DE102008032600A1

DE102008032600A1 - Verfahren zum Betreiben eines Abgassystems einer Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine mit einem Abgassystem einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102008032600A1
Application number: DE102008032600A
Authority: DE
Inventors: Asmus Carstensen; Andre Horn; Bernd Hupfeld; Stefan Paukner; Stefan Wessels
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2008-07-11
Filing date: 2008-07-11
Publication date: 2010-01-14

Abstract

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Abgassystems (100) einer Brennkraftmaschine (10) eines Kraftfahrzeugs mit einer im Abgasstrang (50) angeordneten, zumindest zeitweise zu temperierenden oder zu regenerierenden Abgasreinigungseinrichtung und zumindest einem stromauf der Abgasreinigungseinrichtung angeordneten Brenner, dem Kraftstoff zur Regeneration der stromab des Brenners (54) angeordneten Abgasreinigungseinrichtung zeitweise mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis lambda zugeführt wird, ist vorgesehen, dass während des Betriebes des Brenners (54) mit unterstöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis lambda ein Teil der dem Brenner (54) zugeführten Kraftstoffmenge in einer ersten zumindest den Brenner (54) umfassenden Reaktionszone umgesetzt wird und ein zweiter Teil der besagten Kraftstoffmenge in einer stromab der ersten Reaktionszone liegenden zweiten Reaktionszone umgesetzt wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Brennkraftmaschine mit einem Abgassystem (100) mit einer im Abgasstrang (50) angeordneten, zeitweise zu regenerierenden Abgasreinigungseinrichtung und zumindest einem stromauf der Abgasreinigungseinrichtung angeordneten Brenner, dem Kraftstoff zur Regeneration der stromab des Brenners (54) angeordneten Abgasreinigungseinrichtung zeitweise mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsverhältnis lambda zuführbar ist. Das Abgassystem ist derart ausgelegt, dass bei Betrieb des Brenners (54) mit unterstöchiometrischem ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Abgassystem einer Brennkraftmaschine und eine Brennkraftmaschine nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
Aufgrund stetig schärfer werdender Abgasgesetzgebung nimmt die Komplexität von Abgasnachbehandlungssystemen bei Fahrzeugen zu. Um auch strengste Emissionsgrenzwerte erreichen zu können, ist im Abgasstrang von Brennkraftmaschinen eine auf den konkreten Anwendungsfall passende Konfiguration sowie ein entsprechendes Temperaturmanagement erforderlich. Für die Regeneration von Partikelfiltern und für die Entschwefelung von NOx-Speicherkatalysatoren muss die Abgastemperatur zeitweise stark erhöht werden. Insbesondere die Temperatur für eine sichere Rußoxidation bzw. für eine Regeneration eines Partikelfilters liegt für moderne Brennkraftmaschinen deutlich oberhalb der üblichen Abgastemperatur, so dass temperatursteigernde Maßnahmen für eine Regeneration dieser Komponenten notwendig sind. Weitere temperatursteigernde und -regelnde Massnahmen sind beim Kaltstart des Motors erforderlich. Um Katalysatoren mit optimale Wirkungsgrad betreiben zu können sind ebenfalls abgastemperaturregelnde Maßnahmen erforderlich.
So ist bekannt, die Abgastemperatur durch motorinterne Eingriffe zu steigern. Dazu zählen die Verringerung des Luftmassenstroms durch Androsseln und bei Dieselmotoren die Spätverstellung der Haupteinspritzung sowie nachgelagerte Nacheinpritzungen, die nur teilweise im Zylinder bzw. der Brennkraftmaschine nachverbrennen, aber mittels eines im Abgasstrang befindlichen Oxidationskatalysators zusätzlich die Abgastemperatur anheben.
Nachteil dabei ist, dass diese Maßnahmen vorwiegend dem Temperaturmanagement motornaher Komponenten dienlich sind, wie z. B. der Regeneration motornaher Partikelfilterkonzepte dienen. Die Edelmetallbeladung bei Konzepten mit motorischer Regeneration von Dieselpartikelfiltern durch Nacheinspritzungen ist recht hoch gewählt, weil ein wesentlicher Teil des Kraftstoffes der Nacheinspritzungen auf dem Filter umgesetzt wird. Zum einen erfordert dabei die hohe Kraftstoffumsatzrate eine hohe Beladung, zum anderen ist die Temperaturbelastung bei motorischer Nacheinspritzung sehr hoch, was wiederum eine hohe Edelmetallbeladung erfordert.
Aus Untersuchungen der Anmelderin ergibt sich:

– motornahe Oxidationskatalysatoren sind immer hoch beladen (Platin 120–135 g/ft3) bei kleinem Volumen (bis ca. 1.5 l)
– ist nur ein CDPF (CatalyticDPF → beschichteter Dieselpartikelfilter) motornah montiert ohne einen weiteren Oxidationskatalysator, dann ist der CDPF auch relativ hoch beladen (Platin 90 g/ft3) bei großem Volumen (ca. 3–4 l)
– bei Systemen mit motornahem Oxidationskatalysator und CDPF ist der CDPF geringer beladen (Platin > 50 g/ft3).

Bei einem System mit motornahem Oxidationskatalysator sowie einem weiteren Oxidationskatalysator vor einem CDPF in Unterbodenlage wird eine Edelmetallbeladung wie folgt eingesetzt:

– motornaher Oxidationskatalysator Platin 120 g/ft3 mit einem Volumen 1,25 l,
– Oxidationskatalysator in Unterboden Lage mit Platin 90 g/ft3 mit einem Volumen von 1,5 lund
– CDPF Platin 50 g/ft3 mit einem Volumen von 4,6 l.

Befindet sich der Partikelfilter in motorferner Lage, ist die Regenerationstemperatur für den Partikelfilter nur schwer einstellbar. Ein weiterer Nachteil der motorischen Nacheinspritzung ist, dass Kraftstopffanteile der späten Nacheinspritzung aufgrund der unvollständigen Verbrennung im Zylinder über die Zylinderwand in das Motoröl eingetragen werden können. Die Verdünnung des Motoröls verringert die Schmiereigenschaften und verkürzt die Ölwechselintervalle. Weiterhin sind diese Maßnahmen nur begrenzt mit der Verwendung von Biokraftstoffen verträglich. Höhere Anteile an Biomasse im Kraftstoff führt zum Eintrag des Biokraftstoffanteil in das Motoröl und zu einer weiteren Verkürzung der Ölwechselintervalle.
Weiterhin ist bekannt, die Abgastemperatur über motorexterne Maßnahmen anzuheben. Dazu zählen die externe Einspritzung von Dieselkraftstoff in den Abgasstrang sowie der Einsatz externer Brennersysteme. Nachteilig bei der externen Kraftstoffeinspritzung ist, dass diese auf motorunterstützte Temperaturanhebung für die Verdampfung des flüssigen Kraftstoffs angewiesen ist.
Bekannte Brennersysteme dagegen benötigen weiterhin eine Luftversorgung, etwa mittels einer Sekundärluftpumpe, um den Kraftstoff verbrennen zu können. Aus der DE 44 43 133 A1 ist z. B. eine thermische Regeneration eines Partikelfilters mit einem Brenner bekannt, bei welcher der Lader des Verbrennungsmotors den Brenner mit Verbrennungsluft versorgt. Der Brenner kann nur abhängig vom Lader betrieben werden.
Aus der DE 38 37 472 A1 ist ein Partikelfiltersystem bekannt, wobei eine Regeneration eines Partikelfilters durch Abbrennen des Partikelbelages im Vollstrom des Abgases erfolgt. Einem dem Partikelfilter zugeordneten Brenner wird brennstoff- und sauerstoffhaltiges Gas zugeführt, wobei das Verhältnis des dem Brenner zugeführten Brennstoffs zum sauerstoffhaltigen Gas in dem Betriebspunkt des Dieselmotors, bei dem der Leistungsbedarf des Brenners zum Erreichen der Regenerationstemperatur am niedrigsten ist, in etwa stöchiometrisch und allen übrigen Betriebspunkten des Dieselmotors unterstöchiometrisch ist. Der Brenner besteht aus einer Luftdrallzerstäuberdüse, eine Primärbrennkammer und einer Sekundärbrennkammer. Die Primärbrennkammer besitzt eine axiale Austrittsöffnung. Die Sekundärbrennkammer ist wie die Primärbrennkammer zylinderförmig. Der Primärbrennkammer schließt sich der Partikelfilter an, wobei zwischen der Austrittsöffnung der Primärbrennkammer und dem Partikelfilter eine kreisförmige Prallplatte vorgesehen ist. Die der Öffnung der Primärbrennkammer vor gelagerte Prallplatte soll verhindern, dass beim Nichtzünden der Primärkämmer unverbrannter Brennstoff auf den Partikelfilter gelangt und diesen durch Überhitzung gefährdet.
Aus der DE 10 2006 009 943 A1 ist ein Abgasnachbehandlungssystem mit in Strömungsrichtung von Abgas eines Verbrennungsmotors hintereinander angeordneter, abgasdurchströmten ersten Oxidationskatalysator-Einrichtung, einer NOx-Katalysator-Einrichtung zur Entstickung des Abgases, einer Einrichtung zur aktiven Anhebung einer Abgastemperatur mit wenigsten einer zweiten Oxidations-Katalysator-Einrichtung, sowie einer Einrichtung zur Partikelentfernung bekannt. Dabei ist eine jeweilige Betriebstemperatur der NOx-Katalysator-Einrichtung und der Einrichtung zur Partikelentfernung abhängig von einer Abgastemperatur und einem Ausgang des Verbrennungsmotors einstellbar. Zur Generierung einer Wärmetönung zur Temperierung ist stromaufwärts einer oder mehrerer der Katalysator-Eirnichtungen eine entsprechende Einheit vorgesehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes und flexibles Verfahren zum Betreiben eines Abgassystems einer Brennkraftmaschine sowie ein Abgassystem dazu anzugeben.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche; vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Abgassystems einer Brennkraftmaschine mit zumindest einer im Abgasstrang angeordneten zeitweise zu temperierend oder zu regenerierenden Abgasreinigungseinrichtung und zumindest einem stromauf der Abgasreinigungseinrichtung angeordneten Brenner, dem Kraftstoff zumindest zeitweise mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnisses (λ) zugeführt wird, sieht vor, dass während des Betriebes des Brenners mit unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λ ein Teil der dem Brenner zugeführten Kraftstoffmenge in einer ersten zumindest den Brenner umfassenden Reaktionszone umgesetzt, also verbrannt wird und ein zweiter Teil der besagten Kraftstoffmenge in einer stromab der ersten Reaktionszone liegenden zweiten Reaktionszone umgesetzt wird. Die Aufteilung des Kraftstoffumsatzes in die Reaktionszonen wird dabei gezielt, beispielsweise durch die Einstellung des Verbrennungsluftverhältnisses λ im Brenner, eingestellt oder gesteuert.
Im Abgashauptstrom erfolgt dann die weitere Umsetzung des teilverbrannten Kraftstoffs mit dort vorhandenem Sauerstoff. Hierfür ist ein sauerstoffreiches, d. h. mageres Abgas besonders vorteilhaft.
Vorzugsweise wird in einem vorgegebenen Zeitintervall höchstens 90%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30% des dem Brenner zugeführten Kraftstoffs in der ersten Reaktionszone Brenner verbrannt. Vorzugsweise hat das Zeitintervall eine Länge in einem Bereich von 10sec bis 300 sec.
Durch die unterstöchiometrische Betriebsweise des Brenners kann die in den Abgashauptstrom eingebrachte Heizenergie gesteuert werden. Dabei kann auch für eine hohe in das Abgas einzubringende Wärmeleistung ein Brenner kleiner Baugröße verwendet werden, da im Brenner kein vollständiger thermischer Kraftstoffumsatz erfolgen muss, sondern der vollständige Umsatz des Kraftstoffs gezielt stromab in einer der Abgasreinigungseinrichtungen erfolgt. Die aufgrund des unterstöchiometrischen Betriebs teiloxidierten Kraftstoffanteile sind sehr reaktiv und können im Abgashauptstrom auch unter ungünstigen Randbedingungen, wie z. B. geringe Temperatur, hohe Raumgeschwindigkeit des Abgases, umgesetzt werden.
Wenn die in der ersten Reaktionszone erzeugte Leistung L1 und/oder die in der zweiten Reaktionszone erzeugte Leistung L2 in Abhängigkeit von einem Leistungsbedarf LR zur Regeneration der Abgasreinigungseinrichtung eingestellt wird, kann über einen großen Kennfeldbereich des Kraftfahrzeugs eine ausreichend hohe Temperatur für eine Abgasreinigungseinrichtung eingestellt und/oder geregelt werden. Zweckmäßig wird das Verhältnis Leistung L1 zur Leistung L2 in Abhängigkeit von dem Leistungsbedarf LR variiert.
Die Abgasreinigungseinrichtung weist vorzugsweise eine aktive Beschichtung auf, die eine Oxidation katalytisch unterstützt. Günstigerweise umfasst die Abgasreinigungseinrichtung zumindest eines der Mitglieder aus der Gruppe Partikelfilter, Oxidationskatalysator, Dreiwegekatalysator, SCR-Katalysator, NOx-Speicherkatalysator.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Brenner um einen relativ zum Abgasteilstrom externen Brenner. Ein außerhalb des Abgashauptstromes angeordneter Brenner eliminiert die Beeinflussung der Abgasströmung und des Abgasgegendrucks in Motorbetriebsarten, in denen ein Betrieb des Brenners nicht benötigt wird.
Ein günstiger unterstöchiometrischer Betrieb des Brenners kann mit einem Verbrennungsluftverhältnis von 0,1 bis 0,95, vorzugsweise 0,25 bis 0,9, besonders bevorzugt 0,35 bis 0,75 erfolgen. Das Verbrennungsluftverhältnis kann unabhängig von der Heizleistung des Brenners eingestellt werden, da eine Variation des Verbrennungsluftverhältnisses nicht mittels Kraftstoff, sondern luftseitig erfolgen kann.
Gemäß einer günstigen Weiterbildung kann das Verbrennungsluftverhältnis durch eine Sauerstoffsteuerung des Brenners eingestellt werden. Es kann z. B. Sauerstoff als Frischluft oder auch über das Abgas der Brennkraftmaschine zugeführt werden.
Gemäß einer weiteren günstigen Weiterbildung kann ein jeweiliges Temperaturniveau eines oder mehrerer Katalysatoren stromab des Brenners abhängig von dem Verbrennungsluftverhältnis des Brenners eingestellt werden. Durch den unterstöchiometrischen Betrieb des Brenners kann neben der Regeneration eines stromab motorfern angeordneten Partikelfilters der Brenner zur Temperaturführung des gesamten Abgassystems im Sinne eines Abgastemperaturmanagements eingesetzt werden.
Der Brenner kann, beispielsweise über ein Abzweigen eines Sekundärluftmassenstroms an einer Abzweigstelle einer Frischluftleitung stromabwärts einer Druckluftquelle, mit Luft über eine Luftleitung versorgt werden. Dabei können verschiedene Maßnahmen zum Anheben oder Einstellen eines Druckgefälles von der Abzweigstelle zum Brenner vorgesehen sein.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens sind ein Anheben des Druckgefälles mittels Drosseln des Luftmassenstroms und/oder ein Anheben des Druckgefälles mittels eines der Druckluftquelle und der Abzweigstelle nachgeschalteten ersten Drosselorgans vorgesehen. Vorteilhaft kann mittels des ersten Drosselorgans ein zur Brennkraftmaschine hin geleiteter Teilstrom des Luftmassenstroms gedrosselt werden, so dass sich der Druck des abgezweigten Sekundärluftmassenstroms im Vergleich zu dem zur Brennkraftmaschine geleiteten Teilstrom erhöht. Bei angenommenem gleichbleibendem Abgasgegendruck kann dadurch vorteilhaft das Druckgefälle erhöht werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens sind ein Anheben des Druckgefälles mittels Drosseln des Abgasstroms und/oder ein Anheben des Druckgefälles mittels Drosseln des Abgasstroms mittels eines der Einmündungsstelle vorgeschalteten zweiten Drosselorgans vorgesehen. Vorteilhaft kann das zweite Drosselorgan in den Abgasstrom geschaltet werden und stromaufwärts den Abgasgegendruck der Brennkraftmaschine erhöhen. Vorteilhaft bewirkt dies stromabwärts eine Verringerung des Drucks des Abgasstroms und damit auch an der Einmündungsstelle einen verringerten Druck, was letztendlich eine Erhöhung des Druckgefälles zum sicheren Betrieb des Brenners bewirkt.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens sind ein Anheben des Druckgefälles mittels Ansteuern einer variablen Turbinengeometrie (VTG) einer Turbine eines Abgasturboladers der Druckluftquelle und/oder ein Anheben des Druckgefälles mittels Ansteuern einer variablen Kompressorgeometrie (VCG) eines Verdichters der Druckluftquelle vorgesehen. Vorteilhaft können mittels der variablen Geometrien eine Entspannungsdruckdifferenz der Turbine beziehungsweise eine Ladedruckerhöhung eingestellt werden. Vorteilhaft kann dies so erfolgen, dass dabei das Druckgefälle für einen sicheren Betrieb des Brenners angehoben wird.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist ein Anheben des Druckgefälles mittels Reduzieren einer Abgasrückführungsrate einer Hochdruckabgasrückführung des Abgasturboladers vorgesehen. Vorteilhaft kann mittels Reduzieren der Abgasrückführungsrate ein Abgasgegendruck stromaufwärts der Turbine des Abgasturboladers erhöht werden, wobei vorteilhaft eine größere Turbinenleistung erzielbar ist, die dem Verdichter des Abgasturboladers zur Verfügung steht. Vorteilhaft kann dadurch der Verdichter einen höheren Ladedruck und damit auch einen höheren Druck des Sekundärluftmassenstroms bereitstellen, was letztendlich eine Erhöhung des Druckgefälles bewirkt.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist ein Zuführen eines Teilstroms des Abgasstroms in den Brenner mittels Abzweigen des Teilstroms vor einer Turbine des Abgasturboladers vorgesehen. Vorteilhaft kann dadurch eine Temperatur der dem Brenner zur Verfügung stehenden Verbrennungsluft bewirkt werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist ein Anheben des Druckgefälles mittels Anheben einer Drehzahl eines mechanischen Laders der Druckluftquelle vorgesehen. Durch Anheben der Drehzahl beziehungsweise einer damit einhergehenden bereitstehenden erhöhten Verdichtungsleistung des Laders der Druckluftquelle kann der Ladedruck und damit das Druckgefälle angehoben werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist ein Anheben des Druckgefälles mittels zumindest einer der folgenden motorischen Maßnahmen der Brennkraftmaschine vorgesehen: Erhöhen einer Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine und/oder Erhöhen einer Temperatur des Abgasstroms vor der Turbine des Abgasturboladers und/oder Erhöhen der Temperatur mittels einer Nacheinspritzung. Vorteilhaft bewirkt ein Erhöhen der Temperatur des Abgasstroms eine höhere an der Turbine des Abgasturboladers anliegende Leistung und damit eine Erhöhung des Ladedrucks.
Eine günstige Weiterbildung sieht vor, dass im Brenner und/oder stromab des Brenners eine Flammstabilisierung erfolgen kann. Dazu kann eine geeignete Einrichtung dem Brenner nachgeschaltet sein, welche die Ausbildung einer lokal stabilen Flammenzone im Abgasstrang unterstützt, in der ein Teil des teilverbrannten Kraftstoffs direkt mit dem Restsauerstoff des Abgases reagieren kann. Zur Flammenstabilisierung können wahlweise Schaumstrukturen, Turbulenzbleche und/oder Mischer eingesetzt werden, die zur Unterstützung der Oxidation auch katalytisch beschichtet sein können.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist bei einer Brennkraftmaschine mit einem Abgassystem mit zumindest einer im Abgasstrang angeordneten zeitweise zu regenerierenden Abgasreinigungseinrichtung und zumindest einem stromauf der Abgasreinigungseinrichtung angeordneten Brenner, dem Kraftstoff zumindest zeitweise mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnisses λ zuführbar ist, vorgesehen, dass bei Betrieb des Brenners mit unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λ ein Teil der dem Brenner zugeführten Kraftstoffmenge in einer ersten zumindest den Brenner umfassenden Reaktionszone umsetzbar und ein zweiter Teil der besagten Kraftstoffmenge in einer stromab der ersten Reaktionszone liegenden zweiten Reaktionszone umsetzbar ist.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung kann die wenigstens zeitweise zu regenerierende Abgasreinigungseinrichtung ein Katalysator, insbesondere kann eine der Komponenten aus der Gruppe Partikelfilter, Oxidationskatalysator, Dreiwegekatalysator, SCR-Katalysator, NOx-Speicherkatalysator oder eine beliebige Kombination davon sein. Durch den unterstöchiometrischen Betrieb des Brenners kann eine erhöhte Wärmemenge in das Abgas eingebracht werden und die Edelmetallbeladung der katalytischen Beschichtung von Katalysatoren und/oder Partikelfiltern reduziert werden. Dabei kann z. B. die Abbrandtemperatur des Partikelfilters zur Filterregeneration genau eingestellt und geregelt werden. Dabei ergeben sich vorteilhaft ein ausgeglichenes Temperaturniveau unter Vermeidung von filterschädlichen Temperaturspitzen, ein besserer Gesamtwirkungsgrad, eine sichere, motorbetriebsunabhängige Filterregeneration sowie eine Verbrauchseinsparung.
Günstig ist eine Systemkonfiguration SCR-Katalysator-Brenner-Partikelfilter. Zur Erhöhung der Abgastemperatur vor und im Partikelfilter kann diesem ein Oxidationskatalysator vorgeschaltet sein, der eine gegenüber bislang üblichen Oxidationskatalysatoren reduzierte Edelmetallbeladung aufweist.
Eine zweckmäßige Ausgestaltung sieht vor, dass im Abgasstrom vor einer wenigstens zeitweise zu regenerierenden Abgasreinigungseinrichtung stromab des Brenners eine Einrichtung zur Flammstabilisierung angeordnet ist. Diese unterstützt die Ausbildung einer stabilen Flammenzone. Die Einrichtung zur Flammstabilisierung kann zweckmäßigerweise Schaumstrukturen, Turbulenzbleche und/oder Mischer aufweisen
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass eine Einrichtung zur Einstellung eines Verbrennungsluftverhältnisses des Brenners vorgesehen sein kann. Damit kann das Verbrennungsluftverhältnis genau und unabhängig von einer Heizleistung des Brenners eingestellt werden.
Es versteht sich, dass der eingesetzte Kraftstoff zum Betrieb des Brenners vorzugsweise der gleiche wie der zum Betrieb der Brennkraftmaschine verwendete ist, ggfs. aber auch von diesem verschieden sein kann, beispielsweise um eine leichtere Entflammbarkeit zu erreichen.
Die Aufgabe wird ferner mit einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Abgassystems einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit einer im Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordneten zumindest zeitweise zu regenerierenden Abgasreinigungseinrichtung und zumindest einem stromauf der Abgasreinigungseinrichtung angeordneten Brenner, dem Kraftstoff zur Regeneration der stromab des Brenners angeordneten Abgasreinigungseinrichtung zeitweise mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnisses λ zugeführt wird, wobei mit einem Kennfeld jeder Drehzahl der Brennkraftmaschine Mitteldrücke zu geordnet werden, wobei vorgesehen ist, dass während des Betriebs des Brenners mit unterstöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis λ für mindestens 30% des Kennfeldes in einem Bereich des Abgasstranges unmittelbar vor der Abgasreinigungseinrichtung eine Abgastemperatur von zumindest 500°C eingestellt wird. Dies erlaubt eine bedarfsgerechte Regeneration der Abgasreinigungseinrichtung im gesamten Kennfeldbereich.
Ferner kann vorgesehen sein, dass für mindestens 40%, 50%, 60%, 70%, 80% oder 90% des Kennfeldes in einem Bereich des Abgasstranges unmittelbar vor der Abgasreinigungseinrichtung eine Abgastemperatur von zumindest 500°C eingestellt wird. Als Bereich unmittelbar vor der Abgasreinigungseinrichtung wird ein Bereich von ca. 2–5 cm stromaufwärts vor einem Eingangsbereich der Abgaseinrichtung, beispielsweise einer Stirnseite eines Dieseloxidationskatalysators verstanden.
Die Aufgabe wird ferner mit einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Abgassystems einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit einer im Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordneten zumindest zeitweise zu regenerierenden Abgasreinigungseinrichtung und zumindest einem stromauf der Abgasreinigungseinrichtung angeordneten Brenner, dem Kraftstoff zur Regeneration der stromab des Brenners angeordneten Abgasreinigungseinrichtung zeitweise mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnisses λ zugeführt wird, wobei das Kraftfahrzeug in einem beliebigen Fahrzyklus betrieben wird, gelöst, bei dem vorgesehen ist, dass während des Betriebes des Brenners mit unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λ für mindestens 80% der zeitlichen Dauer des Fahrzyklus in einem Bereich des Abgasstranges unmittelbar vor der Reinigungseinrichtung einer Abgastemperatur von zumindest 500°C eingestellt wird. Vorzugsweise kann auch während Schub- und Leerlaufphasen der Brennkraftmaschine ein Regenerationsbetrieb aufrecht erhalten werden.
Bevorzugt ist, dass der Fahrzyklus der neue europäische Fahrzyklus, der FTP75, ein beliebiger Stadtzyklus oder ein Autobahnzyklus von zumindest 500 sek. zeitlicher Dauer ist.
Ferner wird die Aufgabe mit einer Brennkraftmaschine mit einem Abgassystem mit einer im Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordneten oder anzuordnenden zeitweise zu regenerierenden Abgasreinigungseinrichtung und zumindest einem stromauf der Abgasreinigungseinrichtung angeordneten Brenner, dem Kraftstoff zur Regeneration der stromab des Brenners angeordneten Abgasreinigungseinrichtung zeitweise mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnisses λ zuführbar ist, gelöst, bei dem die zeitweise zu regenerierende Abgasreinigungseinrichtung eine Edelmetallbeladung von weniger als 100 g/ft³ aufweist. Die geringe Edelmetallbeladung spart Kosten.
Bevorzugt umfasst die zumindest zeitweise zu regenerierende Abgasreinigungseinrichtung einen Dieselpartikelfilter und optional einen stromauf des Dieselpartikelfilters angeordneten Dieseloxidationskatalysator.
Eine besonders hohe Kostenersparnis wird erreicht, wenn der Dieselpartikelfilter eine Edelmetallbeladung von weniger als 30 g/ft³ aufweist.
Wenn der Dieselpartikelfilter ein Volumen von weniger als 1 Liter aufweist, kann damit die Regenerationszeit reduziert werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben, aus denen sich auch unabhängig von der Zusammenfassung in den Patentansprüchen weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben.
Es zeigen in schematischer Darstellung
1 eine bevorzugte Brennkraftmaschine mit einem unterstöchiometrisch betriebenen Brenner
2 einen bevorzugten Brenner
3 eine grafische Darstellung der Leistung in der ersten und zweiten Reaktionszone jeweils erzeugten Leistung in Abhängigkeit von einem Leistungsbedarf zur Regeneration eines Dieselpartikelfilters
4 ein Drehzahl-Mitteldruckkennfeld mit Brenner-Heizleistung zum Erreichen einer Abgastemperatur vor einem Dieselpartikelfilter von 600°C
5 Temperaturverläufe vor und nach einem Brenner im NEFZ
6 Temperaturverläufe vor und nach einem Brenner im FTP75.
Zur Erläuterung der Erfindung zeigt die 1 beispielhaft eine bevorzugte Brennkraftmaschine 10 mit einem Abgasstrang 50 und einem Abgassystem 100. Die Brennkraftmaschine ist mit einer Druckluftquelle zum Erzeugen eines Luftmassenstroms, vorzugsweise zum Versorgen der Brennkraftmaschine 10 mit Verbrennungsluft, ausgestattet. In 1 ist gezeigt, dass über ein Saugrohr 12 die Brennkraftmaschine 10 mit Luft versorgt wird, die mittels eines mit einer Turbine 38 angetriebenen Verdichters 36 (Druckluftquelle) eines Abgasturboladers 40 verdichtet wird. Mit einer Leitschaufelverstellung 28 kann die Verdichtung der Turbine 38 verändert werden. Die Brennkraftmaschine 10 kann eine Abgasrückführung (AGR) aufweisen mit einem AGR-Ventil 16 und einer Abgas-Rückführleitung, in der ein AGR-Kühler 24 angeordnet ist. Das Abgas gelangt über einen Abgaskrümmer 26 zur Turbine 38 und in den Abgasstrang 50 bzw. wird im Abgaskrümmer 26 in die Abgasrückführung abgezweigt.
Die über einen Ladeluftkühler 20 abgekühlte Luft gelangt über eine Drosselklappe 18 in einen Einlasssammler 14, in den auch das rückgeführte Abgas mündet. Der Ladedruck der Luft wird mit einem Ladeluftsensor 22 detektiert.
Frischluft gelang über einen Luftfilter 32 und einen Frischluftmassensensor 34 zum Verdichter 36 und von dort über eine Frischluftleitung 30 zum Ladeluftkühler 20. Ein Steuerventil 42 steuert die Luftzufuhr über die Frischluftleitung.
Im Abgasstrang 50 ist stromab des Abgasturboladers 40 optional ein erster, z. B. als Oxidationskatalysator ausgebildeter Katalysator 52 angeordnet, auf den stromab in Strömungsrichtung 60 im Abgasstrom eine motorfern angeordnete Abgasreinigungseinrichtung folgt, die z. B. ein Partikelfilter, insbesondere Dieselpartikelfilter 58 sein kann. Vorzugsweise weist der Partikelfilter 58 auch eine katalytische Komponente auf. Vor dem Partikelfilter 58 kann als weitere Abgasreinigungseinrichtung optional ein (Diesel)-Oxidationskatalysator 59 angeordnet sein.
Die stromab angeordnete Abgasreinigungseinrichtung ist wenigstens zeitweise zu regenerieren. Stromauf der Abgasreinigungseinrichtung und stromab des optionalen Katalysators 52 ist ein Brenner 54 angeordnet, der ihm zugeführten Kraftstoff zur Regeneration der Abgasreinigungseinrichtung vorzugsweise unterstöchiometrisch verbrennt. Der Brenner kann, beispielsweise über ein Abzweigen eines Sekundärluftmassenstroms an einer Abzweigstelle der Frischluftleitung stromabwärts der Druckluftquelle mit Luft über eine nicht dargestellte Sekundärluftleitung 30 versorgt werden.
Der Abstand zwischen Brenner 54 und einem Eingangsbereich der Abgangsreinigungseinrichtung, beispielsweise der Stirnseite des Partikelfilters 58 oder gegebenenfalls des Dieseloxidationskatalysators 59 beträgt vorzugsweise höchstens 50 cm, 40 cm, 20 cm oder 10 cm. Allerdings sind auch größere Abstände möglich.
Der Kraftstoffumsatz in Strömungsrichtung 60 des Abgasstroms ist in eine erste Reaktionszone 62 und eine zweite Reaktionszone 64 aufgeteilt. Optional kann auch Kraftstoff in einer weiteren Reaktionszone 66, beispielsweise im wenigstens zeitweise zu regenerierenden Partikelfilter 58 umgesetzt werden. Vorzugsweise kann die Aufteilung des Kraftstoffumsatzes in den Reaktionszonen 62, 64, und ggfs. 66 gezielt durch die Einstellung des Verbrennungsluftverhältnisses λ im Brenner 54 eingestellt werden.
Die erste Reaktionszone 62 umfasst den Brenner 54 sowie vorzugsweise ein unmittelbar stromab des Brenners angeordnetes Teilstück des Abgasstrangs 50 in dem eine freie Verbrennung des Kraftstoffes erfolgt kann. Die zweite Reaktionszone 64 kann eine Komponente des Abgasreinigungseinrichtung, wie beispielsweise zumindest einen Teil des Oxidationskatalysator 59 umfassen. Die zweite Reaktionszone kann beispielsweise auch ein weiteres, stromab des Oxidationskatalysators 59 angeordnetes Teilstück des Abgasstrangs 50 umfassen. Falls der Dieseloxidationskatalysator 59 fehlt, kann die zweite Reaktionszone auch den Dieselpartikelfilter 58 umfassen. Falls zwischen Brenner 54 und der Abgasreinigungseinrichtung ein längerer Abschnitt Abgasstrang 50 liegt, kann die zweite Reaktionszone auch ein Teilstück des Abgasstrangs 50 umfassen.
Vorteilhaft weist die zeitweise zu regenerierende Abgasreinigungseinrichtung eine Edelmetallbeladung von weniger als 100 g/ft³ auf. Der Dieselpartikelfilter 58 kann bei einen stromauf vor ihm angeordneten Dieseloxidationskatalysator 59 zwischen 50 g/ft³ und 100 g/ft³ sogar eine Edelmetallbeladung von weniger als 30 g/ft³, besonders bevorzugt auch von weniger als 20 g/ft³ aufweisen. Der Dieselpartikelfilter 58 kann ein Volumen von weniger als 1 Liter aufweisen.
Das Volumenverhältnis Brenner/Hubvolumen der Brennkraftmaschine liegt vorzugsweise zwischen 1:5 und 1:15.
Vorteilhaft kann auch der Brenner 54 neben einer Regeneration des Partikelfilters 58 zur Temperaturführung des gesamten Abgassystems des Kraftfahrzeuges, als sogenanntes Abgastemperaturmanagement genutzt werden. Hierzu kann der Brenner 54 an einer beliebigen Stelle des Abgasstrangs 50 angeordnet werden. Vorteilhaft kann auch für einen solchen Einsatz des Brenners 54 ein dafür notwendiger Kraftstoffeinsatz für das Abgastemperaturmanagement und/oder die Regeneration des Partikelfilters 58 reduziert werden
Zur Erläuterung der Erfindung zeigt die 2 beispielhaft ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Brenners 54 mit einem Brennergehäuse 201 in einer Aufsichts- und Querschnittsdarstellung.
Der Brenner weist vorzugsweise eine Einspritzvorrichtung 203 für den Kraftstoff und eine Mischkammer 202 zur Mischung von Kraftstoff und Luft oder Abgas auf.
Der über die Einspritzvorrichtung 203 in den Brenner 54 eingebrachte Kraftstoff gelangt in die, vorzugsweise außerhalb des Abgasstrangs 50 platzierte Misch- und Brennkammer 202 des Brenners 54 und wird mit der dem Brenner zugeführten Luft (oder einem Abgasteilstrom) derart gemischt, dass ein brennfähiges Gas in der Kammer 202 erzeugt wird. Vorzugsweise kann dies durch eine tangentiale Einströmung 205 der Luft in die Kammer 202 erreicht werden. Die Aktivierungsenergie zur Zündung des brennfähigen Gemisches kann über eine geeignete in der Mischkammer angeordnete Zündvorrichtung (oder Glühvorrichtung) 204 erzeugt werden.
Der Brenner 54 wird mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λ = 0,1 bis 0,95, vorzugsweise λ = 0,25 bis 0,9, besonders bevorzugt λ = 0,35 bis 0,75 betrieben. Das Verbrennungsluftverhältnis λ wird vorzugsweise durch eine Sauerstoffsteuerung des Brenners 54 eingestellt. Dazu ist eine entsprechende Einheit zum Regeln und/oder Steuern des Verbrennungsluftverhältnisses λ vorgesehen (nicht dargestellt). Die Einspritzmenge an Kraftstoff oder der Kraftstoffmassenstrom und/oder die Sekundärluftmasse oder der Sekundärluftmassenstrom können jeweils durch ein (nicht dargestelltes) Regelorgan, beispielsweise ein Ventil eingestellt werden.
Abhängig von der geforderten Brennerleistung wird der eingebrachte Kraftstoff vollständig oder nur zum Teil im Brenner, ggf. in der Mischkammer thermisch umgesetzt. Während eines vorgegebenen Zeitintervalls von mehr als 100 sec wird mindestens 10%, vorzugsweise 20%, besonders bevorzugt 20% der dem Brenner 54 zugeführten Kraftstoffmenge in einer oder mehreren Komponenten der stromab angeordneten Abgasreinigungseinrichtung umgesetzt.
Bei höherer Leistungsanforderung zur Regeneration gelangt also gezielt ein höherer Anteil unverbrannten Kraftstoffs in den Abgashauptstrom und wird erst dort und insbesondere in der stromab angeordneten Abgasreinigungseinrichtung oxidiert.
Die Einspritzmenge an Kraftstoff oder der Kraftstoffmassenstrom in den Brenner 54 und/oder die Sekundärluftmasse oder der Sekundärluftmassenstrom können jeweils durch ein nicht dargestelltes Ventil eingestellt werden.
Der Betrieb des Brenners 54 durch Abgas verringert die für einen gewünschten Temperaturhub erforderliche Kraftstoffmenge, da die Brennerluft bereits erwärmt ist.
Die aufzuwendende Kraftstoffmasse pro Zeiteinheit ṁ_krs für einen gewünschten Temperaturhub bei Betrieb des Brenners ausschließlich mit Abgas genügt der Ungleichung:
mit: einem Faktor F 1 ≤ F < 1,1
Der Faktor F beinhaltet auftretende Verluste durch Wärmeverluste an die Umgebung (Strahlung und Konvektion), unvollständigen Umsatz des Kraftstoffs und Abkühlung des Abgasmassenstroms für den Betrieb des Brenners. Hierbei bezeichnet ṁ_Abg den Abgasmassenstrom, c_p,Abgas die spezifische Wärmekapazität des Abgases bei konstantem Druck, ϑ_soll die Solltemperatur, ϑ_vorBrenner die Ist-Temperatur vor dem Brenner, ṁ_SL den Sekundärluftmassenstrom, c_p,SI die spezifische Wärmekapazität der Sekundärluft bei konstantem Druck, ϑ_SL die Temperatur der Sekundärluft und den H_u den unteren Heizwert des Kraftstoffs (42 MJoul/kg) und der Ausdruck rechts der Ungleichung die aufzuwendende Kraftstoffmasse pro Zeiteinheit bei Betrieb des Brenners ausschließlich mit Frischluft entspricht. Bei Betrieb des Brenners ausschließlich mit Abgas kann daher ein Verbrauchsvorteil von ca. 10% an Kraftstoff gegenüber einem Betrieb mit Frischluft erreicht werden. Vorteilhaft kann der Brenner daher so betrieben werden, dass der für einen gewünschten Temperaturhub eingespritzte Kraftstoff durch einen Faktor F, mit 1 ≤ F ≤ 1 limitiert wird relativ zu der Kraftstoffmasse pro Zeiteinheit, die bei einem reinen Frischluftbetrieb erforderlich wäre.
Volumen und Edelmetallbeschichtung und somit die Kosten der Abgaseinrichtung, beispielsweise eines stromauf eines Partikelfilter 58 angeordneten Oxidationskatalysators 59, können weiter verringert werden, wenn es gelingt den überwiegenden Anteil des Kraftstoffes im Abgasstrang frei zu verbrennen. Hierzu werden vorzugsweise die Flamme im Abgasrohr stabilisiert und Flammenverlöschungen verhindert.
Zweck einer Flammenstabilisierung einer stationär brennenden Flamme ist die kontinuierliche Zündung eines brennbaren Gemisches, welches sich in einer ruhenden Umgebung oder in einer Strömung befindet. Vorraussetzung für eine stabile Flamme ist, neben dem Vorhandensein eines zündfähigen Gemisches, ein Geschwindigkeitsgleichgewicht zwischen der Flammengeschwindigkeit und der Strömungsgeschwindigkeit
In Strömungsrichtung 60 des Abgasstroms stromab des Brenners 54 und stromauf der wenigstens zeitweise zu regenerierenden Abgasreinigungseinrichtung ist daher optional eine Einrichtung 56 zur Flammstabilisierung (Flammhalter) angeordnet. Ferner ist optional im Brenner 54 eine Einrichtung 206 zur Flammstabilisierung angeordnet.
Für den Fall des unterstöchiometrisch betriebenen Brenners ist einerseits ein Geschwindigkeitsgleichgewicht zwischen Flammengeschwindigkeit und strömendem Abgas und andererseits zwischen Flammengeschwindigkeit und Geschwindigkeit des aus dem Brenner austretenden Brenngases (teilverbranntes Kraftstoff-Luftgemisch) sicherzustellen.
Übliche Maßnahmen zur Flammenstabilisierung von Brennern sind Staukörperstabilisierung, Drallstabilisierung und Wärmesenken bzw. Wärmespeicher. Dabei wird ein Geschwindigkeitsgleichgewichts der Brennerflamme mit der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases angestrebt.
Exemplarische Beispiele für Flammstabilisierungen sind als Schaumkeramik, Metallgeflecht oder -Gewebe, Lochblech oder Metallschaum ausgebildete Flammhalter.
3 zeigt am Beispiel der Regeneration eines Dieselpartikelfilters eine Aufteilung der erzeugten Leistung auf die erste und zweite Reaktionszone, wobei die erste Reaktionszone den Brenner und ein Teilstück des Abgasstrangs und die zweite Reaktionszone einen vor dem Dieselpartikelfilter im Abgasstrom angeordneten Oxidationskatalysator umfasst. Hierbei ist die Kurve der in der ersten Reaktionszone erzeugten Leistung als L1, die Kurve der in der zweiten Reaktionszone erzeugten Leistung als L2 sowie der Leistungsbedarf als L3 bezeichnet. Die in der ersten Reaktionszone erzeugte Leistung L1 und/oder die in der zweiten Reaktionszone erzeugte Leistung L2 wird in Abhängigkeit von dem Leistungsbedarf LR zur Regeneration der Abgasreinigungseinrichtung eingestellt. Zweckmäßig wird das Verhältnis von Leistung L1 zur Leistung L2 in Abhängigkeit von dem Leistungsbedarf LR variiert. Bevorzugt wächst mit dem Leistungsbedarf LR die Leistung L1 degressiv (langsamer als linear) und/oder wächst die Leistung L2 progressiv (schneller als linear).
Im folgenden soll die Aufheizphase des Brennerbetriebs eingehender beschrieben werden, wobei der Brenner 54 vorzugsweise vor einem stromab folgenden Diesel-Oxidationskatalysator 59 angeordnet ist.
Beim Startvorgang des Brenners 54 werden grundsätzlich 2 Startszenarien unterschieden. Abhängig von der Temperatur des stromab folgenden Oxidationskatalysators 59 wird der Brenner 54 überstöchiometrisch gestartet, wenn der Oxidationskatalysator 59 seine Anspringtemperatur (Light-off Temperatur) noch nicht erreicht hat. Oberhalb der Anspringtemperatur erfolgt der Brennerbetrieb mit leicht unterstöchiometrischen Luftverhältnis. Unterhalb der Anspringtemperatur erfolgt die Startphase für kurze Zeit überstöchiometrisch um Emissionen zu minimieren.
In beiden Fällen erfolgt der Übergang nach der Startphase in den unterstöchiometrischen Fettbetrieb mit einer zeitlichen Rampe.
Unterhalb der Anspringtemperatur, in einem Bereich von 200°C–250°C, erfolgt der Brennerstart mit leicht überstöchiometrischem Luftverhältnis λ, im Bereich von 1,05–1.5 vorzugsweise 1,1–1,2.
Nach Ablauf des Startintervalls t0–t1 erfolgt die Übergangsphase bis hin zur Betriebsbelastung des Brenners. Das Zeitintervall t0–t1 beträgt hierbei 3–20 Sekunden vorzugsweise 5–10 Sekunden. Die Startphase mit konstanter kleiner Brennerleistung ist notwendig, um in der Brennkammer 203 stabile, sichere Entflammungsbedingungen für den darauffolgenden Fettbetrieb zu gewährleisten. Die in der Startphase konstante Brennerleistung beträgt 2–8 KW vorzugsweise 3–5 KW.
Die Betriebsbelastung des Brenners 54 erfolgt bei stark unterstöchiometrischer Gemischzusammensetzung im Brenner. Die Betriebsbelastung erfolgt bei λ im Bereich 0,3–0,8 vorzugsweise 0,35–0,5. Die Betriebsbelastung des Brenners 54 kann bis zu 60 KW betragen.
Der Übergang nach der Startphase in den unterstöchiometrischen Brennerbetrieb mit geregelter Sollleistung erfolgt vorzugsweise über eine zeitliche Rampe, um Flammverlöschungen zu verhindern.
Erfolgt der Brennerstart beim Kaltstart des Motors, um die Abgasanlage bis hin zum Katalysator-Light-Off zu erwärmen ist die Übergangsphase recht kurz 1–5 Sekunden. Erfolgt der Brennerstart bei betriebswarmer Abgasanlage, um einen Partikelfilter zu regenerieren beträgt die Übergangsphase 10–60 Sekunden.
Erfolgt der Brennerstart bei betriebswarmer Abgasanlage, um einen Speicherkatalysator zu regenerieren beträgt die Übergangsphase 1–10 Sekunden.
Oberhalb der Anspringtemperatur von 250°C erfolgt der Brennerstart mit unterstöchiometrischem Luftverhältnis λ in einem Bereich von 0,4–0,9 vorzugsweise 0,6–0,8.
Nach Ablauf des Startintervalls t0–t1 erfolgt die Übergangsphase bis hin zur Betriebsbelastung des Brenners. Das Zeitintervall t0–t1 beträgt hierbei 3–20 Sekunden vorzugsweise 5–10 Sekunden. Die Startphase mit konstanter kleiner Brennerleistung ist notwendig, um in der Brennkammer 203 stabile, sichere Entflammungsbedingungen für den darauffolgenden Fettbetrieb zu gewährleisten. Die in der Startphase konstante Brennerleistung beträgt 2–8 KW vorzugsweise 3–5 KW.
Die Betriebsbelastung des Brenners 54 erfolgt dann bei stark unterstöchiometrischer Gemischzusammensetzung im Brenner 54. Die Betriebsbelastung erfolgt bei λ im Bereich 0,3–0,8 vorzugsweise 0,35–0,5. Die Betriebsbelastung des Brenners kann bis zu 60 KW betragen.
Der Übergang nach der Startphase in den unterstöchiometrischen Brennerbetrieb mit geregelter Sollleistung erfolgt über eine zeitliche Rampe, um Flammverlöschungen beim Hochfahren des Brenners 54 zu verhindern.
In 4 ist als Beispiel für ein Drehzahl-Mitteldruck-Kennfeld einer Brennkraftmaschine mit 3 l Hubraum der Leistungsbedarf eines Brenners dargestellt, mit der der Motorabgasmassenstrom vor einem Dieselpartikelfilter auf eine für eine Regeneration bevorzugte Temperatur von 600°C aufgeheizt wurde. Die erforderliche Brennerleistung für eine Drehzahl-Mitteldruck Wert ist in Einheiten kW jeweils an der durch den entsprechend Punkt des Kennfeldes laufenden Konturlinie angegeben. Es versteht sich dabei, dass ein Russabbrand in einem Dieselpartikelfilter bereits bei geringeren Temperaturen ab 500°C erreichbar ist. Dabei beträgt der Sekundärluftmassenstrom der Brennerluft max. ca. 10% des Motorabgasmassenstromes. Erkennbar ist, dass auch in Betriebsbereichen mit geringer Motorlast eine für eine Regeneration ausreichend Temperatur des Abgasmassenstroms erreicht wird.
Erfindungsgemäß wird durch eine bedarfsgerechte, dynamische Zufuhr der dem Brenner zugeführten Kraftstoffmenge eine fahrzyklusunabhängige Einstellung der Temperatur in der Abgasanlage stromabwärts des Brenners erreicht. Damit kann bei beliebigen Fahrzyklen, auch während Schub- und Leerlaufphasen des Motors ein Regenerationsbetrieb aufrecht erhalten werden. Vorzugsweise hat ein derartiger Fahrzyklus mindestens 200 sec, 300 sec, 400 sec oder 500 sec zeitliche Länge.
Insbesondere kann bei einem genormten Fahrzyklus zur Ermittlung von Verbrauchs- und/oder Emissionswerten, beispielsweise bekannt unter den Bezeichnungen „NEFZ” (Neuer Europäischer Fahrzyklus), „US75” oder „US06” die Temperatur stromabwärts des Benners für ein Zeitintervall von zumindest auf einen Wert von mindestens 500°C, vorzugsweise mehr als 600°C eingestellt werden.
In den EU-Ländern wird gemäß der EU-Richtlinie 91/441/EWG von dem Neuen Europäischen Fahrzyklus NEFZ ein Geschwindigkeitsprofil vorgegeben, dass einem typischen Stadt- und Überlandverkehr entspricht. Ein Test entsprechend dem NEFZ hat eine Gesamtdauer von 1.180 s, wobei die zurückgelegte Fahrstrecke 11,007 km beträgt. Ein weiterer wichtiger Fahrzyklus ist der US-Zyklus FTP75, der eine reale Fahrt abbildet.
In den 5 und 6 sind zeitliche Temperaturverläufe vor und nach einem erfindungsgemäßen Brenner (als T Abg vor bzw. T Abg nach Brenner bezeichnet) im NEFZ und im US-Fahrzyklus FTP75 für einen Brennerstatus „ein” sowie „aus” dargestellt. Im jeweils unteren Teil der 5 und 6 ist die momentane Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs veranschaulicht. Ersichtlich ergibt sich ein ausgeglichenes Temperaturniveau ohne dynamische Temperaturspitzen, und damit ein besserer Gesamtwirkungsgrad, eine sichere, von einem Betrieb der Brennkraftmaschine 10 unabhängige Filterregeneration und/oder eine Verbrauchseinsparung.

10: Brennkraftmaschine
12: Saugrohr
14: Einlasssammler
16: AGR-Ventil
18: Drosselklappe
20: Ladeluftkühler
22: Ladedrucksensor
24: AGR-Kühler
26: Abgaskrümmer
28: Leitschaufelverstellung
30: Frischluftleitung
32: Luftfilter
34: Frischluftmassensensor
36: Verdichter
38: Turbine
40: Abgasturbolader
50: Abgasstrang
52: Katalysator (optional)
54: Brenner
56: Einrichtung zur Flammenstabilisierung (optional) zu regenerierender Abgasreinigungseinrichtung
59: Oxidationskatalysator
60: Strömungsrichtung
62: erste Reaktionszone
64: zweite Reaktionszone
66: dritte Reaktionszone
201: Brennergehäuse
202: Mischkammer
203: Einspritzventil
204: Zündvorrichtung
205: Luftzufuhr
206: Flammstabilisierung
207: Flammstabilisierung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 4443133 A1 [0009]
- DE 3837472 A1 [0010]
- DE 102006009943 A1 [0011]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- EU-Richtlinie 91/441/EWG [0099]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Abgassystems (100) einer Brennkraftmaschine (10) eines Kraftfahrzeugs mit einer im Abgasstrang (50) der Brennkraftmaschine (10) angeordneten zumindest zeitweise zu temperierenden oder regenerierenden Abgasreinigungseinrichtung und zumindest einem stromauf der Abgasreinigungseinrichtung angeordneten Brenner (54), dem Kraftstoff zur Regeneration der stromab des Brenners (54) angeordneten Abgasreinigungseinrichtung zeitweise mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnisses λ zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass während des Betriebes des Brenners (54) mit unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λ ein Teil der dem Brenner (54) zugeführten Kraftstoffmenge in einer ersten zumindest den Brenner (54) umfassenden Reaktionszone umgesetzt wird und ein zweiter Teil der besagten Kraftstoffmenge in einer stromab der ersten Reaktionszone liegenden zweiten Reaktionszone umgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in der ersten Reaktionszone erzeugte Leistung L1 und/oder die in der zweiten Reaktionszone erzeugte Leistung L2 in Abhängigkeit von einem Leistungsbedarf LR zur Regeneration der Abgasreinigungseinrichtung eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Leistung L1 zur Leistung L2 in Abhängigkeit von dem Leistungsbedarf LR variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Leistungsbedarf LR die Leistung L1 degressiv wächst und/oder dass die Leistung L2 progressiv wächst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zeitweise zu regenerierende Abgasreinigungseinrichtung und eine ggf. stromauf des Brenners angeordnete Abgasreinigungseinrichtung (52) zumindest eines der Mitglieder aus der Gruppe Partikelfilter, Oxidationskatalysator, Dreiwegekatalysator, SCR-Katalysator, NOx-Speicherkatalysator umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zeitweise zu regenerierende Abgasreinigungseinrichtung einen Dieselpartikelfilter (58) und die zweite Reaktionszone einen stromab des Brenners und stromauf des Dieselpartikelfilters (58) angeordneten Diesel-Oxidationkatalysator (59) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (54) mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ von 0,1 bis 0,95, vorzugsweise 0,25 bis 0,9, besonders bevorzugt 0,35 bis 0,75 betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbrennungsluftverhältnis λ durch eine Sekundärluftregelung Brenners (54) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein jeweiliges Temperaturniveau einer oder mehrerer Abgasreinigungseinrichtigungen (52) stromauf des Brenners (54) abhängig von dem Verbrennungsluftverhältnis (λ) des Brenners (54) eingestellt wird.
Brennkraftmaschine mit einem Abgassystem mit einer im Abgasstrang (50) der Brennkraftmaschine angeordneten oder anzuordnenden zeitweise zu regenerierenden Abgasreinigungseinrichtung und zumindest einem stromauf der Abgasreinigungseinrichtung angeordneten Brenner, dem Kraftstoff zur Regeneration der stromab des Brenners (54) angeordneten Abgasreinigungseinrichtung zeitweise mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnisses λ zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgassystem derart ausgelegt ist, dass bei Betrieb des Brenners (54) mit unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λ ein Teil der dem Brenner (54) zugeführten Kraftstoffmenge in einer ersten zumindest den Brenner (54) umfassenden Reaktionszone umsetzbar und ein zweiter Teil der besagten Kraftstoffmenge in einer stromab der ersten Reaktionszone liegenden zweiten Reaktionszone umsetzbar ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zeitweise zu regenerierende Abgasreinigungseinrichtung und eine ggf. stromauf des Brenners angeordnete Abgasreinigungseinrichtung (52) zumindest eines der Mitglieder aus der Gruppe Partikelfilter, Oxidationskatalysator, Dreiwegekatalysator, SCR-Katalysator, NOx-Speicherkatalysator umfasst.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zeitweise zu regenerierende Abgasreinigungseinrichtung einen Dieselpartikelfilter (58) und die zweite Reaktionszone einen stromab des Brenners und stromauf des Dieselpartikelfilters (58) angeordneten Diesel-Oxidationskatalysator (59) umfasst.
Verfahren zum Betreiben eines Abgassystems (100) einer Brennkraftmaschine (10) eines Kraftfahrzeugs mit einer im Abgasstrang (50) der Brennkraftmaschine (10) angeordneten zumindest zeitweise zu regenerierenden Abgasreinigungseinrichtung und zumindest einem stromauf der Abgasreinigungseinrichtung angeordneten Brenner, dem Kraftstoff zur Regeneration der stromab des Brenners (54) angeordneten Abgasreinigungseinrichtung zeitweise mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnisses λ zugeführt wird, wobei mit einem Kennfeld jeder Drehzahl der Brennkraftmaschine (10) Mitteldrücke zu geordnet werden, dadurch gekennzeichnet, dass während des Betriebs des Brenners (45) mit unterstöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis λ für mindestens 30% des Kennfeldes in einem Bereich des Abgasstranges (50) unmittelbar vor der Abgasreinigungseinrichtung eine Abgastemperatur von zumindest 500°C eingestellt wird.
Verfahren zum Betreiben eines Abgassystems einer Brennkraftmaschine (10) eines Kraftfahrzeugs mit einer im Abgasstrang (50) der Brennkraftmaschine (10) angeordneten zumindest zeitweise zu regenerierenden Abgasreinigungseinrichtung und zumindest einem stromauf der Abgasreinigungseinrichtung angeordneten Brenner, dem Kraftstoff zur Regeneration der stromab des Brenners (54) angeordneten Abgasreinigungseinrichtung zeitweise mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnisses λ zugeführt wird, wobei das Kraftfahrzeug in einem beliebigen Fahrzyklus mit einer zeitlichen Dauer von mehr als 500 Sekunden betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass während des Betriebes des Brenners (54) mit unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λ für mindestens 80% der zeitlichen Dauer des Fahrzyklus in einem Bereich des Abgasstranges (50) unmittelbar vor der Abgasreinigungseinrichtung eine Abgastemperatur von zumindest 500°C eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Fahrzyklus der neue europäische Fahrzyklus, der FTP75, ein beliebiger Stadtzyklus oder ein Autobahnzyklus ist.
Brennkraftmaschine mit einem Abgassystem mit einer im Abgasstrang (50) der Brennkraftmaschine angeordneten oder anzuordnenden zeitweise zu regenerierenden Abgasreinigungseinrichtung und zumindest einem stromauf der Abgasreinigungseinrichtung angeordneten Brenner, dem Kraftstoff zur Regeneration der stromab des Brenners (54) angeordneten Abgasreinigungseinrichtung zeitweise mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnisses λ zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitweise zu regenerierende Abgasreinigungseinrichtung eine Edelmetallbeladung von weniger als 100 g/ft³ aufweist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zeitweise zu regenerierende Abgasreinigungseinrichtung einen Dieselpartikelfilter (58) und optional einen stromauf des Dieselpartikelfilters (58) angeordneten Dieseloxidationskatalysator (59) umfasst.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Dieselpartikelfilter eine Edelmetallbeladung von weniger als 30 g/ft³ aufweist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Dieselpartikelfilter ein Volumen von weniger als 1 Liter aufweist.