DE102006038706B4 - Brennkraftmaschine mit Niederdruck-Abgasrückführung - Google Patents

Brennkraftmaschine mit Niederdruck-Abgasrückführung Download PDF

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Abstract

Brennkraftmaschine mit einem Abgastrakt (16), einem Zuführungssystem (14) für Verbrennungsluft und einem Abgasturbolader (18), welcher eine Turbine (28), die im Abgastrakt (16) angeordnet ist, und einen Verdichter (24), welcher im Zuführungssystem (14) für Verbrennungsluft angeordnet ist, aufweist, wobei im Abgastrakt (16) in stromabseitiger Richtung nacheinander die Turbine (28), ein erster Partikelfilter (30) und eine einstellbare Abgasdrossel (32) angeordnet ist, wobei eine Niederdruck-Abgasrückführungsleitung (44) (ND-EGR-Leitung) vorgesehen ist, welche eine Abzweigung (46) von dem Abgastrakt (14) stromab des ersten Partikelfilters (30) und eine Einmündung (48) in das Zuführungssystem (44) für Verbrennungsluft stromauf des Verdichters (24) aufweist, wobei in der ND-EGR-Leitung (44) ein EGR-Kühler (50) und ein EGR-Ventil (52) angeordnet ist, in der ND-EGR-Leitung (44) zusätzlich ein zweiter Partikelfilter (56) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Partikelfilter (56) eine Filtermaschenweite von größer oder gleich 50 µm aufweist, so dass der zweite Partikelfilter (56) Partikel mit einem Durchmesser kleiner als der Filtermaschenweite passieren lässt und Partikel mit einem Durchmesser größer oder gleich der Filtermaschenweite zurück hält und derart wartungsfrei für Temperaturen bis 800 °C ausgelegt ist, dass über die Lebensdauer des zweiten Partikelfilters (56) eine Masse von 100 bis 250 mg abgeschieden wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere Dieselmotor, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem Abgastrakt, einem Zuführungssystem für Verbrennungsluft und einem Abgasturbolader, welcher eine Turbine, die im Abgastrakt angeordnet ist, und einen Verdichter, welcher im Zuführungssystem für Verbrennungsluft angeordnet ist, aufweist, wobei im Abgastrakt in stromabseitiger Richtung nacheinander die Turbine, ein erster Partikelfilter und eine einstellbare Abgasdrossel angeordnet ist, wobei eine Niederdruck-Abgasrückführungsleitung (ND-EGR-Leitung) vorgesehen ist, welche eine Abzweigung von dem Abgastrakt stromab des ersten Partikelfilters und eine Einmündung in das Zuführungssystem für Verbrennungsluft stromauf des Verdichters aufweist, wobei in der ND-EGR-Leitung ein EGR-Kühler und ein EGR-Ventil angeordnet ist, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine ist aus der DE 698 15 543 T2 bekannt. Hierbei ist ein Niederdruckschleifen-EGR-System vorgesehen, welches im Abgastrakt nach dem Dieselpartikelfilter abzweigt, einen EGR-Kühler aufweist und stromauf eines Verdichters eines Abgasturboladers in die Ansaugleitung einer Verbrennungsluftzuführung mündet.
  • Aus der US 7 013 879 B2 ist ein EGR-System bekannt, welches stromauf des Dieselpartikelfilters abzweigt und deshalb ein weiterer Dieselpartikelfilter in der EGR-Leitung vorgesehen sein muss, damit des Abgas nicht vollkommen ungefiltert den Abgastrakt durchläuft. Derartige Dieselpartikelfilter müssen jedoch für die Filterung von sehr kleinen Rußpartikeln mit Durchmessern von 50 nm bis 300 nm ausgelegt sein. Daher bilden derartige Dieselpartikelfilter einen entsprechenden Strömungswiderstand und es ist nicht möglich, zwei solcher Dieselpartikelfilter hintereinander anzuordnen.
  • Aus der DE 101 13 449 A1 ist es bekannt einen Filter in einer Abgasrückführung einer Brennkraftmaschine zu platzieren. Dieser Filter dient dazu Schaden an der Brennkraftmaschine zu verhindern, indem Teile des Auslassströmungskanals nicht in den Frischluftkanal zurückgeführt werden.
  • In der EP 1 094 879 B1 wird beschrieben welche mittel Porengrüße benötigt wird, um in einer Dieselbrennkraftmaschine effektiv die bei der Verbrennung entstehenden Partikel aus dem Abgas zu filtern. Es wird insbesondere eine mittle Porengröße von 30 bis 200 µm empfohlen.
  • In der EP 1 589 213 A1 wird eine aufgeladene Dieselbrennkraftmaschine beschrieben. Die Brennkraftmaschine verfügt über eine Abgasrückführung. Die Abgasrückführung wird besonders lang gestaltet und für das Abgas bis an eine Position stromab einer Drosselklappe und stromauf eines Verdichters und eines Ladeluftkühlers. Durch diese Positionierung wirken die positiven Effekte des Verdichters und des Ladeluftkühlers ebenfalls auf das rückgeführte Abgas.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine der o.g. Art hinsichtlich der Funktionssicherheit zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Brennkraftmaschine der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
  • Dazu ist es bei einer Brennkraftmaschine der o.g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass in der ND-EGR-Leitung zusätzlich ein zweiter Partikelfilter bzw. Abscheider bzw. Sieb angeordnet ist, welcher eine Filtermaschenweite von größer oder gleich 50 µm aufweist, so dass der zweite Partikelfilter Partikel mit einem Durchmesser kleiner als der Filtermaschenweite passieren lässt und Partikel mit einem Durchmesser größer oder gleich der Filtermaschenweite zurück hält, Der Zweite Partikelfilter ist derart wartungsfrei für Temperaturen bis 800 °C ausgelegt, dass über die Lebensdauer des zweiten Partikelfilters eine Masse von 100 bis 250 mg abgeschieden wird.
  • Dies hat den Vorteil, dass einerseits der Verdichter des Abgasturboladers ausreichend vor Beschädigung durch auftreffende Partikel, die sich beispielsweise aus dem ersten Partikelfilter ablösen, geschützt ist und andererseits sicher gestellt ist, dass der zweite Partikelfilter sich nicht zusetzt, sondern über die Lebensdauer der Brennkraftmaschine bzw. des ersten Partikelfilters nicht ausgetauscht werden muss und immer einen ausreichenden Durchsatz bzw. einen möglichst geringen Druckverlust in der ND-EGR-Leitung gewährleiste. Durch die definierte Filterung werden Fremdkörper ab einer bestimmten, für den ATL schädlichen Größe ohne merkliche Behinderung des ND-EGR-Stromes über die Motorlebensdauer zurückgehalten.
  • Beispielsweise weist der zweite Partikelfilter eine Filtermaschenweite von 300 µm , 200 µm oder 100 µm auf, so dass der zweite Partikelfilter Partikel mit einem Durchmesser kleiner als 300 µm , 200 µm oder 100 µm passieren lässt und Partikel mit einem Durchmesser größer oder gleich 300 µm, 200 µm oder 100 µm zurück hält.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Partikelfilter als Drahtgeflecht, als Sieb, als Metallvlies oder aus einem Sintermaterial ausgebildet.
  • Beispielsweise ist die Abzweigung der ND-EGR-Leitung von dem Abgastrakt stromauf der Abgasdrossel angeordnet.
  • In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Einmündung der ND-EGR-Leitung in das Zuführungssystem für Verbrennungsluft stromab einer in dem Zuführungssystem für Verbrennungsluft angeordneten Messeinrichtung zur Erfassung der zugeführten Luftmasse (HFM) angeordnet.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in der einzigen Fig. ein schematisches Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.
  • Die in der einzigen Fig. dargestellte, bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine umfasst einen Motorblock 10 mit Arbeitszylindern 12, ein Zuführungssystem 14 für Verbrennungsluft, einen Abgastrakt 16 und einen Abgasturbolader 18 (ATL). In dem Zuführungssystem 14 für Verbrennungsluft sind ein Luftfilter 20, eine Messeinrichtung 22 zur Erfassung der zugeführten Luftmasse (HFM), ein Verdichter 24 des ATL 18 und ein Ladeluftkühler 26 (LLK) angeordnet. In dem Abgastrakt 18 sind eine Turbine 28 des ATL 18, ein erster Partikelfilter 30 in Form eines Dieselpartikelfilters, eine einstellbare Abgasdrossel 32, eine Abgasnachbehandlungsanlage mit wenigstens einem Katalysator 34, insbesondere NOx-Katalysator, ein Schalldämpfer 36 und ein Abgasaustritt 38 angeordnet.
  • Eine herkömmliche Hochdruck-Abgasrückführungs-Leitung 40 (HD-EGR-Leitung) verbindet das Zuführungssystem 14 für Verbrennungsluft mit dem Abgastrakt 16 nahe dem Motorblock 10. Die HD-EGR-Leltung 40 verbindet den Abgastrakt 18 stromauf der Turbine 28 mit dem Zuführungssystem 14 für Verbrennungsluft stromab des Verdichters 24, also auf beiden Seiten an Stellen mit hohem Druck. In der HD-EGR-Leitung ist ein HD-EGR-Ventil 42 angeordnet.
  • Weiterhin ist eine Niederdruckabgasrückführungs-Leitung 44 (ND-EGR-Leitung) vorgesehen, welche eine Abzweigung 48 von dem Abgastrakt 18 stromab des ersten Partikelfilters 30 und eine Einmündung 48 in das Zuführungssystem 14 für Verbrennüngsluft stromauf des Verdichters 24 des ATL 18 aufweist. In der ND-EGR-Leitung 44 ist ein ND-EGR-Kühler 50 und ein ND-EGR-Ventil 52 angeordnet.
  • Ein Motorsteuergerät 54 erhält Daten von dem HFM 22 und steuert das HD-EGR-Ventil, die Turbine 28 des ATL 18 zur Veränderung einer Turbinengeometrie, das ND-EGR-Ventil 52 und die Abgasdrossel 32 an.
  • Erfindungsgemäß ist in der ND-EGR-Leitung 44 ein zweiter Partikelfilter 58 angeordnet, welcher eine Filtermaschenweite von größer oder gleich 50 µm, insbesondere größer oder gleich 100 µm, 200 µm oder 300 µm, aufweist, so dass der zweite Partikelfilter 56 Partikel mit einem Durchmesser kleiner als der Filtermaschenweite passieren lässt und Partikel mit einem Durchmesser größer oder gleich der Filtermaschenweite zurück hält.
  • Die ND-EGR-Leitung 44 dient zur Minimierung der NOx-Rohemissionen der Brennkraftmaschine. Dabei wird Abgas nach dem bzw. stromab von dem Dieselpartikelfilter 30 (DPF) mittels einer ansteuerbaren Stauklappe 32 (Abgasdrossel) entnommen und über den ND-EGR-Kühler 50 mittels Regelventil (ND-EGR-Ventil 52) über einen Einleitstutzen an der Einmündung 48 vor dem Verdichter 24 (VD) des ATL 18 der Frischluft bzw. dem Zuführungssystem 14 für Verbrennungsluft zugeführt. Das Luft-/Abgasgemisch wird Im VD 24 des ATL 18 komprimiert und dann über die übliche Ansaugstrecke und dem Ladeluftkühler 28 (LLK) dem Motor 10 zur Verbrennung zugeführt.
  • Aus dem DPF 30 lösen sich im Betrieb kleine Teilchen (Partikel), die teilweise aus dem Fertigungsprozess stammen (Schweißperlen; Schmutz), teilweise sich aus dem Monolithen lösen. Die festgestellte Teilchengröße liegt zwischen 20 µm bis 2000 µm. Ein Anteil dieser Teilchen bzw. Partikel gelangt über die ND-EGR-Leitung 44 bis zum VD-Rad des ATL 18, prallt auf das mit bis zu 200.000 1/min drehende VD-Rad und verursacht ab einer bestimmten Teilchengröße Schäden (Einschlagmarken, Risse, Materialablösungen) am VD-Rad. Das kann bis zum Totalausfall des ATL führen.
  • Zur Vermeidung dieses Effektes ist erfindungsgemäß der Filter/Abschelder in Form des zweiten Partikelfilters 56 vorgesehen, der in der ND-EGK-Leitung 44 angeordnet ist und 100% der Teilchen über einer bestimmten, zu definierenden Größe zurückhält. Damit wird ein Schaden des ATL 18 wirkungsvoll vermieden. Der Filter/Abschelder kann z.B. ein Drahtgeflecht sein, das eine bestimmte Fläche haben muss, um einen möglichst geringen Druckverlust zu ermöglichen. Ebenfalls sind Metallvliese oder Sintermateriallen möglich.
  • Weiterhin ist der Filter/Abschelder 56 wartungsfrei, d.h. dass nur im Schadensfall (z.B. DPF-Durchbruch oder Tausch) der Filter getauscht werden muss, jedoch nicht im Rahmen von Wartungsintervalien. Damit ist ein wirkungsvoller Schutz des ATL 18 samt Motor und ein wirkungsvoller Schutz gegen „verschmutzen“ der gesamten ND-EGR-Strecke 44 im DPF-Schadensfall gewährleistet.
  • Der Rückhalt (= Filtermaschenweite) des zweiten Partikelfilters 56 beträgt 50 µm bis 300 µm, vorzugsweise 100 µm bis 200 µm. Alle Partikel, die kleiner als 50 µm sind, werden sicher durchgelassen, so dass ein Zusetzen des Filters vermieden ist. Dies schützt den ATL 18 und den gesamten Motor bei einem DPF-Schadensfall.
  • Der zweite Partikelfilter 56 ist beispielsweise folgendermaßen ausgelegt: Durchsatz Abgasmenge durch Filter bis 100kg/h oder allgemein ca. 20 % bis 30 % des Motor-Volllastdurchsatzes. Temperaturen im zweiten Partikelfilter 56 bis 800°C. Über die Lebensdauer des zweiten Partikelfilters 56 erwartete abzuscheidende Masse (ohne DPF-Schaden) ca. 100 mg bis 250 mg. Maximaler Betriebsdruck 2,0 bar (abs.). Differenzdruck am zweiten Partikelfilter 56 < 50 mbar bei 80kg/h und 450 °C.

Claims (5)

  1. Brennkraftmaschine mit einem Abgastrakt (16), einem Zuführungssystem (14) für Verbrennungsluft und einem Abgasturbolader (18), welcher eine Turbine (28), die im Abgastrakt (16) angeordnet ist, und einen Verdichter (24), welcher im Zuführungssystem (14) für Verbrennungsluft angeordnet ist, aufweist, wobei im Abgastrakt (16) in stromabseitiger Richtung nacheinander die Turbine (28), ein erster Partikelfilter (30) und eine einstellbare Abgasdrossel (32) angeordnet ist, wobei eine Niederdruck-Abgasrückführungsleitung (44) (ND-EGR-Leitung) vorgesehen ist, welche eine Abzweigung (46) von dem Abgastrakt (14) stromab des ersten Partikelfilters (30) und eine Einmündung (48) in das Zuführungssystem (44) für Verbrennungsluft stromauf des Verdichters (24) aufweist, wobei in der ND-EGR-Leitung (44) ein EGR-Kühler (50) und ein EGR-Ventil (52) angeordnet ist, in der ND-EGR-Leitung (44) zusätzlich ein zweiter Partikelfilter (56) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Partikelfilter (56) eine Filtermaschenweite von größer oder gleich 50 µm aufweist, so dass der zweite Partikelfilter (56) Partikel mit einem Durchmesser kleiner als der Filtermaschenweite passieren lässt und Partikel mit einem Durchmesser größer oder gleich der Filtermaschenweite zurück hält und derart wartungsfrei für Temperaturen bis 800 °C ausgelegt ist, dass über die Lebensdauer des zweiten Partikelfilters (56) eine Masse von 100 bis 250 mg abgeschieden wird.
  2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Partikelfilter (56) eine Filtermaschenweite von 300 µm , 200 µm oder 100 µm aufweist, so dass der zweite Partikelfilter (56) Partikel mit einem Durchmesser kleiner als 300 µm , 200 µm oder 100 µm passieren lässt und Partikel mit einem Durchmesser größer oder gleich 300 µm , 200 µm oder 100 µm zurück hält.
  3. Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Partikelfilter (56) als Drahtgeflecht, als Sieb, als Metallvlies oder aus einem Sintermaterial ausgebildet ist.
  4. Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abzweigung (46) der ND-EGR-Leitung (44) von dem Abgastrakt (16) stromauf der Abgasdrossel (32) angeordnet ist.
  5. Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einmündung (48) der ND-EGR-Leitung (44) in das Zuführungssystem (14) für Verbrennungsluft stromab einer in dem Zuführungssystem (14) für Verbrennungsluft angeordneten Messeinrichtung (22) zur Erfassung der zugeführten Luftmasse (HFM) angeordnet ist.
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