Beschreibung

Einspritzvorrichtung, Anordnung der Einspritzvorrichtung in einer Brennkraftmaschine und Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben der Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine Einspritzvorrichtung mit einem Einspritzventil. Ferner betrifft die Erfindung eine Anordnung der Einspritzvorrichtung in einer Brennkraftmaschine. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben der Brennkraftmaschine.

Immer strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich der Schadstoffemissionen von Brennkraftmaschinen, machen immer neuere Maßnahmen erforderlich, durch die die Schadstoffemissionen der Brennkraftmaschinen gesenkt werden. Beispielsweise bei Diesel-Brennkraftmaschinen werden bevorzugt Partikelfilter zum Filtern von Russpartikeln in einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordnet. Derartige Partikelfilter können beispielsweise regeneriert werden, indem im Abgastrakt sehr hohe Temperaturen, beispielsweise über 600 Grad, erzeugt wer ^¬ den, so dass Ablagerungen von Russpartikeln im Partikelfilter abgebrannt werden. Diese hohen Temperaturen im Abgastrakt können beispielsweise durch Einspritzen von Kraftstoff in den heißen Abgastrakt erzeugt werden, falls dort genügend Sauer ^¬ stoff vorhanden ist, der mit dem Kraftstoff reagieren kann.

Wird die Brennkraftmaschine mit einem mageren Luft- Kraftstoff-Gemisch betrieben, so steht bei einem Verbren- nungsprozess der Brennkraftmaschine mehr Sauerstoff zur Ver ^¬ fügung als mit dem eingespritzten Kraftstoff reagieren kann. Dies führt gegenüber einem stöchiometrischen Betrieb der Brennkraftmaschine vermehrt zu der Bildung von Stickoxiden, die dann im Abgas enthalten sind. Derartige Stickoxide können beispielsweise in Anwesenheit von Harnstoff in einem SCR- Katalysator zu elementarem Stickstoff und Wasser reduziert werden. Eine Harnstoffwasserlösung kann beispielsweise direkt in den Abgastrakt zugemessen werden.

Aus der DE 196 50 559 Cl ist ein Anschlusselement zum Einlei ^¬ ten von Brennstoff und einem zweiten Fluid, in ein Einspritzventil bekannt. Das Anschlusselement dient dazu, einen motor- betriebsabhängig dosierten, großen Schwankungen unterliegenden Massenstrom eines zweiten Fluids in den Brennstoffzulauf eines Einspritzventils einzuleiten. Das zweite Fluid wird gleichzeitig mit dem Brennstoff vermischt . Insbesondere ist mit dem Anschlusselement die Einleitung einer Wasser- Brennstoff-Emulsion unabhängig von den verwendeten Injektorkonzepten kostengünstig nachrüstbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einspritzvorrichtung, eine Anordnung der Einspritzvorrichtung in einer Brennkraftmaschi- ne und ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben der

Brennkraftmaschine zu schaffen, durch die beziehungsweise das die Schadstoffemissionen der Brennkraftmaschine einfach und wirkungsvoll verringert werden können.

Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung zeichnet sich aus gemäß eines ersten Aspekts der Erfindung durch eine Einspritzvorrichtung mit einem Einspritzventil. Das Einspritzventil ist mit einem Kraftstoff ^¬ tank und mit einem Harnstofftank so gekoppelt, dass mit dem Einspritzventil gleichzeitig und/oder abwechselnd Kraftstoff aus dem Kraftstofftank und/oder Harnstoffwasserlösung aus dem Harnstofftank zumessbar ist. Dies ermöglicht das gleichzeiti ^¬ ge und/oder abwechselnde Zumessen der Harnstoffwasserlösung und/oder Kraftstoff mit nur einer Einspritzvorrichtung, insbesondere mit nur einem Einspritzventil. Das Zumessen der Harnstoffwasserlösung und/oder Kraftstoff mit nur einer Ein- spritzvorrichtung kann dazu beitragen, Kosten und Bauraum bei einer Montage der Einspritzvorrichtung zu sparen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Einspritzvorrichtung kommuniziert das Einspritzventil über eine Harnstoffleitung mit dem Harnstofftank . Ferner kommuniziert das Einspritzventil über eine Kraftstoffleitung mit dem Kraftstofftank. Die Einspritzvorrichtung umfasst mindestens ein Harnstoffventil und ein Kraftstoffventil, durch die ein Harnstoffström bezie ^¬ hungsweise ein Kraftstoffström durch das Einspritzventil vor ^¬ gebbar ist. Dies ermöglicht besonders einfach das gleichzei ^¬ tige und/oder abwechselnde Zumessen der Harnstoffwasserlösung und/oder Kraftstoff mit nur einer Einspritzvorrichtung, insbesondere mit nur einem Einspritzventil.

Die Erfindung zeichnet sich aus gemäß eines zweiten Aspekts der Erfindung durch eine Anordnung eines SCR-Katalysators, eines Partikelfilters und der Einspritzvorrichtung in einer Brennkraftmaschine mit einem Abgastrakt. Der SCR-Katalysator und die Einspritzvorrichtung sind so in der Brennkraftmaschine angeordnet, dass dem Abgastrakt durch das Einspritzventil Harnstoffwasserlösung und/oder Kraftstoff zumessbar ist und dass der SCR-Katalysator im Abgastrakt stromabwärts des Ein ^¬ spritzventils angeordnet ist und dass der Partikelfilter im Abgastrakt stromabwärts des SCR-Katalysators angeordnet ist.

Dies ermöglicht das gleichzeitige und/oder abwechselnde Zu- messen der Harnstoffwasserlösung und/oder Kraftstoff in den Abgastrakt mit nur einer Einspritzvorrichtung, insbesondere mit nur einem Einspritzventil. Ferner trägt dies dazu bei, Kosten und Bauraum bei einer Montage der Einspritzvorrichtung für Harnstoffwasserlösung und Kraftstoff in die Brennkraftma- schine zu sparen.

Das Einspritzen des Kraftstoffs in den Abgastrakt kann dazu beitragen, den Partikelfilter im Abgastrakt zu regenerieren. Das Einspritzen der Harnstoffwasserlösung in den Abgastrakt kann in Verbindung mit dem SCR-Katalysator dazu beitragen,

Stickoxide des Abgases zu reduzieren. Somit können durch die Anordnung, insbesondere durch die Einspritzvorrichtung, einfach und wirkungsvoll Schadstoffemissionen der Brennkraftma-

schine verringert werden. Ferner trägt die Anordnung des SCR- Katalysators nahe zum Brennraum, insbesondere ohne dazwischen geschalteten Partikelfilter, zu einem schnellen Aufwärmen des SCR-Katalysators auf seine Betriebstemperatur bei und trägt so auch zu einem vorteilhaften Anspringverhalten des SCR- Katalysators bei.

Die Erfindung zeichnet sich aus gemäß eines dritten Aspekts der Erfindung durch ein Verfahren zum Betreiben der Brenn- kraftmaschine, die die Anordnung umfasst. Zum Betreiben der

Brennkraftmaschine werden dem Abgastrakt durch das Einspritz ^¬ ventil gleichzeitig oder abwechselnd Harnstoffwasserlösung und/oder Kraftstoff zugemessen. Dies ermöglicht, besonders wirkungsvoll die Schadstoffemissionen der Brennkraftmaschine zu verringern.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des dritten Aspekts der Erfindung wird eine Temperatur des Abgases im Abgastrakt am Einspritzventil so eingestellt, dass zum Zeitpunkt des Zumes- sens des Kraftstoffs die Temperatur des Abgases im Abgastrakt am Einspritzventil höher ist als eine Siedetemperatur des Kraftstoffs. Dies trägt dazu bei, dass vorzugsweise möglichst wenig flüssiger Kraftstoff in den SCR-Katalysator gelangt. Ferner ermöglicht dies ein Abbrennen von Ablagerungen der Harnstoffwasserlösung im Abgastrakt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des dritten Aspekts der Erfindung wird während einer Regeneration des Partikelfilters ein Zumessen der Harnstoffwasserlösung unterbun- den. Dies trägt dazu bei, Sekundärreaktionen des Harnstoffs bei den hohen Temperaturen zum Regenerieren des Partikelfilters zu vermeiden.

Die vorteilhaften Ausgestaltungen des Verfahrens können ohne weiteres auf vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung ü- bertragen werden.

Die Erfindung ist im Folgenden anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert .

Es zeigen:

Figur 1 eine Brennkraftmaschine,

Figur 2 ein Ablaufdiagramm eines ersten Programms zum

Betreiben der Brennkraftmaschine,

Figur 3 ein Ablaufdiagramm eines zweiten Programms zum

Betreiben der Brennkraftmaschine.

Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figuren- übergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Eine Brennkraftmaschine (Figur 1) umfasst einen Ansaugtrakt 1, einen Motorblock 2, einen Zylinderkopf 3 und einen Abgastrakt 4. Der Ansaugtrakt 1 umfasst bevorzugt eine Drossel- klappe 5, einen Sammler 6 und ein Saugrohr 7, das hin zu einem Zylinder Z1-Z4 über einen Einlasskanal in einen Brennraum 9 des Motorblocks 2 geführt ist. Der Motorblock 2 umfasst ei ^¬ ne Kurbelwelle 8, die über eine Pleuelstange 10 mit einem Kolben 11 des Zylinders Zl gekoppelt ist. Die Brennkraftma- schine umfasst vorzugsweise mehrere Zylinder Z1-Z4. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise eine Diesel- Brennkraftmaschine und bevorzugt in einem Kraftfahrzeug ange ^¬ ordnet .

Im Zylinderkopf 3 ist bevorzugt ein Kraftstoff- Einspritzventil 18 angeordnet, das mit einem Kraftstofftank 17 kommuniziert und das durch eine Kraftstoffpumpe 15 mit Kraftstoff aus dem Kraftstofftank 17 versorgt wird. Alterna ^¬ tiv kann das Kraftstoff-Einspritzventil 18 auch im Saugrohr 7 angeordnet sein.

Eine Einspritzvorrichtung umfasst ein Einspritzventil 20, die Kraftstoffpumpe 15, den Kraftstofftank 17, eine Harnstoffpum-

pe 16 und einen Harnstofftank 19. Der Harnstofftank 19 kommuniziert über eine Harnstoffleitung mit dem Einspritzventil 20. Das Einspritzventil 20 wird durch die Harnstoffpumpe 16 mit Harnstoffwasserlösung aus dem Harnstofftank 19 versorgt. Der Kraftstofftank 17 kommuniziert über eine erste Kraft ^¬ stoffleitung mit dem Einspritzventil 20 und über eine zweite Kraftstoffleitung mit dem Kraftstoff-Einspritzventil 18. Fer ^¬ ner umfasst die Einspritzvorrichtung vorzugsweise ein Harnstoffventil und ein Kraftstoffventil, die vorzugsweise so mit der Harnstoffleitung beziehungsweise der Kraftstoffleitung oder dem Einspritzventil 20 gekoppelt sind, dass durch das Harnstoffventil ein Harnstoffwasserlösungsstrom durch das Einspritzventil 20 vorgebbar ist und dass durch das Kraft ^¬ stoffventil ein Kraftstoffström durch das Einspritzventil 20 vorgebbar ist. Stromabwärts des Einspritzventils 20 ist im Abgastrakt 4 vorzugsweise eine Mischvorrichtung 21 angeord ^¬ net. Der Kraftstoff und die Harnstoffwasserlösung, die dem Abgastrakt 4 durch das Einspritzventil 20 zugemessen werden, mischen sich vornehmlich in der Mischvorrichtung 21 mit dem Abgas. Stromabwärts der Mischvorrichtung 21 sind bevorzugt ein SCR-Katalysator 23 und stromabwärts des SCR-Katalysators 23 ein Partikelfilter 24 angeordnet. Der Partikelfilter 24 eignet sich zum Filtern von Russpartikeln im Abgas.

Eine Steuervorrichtung 25 ist vorgesehen, der Sensoren zugeordnet sind, die verschiedene Messgrößen erfassen und jeweils den Wert der Messgröße ermitteln. Betriebsgrößen umfassen die Messgrößen und von diesen abgeleitete Größen der Brennkraftmaschine. Betriebsgrößen können repräsentativ sein für einen aktuellen Betriebszustand der Brennkraftmaschine. Der aktuel ^¬ le Betriebszustand kann beispielsweise ein Betrieb der Brenn ^¬ kraftmaschine mit einem gedrosselten oder ungedrosselten Luftmassenstrom in den Brennraum 9 und/oder ein Betrieb der Brennkraftmaschine mit einem mageren oder fetten Luft- Kraftstoff-Gemisch sein. Die Steuervorrichtung 25 ermittelt abhängig von mindestens einer der Betriebsgrößen mindestens eine Stellgröße, die dann in ein oder mehrere Stellsignale zum Steuern der Stellglieder mittels entsprechender Stellan-

triebe umgesetzt werden. Die Steuervorrichtung 25 kann auch als Vorrichtung zum Betreiben der Brennkraftmaschine bezeichnet werden.

Die Sensoren sind beispielsweise ein Pedalstellungsgeber 26, der eine Fahrpedalstellung eines Fahrpedals 27 erfasst, ein Luftmassensensor 28, der einen Luftmassenstrom stromaufwärts der Drosselklappe 5 erfasst, von dem abhängig der Luftmassenstrom in den Brennraum 9 ermittelt werden kann, ein Tempera- tursensor 32, der eine Ansauglufttemperatur erfasst, ein

Saugrohrdrucksensor 34, der einen Saugrohrdruck im Sammler 6 erfasst, ein Kurbelwellenwinkelsensor 36, der einen Kurbelwellenwinkel erfasst, dem dann eine Drehzahl der Brennkraft ^¬ maschine zugeordnet wird, eine Lambda-Sonde 37, durch die ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Brennraum 9 ermittelt werden kann, und eine Abgassonde 38, durch die Schadstoffe im Abgas stromabwärts des Partikelfilters 24 erkannt werden können.

Je nach Ausführungsform der Erfindung kann eine beliebige Un- termenge der genannten Sensoren vorhanden sein oder es können auch zusätzliche Sensoren vorhanden sein.

Die Stellglieder sind beispielsweise die Drosselklappe 5, die Gaseinlass- und Gasauslassventile 12, 13, das Kraftstoff- Einspritzventil 18 und/oder das Harnstoff-Einspritzventil 20.

Bei einem Magerbetrieb der Brennkraftmaschine wird für einen Verbrennungsprozess im Brennraum 9 weniger Kraftstoff zuge ^¬ messen, als mit dem Sauerstoff im Brennraum 9 verbrannt wer- den kann. Dadurch bilden sich gegenüber einem stöchiometri- schen Betrieb der Brennkraftmaschine vermehrt Stickoxide, die dann im Abgas enthalten sind. Die Stickoxide sind umwelt ^¬ schädlich und gesundheitsschädlich. Falls während des Magerbetriebs der Brennkraftmaschine dem Abgastrakt 4 Harnstoff- wasserlösung zugemessen wird, vermischt sich die zugemessene Harnstoffwasserlösung hauptsächlich in der Mischvorrichtung 21 mit dem Abgas. Insbesondere vermischen sich Stickoxide des Abgases mit Ammoniak, der in einer chemischen Reaktion aus

dem Harnstoff hervorgeht. In Gegenwart des Ammoniaks reagie ^¬ ren die Stickoxide im SCR-Katalysator 23 zu elementarem Stickstoff und Wasserdampf.

Nach einer langen Betriebsdauer des Partikelfilters 24 kann sich aufgrund von Russablagerungen im Partikelfilter 24 ein Abgasgegendruck, der am Partikelfilter 24 ansteht, stark erhöhen. Der stark erhöhte Abgasgegendruck führt zu einem verschlechterten Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine. Ei- ne Regeneration DPF_RGN des Partikelfilters 24 kann bei ^¬ spielsweise erfolgen, indem eine Temperatur EG_TEMP des Abgases so hoch eingestellt wird, dass die Russablagerungen im Partikelfilter 24 abbrennen. Die dazu notwendige hohe Tempe ^¬ ratur EG_TEMP des Abgases kann beispielsweise über 600 Grad sein. Sind im Abgas Stickoxide enthalten, so können diese in Anwesenheit von Harnstoff im SCR-Katalysator 23 zu elementa ^¬ rem Stickstoff und Wasser reduziert werden. Somit trägt so ^¬ wohl das Zumessen des Kraftstoffs zum Abgastrakt 4 als auch das Zumessen der Harnstoffwasserlösung zum Abgastrakt 4 zu einem Reduzieren der Schadstoffemissionen der Brennkraftmaschine bei.

Ein erstes Programm (Figur 2) zum Betreiben der Brennkraftmaschine ist vorzugsweise auf einem Speichermedium der Steuer- Vorrichtung 25 gespeichert. Das erste Programm dient dazu, den Kraftstoff nur dann dem Abgastrakt 4 zuzumessen, wenn die Temperatur EG_TEMP des Abgases höher ist als die Siedetempe ^¬ ratur des Kraftstoffs. Dies bewirkt, dass der Kraftstoff vor dem Erreichen des SCR-Katalysators 23 gasförmig ist und somit kein flüssiger Kraftstoff in den SCR-Katalysator 23 gelangt. Dies trägt dazu bei, ein Verschmutzen des SCR-Katalysators 23 durch den Kraftstoff zu vermeiden. Ferner führt das Erhöhen der Abgastemperatur EG_TEMP über die Siedetemperatur des Kraftstoffs dazu, dass typische Ablagerungsprodukte des Harn- Stoffs, beispielsweise die Cyanursäure und deren Folgeproduk ^¬ te abgebrannt werden.

Das erste Programm wird vorzugsweise zeitnah einem Motorstart der Brennkraftmaschine in einem Schritt Sl gestartet. Im Schritt Sl werden gegebenenfalls Variablen initialisiert.

In einem Schritt S2 wird überprüft, ob ein Zumessen FUEL_INJ von Kraftstoff in den Abgastrakt 4 vorgenommen werden soll. Ist die Bedingung des Schritts S2 nicht erfüllt, so wird die Bearbeitung erneut im Schritt S2 fortgesetzt. Ist die Bedin ^¬ gung des Schritts S2 erfüllt, so wird die Bearbeitung in ei- nem Schritt S3 fortgesetzt.

Im Schritt S3 wird überprüft, ob die Temperatur EG_TEMP des Abgases größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert THD. Bevorzugt entspricht der Schwellenwert THD einer Siedetempe- ratur des Kraftstoffs. Ist die Bedingung des Schritts S3 nicht erfüllt, so wird die Bearbeitung in einem Schritt S4 fortgesetzt. Ist die Bedingung des Schritts S3 erfüllt, so wird die Bearbeitung in einem Schritt S5 fortgesetzt.

Im Schritt S4 wird die Abgastemperatur EG_TEMP erhöht RAISE. Die Abgastemperatur EG_TEMP kann beispielsweise dadurch erhöht RAISE werden, dass ein Luftmassenstrom hin zum Brennraum 9 abgesenkt wird und/oder dass eine innermotorische Nachein ^¬ spritzung vorgenommen wird. Bei der innermotorischen Nachein- spritzung wird dem Brennraum 9 der Brennkraftmaschine kurz vor dem Ausschieben der Luftmasse aus dem Brennraum 9 Kraftstoff zugemessen. Dieser kann mit dem Restsauerstoff im Abgas reagieren, was zu einer Erhöhung der Temperatur EG_TEMP des Abgases führt .

Im Schritt S5 wird der Kraftstoff dem Abgastrakt 4 zugemessen FUEL_INJ.

In einem Schritt S6 kann das erste Programm beendet werden. Vorzugsweise wird jedoch das erste Programm während des Be ^¬ triebs der Brennkraftmaschine regelmäßig abgearbeitet.

Alternativ oder zusätzlich ist vorzugsweise ein zweites Programm (Figur 3) auf dem Speichermedium der Steuervorrichtung 25 gespeichert. Das zweite Programm dient dazu, ein Zumessen AMM_INJ von Harnstoffwasserlösung während einer Regeneration DPF_RGN des Partikelfilters 24 zu unterbinden.

Ferner führt das Erhöhen der Abgastemperatur EG_TEMP über die Siedetemperatur des Kraftstoffs dazu, dass typische Ablage ^¬ rungsprodukte der Harnstoffwasserlösung, beispielsweise die Cyanursäure und deren Folgeprodukte abgebrannt werden.

Bei der zum Regenerieren DPF_RGN des Partikelfilters 24 notwendig hohen Temperatur EG_TEMP des Abgases ist ein Wirkungs ^¬ grad des SCR-Katalysators 23 stark verringert. Ferner können bei einer derart hohen Temperatur EG_TEMP des Abgases unerwünschte Sekundärreaktionen des Harnstoffs auftreten. Das Unterbinden des Zumessens AMM_INJ der Harnstoffwasserlösung während der Regeneration DPF_RGN des Partikelfilters 24 trägt somit zum Vermeiden von verstärkten Schadstoffemissionen bei. Das zweite Programm wird vorzugsweise entsprechend dem

Schritt Sl des ersten Programms in einem Schritt S7 gestar ^¬ tet.

In einem Schritt S8 wird überprüft, ob die Harnstoffwasserlö- sung zugemessen AMM_INJ werden soll. Ist die Bedingung des

Schritts S8 nicht erfüllt, so wird die Bearbeitung erneut im Schritt S8 fortgesetzt. Ist die Bedingung des Schritts S8 er ^¬ füllt, so wird die Bearbeitung in einem Schritt S9 fortge ^¬ setzt .

Im Schritt S9 wird überprüft, ob aktuell eine Regeneration DPF_RGN des Partikelfilters 24 durchgeführt wird. Ist die Be ^¬ dingung des Schrittes S9 erfüllt, so wird die Bearbeitung er ^¬ neut im Schritt S7 fortgesetzt. Ist die Bedingung des Schrit- tes S9 nicht erfüllt, so wird in einem Schritt SlO die Harn ^¬ stoffwasserlösung zugemessen AMM_INJ.

In einem Schritt Sil kann das zweite Programm beendet werden. Vorzugsweise wird jedoch das zweite Programm regelmäßig wäh ^¬ rend des Betriebs der Brennkraftmaschine abgearbeitet.

Die Erfindung ist nicht auf die angegebenen Ausführungsbei ^¬ spiele beschränkt. Beispielsweise kann der Abgastrakt 4 keine oder zusätzliche Mischvorrichtungen 21 aufweisen. Ferner kann der SCR-Katalysator auch stromabwärts des Partikelfilters 24 angeordnet sein. Ferner können das erste und/oder das zweite Programm in einem Programm implementiert sein.