λ = 1) betrieben, da die meisten vorgeschriebenen Abgase bei Stöchiometrie gleichzeitig reduziert werden können. Wenn Fahrzeugmotoren mit mageren Gemischen betrieben werden, wie etwa Dieselmotoren, können die erzeugten NOx-Verbindungen durch traditionelle Dreiwegekatalyse nicht ausreichend reduziert werden. Daher haben diese Motoren Probleme, die zunehmend strengen Abgasemissionsvorschriften zu erfüllen.One relatively small air / fuel ratio below 14.7 (λ <1) is considered rich Characterized mixture, and an air / fuel ratio over 14.7 (λ> 1) can be considered lean Mixture be characterized. Traditional vehicle gasoline engines be at stoichiometry (λ = 1) operated as most prescribed exhaust gases at stoichiometry can be reduced at the same time. When vehicle engines are operated with lean mixtures, such as Diesel engines, can the generated NOx compounds through traditional three-way catalysis not be reduced sufficiently. Therefore, these engines have problems to meet the increasingly stringent exhaust emissions regulations.

Um die NOx-Emissionen für mit Diesel angetriebene Fahrzeuge zu verbessern, umfassen gegenwärtige Systeme mit selektiver katalytischer Reduktion mittels Harnstoff (SCR) und Mager-NOx-Fallen. SCR mit Harnstoff benutzt eine Harnstoffversorgung ((NH2)2CO) und ein Abgasdosierungssystem, um dem Speisestrom eines großen, spezialisierten Kata lysators Ammoniak (NH3) zuzuführen. Der Ammoniak reduziert dann die NOx-Emissionen über den selektiven Katalysator zu N2. SCR mit Harnstoff erfordert einen getrennten Harnstofftank in einem Fahrzeug und die Entwicklung einer Infrastruktur zur Harnstoffbetankung. Das System mit Mager-NOx-Falle erfordert einen speziell formulierten Dreiwegekatalysator mit einer zusätzlichen NOx-Speicherchemie. Die NOx-Emissionen, die während des mageren Betriebes chemisch gespeichert werden, müssen in einer reinen, kraftstoffreichen Umgebung an der Katalysatoroberfläche freigegeben und reduziert werden. Die häufige Erzeugung von fetten, reduzierenden Abgasimpulsen stellt bedeutende Herausforderungen an Dieselmotorsysteme.To improve NOx emissions for diesel powered vehicles, current selective catalytic reduction systems using urea (SCR) and lean NOx traps include. SCR with urea uses a urea supply ((NH 2 ) 2 CO) and an exhaust dosing system to supply ammonia (NH 3 ) to the feed stream of a large, specialized catalyst. The ammonia then reduces the NOx emissions via the selective catalyst to N 2 . SCR with urea requires egg separate urea tank in a vehicle and the development of a urea refueling infrastructure. The lean NOx trap system requires a specially formulated three-way catalyst with additional NOx storage chemistry. The NOx emissions chemically stored during lean operation must be released and reduced in a clean, fuel-rich environment at the catalyst surface. The frequent generation of rich, reducing exhaust pulses poses significant challenges to diesel engine systems.

Die DE 100 18 792 C1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schadstoffreduktion von Abgasen von Verbrennungsmotoren. Die Schadstoffe werden in einem Katalysator unter Zuführung von Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid reduziert. Zur Erzeugung des Wasserstoffs bzw. des Kohlenmonoxids werden Kohlenwasserstoffe partiell oxidiert, wobei zuerst leicht siedende Komponenten der Kohlenwasserstoffe verdampft werden und dann in einem nachfolgenden Schritt nur aus diesen abgetrennten Komponenten der Wasserstoff bzw. das Kohlenmonoxid erzeugt wird.The DE 100 18 792 C1 discloses a method and apparatus for pollutant reduction of exhaust gases from internal combustion engines. The pollutants are reduced in a catalyst with the supply of hydrogen and / or carbon monoxide. Hydrocarbons are partially oxidized to produce the hydrogen or carbon monoxide, in which case first low-boiling components of the hydrocarbons are vaporized and then, in a subsequent step, only the hydrogen or carbon monoxide is produced from these separated components.

Die DE 43 42 062 A1 offenbart eine Abgasreinigungsvorrichtung für eine Verbrennungsmaschine mit einem Abgasrohr, wobei die Vorrichtung ein NOx-Absorptionsmittel enthält, das in dem Abgasrohr angeordnet ist und bei einem mageren Luft-Kraftstoffverhältnis die NOx-Komponente in dem Abgas absorbiert. Dem NOx-Absorptionsmittel wird ein Reduktionsmittel zugeführt, wobei als Reduktionsmittel beispielsweise das gleiche Gasöl wie der Kraftstoff der Maschine verwendet werden kann.The DE 43 42 062 A1 discloses an exhaust gas purification device for an internal combustion engine having an exhaust pipe, the device including a NOx absorbent disposed in the exhaust pipe and absorbing the NOx component in the exhaust gas at a lean air-fuel ratio. The NOx absorbent is supplied with a reducing agent, and as the reducing agent, for example, the same gas oil as the fuel of the engine can be used.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Die vorliegende Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Versorgen eines an Bord befindlichen Reduktionsmittelsystems für eine Dieselnachbehandlung. Die vorliegende Erfindung benutzt Benzin als an Bord befindliches Abgasreduktionsmittel für Dieselmotoren. Ein getrennter Benzintank und Benzinreformer ist in der vorliegenden Erfindung enthalten, um Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Stickstoff (fette Verbrennungsprodukte) zu erzeugen, die dazu verwendet werden können, die NOx-Emissionen, die in der NOx-Falle gespeichert sind, zu spülen und zu reduzieren. Die Häufigkeit der Regenerierung der NOx-Falle wird als eine Funktion der Kapazität der NOx-Falle eingestellt.The The present invention is a method and an apparatus for the Supplying an on-board reductant system for diesel after-treatment. The present invention uses gasoline as on-board Exhaust reducing agent for Diesel engines. A separate gas tank and gasoline reformer is in the present invention to hydrogen, carbon monoxide and to produce nitrogen (fat combustion products) which can be used to purge the NOx emissions stored in the NOx trap and to reduce. The frequency The regeneration of the NOx trap is considered as a function of the capacity of the NOx trap set.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

1 ist eine grafische Darstellung des thermischen NOx-Umwandlungswirkungsgrades einer NOx-Falle. 1 Fig. 10 is a graph of the NOx NOx conversion efficiency of a NOx trap.

2 ist eine schematische Zeichnung einer bei der vorliegenden Erfindung verwendeten NOx-Falle. 2 Fig. 10 is a schematic drawing of a NOx trap used in the present invention.

3 ist eine schematische Zeichnung des Systems der vorliegenden Erfindung. 3 Figure 3 is a schematic drawing of the system of the present invention.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMDESCRIPTION OF THE PREFERRED Embodiment

2 ist ein Funktionsdiagramm einer NOx-Falle 18, die Metalloxide (MeO) als Einfangmittel für NOx-Verbindungen während magerer Betriebsbedingungen benutzt und NOx-Verbindungen während fetter Betriebsbedingungen freigibt. Das Reduktionsmittel Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe in dem relativ fetten Abgasstrom verbinden sich mit dem freigegebenen NOx und wandeln es in Stickstoff und Sauerstoff um. 2 is a functional diagram of a NOx trap 18 , which uses metal oxides (MeO) as a trapping agent for NOx compounds during lean operating conditions and releases NOx compounds during rich operating conditions. The reducing agent carbon monoxide and hydrocarbons in the relatively rich exhaust gas flow combine with the released NOx and convert it into nitrogen and oxygen.

3 ist eine schematische Zeichnung der vorliegenden Erfindung, die einen Dieselmotor 10, einen Dieselkraftstofftank 12, einen Benzintank 14, einen Benzinreformer 16 zur partiellen Oxidation und eine NOx-Falle 18 umfasst. Während der mageren Betriebsarten des Dieselmotors wird die NOx-Falle mit NOx gesättigt. Bei vorgegebenen oder während bestimmter Motorbetriebsarten wird der Benzinreformer 16 Produkte einer partiellen Oxidation, wie etwa Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Stickstoff liefern, um die NOx-Falle 18 zu regenerieren. Der Benzinreformer 16 kann ein Luft- oder Abgaseinlassgebläse, eine Kraftstoffsprüh- und Verdampfungsstufe, eine Zündquelle und einen Katalysator zur Umwandlung des Kohlenwasserstoffkraftstoffes in H2 und CO umfassen. Der Katalysator könnte ein herkömmliches Monolithsubstrat mit einem Washcoat sein, der Rhodium (Rh) enthält. 3 is a schematic drawing of the present invention, which is a diesel engine 10 , a diesel fuel tank 12 , a gas tank 14 , a gasoline reformer 16 for partial oxidation and a NOx trap 18 includes. During lean engine operation of the diesel engine, the NOx trap becomes saturated with NOx. At given or certain engine operating modes, the gasoline reformer becomes 16 Partial oxidation products such as hydrogen, carbon monoxide, and nitrogen provide the NOx trap 18 to regenerate. The gasoline reformer 16 may include an air or exhaust inlet blower, a fuel spray and vaporization stage, an ignition source and a catalyst for converting the hydrocarbon fuel to H 2 and CO. The catalyst could be a conventional monolith substrate having a washcoat containing rhodium (Rh).

Der zusätzliche Vorzug der Produkte einer partiellen Oxidation ist, dass die Oxidation von Kohlenmonoxid Wärme erzeugen wird, um den thermischen Wirkungsgrad der chemischen Reaktionen in der NOx-Falle 18 zu erhöhen. Ein Durchflusssteuerventil 20 wird den Strom von Produkten einer partiellen Oxidation zu dem Dieselmotor 10 und der NOx-Falle 18 steuern. Da der Benzinreformer 16 zur partiellen Oxidation unabhängig von der Betriebsart des Dieselmotors 10 ist, kann er mit verschiedenen Durchflussraten betrieben werden, um dem Motor 10 oder dem Abgasstrom Reformat zuzuführen. Dies erlaubt abhängig von der Motorbetriebsart eine Optimierung der NOx-Emissionen in der Brennkammer, in der NOx-Falle 18 oder in beiden gleichzeitig.The additional benefit of the products of partial oxidation is that the oxidation of carbon monoxide will generate heat to the thermal efficiency of the chemical reactions in the NOx trap 18 to increase. A flow control valve 20 converts the stream of products of partial oxidation to the diesel engine 10 and the NOx trap 18 Taxes. As the gasoline reformer 16 for partial oxidation regardless of the operating mode of the diesel engine 10 is, it can be operated at different flow rates to the engine 10 or to supply reformate to the exhaust gas stream. This allows Opti depending on the engine operating mode NOx emissions in the combustion chamber, in the NOx trap 18 or in both at the same time.

Die vorliegende Erfindung umfasst ferner eine Doppel-Kraftstoffabgabeeinrichtung 30. Die Einrichtung 30 umfasst ein Benzinfüllrohr 32 und ein Dieselfüllrohr 34. Das Benzinfüllrohr 32 wird den Benzintank 14 befüllen, und das Dieselfüllrohr 34 wird den Dieseltank 12 befüllen. Obwohl das abgeschätzte Benzinvolumen ungefähr 5 % des Dieselkraftstoffvolumens betragen wird, würde die Benzinfüllrate hoch genug eingestellt werden, um eine vollständige Befüllung des Benzintanks 14 sicherzustellen, selbst bei teilweisen Dieselkraftstoffbefüllungen. Dies würde eine ausreichende Verfügbarkeit von Produkten einer partiellen Oxidation für die Steuerung von NOx-Emissionen sicherstellen. Die Doppel-Kraftstoffabgabeeinrichtung 30 würde in die Befüllungsinfrastruktur oder eine Tankstelle eingebaut werden, da Benzin- und Dieselkraftstoff gegenwärtig an den meisten Tankstellen erhältlich sind.The present invention further includes a dual fuel dispenser 30 , The device 30 includes a gasoline filler pipe 32 and a diesel filler pipe 34 , The gasoline filler pipe 32 becomes the gas tank 14 fill, and the diesel filling pipe 34 becomes the diesel tank 12 fill. Although the estimated gasoline volume will be about 5% of the diesel fuel volume, the gasoline fill rate would be set high enough to allow for a full fuel tank fill 14 ensure even with partial diesel fuel fillings. This would ensure sufficient availability of partial oxidation products for the control of NOx emissions. The double fuel dispenser 30 would be installed in the filling infrastructure or gas station, as gasoline and diesel fuel are currently available at most gas stations.

Obgleich diese Erfindung anhand einiger besonderer Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist festzustellen, dass andere Ausführungsformen von einem Fachmann auf dem Gebiet leicht angepasst werden können. Dementsprechend soll der Schutzbereich dieser Erfindung als nur durch die folgenden Ansprüche beschränkt angesehen werden.Although this invention has been described with reference to some particular embodiments, It should be noted that other embodiments by a person skilled in the art in the field can be easily adjusted. Accordingly should the scope of this invention is considered to be limited only by the following claims become.

Claims (5)

Motorsteuerungssystem in einem Fahrzeug, umfassend: einen Dieselmotor (10) in dem Fahrzeug, einen Dieselkraftstofftank (12), um dem Dieselmotor (10) Dieselkraftstoff zuzuführen, einen Benzintank (14) in dem Fahrzeug, einen Benzinreformer (16) zum Liefern von Produkten einer partiellen Oxidation von Benzin, das in dem Benzintank (14) enthalten ist, eine NOx-Falle (18), die mit dem Auspuff des Dieselmotors (10) gekoppelt ist.An engine control system in a vehicle, comprising: a diesel engine ( 10 ) in the vehicle, a diesel fuel tank ( 12 ) to the diesel engine ( 10 ) To supply diesel fuel, a gasoline tank ( 14 ) in the vehicle, a gasoline reformer ( 16 ) for supplying products of partial oxidation of gasoline contained in the gasoline tank ( 14 ), a NOx trap ( 18 ), with the exhaust of the diesel engine ( 10 ) is coupled. Motorsteuerungssystem nach Anspruch 1, wobei die NOx-Falle (18) einen Dreiwegekatalysator umfasst.Engine control system according to claim 1, wherein the NOx trap ( 18 ) comprises a three-way catalyst. Motorsteuerungssystem nach Anspruch 1, wobei die NOx-Falle (18) durch die Produkte einer partiellen Oxidation regeneriert wird.Engine control system according to claim 1, wherein the NOx trap ( 18 ) is regenerated by the products of partial oxidation. Motorsteuerungssystem nach Anspruch 1, wobei die Produkte einer partiellen Oxidation Kohlenmonoxid, Wasserstoff oder Stickstoff umfassen.Engine control system according to claim 1, wherein the Products of partial oxidation carbon monoxide, hydrogen or Include nitrogen. Verfahren zum Steuern eines Dieselmotors (10), umfassend: Bereitstellen eines Dieselkraftstofftanks (12), Bereitstellen eines Benzintanks (14), Bereitstellen eines Benzinreformers (16), Bereitstellen einer NOx-Falle (18), Erzeugen von Produkten einer partiellen Oxidation unter Verwendung des Benzinreformers (16), und Regenerieren der NOx-Falle (18) mit den Produkten einer partiellen Oxidation.Method for controlling a diesel engine ( 10 ), comprising: providing a diesel fuel tank ( 12 ), Providing a fuel tank ( 14 ), Providing a gasoline reformer ( 16 ), Providing a NOx trap ( 18 ), Producing products of partial oxidation using the gasoline reformer ( 16 ), and regenerating the NOx trap ( 18 ) with the products of partial oxidation.
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