DE10137050A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Abgasbehandlung einer Brennkraftmaschine - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zur Abgasbehandlung einer BrennkraftmaschineInfo
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Abstract
Es wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abgasbehandlung einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine, mit einem Partikelfilter (10, 40) vorgeschlagen, wobei eine Regeneration des Partikelfilters (10, 40) vorgesehen ist, die den systembedingten Aufwand deutlich reduziert, und wobei gleichzeitig kein Druckabfall im Ansaugbereich beziehungsweise keine Verringerung der Leistungsdichte der Brennkraftmaschine erfolgt. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass wenigstens ein Wärmetauscher (1, 21) zur Erwärmung des zu filtrierenden Abgases wenigstens mittels der Abwärme des filtrierten Abgases (13) vorgesehen ist.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Abgasbehandlung einer Brennkraftmaschine, insbesondere
einer Dieselbrennkraftmaschine, mit einem Partikelfilter
nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Entsprechend dem fortschreitenden Kenntnisstand werden zum
Schutz der Gesundheit und der Umwelt gesetzliche Vorgaben,
die die Emissionen von Kraftfahrzeugen regeln, ständig ver
schärft. Zur Erfüllung dieser Vorgaben werden beispielswei
se, neben der Verwendung von entsprechend modifizierten
Treibstoffen, feste Partikel mittels Filter aus dem Abgas
entfernt.
Besonders Dieselantriebe produzieren große Mengen Ruß, wobei
der Verdacht besteht, dass Dieselabgase ein Krebs erzeugen
des Potential besitzen. So wurden bereits viele Anordnungen
zur Behandlung von Dieselabgas vorgeschlagen. Im Allgemeinen
bestehen diese Anordnungen aus Filtersystemen, die die par
tikulären Inhaltsstoffe zurückhalten. Ein effizienter Filter
hält hierbei Rußpartikel, die insbesondere einen Durchmesser
von ca. 10 bis 5000 Nanometern aufweisen, wirkungsvoll zu
rück.
Die von entsprechenden Filtern zurückgehaltenen Teilchen
verursachen jedoch durch Belegung des Filters beziehungswei
se seiner Oberfläche eine Verringerung des Gasdurchsatzes
und bewirken hierdurch einen Anstieg des Filtrationswider
standes. Dieser Widerstand führt zu einem Mehrverbrauch an
Treibstoff bis hin zum Motorstillstand, so dass Regenerati
onsphasen vorgesehen werden müssen. Die Regeneration erfolgt
im Allgemeinen durch eine nahezu rückstandsfreie Verbrennung
des gespeicherten Rußes. Die im Dieselabgas vorhandenen Tem
peraturen von ca. 200°C reichen hierzu in aller Regel nicht
aus, so dass zusätzliche Systemhilfen bereitgestellt werden
müssen.
Ohne zusätzliche Maßnahmen oxidiert der Ruß ab ca. 550 bis
600°C. Durch Kombination des Rußfilters mit einem Oxidati
onskatalysator, durch katalytische Beschichtung des Filters
oder durch geeignete Treibstoffadditive lässt sich die unte
re Temperaturschwelle für die Rußoxidation auf ca. 250 bis
350°C absenken. Jedoch liegen diese Temperaturen für moderne
Dieselmotoren immer noch oberhalb üblicher Abgastemperatu
ren, so dass temperatursteigernde Maßnahmen zur sicheren
Filterregeneration notwendig sind.
Zur Steigerung der Abgastemperatur werden bislang beispiels
weise elektrische Zuheizungen, Mikrowellenheizungen oder in
nermotorische Maßnahmen vorgesehen, wobei diese beispiels
weise aufgrund der erforderlichen hohen Heizleistung gegebe
nenfalls zusätzliche Batterien erforderlich machen, einen
hohen Systemaufwand aufweisen, mit einem erheblichen Mehr
verbrauch von Treibstoff verbunden sind oder die notwendige
Temperaturerhöhung nicht sicher gewährleisten können.
So ist beispielsweise bekannt, dass durch Drosselung des An
saug-Luftmassenstroms die Prozess- beziehungsweise Abgastem
peratur erhöht werden kann. In der Druckschrift EP 0 010 384
ist beispielsweise eine Vorrichtung offenbart, die die
Ansaugluft mittels eines regelbaren Drossel-Klappensystems
variiert. Die notwendige Zündtemperatur kann jedoch nur im
höheren Last- und Drehzahlbereich erreicht werden. Für Fahr
situationen mit überwiegend niedrigem Last- und Drehzahlbe
reich sind die für die Regenerierung des Filters notwendigen
Bedingungen in der Praxis deshalb nur selten gegeben.
Eine ebenfalls in der Druckschrift EP 0 010 384 beschriebe
nen Ausführungsform erreicht eine ausreichend hohe Prozess
temperatur zum Freibrennen des Rußabbrennfilters bei niedri
ger Last und niedriger Drehzahl mittels einer Abgasrückfüh
rung, die unter anderem eine vergleichsweise kompakte Ein
heit umfasst. Diese Ausführungsform ist ebenfalls für die
Filterregeneration nur bedingt geeignet, da für eine ein
wandfreie Funktion des Verbrennungsmotors der Abgasanteil in
der Zuluft 30% nicht überschreiten darf. Hierdurch wird das
Erreichen der für die Filterregeneration notwendigen Abga
stemperatur nicht in allen Fahrzuständen ermöglicht. Hierfür
wird zusätzlich eine Heizvorrichtung benötigt, was den kon
struktiven Aufwand zusätzlich erhöht.
Grundsätzlich wird in der Vorrichtung der Druckschrift EP 0 010 384
eine möglichst hohe Austrittstemperatur aus dem Par
tikelfilter benötigt, so dass unter anderem die Ansaugluft
möglichst stark vorwärmbar ist.
Darüber hinaus ist in der Druckschrift DE 35 22 431 eine
Vorrichtung offenbart, die die Abgastemperatur dadurch er
höht, dass ein hinter dem Rußfilter befindlicher Wärmetau
scher die Ansaugluft des Verbrennungsmotors vorwärmt. Hier
durch wird zum einen die Warmlaufphase verkürzt und zum an
deren die Temperatur des Prozessgases auch bei niedriger
Last genügend erhöht, um eine Filterregeneration zu ermögli
chen. Hierfür ist insbesondere eine Stellklappe vorgesehen,
die dafür sorgt, dass bei Volllast oder bei Überschreiten
einer oberen Grenztemperatur am Rußfilter der Ansaugluft
strom am Wärmetauscher vorbeigeführt wird. Dies verringert
zum einen die durch den Wärmetauscher bei Volllast verur
sachten Leistungseinbußen und schützt zum anderen den Ruß
filter vor Überhitzung.
Nachteilig bei der offenbarten Vorrichtung ist, dass die
notwendige Zündtemperatur für die Filterregeneration erst
erreicht werden kann, wenn der Motor die Warmlaufphase
durchlaufen hat. Weiterhin ist besonders nachteilig, dass
der Wärmetauscher im Ansaugbereich angeordnet ist, wodurch
ein Druckabfall beim Betrieb des Motors entsteht. Die er
wähnte Stellklappe, die einen zusätzlichen apparativen Auf
wand bedeutet, ist deshalb zur Aufrechterhaltung der Lei
stungsdichte im Volllastbereich zwingend erforderlich.
Die bislang bekannten Abgasfiltersysteme sind demnach insge
samt vergleichsweise aufwendig, wobei teilweise im Ansaugbe
reich für den Betrieb des Motors ein besonders kritischer
Druckabfall beziehungsweise eine Verringerung der Leistungs
dichte im Volllastbereich in Kauf genommen werden muss.
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Vorrichtung
und ein Verfahren zur Abgasbehandlung einer Brennkraftma
schine, insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine, mit ei
nem Partikelfilter vorzuschlagen, wobei eine Regeneration
des Partikelfilters vorgesehen ist, die den systembedingten
Aufwand deutlich reduziert, und wobei gleichzeitig kein
Druckabfall im Ansaugbereich beziehungsweise keine Verringe
rung der Leistungsdichte der Brennkraftmaschine erfolgt.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Vorrichtung bzw. ei
nem Verfahren der einleitend genannten Art durch die kenn
zeichnenden Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind
vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung
möglich.
Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße Vorrich
tung dadurch aus, dass wenigstens ein Wärmetauscher zur Er
wärmung des zu filtrierenden Abgases wenigstens mittels der
Abwärme des filtrierten Abgases vorgesehen ist. Vorteilhaf
terweise erfolgt hierbei mittels dem erfindungsgemäßen Wär
metauscher eine Wärmerückgewinnung der Abgaswärme für die
Filterregeneration, so dass der energetische Aufwand zur Er
reichung der Regenerationstemperatur wesentlich verringert
und keine Leistungseinbuße der Brennkraftmaschine hervorge
rufen wird. Beispielsweise erfolgt bei verschiedensten Be
triebsbedingungen der Brennkraftmaschine unter anderem durch
die exotherme Reaktion der katalytischen Oxidation der noch
im Abgas vorhandenen unverbrannten Kohlenwasserstoffanteile
eine zusätzliche Erwärmung des Partikelfilters und somit des
zu filtrierenden Abgases mit Hilfe des erfindungsgemäßen
Wärmetauschers. Hierdurch minimiert sich der konstruktive
Aufwand einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasbehand
lung.
Vorzugsweise ist eine Sammelleitung zur Zuführung des gesam
ten Abgasstroms in den Wärmetauscher vor diesem angeordnet,
so dass eine größtmögliche und somit effektive Wärmezufuhr
durch das zu filtrierende Abgas in den Wärmetauscher reali
sierbar ist.
In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist wenig
stens der Partikelfilter und der Wärmetauscher als bauliche
Einheit ausgebildet. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise
eine möglichst platzsparende, effektive und somit wirt
schaftliche Umsetzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung rea
lisierbar. Hierbei erfolgt im Allgemeinen eine Nutzung der
bei der Regeneration entstehenden Filterabwärme bzw. der Ab
wärme des filtrierten Abgases entlang des gesamten Wärmetau
schers, so dass eine vergleichsweise niedrige Abgastempera
tur am Ausgang des Wärmetauschers realisierbar ist. Erfin
dungsgemäß wird hierdurch die maximal mögliche Vorwärmung
des zu filtrierenden Abgases erreicht.
Vorzugsweise ist wenigstens eine Zuheizvorrichtung vorgese
hen, so dass auch beispielsweise bei extremsten Betriebs-
oder Wetterbedingungen eine sicherere Filterregeneration ge
währleistet bleibt. Die Zuheizvorrichtung kann vorteilhaf
terweise entweder zwischen den beiden Gasbereichen des Wär
metauschers und/oder im Wärmetauscher integriert angeordnet
sein. So ist hierdurch in vorteilhafter Weise eine Regene
rierung des Filters bereits realisierbar, bevor die Brenn
kraftmaschine ihre Betriebstemperatur erreicht hat.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine
wenigstens temperatur-, Zeit-, gaszusammensetzungs- und/oder
druckabhängige Steuerung vorgesehen. Hierdurch ist bei
spielsweise eine automatische Zündung der Zuheizvorrichtung
bei Überschreiten einer definierten Druckdifferenz zwischen
Filtereingang und Filterausgang realisierbar. Darüber hinaus
ist hiermit gegebenenfalls eine Temperaturüberwachung des
Filters beziehungsweise des Wärmetauschers umsetzbar. Eine
Überhitzung des Filters unter anderem bei Volllastbetrieb
der Brennkraftmaschine ist beispielsweise mittels einer Um
gehung des Wärmetauschers vermeidbar. Ebenso ist die Wärme
menge der Zuheizvorrichtung in Abhängigkeit der Filtertempe
ratur steuerbar. Erfindungsgemäß wird der Partikelfilter bei
entsprechenden Bedingungen gegebenenfalls auch vorzeitig,
d. h. bereits bevor eine Regeneration notwendig wäre, ohne
Zuheizung regeneriert. Die Steuerung umfasst hierbei vor
zugsweise ein Managementsystem, das beispielsweise nahezu
alle Fahrzeugkomponenten überwacht.
Vorteilhafterweise sind Mittel zur Zufuhr wenigstens von
Luft in den Abgasstrom vorgesehen, so dass gegebenenfalls in
Abhängigkeit der Gaszusammensetzung des Abgases eine zusätz
liche Lufteinblasung realisierbar ist, was beispielsweise
die exotherme Reaktion der katalytischen Oxidation der noch
im Abgas vorhandenen unverbrannten Kohlenwasserstoffanteile
oder die Rußoxidation verbessert. Hierfür ist auch eine Ein
düsung beispielsweise von Kohlenwasserstoffen in den Ab
gasstrom vorteilhaft.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der
Wärmetauscher eine oberflächenvergrößernde Struktur auf. So
ist beispielsweise mittels einer parallelen Verschaltung
mehrerer Wärmetauschereinheiten oder mittels nicht planarer,
strukturierter oder ähnlich wirkender Wärmeübergangswände,
die Wärmeübertragung vom Filter beziehungsweise vom fil
trierten Abgas auf das zu filtrierende Abgas vorteilhafter
ausführbar.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der zwi
schen Verbrennungsmotor und Wärmetauscher angeordnete Ab
gasstrang eine Verzweigungsstelle auf, über die sich die Ab
gase in einen Haupt- und in einen Nebenstrom aufteilen las
sen. Während der Regeneration des Partikelfilters wird nur
ein Teilstrom des Abgases dem Wärmetauscher bzw. der Zuheiz
vorrichtung zugeführt, so dass eine rasche Aufheizung des
Partikelfilters bei minimalem Heizenergieverbrauch gewähr
leistet wird.
Grundsätzlich führen alle Ausführungsformen der Erfindung zu
einer deutlichen Verringerung der Zuheizenergiemenge sowie
des konstruktiven Aufwands, so dass ein wesentlich wirt
schaftlicherer und umweltfreundlicherer Betrieb gegenüber
dem Stand der Technik möglich ist.
Mehrere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind
in der Zeichnung dargestellt und werden anhand der nachfol
genden Figuren näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer erfin
dungsgemäßen Vorrichtung zusammen mit einer Brenn
kraftmaschine,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsge
mäßen Vorrichtung,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer weiteren er
findungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer erfindungsge
mäßen Vorrichtung mit mehreren Wärmetauscherein
heiten,
Fig. 5 ein prinzipieller Temperaturverlauf in einer er
findungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer erfindungsge
mäßen Vorrichtung mit einer Verzweigungsstelle im
Abgasstrang,
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer erfindungsge
mäßen Vorrichtung mit einem Wärmetauscher, der ei
ne katalytisch aktive Beschichtung aufweist,
Fig. 8 eine schematische Darstellung einer erfindungsge
mäßen Vorrichtung mit zwei Wärmetauschern und
Fig. 9 eine schematische Darstellung einer erfindungsge
mäßen Vorrichtung mit zwei Abgasnachbehandlungs
anlagen.
Fig. 1 zeigt in schematischer Blockdarstellung einen erfin
dungsgemäßen Wärmetauscher 1, der mittels einer Verbindungs
leitung 2 mit einer Brennkraftmaschine 3 verbunden ist. Wei
terhin ist in Fig. 1 eine Ansaugleitung 4 der Brennkraftma
schine 3 sowie eine Abgasausleitung 5 dargestellt.
Die Ausleitung des Abgases kann in dem Ausführungsbeispiel
der Fig. 1 wahlweise über eine Wärmetauscherableitung 6
oder über eine optional anzubringende Drosselklappe 7 zur
Abgasausleitung 5 geführt werden. Mittels der Drosselklappe
7 kann eine Umgehung der Wärmetauscherstruktur des Wärmetau
schers 1 ermöglicht werden, so dass insbesondere bei Voll
lastbetrieb der Brennkraftmaschine 3 eine Überhitzung des
Wärmetauschers 1 beziehungsweise eines in der Fig. 1 nicht
näher dargestellten Partikelfilters verhindert wird.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung umfasst weiterhin
eine Heizvorrichtung 8 sowie eine Steuereinheit 9. Nicht nä
her dargestellte Temperatur- beziehungsweise Drucksensoren
ermitteln beispielsweise den Druck vor und hinter dem Wärme
tauscher 1 beziehungsweise dem Filter. Während des Betriebs
der Brennkraftmaschine 3 wird im Abgas enthaltener Ruß am
Filter abgelagert, so dass die Steuereinheit 9 mittels der
erwähnten Drucksensoren eine Druckdifferenz vor und hinter
dem Wärmetauscher 1 mit fortschreitender Belegung des Fil
ters mit Ruß ermittelt. Überschreitet die ermittelte Druck
differenz einen einstellbaren Schwellenwert, so wird bei
spielsweise die Heizvorrichtung 8 zur Einleitung der Filter
regeneration gezündet.
Weitere Strategien zur Einleitung der Filterregeneration,
die auch ohne Druckdifferenzmessung arbeiten, sind möglich.
Beispiele hierfür sind Betriebsdauer gesteuerte Verfahren
oder die Erkennung von Betriebszuständen, die besonders ge
ringe zusätzliche Heizenergie erfordert.
In Fig. 2 ist ein Wärmetauscher 1 einschließlich eines Fil
ters 10 während einer Betriebsphase der Heizvorrichtung 8
ausgeführt. Hierbei ist die Heizvorrichtung 8 als Brenner
schematisch dargestellt, wobei jedoch auch elektrische sowie
andere chemische, zum Beispiel katalytische, Umsetzungen ei
nes Heizstoffes realisierbar sind. Hierbei können sowohl se
parate Heizvorrichtungen 8 als auch integrierte Heizvorrich
tungen verwendet werden. Beispielsweise können elektrisch
leitfähige Keramiken oder die Integration von Heizdrähten in
eine elektrisch isolierende Sinterkeramik vorgesehen werden.
Die Keramik kann vorteilhafterweise hierbei gleichzeitig als
Filter vorgesehen werden, wobei katalytisch beschichtete als
auch nicht katalytisch beschichtete Keramiken einsetzbar
sind. Weiterhin ist wahlweise die Einbringung einer zusätz
lichen thermischen Energie im Gasstrom- oder am Wärmetau
schergehäuse realisierbar.
Die Erwärmung eines Zustroms 11, d. h. das von der Brenn
kraftmaschine 3 über die Verbindungsleitung 2 in den Wärme
tauscher 1 strömende Abgas, erfolgt mittels der Abwärme des
filtrierten Abgases über eine Wärmetauscherwand 12. Erfin
dungsgemäß erfolgt der Wärmeübergang sowohl in einem Ein
gangsbereich B bzw. Filterbereich D als auch in einem Aus
gangsbereich E bzw. Eingangsbereich A des Wärmetauschers 1.
Im Ausgangsbereich E, einschließlich dem Filterbereich D,
erstreckt sich ein Abstrom 13. Hierbei wird erfindungsgemäß
eine möglichst weitestgehende Abkühlung des Abstroms 13 mit
tels dem Wärmetauscher 1 vorgesehen.
Die höhere Temperatur des Filters 10 beziehungsweise des Ab
stroms 13 wird beispielsweise mittels einer exothermen Reak
tion bei der katalytischen Oxidation vom im Zustrom 11 vor
handenen restlichen Kohlenwasserstoffen im Bereich D des
Filters 10 und/oder mittels der Heizvorrichtung 8 erreicht.
In Fig. 5 ist beispielhaft ein prinzipieller Temperaturver
lauf im Wärmetauscher 1 dargestellt. Die Fig. 5 verdeut
licht, dass der Zustrom 11 in den Wärmetauscher 1 mit einer
Eingangstemperatur Te geleitet wird. Im Eingangsbereich A, B
wird der Zustrom 11 sehr stark vorgewärmt, so dass das Abgas
in einem Heizbereich C mittels der Heizvorrichtung 8 ver
gleichsweise wenig zusätzlich erwärmt werden muss, um über
eine Zündtemperatur Tz angehoben zu werden. Oberhalb der
Zündtemperatur Tz erfolgt eine selbständige Zündung des Ab
gasstromes, so dass die Regeneration des Filters 10 erfolgt.
Die Regenerierung des Filters 10 im Wärmetauscher 11 kann
bei entsprechender Filter- beziehungsweise Wärmetauscheraus
legung exotherm beziehungsweise mindestens autotherm verlau
fen, so dass das Einbringen von weiterer Zuheizenergie mit
tels der Heizvorrichtung 8 beendet werden kann.
Entsprechend dem Temperaturverlauf im Filterbereich D sinkt
die Abgastemperatur leicht ab. Insbesondere im Ausgangsbe
reich E wird dem Abstrom 13 vergleichsweise viel Wärme ent
zogen, so dass er den Wärmetauscher 1 mit einer vergleichs
weise geringen Ausgangstemperatur Ta verlässt. Insbesondere
Fig. 5 verdeutlicht, dass eine möglichst weite Absenkung
der Ausgangstemperatur Ta für die Vorwärmung des Zustroms 11
und somit für die Regeneration des Filters 10 von Vorteil
ist.
Der Wärmetauscher 1 in Fig. 3 weist gegenüber dem Wärmetau
scher 1 der Fig. 2 eine Drosselklappe 7 auf, die eine teil
weise oder vollständige Umgehung der Wärmetauscherstruktur,
d. h. der Wärmerückgewinnung zur Erwärmung des zu filtrieren
den Abgases, ermöglicht. Hierdurch kann beispielsweise im
Volllastbetrieb der Brennkraftmaschine 3 eine Überhitzung
des Filters 10 beziehungsweise eines weiteren Filters 14
verhindert werden.
Wie bereits bekannt, weist das Abgas einer im Volllastbe
trieb arbeitenden Brennkraftmaschine 3 bereits Temperaturen
über der Zündtemperatur Tz des Filters 10, 14 auf, so dass
eine Wärmerückgewinnung mittels dem Wärmetauscher 1 ver
zichtbar beziehungsweise eine Vermeidung der Überhitzung der
Filter 10, 14 vorteilhaft ist. In der Ausführung der Fig. 3
strömt der Zustrom 11 nahezu vollständig über die Drossel
klappe 7 als Abstrom 15 ab. Da hierbei der Filter 10 umgan
gen wird, wird aus diesem Grund der Filter 14 zur Filtrie
rung des Volllastabgasstromes benötigt.
In Fig. 4 ist ein Wärmetauscher 16 schematisch dargestellt,
der eine Parallelschaltung von mehreren Wärmetauschern 1 der
Fig. 2 aufweist. Die Parallelverschaltung der Wärmetau
scher 1 vergrößert insbesondere die Gesamtfläche der Wärme
tauscherwand 12, so dass eine verbesserte Wärmerückgewinnung
erfolgt. Zur Abführung der Abströme 13 sind mehrere Öffnun
gen 17 vorgesehen.
Grundsätzlich können in einer nicht begrenzten Anzahl Wärme
tauschereinheiten 1 miteinander verschaltet werden. Darüber
hinaus ist sowohl eine direkte Zuführung der Zuströme 11 von
einzelnen Zylindern der Brennkraftmaschine 3 sowie eine Zu
führung mittels einer Sammelleitung und anschließenden Auf
teilung in Einzelleitungen realisierbar. Ebenso ist die Ver
wendung einer einzelnen Heizvorrichtung 8 sowie die Verwen
dung mehrerer Heizvorrichtungen im Wärmetauscher 16 umsetz
bar. Die Öffnungen 17 werden vorteilhafterweise in einer
einzelnen Abgasableitung 5 stromabwärts des Wärmetauschers
16 zusammengefasst.
Weiterhin kann bei allen erfindungsgemäßen Vorrichtungen als
Kontrollmechanismus für eine erfolgreiche Zündung des Ruß
filters ein Temperaturfühler an geeigneter Stelle im Wärme
tauscher 1, 16 insbesondere im oder unmittelbar hinter dem
Filter 10, 14 angeordnet werden. Die gemessene Temperatur
kann mittels der Steuereinheit 9 dafür verwendet werden,
dass die Heizleistung der Heizvorrichtung 8 gesteuert und
gegebenenfalls abgeschaltet wird. Bei stark rußendem Motor
oder wenn genügend Kohlenwasserstoffe im Zustrom 11 enthal
ten sind und gleichzeitig der Filter 10, 14 katalytisch ak
tiv die Umsetzung der Kohlenwasserstoffe ermöglicht, kann
die Oxidation des Rußes und der Kohlenwasserstoffe auch kon
tinuierlich nach einer einmaligen Zündung der Heizvorrich
tung 8 erfolgen.
In Fig. 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorlie
genden Erfindung dargestellt. Dabei weist die Verbindungs
leitung 2 eine 3-Wege-Abgasklappe 20 auf, über die sich der
die Verbrennungsmaschine 3 verlassende Abgasstrom 11 in ei
nen Haupt- und einen Nebenstrom aufteilen läßt. Während ei
ner Kaltstartphase des Verbrennungsmotors 3 oder eines Rege
nerationsvorgangs des Filters 10 wird beispielsweise die 3-
Wege-Abgasklappe 20 so eingestellt, daß nur ein kleiner An
teil des Abgases als Nebenstrom in den Wärmetauscher 1 und
nachfolgend zur Heizeinrichtung 8 bzw. dem Filter 10 ge
langt. Dies ist vorteilhaft, da während eines Kaltstarts die
Abgastemperatur für eine Regeneration des Filters 10 zu ge
ring ist und das Abgas über die Heizvorrichtung 10 erwärmt
werden muß. Da durch Aufteilung des Abgasstroms zu diesem
Zeitpunkt nur ein geringer Anteil des Abgases erwärmt werden
muß, wird eine höhere Abgastemperatur bei vergleichsweise
geringem Heizenergieverbrauch erreicht. Währenddessen wird
der Hauptstrom des Abgases über die Abgasleitung 22 am Wär
metauscher 1 vorbei geleitet und beispielsweise direkt an
die Umgebungsluft abgegeben.
Sobald das die Heizeinrichtung 8 erreichende Abgas eine aus
reichend hohe Temperatur aufweist, wird die 3-Wege-
Abgasklappe 20 so eingestellt, daß der gesamte Abgasstrom
über die Verbindungsleitung 2 dem Wärmetauscher 1 zugeführt
wird.
Soll verhindert werden, daß es beim Auftreten von sehr hei
ßen Abgasen 11 zu einer Überhitzung des Filters 10 kommt, so
kann der über die Abgasleitung 22 abgeleitete Hauptstrom des
Abgases gemäß Fig. 7 vorzugsweise vor dem Filter 10 unter
Umgehung des Wärmetauschers 1 wieder mit dem Nebenstrom ver
einigt werden. Durch Umgehung des Wärmetauschers 1 wird eine
weitere Aufheizung der heißen Abgase vermieden und der Ab
gasgegendruck reduziert. Als Heizvorrichtung ist bei diesem
Ausführungsbeispiel eine Kraftstoffinjektion an einer Zu
fuhrstelle 28 in die Verbindungsleitung 2 vorgesehen. An
schließend erfolgt eine vorzugsweise katalytische Umsetzung
des eingespritzten Kraftstoffs an einer beispielsweise in
den Wärmetauscher 1 integrierten, katalytisch aktiven
Schicht 30 mit im Abgas enthaltenem Restsauerstoff.
In Fig. 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorlie
genden Erfindung dargestellt, das zwei Systeme jeweils be
stehend aus Zufuhrstelle 28, 29, Wärmetauscher 1, 21, kata
lytisch aktiver Beschichtung 30, 32 und Filter 10, 40 auf
weist. Hier kann der die Brennkraftmaschine 3 verlassende
Abgasstrom 11 über die 3-Wege-Abgasklappe 20 je nach Regene
rierungsbedarf der Filter 10, 40 so aufgeteilt werden, daß
beispielsweise während eines Regenerierungsvorgangs des Fil
ters 10 nur ein Nebenstrom des Abgases über die Verbindungs
leitung 2 dem Wärmetauscher 1 zugeführt wird und der Haupt
strom über die Abgasleitung 22 dem Wärmetauscher 21 und um
gekehrt.
Während einer Kaltstartphase wird der Hauptstrom des Abgases
vorzugsweise über den ersten Filter 10 geleitet, der die im
Abgas enthaltenen Partikel zurückhält, aufgrund der geringen
Temperatur der passierenden Abgase jedoch keine Regeneration
erfahren kann. Ein Nebenstrom des Abgases wird dabei dem
zweiten Filter 40 zugeführt und über Kraftstoffinjektion an
der Zufuhrstelle 29 und katalytischer Umsetzung an der kata
lytisch aktiven Schicht 32 erwärmt. Sobald die Abgase am
zweiten Filter 40 eine für eine Regeneration ausreichende
Temperatur aufweisen, wird mittels der 3-Wege-Abgasklappe 20
der Hauptstrom des Abgases dem zweiten Filter 40 zugeführt
und der erste Filter 10 beispielsweise durch Kraftstoffin
jektion an der Zufuhrstelle 28 und katalytischer Umsetzung
desselben an der katalytisch aktiven Schicht 30 einer Rege
neration unterworfen.
Da für diese Vorgehensweise die Existenz eines zweiten Wär
metauschers 21 nicht zwingend notwendig ist, kann gemäß ei
nem weiteren, in Fig. 9 dargestellten Ausführungsbeispiel
zwar beispielsweise dem ersten Filter 10 ein Wärmetauscher 1
vorzugsweise mit katalytisch aktiver Beschichtung 30 voran
geschaltet werden, der zweite Filter 40 jedoch lediglich
über die Abgasleitung 22 mit integrierter Heizvorrichtung 8
mit der 3-Wege-Abgasklappe 20 verbunden werden. Die 3-Wege-
Abgasklappe 20 kann alternativ durch zwei hintereinander ge
schaltete Absperrventile ersetzt werden.
Grundsätzlich sind die beschriebenen Ausführungsformen auch
auf Abgasnachbehandlungssysteme übertragbar, bei denen zu
sätzlich oder anstelle des Partikelfilters ein NOx-
Speicherkatalysator eingesetzt wird.
Claims (15)
1. Vorrichtung zur Abgasbehandlung einer Brennkraftma
schine, insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine, mit ei
nem Partikelfilter, wobei eine Regeneration des Partikelfil
ters vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens
ein Wärmetauscher (1, 16, 21) zur Erwärmung des zu filtrie
renden Abgases (11) wenigstens mittels der Abwärme des fil
trierten Abgases (13) vorgesehen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass eine Sammeleinheit zur Zuführung des gesamten Ab
gasstroms (11) in den Wärmetauscher (1, 16, 21) vor diesem
angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens der Partikelfilter
(10, 14, 40) und der Wärmetauscher (1) als bauliche Einheit
(1) ausgebildet ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Zuheizvorrich
tung (8) vorgesehen ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass eine wenigstens temperatur-,
zeit-, gaszusammensetzungs- und/oder druckabhängige Steue
rung (9) vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Zufuhr wenigstens
von Luft in den Abgasstrom vorgesehen sind.
7. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (1, 16) eine
oberflächenvergrößernde Struktur (16) aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung des Abga
ses (11) vor dem Wärmetauscher (1, 21) die Verbindungslei
tung (2) eine Verzweigungsstelle (20) zur Teilung des Ab
gasstromes in einen Haupt- und einen Nebenstrom aufweist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
dass zwei Partikelfilter (10, 14, 40) vorgesehen sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, da
durch gekennzeichnet, dass zwei Wärmetauscher (1, 16, 21)
vorgesehen sind.
11. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (1, 21) zu
mindest in einem Teilbereich eine katalytische Beschichtung
(30, 32) aufweist.
12. Verfahren zur Regeneration eines Abgasnachbehand
lungssystems, insbesondere eines Partikelfilters, dadurch
gekennzeichnet, dass während der Regeneration das Abgas (11)
in einen Haupt- und einen Teilstrom aufgeteilt wird und der
Teilstrom beheizt und dem Abgasnachbehandlungssystem (10,
14, 40) zugeführt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
dass der Hauptstrom des Abgases während der Regeneration ei
nem zweiten Abgasnachbehandlungssystem zugeführt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekenn
zeichnet, dass es während der Kaltstartphase einer Brenn
kraftmaschine (3) durchgeführt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, daß es mittels einer Vorrichtung nach einem
der Ansprüche 1 bis 11 durchgeführt wird.
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