DE102016213056B4 - Improved operation of lean nitrogen oxide traps in urban driving conditions - Google Patents
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Abstract
Ein Verfahren zum Betreiben einer Magerstickoxidfalle (11) für eine Brennkraftmaschine (3) und mit den Schritten:während einer Speicherperiode der Magerstickoxidfalle (11), elektrisches Aufheizen der Magerstickoxidfalle (11) bis auf eine Adsorptionstemperatur von wenigstens 200 Grad Celsius mittels einer in direktem Kontakt mit der Magerstickoxidfalle (11) angeordneten elektrischen Heizvorrichtung (12), wobei das Substrat direkt erwärmt wird anstatt mittelbar durch das Abgas, während die Brennkraftmaschine (3) mager betrieben wird;am Ende der Speicherperiode, elektrisches Aufheizen der Magerstickoxidfalle (11) bis auf eine Spültemperatur von wenigstens 300 Grad Celsius mittels der elektrischen Heizvorrichtung (12) und Durchführen einer Spülperiode, während der die Brennkraftmaschine (3) fett betrieben wird.A method for operating a lean nitrogen oxide trap (11) for an internal combustion engine (3) and comprising the steps: during a storage period of the lean nitrogen oxide trap (11), electrically heating the lean nitrogen oxide trap (11) up to an adsorption temperature of at least 200 degrees Celsius by means of a direct contact electrical heater (12) associated with the lean nitrogen oxide trap (11), wherein the substrate is heated directly rather than indirectly by the exhaust gas while the internal combustion engine (3) is operated lean;at the end of the storage period, electrically heating the lean nitrogen oxide trap (11) to one Flushing temperature of at least 300 degrees Celsius by means of the electric heater (12) and performing a flushing period during which the internal combustion engine (3) is operated rich.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Magerstickoxidfalle für eine Brennkraftmaschine sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Magerstickoxidfalle.The invention relates to a method for operating a lean nitrogen oxide trap for an internal combustion engine and a motor vehicle with a lean nitrogen oxide trap.
Die Emissionen von Kraftfahrzeugen unterliegen gesetzlichen Bestimmungen, die das Ziel haben, Umweltbelastungen durch den Kraftfahrzeugverkehr zu vermindern. Deshalb werden Abgasnachbehandlungsvorrichtungen vorgesehen, um die vorgeschriebenen Grenzwerte einhalten zu können. Dies trifft auch für den Ausstoß von Umweltgiften wie Stickoxiden zu. Hierbei ist es bekannt, einen Stickoxidspeicherkatalysator vorzusehen, der in einem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeuges enthaltene Stickoxide an seiner Oberfläche adsorbiert und so speichert. Solche Stickoxidspeicherkatalysatoren werden auch Lean-NOx-Traps (LNT) oder Magerstickoxidfallen genannt und sind beispielsweise aus der
Die strenger werdenden Emissionsgrenzwerte haben zur Folge, dass für Fahrzeugnutzungsarten wie der vorwiegend innerstädtischen Nutzung, bei der vorwiegend kurze Strecken bei geringer Motorlast zurückgelegt werden, vermehrter Aufwand betrieben werden muss, um die geltenden Bestimmungen einzuhalten. Dies liegt daran, dass die Funktion von Abgasnachbehandlungsvorrichtungen temperaturabhängig ist und bei typischer innerstädtischer Nutzung das Abgas sowie die durch das Abgas erhitzten Abgasnachbehandlungsvorrichtungen überwiegend Substrattemperaturen unterhalb des jeweiligen für einen optimalen Betrieb notwendigen Temperaturen aufweisen.As a result of the ever more stringent emission limit values, greater effort must be made to comply with the applicable regulations for types of vehicle use such as predominantly inner-city use, in which predominantly short distances are covered with low engine loads. This is due to the fact that the function of exhaust gas aftertreatment devices is temperature-dependent and, with typical inner-city use, the exhaust gas and the exhaust gas aftertreatment devices heated by the exhaust gas mainly have substrate temperatures below the respective temperatures required for optimal operation.
Daher offenbart beispielsweise die
Aus der Publikation
From the publication
Die
Die Erfindung macht es sich zur Aufgabe, die Wirksamkeit von Magerstickoxidfallen zu verbessern.The object of the invention is to improve the effectiveness of lean nitrogen oxide traps.
Die Erfindung führt daher ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer Magerstickoxidfalle für eine Brennkraftmaschine ein. Das erfindungsgemäße Verfahren weist wenigstens die folgenden Schritte auf:
- während einer Speicherperiode der Magerstickoxidfalle, elektrisches Aufheizen der Magerstickoxidfalle bis auf eine Adsorptionstemperatur von wenigstens 200 Grad Celsius mittels einer in direktem Kontakt mit der Magerstickoxidfalle angeordneten elektrischen Heizvorrichtung, wobei das Substrat direkt erwärmt wird anstatt mittelbar durch das Abgas, während die Brennkraftmaschine mager betrieben wird;
- am Ende der Speicherperiode, elektrisches Aufheizen der Magerstickoxidfalle bis auf eine Spültemperatur von wenigstens 300 Grad Celsius mittels der elektrischen Heizvorrichtung und Durchführen einer Spülperiode, während der die Brennkraftmaschine fett betrieben wird.
- during a storage period of the lean nitrous oxide trap, electrically heating the lean nitrous oxide trap to an adsorption temperature of at least 200 degrees Celsius by means of an electrical heater arranged in direct contact with the lean nitrous oxide trap, wherein the substrate is heated directly instead of indirectly through the exhaust gas while the internal combustion engine is operated lean;
- at the end of the storage period, electrically heating the lean nitrous oxide trap up to a purge temperature of at least 300 degrees Celsius using the electrical heater and performing a purge period during which the engine is operated rich.
Die Erfindung besitzt den Vorteil, die Speicherfähigkeit der Magerstickoxidfalle durch Erhöhen ihrer Substrattemperatur zu vergrößern, so dass nahezu unmittelbar nach dem Kaltstart der Brennkraftmaschine eine gute Speicherfähigkeit gegeben ist. Dabei wird die Magerstickoxidfalle auf wenigstens 200 Grad aufgeheizt, was für gängige Magerstickoxidfallen eine Schwelltemperatur für gute Adsorptionseigenschaften darstellt. Durch das elektrische Aufheizen kann Stickoxid auch während der im Stadtverkehr üblichen kurzen Fahrstrecken bei geringen Geschwindigkeiten von der Magerstickoxidfalle adsorbiert werden, so dass selbst verschärfte gesetzliche Grenzwerte für den Stickoxidausstoß eingehalten werden können. In einer auf die Speicherperiode folgenden Spülperiode nutzt die Erfindung die verbesserten Umwandlungseigenschaften der Magerstickoxidfalle bei Temperaturen von wenigstens 300 Grad Celsius, die wiederum durch elektrisches Aufheizen der Magerstickoxidfalle erreicht werden. Die Erfindung ermöglicht somit einen verminderten Ausstoß an Stickoxiden sowie eine Reduktion der Substratgröße der Magerstickoxidfalle beziehungsweise der Masse der darin verwendeten kostspieligen Katalysatormaterialien.The invention has the advantage of increasing the storage capacity of the lean nitrogen oxide trap by increasing its substrate temperature, so that there is good storage capacity almost immediately after the internal combustion engine is started cold. The lean nitrogen oxide trap is heated to at least 200 degrees, which is a threshold temperature for good adsorption properties for common lean nitrogen oxide traps. Due to the electrical heating, nitrogen oxide can also be adsorbed by the lean nitrogen oxide trap during the short driving distances that are usual in city traffic at low speeds, so that even stricter legal limit values for nitrogen oxide emissions can be complied with. In a purge period following the storage period, the invention utilizes the improved conversion properties of the lean nitrous oxide trap at temperatures of at least 300 degrees Celsius, which in turn is achieved by electrically heating the lean nitrous oxide trap be reached. The invention thus enables a reduced emission of nitrogen oxides and a reduction in the substrate size of the lean nitrogen oxide trap or the mass of the expensive catalyst materials used therein.
Vorzugsweise wird das elektrische Aufheizen am Ende der Spülperiode beendet, bis die Temperatur der Magerstickoxidfalle auf die Adsorptionstemperatur gefallen ist. Ein fortgesetzter Betrieb bei den für das Spülen erwünschten noch weiter erhöhten Substrattemperaturen kann vorteilhaft entfallen, wodurch der Bedarf an elektrischer Heizleistung verringert und damit schlussendlich eine Kraftstoffeffizienz der Brennkraftmaschine verbessert werden kann.Preferably, electrical heating is terminated at the end of the purge period until the temperature of the lean nitrous oxide trap has fallen to the adsorption temperature. Continued operation at the even further increased substrate temperatures desired for rinsing can advantageously be dispensed with, as a result of which the need for electrical heating power can be reduced and ultimately the fuel efficiency of the internal combustion engine can be improved.
Die Adsorptionstemperatur beträgt vorzugsweise höchstens 250 Grad Celsius. Bei dieser Temperatur werden sehr gute Adsorptionseigenschaften der Magerstickoxidfalle erreicht, ohne dass unnötig elektrische Heizleistung für eine nur noch marginale Verbesserung gebraucht würde.The adsorption temperature is preferably at most 250 degrees Celsius. At this temperature, very good adsorption properties of the lean nitrogen oxide trap are achieved without unnecessary electrical heating power being required for only a marginal improvement.
Bevorzugt beträgt die Spültemperatur höchstens 350 Grad Celsius. Oberhalb von 350 Grad Celsius werden die Umwandlungseigenschaften der Magerstickoxidfalle im Rahmen des Spülens nicht in einem Maße gesteigert, die einen noch höheren Aufwand an elektrischer Heizleistung rechtfertigen würden.The rinsing temperature is preferably at most 350 degrees Celsius. Above 350 degrees Celsius, the conversion properties of the lean nitrogen oxide trap during flushing are not increased to an extent that would justify an even higher expenditure on electrical heating power.
Das Verfahren kann über einen zusätzlichen Schritt des Bestimmens eines Füllstandes der Magerstickoxidfalle verfügen, wobei die Speicherperiode beendet wird, wenn der bestimmte Füllstand mehr als ein vorherbestimmter Schwellfüllstand beträgt. Der Füllstand der Magerstickoxidfalle kann beispielsweise mathematisch unter Berücksichtigung der Betriebsparameter der Brennkraftmaschine und der Magerstickoxidfalle modelliert, durch Messungen wie beispielsweise des Stickoxidschlupfes oder durch eine Kombination der genannten Methoden bestimmt werden.The method may include an additional step of determining a level of the lean nitrogen oxide trap, ending the storage period when the determined level is greater than a predetermined threshold level. The filling level of the lean nitrogen oxide trap can be modeled mathematically, for example, taking into account the operating parameters of the internal combustion engine and the lean nitrogen oxide trap, determined by measurements such as the nitrogen oxide slip or by a combination of the methods mentioned.
Besonders bevorzugt wird eine Heizleistung der elektrischen Heizvorrichtung von einer von der Brennkraftmaschine betriebenen Lichtmaschine bereitgestellt. Dies besitzt den zusätzlichen Vorteil, dass eine Last der Brennkraftmaschine erhöht wird, wodurch sich Vorteile hinsichtlich des Gleichlaufs der Brennkraftmaschine (NVH - Noise Vibration Harshness) und der Stabilität des Spülvorgangs ergeben.A heating output of the electrical heating device is particularly preferably provided by an alternator operated by the internal combustion engine. This has the additional advantage that a load on the internal combustion engine is increased, which results in advantages with regard to the synchronization of the internal combustion engine (NVH - Noise Vibration Harshness) and the stability of the scavenging process.
Die Temperatur der Magerstickoxidfalle wird vorzugsweise anhand von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine und/oder einer Messung einer Stickoxidkonzentration stromabwärts der Magerstickoxidfalle bestimmt. Dadurch kann ein eigener Temperatursensor kostensparend entfallen.The temperature of the lean nitrogen oxide trap is preferably determined using operating parameters of the internal combustion engine and/or a measurement of a nitrogen oxide concentration downstream of the lean nitrogen oxide trap. As a result, a separate temperature sensor can be omitted to save costs.
Ein zweiter Erfindungsaspekt betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Magerstickoxidfalle, einer mit der Magerstickoxidfalle in wärmeleitender Verbindung stehenden und in direktem Kontakt mit der Magerstickoxidfalle angeordneten elektrischen Heizvorrichtung und einer mit der Heizvorrichtung und einer Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs verbundenen Steuereinheit. Erfindungsgemäß ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, das Verfahren des ersten Erfindungsaspekts durchzuführen.A second aspect of the invention relates to a motor vehicle with a lean nitrogen oxide trap, an electrical heating device which is in thermally conductive connection with the lean nitrogen oxide trap and is arranged in direct contact with the lean nitrogen oxide trap, and a control unit connected to the heating device and an internal combustion engine of the motor vehicle. According to the invention, the control unit is designed to carry out the method of the first aspect of the invention.
Dabei kann die Magerstickoxidfalle in einem Unterbodenbereich des Kraftfahrzeugs angeordnet sein. Eine dort angeordnete Magerstickoxidfalle besitzt gegenüber einer motornah angeordneten Magerstickoxidfalle wegen der geringeren Abgastemperaturen häufiger eine ungewünscht niedrige Substrattemperatur, so dass sie von dem elektrischen Beheizen besonders profitiert. Die Erfindung ermöglicht auf diese Weise, den grundsätzlich beschränkten Raum in der unmittelbaren Umgebung der Brennkraftmaschine für andere Komponenten freizuhalten.The lean nitrogen oxide trap can be arranged in an underbody area of the motor vehicle. A lean nitrogen oxide trap arranged there often has an undesirably low substrate temperature compared to a lean nitrogen oxide trap arranged close to the engine due to the lower exhaust gas temperatures, so that it particularly benefits from the electrical heating. In this way, the invention makes it possible to keep the basically limited space in the immediate vicinity of the internal combustion engine free for other components.
Das Kraftfahrzeug kann mit einer zusätzlichen motornah angeordneten Magerstickoxidfalle ausgestattet sein, welche von der elektrischen Heizvorrichtung entfernt angeordnet ist (insbesondere stromaufwärts der elektrischen Heizvorrichtung). Dadurch kann ein besonders vorteilhafter Kompromiss zwischen benötigter Heizleistung und den Raumerfordernissen in der unmittelbaren Umgebung der Brennkraftmaschine erreicht werden.The motor vehicle may be equipped with an additional lean nitrogen oxide trap close-coupled, which is located remote from the electric heater (specifically, upstream of the electric heater). As a result, a particularly advantageous compromise can be achieved between the required heating output and the space requirements in the immediate vicinity of the internal combustion engine.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Abbildungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; -
2 ein Diagramm, das beispielhaft urbane Betriebsbedingungen einer Magerstickoxidfalle veranschaulicht; und -
3 ein Diagramm, in dem die Speicherkapazität einer Magerstickoxidfalle in Abhängigkeit der Substrattemperatur aufgetragen ist.
-
1 an embodiment of a motor vehicle according to the invention for carrying out the method according to the invention; -
2 Figure 12 is a diagram illustrating example urban operating conditions of a lean nitrous oxide trap; and -
3 a diagram in which the storage capacity of a lean nitrogen oxide trap is plotted as a function of the substrate temperature.
Das aus der Abgasturbine 7 austretende Abgas strömt durch eine Magerstickoxidfalle 11, welche im Abgas enthaltene Stickoxide während einer Speicherperiode adsorbiert und während einer Spülperiode katalytisch reduziert. Die Magerstickoxidfalle 11 ist wärmeleitend mit einer elektrischen Heizvorrichtung 12 verbunden, welche im gezeigten Beispiel in direktem Kontakt stromaufwärts der Magerstickoxidfalle 11 an deren Eingang angeordnet ist. Die elektrische Heizvorrichtung 12 ist auf dem Substrat oder einer Wandung des Substrats angeordnet, um auf diese Weise das Substrat direkt zu erwärmen anstatt mittelbar durch das Abgas.The exhaust gas emerging from the
Zur Versorgung der elektrischen Heizvorrichtung 12 sowie weiterer elektrischer Verbraucher in dem Kraftfahrzeug 1 kann eine mit der Brennkraftmaschine 3 verbundene und von dieser angetriebenen Lichtmaschine 9 vorgesehen sein.An
Stromabwärts der Magerstickoxidfalle 11 können weitere Abgasnachbehandlungsvorrichtungen 14, Schalldämpfer und dergleichen vorgesehen sein. Ebenfalls kann eine Abgasrückführung vorgesehen sein (nicht dargestellt). Das nachbehandelte Abgas wird schließlich über einen Auspuff 15 in die Umgebung entlassen.Further exhaust gas after-
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug 1 besitzt eine Steuereinheit 13, die mit der Brennkraftmaschine 3 und der Magerstickoxidfalle 11 verbunden und dazu ausgebildet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Insbesondere ist die Steuereinheit 13 dazu ausgebildet, die elektrische Heizvorrichtung 12 während einer Speicherperiode der Magerstickoxidfalle11 zu aktivieren, bis die Magerstickoxidfalle auf eine Adsorptionstemperatur von wenigstens 200 Grad Celsius aufgeheizt wird. Gleichzeitig veranlasst die Steuereinheit 13 einen Magerbetrieb der Brennkraftmaschine 3. Die Steuereinheit 13 ist ferner dazu ausgebildet, am Ende der Speicherperiode die elektrische Heizvorrichtung 12 für ein elektrisches Aufheizen der Magerstickoxidfalle bis auf eine Spültemperatur von wenigstens 300 Grad Celsius anzusteuern. Wenn die Spültemperatur erreicht ist, kann die Steuereinheit 13 die Brennkraftmaschine 3 ansteuern, um eine Spülperiode durchzuführen, während der die Brennkraftmaschine 3 fett betrieben wird. Das fette Abgas, also ein Abgas mit einem Überschuss an unverbranntem CO und unverbrannten Kohlenwasserstoffen, kann dann zur Spülung der Magerstickoxidfalle 11 mit den in der Magerstickoxidfalle 11 eingelagerten Stickoxiden reagieren und in unschädliche Stoffe umwandeln.The motor vehicle 1 according to the invention has a
Ein Vergleich der
Obwohl die Erfindung im Detail durch Ausführungsbeispiele von bevorzugten Ausführungsformen näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt. Variationen der Erfindung können vom Fachmann aus den gezeigten Ausführungsbeispielen abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung, wie er in den Ansprüchen definiert wird, zu verlassen.Although the invention has been illustrated and described in detail by examples of preferred embodiments, the invention is not limited by the disclosed examples. Variations of the invention can be derived by a person skilled in the art from the exemplary embodiments shown without departing from the protective scope of the invention as defined in the claims.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Kraftfahrzeugmotor vehicle
- 22
- Radwheel
- 33
- Brennkraftmaschineinternal combustion engine
- 44
- Zuluftkrümmerinlet manifold
- 55
- Abgaskrümmerexhaust manifold
- 66
- Verdichtercompressor
- 77
- Abgasturbineexhaust turbine
- 88th
- Luftfilterair filter
- 99
- Lichtmaschinealternator
- 1010
- Wellewave
- 1111
- Magerstickoxidfallelean nitric oxide trap
- 1212
- elektrische Heizvorrichtungelectric heater
- 1313
- Steuereinheitcontrol unit
- 1414
- weitere Abgasnachbehandlungsvorrichtung etc.further exhaust aftertreatment device etc.
- 1515
- AuspuffExhaust
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| DE102016213056A1 (en) | 2018-01-18 |
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