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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit direkter Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum, mit einem Abgasstrang, in welchem ein NOx-Speicherkatalysator angeordnet ist.
Eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art ist aus der US 5 732 554 A bekannt.
Fremdgezündete Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung verfügen aufgrund eines bes- seren thermischen Wirkungsgrades im Schichtbereich des Motors über einen geringeren Ener- gieeintrag ins Kühlwasser als Brennkraftmaschinen mit Gemischansaugung. Diese verlang- samte Aufheizung des Kühlmittels führt allerdings im Vergleich mit gemischansaugenden Brennkraftmaschinen zu höheren Reibleistungen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschi- nen im Motorwarmlauf.
Um den NOx-Ausstoss bei direkt einspritzenden Otto-Motoren unter das vom Gesetzgeber vorgeschriebene Mass zu reduzieren, werden NOx-Speicherkatalysatoren eingesetzt. Speicher- oder Adsorber-Katalysatoren verfügen über ein bestimmtes Temperaturfenster, in welchem eine NOx-Konvertierung stattfindet. Dieses Temperaturfenster bestimmt im wesentlichen im Betriebsbereich der direkt einspritzenden Otto-Brennkraftmaschine, in dem mit überstöchio- metrischen Motorbetrieb gefahren werden kann. Bei Verlassen des Temperaturfensters muss zur Reduktion der NOx-Produktion der Lambda-Wert reduziert werden, was den Treibstoff- verbrauch erhöht.
Speicherkatalysatoren sind ausserdem empfindlichen auf hohe Temperaturen und weisen bei Abgastemperaturen, welche eine spezifische Alterungstemperatur über- schreiten, eine verstärkte Neigung zu einer irreversiblen Katalysatoralterung auf. Um diese Schädigung zu vermeiden, ist es bekannt, zum Schutz des Katalysators vor zu hohen Abgas- temperautren das Abgas mit einem Bypass-System am Adsorber vorbeizuleiten oder bei Überschreiten einer bestimmten Abgastemperatur auf stark unterstöchiometrischen Motor- betrieb umzuschalten. Dies wirkt sich allerdings nachteilig auf die Abgasqualität und/oder den Treibstoffverbrauch aus.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und bei einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art auf möglichst einfache Weise Treibstoffverbrauch und Abgas- emissionen zu reduzieren. Gleichzeitig soll ein wirksamer Schutz für den NOx-Speicherka- talysator bereitgestellt werden.
Erfindungsgemäss erfolgt dies dadurch, dass stromaufwärts des NOx-Speicherkatalysators ein Abgaskühler angeordnet ist. Eine besonders gute Abgasqualität lässt sich erreichen, wenn der Abgaskühler zwischen einem dem NOx-Speicherkatalysator vorgeschalteten Vorkatalysator und dem NOx-Speicherkatalysator angeordnet ist. Der Abgaskühler ist im Abgasstrang nach dem Vorkatalysator angebracht und wird auf der Wasserseite mit Kühlmittel durchströmt.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Abgaskühler in den Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine integriert ist. Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass der Abgaskühler in einem eigenen Kühlkreislauf angeordnet ist, welcher über einen Wärmetauscher mit dem Kühlkreislauf der
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Brennkraftmaschine thermisch verbunden ist. Dadurch können zur Kühlung des Motors und des Abgases verschiedene Kühlmedien verwendet werden. Im Warmlauf des Motors wird das Kühlmittel durch die Energie des Abgases aufgeheizt und führt dadurch zu einer rascheren Er- wärmung der direkt einspritzenden Brennkraftmaschine. Durch die raschere Erwärmung des Motors kann die Reibleistung im Motorwarmlauf wesentlich verringert werden.
Weiters ermöglicht der Abgaskühler eine Aufweitung des Betriebsbereiches, in welchem die Brennkraftmaschine überstöchiometrisch betrieben werden kann, da die Abgastemperatur vor dem NOx-Speicherkatalysator durch den Abgaskühler innerhalb des Betriebsfensters des NOx-Speicherkatalysators gehalten werden kann. Dadurch ergibt sich gewissermassen eine Entkoppelung der Abgastemperatur vor dem NOx-Speicherkatalysator von der Abgastempe- ratur am Zylinderaustritt, wodurch der überstöchiometrische Betriebsbereich stark ausgedehnt und der Kraftstoffverbrauch wesentlich reduziert werden kann.
Der Abgaskühler verhindert weiters, dass die Temperatur des in den NOx-Speicherkatalysator einströmenden Abgases die spezifische Alterungstemperatur überschreitet, wodurch der Abgaskühler gleichzeitig einen wirksamen Schutz für den NOx-Speicherkatalysator bietet. Der Abgaskühler muss dabei so ausgelegt sein, dass die Eintrittstemperatur in den NOx-Speicherkatalysator in keinem Betriebszustand der Brennkraftmaschine jeweilige Alterungstemperatur überschreiten kann.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figur näher erläutert.
Die Fig. zeigt schematisch eine fremdgezündete direkt einspritzende Brennkraftmaschine 1 mit mehreren Zylinder 2 und einem von den Zylindern 2 ausgehenden Abgasstrang 3. Der Abgsstrang 3 weist einen Vorkatalysator 4 und einen De-NOx-Speicherkatalysator 5 auf.
Zwischen dem Vorkatalysator 4 und dem NOx-Speicherkatalysator 5 ist ein Abgaskühler 6 angeordnet, der an den Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine angeschlossen ist. Alternativ dazu kann der Abgaskühler 6 auch in einem vom Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine un- abhängigen eigenen Kühlkreislauf angeordnet sein, welcher über einen Wärmetauscher mit dem Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine thermisch verbunden ist. Mit Bezugszeichen 7 ist eine Kühlmittelpumpe und mit Bezugszeichen 8 ein Steuerventil angedeutet.
Im Warmlauf der Brennkraftmaschine 1 wird das Kühlmittel über den Abgaskühler 6 durch die Energie des Abgases aufgeheizt und führt über den Kühlmittelkreislauf des Motors zu einer rascheren Erwärmung der Brennkraftmaschine 1. Durch die raschere Erwärmung der Brennkraftmaschine 1 ergibt sich der Vorteil, dass die Reibleistung im Motorwarmlauf und somit der Kraftstoffverbrauch verringert werden kann. Weiters ergibt sich der Vorteil, dass über den Abgaskühler 6 das in den NOx-Speicherkatalysator 5 einströmende Abgas temperiert wird, sodass die Abgastemperatur des in den Speicherkatalysator 5 eintretenden Abgases in- nerhalb des Betriebsfensters des NOx-Speicherkatalysators 5 bleibt.
Diese quasi Entkoppelung der Abgastemperatur nach den Zylindern 2 und vor dem NOx-Speicherkatalysator 5 führt zu einer deutlichen Erweiterung des überstöchiometrischen Betriebsbereiches und dadurch zu einer zusätzlichen Kraftstoffverbauchsabsenkung. Ausserdem kann durch geeignete Dimensio- nierung des Abgaskühlers 6 sichergestellt werden, dass das in den NOx Speichcrkatalystor
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einströmende Abgas die kritische Alterungstemperatur des NOx-Speicherkatalysators 5 in keinem Motorbetriebszustand überschreiten kann.
Der zwischen dem Vorkatalysator 4 und dem NOx-Speicherkatalysator 5 angeordnete Ab- gaskühler 6 stellt somit eine äusserst einfache Möglichkeit dar, den Kraftstoffverbrauch einer mager betriebenen Brennkraftmaschine 1, insbesondere mit Fremdzündung und direkter Ein- spritzung, wesentlich zu verbessern und gleichzeitig den NOx-Speicherkatalysator 5 vor vor- zeitiger Alterung zu schützen. Obwohl die Erfindung anhand einer Otto-Brennkraftmaschine beschrieben wird, ist deren Anordnung auch bei einer Diesel-Brennkraftmaschine möglich und vorteilhaft.
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The invention relates to an internal combustion engine with direct fuel injection into the combustion chamber, with an exhaust line in which a NOx storage catalytic converter is arranged.
An internal combustion engine of the type mentioned is known from US Pat. No. 5,732,554.
Spark-ignited internal combustion engines with direct injection have a lower energy input into the cooling water than internal combustion engines with mixture intake due to their better thermal efficiency in the stratified area of the engine. However, this slow heating of the coolant leads to higher frictional performance of the direct-injection internal combustion engines when the engine is warming up, in comparison with mixed-intake internal combustion engines.
NOx storage catalytic converters are used to reduce NOx emissions in direct-injection gasoline engines below the level prescribed by law. Storage or adsorber catalysts have a specific temperature window in which NOx conversion takes place. This temperature window essentially determines the operating range of the direct-injection Otto engine, in which it is possible to operate with superstoichiometric engine operation. When leaving the temperature window, the lambda value must be reduced to reduce the NOx production, which increases fuel consumption.
Storage catalytic converters are also sensitive to high temperatures and have an increased tendency towards irreversible catalytic converter aging at exhaust gas temperatures that exceed a specific aging temperature. In order to avoid this damage, it is known to bypass the exhaust gas with a bypass system past the adsorber to protect the catalytic converter from excessively high exhaust gas temperatures, or to switch to strongly sub-stoichiometric engine operation when a specific exhaust gas temperature is exceeded. However, this has an adverse effect on the exhaust gas quality and / or the fuel consumption.
The object of the invention is to avoid these disadvantages and to reduce fuel consumption and exhaust gas emissions in the simplest possible manner in an internal combustion engine of the type mentioned at the outset. At the same time, effective protection for the NOx storage catalyst is to be provided.
According to the invention, this is done by arranging an exhaust gas cooler upstream of the NOx storage catalytic converter. A particularly good exhaust gas quality can be achieved if the exhaust gas cooler is arranged between a precatalyst upstream of the NOx storage catalytic converter and the NOx storage catalytic converter. The exhaust gas cooler is installed in the exhaust line after the pre-catalyst and coolant flows through it on the water side.
It is advantageous if the exhaust gas cooler is integrated in the cooling circuit of the internal combustion engine. As an alternative to this, it can be provided that the exhaust gas cooler is arranged in a separate cooling circuit which is connected to the cooling circuit via a heat exchanger
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Internal combustion engine is thermally connected. As a result, different cooling media can be used to cool the engine and the exhaust gas. When the engine is warming up, the coolant is heated up by the energy of the exhaust gas and thus leads to faster heating of the direct-injection internal combustion engine. Due to the faster warming up of the engine, the friction power during engine warm-up can be significantly reduced.
Furthermore, the exhaust gas cooler enables an expansion of the operating range in which the internal combustion engine can be operated in a stoichiometric manner, since the exhaust gas temperature in front of the NOx storage catalytic converter can be kept within the operating window of the NOx storage catalytic converter by the exhaust gas cooler. To a certain extent, this results in a decoupling of the exhaust gas temperature upstream of the NOx storage catalytic converter from the exhaust gas temperature at the cylinder outlet, as a result of which the over-stoichiometric operating range is greatly expanded and the fuel consumption can be significantly reduced.
The exhaust gas cooler further prevents the temperature of the exhaust gas flowing into the NOx storage catalytic converter from exceeding the specific aging temperature, as a result of which the exhaust gas cooler simultaneously offers effective protection for the NOx storage catalytic converter. The exhaust gas cooler must be designed in such a way that the entry temperature into the NOx storage catalytic converter cannot exceed the respective aging temperature in any operating state of the internal combustion engine.
The invention is explained in more detail below with reference to the figure.
The figure schematically shows a spark-ignited, direct-injection internal combustion engine 1 with a plurality of cylinders 2 and an exhaust line 3 emanating from the cylinders 2. The exhaust line 3 has a pre-catalytic converter 4 and a de-NOx storage catalytic converter 5.
An exhaust gas cooler 6 is arranged between the pre-catalytic converter 4 and the NOx storage catalytic converter 5 and is connected to the cooling circuit of the internal combustion engine. As an alternative to this, the exhaust gas cooler 6 can also be arranged in a separate cooling circuit which is independent of the cooling circuit of the internal combustion engine and which is thermally connected to the cooling circuit of the internal combustion engine via a heat exchanger. A coolant pump is indicated by reference number 7 and a control valve is indicated by reference number 8.
When the internal combustion engine 1 is warming up, the coolant is heated via the exhaust gas cooler 6 by the energy of the exhaust gas and leads to a faster heating of the internal combustion engine 1 via the coolant circuit of the engine and thus the fuel consumption can be reduced. There is also the advantage that the exhaust gas flowing into the NOx storage catalytic converter 5 is tempered via the exhaust gas cooler 6, so that the exhaust gas temperature of the exhaust gas entering the storage catalytic converter 5 remains within the operating window of the NOx storage catalytic converter 5.
This quasi decoupling of the exhaust gas temperature after the cylinders 2 and before the NOx storage catalytic converter 5 leads to a significant expansion of the over-stoichiometric operating range and thus to an additional reduction in fuel consumption. In addition, it can be ensured by suitable dimensioning of the exhaust gas cooler 6 that this is in the NOx storage catalyst
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incoming exhaust gas cannot exceed the critical aging temperature of the NOx storage catalytic converter 5 in any engine operating state.
The exhaust gas cooler 6 arranged between the pre-catalytic converter 4 and the NOx storage catalytic converter 5 thus represents an extremely simple possibility of significantly improving the fuel consumption of a lean-burn internal combustion engine 1, in particular with spark ignition and direct injection, and at the same time the NOx storage catalytic converter 5 to protect against premature aging. Although the invention is described on the basis of an Otto engine, its arrangement is also possible and advantageous in a diesel engine.