DE102009036741A1

DE102009036741A1 - Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102009036741A1
Application number: DE102009036741A
Authority: DE
Inventors: Heiko Dipl.-Ing. Beil; Andreas Dr. Ing. Hertzberg
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2009-08-08
Filing date: 2009-08-08
Publication date: 2011-02-10
Also published as: WO2011018134A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine (10) für einen Kraftwagen, insbesondere einen Personenkraftwagen, mit einem Abgastrakt (12), in welchem zumindest eine mit einem Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) durchströmbare Turbine (14) eines Abgasturboladers (16) und stromab der Turbine (14) ein erstes Filterelement (34), insbesondere ein Partikelfilter (34), zur Filterung des Abgases angeordnet ist, und mit einem Ansaugtrakt (21), in welchem Abgas von einer Entnahmestelle (45) des Abgastrakts (12) rückführbar ist, wobei stromab des ersten Filterelements (34) zumindest ein weiteres Filterelement (50, 50', 50", 50"', 50"", 50""', 50""", 50"""', 50"""", 50""""') vorgesehen ist, mittels welchem das rückzuführende Abgas filterbar ist, wobei zumindest ein weiteres Filterelement (50, 50', 50", 50"', 50"", 50""', 50""", 50"""', 50"""", 50""""') stromauf der Entnahmestelle (45) in dem Abgastrakt (12) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Eine mögliche Technologie zur Emissionsminimierung von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere von Dieselmotoren, ist ein Einsatz einer Niederdruck-Abgasrückführung. Dabei wird stromab eines Partikelfilters in einem Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine durch diesen Partikelfilter gereinigtes Abgas entnommen und stromauf, insbesondere unmittelbar vor einen Verdichter der aufgeladenen Verbrennungskraftmaschine zurückgeführt. Hierbei besteht die Gefahr, dass durch dieses Rückführen Partikel, wie beispielsweise Keramik- und/oder Metallteilchen, aus dem Partikelfilter oder anderen Komponenten des Abgastrakts Komponenten der Niederdruck-Abgasrückführung, den Verdichter oder anderweitige Bauteile stromab einer Einleitungsstelle des rückgeführten Abgases mechanisch schädigen. Bei den besagten Partikeln kann es sich dabei beispielsweise auch um von einem Herstellprozess zurückgebliebene Teilchen handeln.
Die DE 10 2006 038 706 A1 offenbart eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine mit einer Niederdruck-Abgasrückführung, welche eine Niederdruck-Abgasrückführungsleitung umfasst, in welcher ein Partikelfilter angeordnet ist.
Der Nachteil dieser Brennkraftmaschine besteht darin, dass in dem Partikelfilter der Abgasrückführungsleitung eine ungewollte Akkumulation von Partikeln, insbesondere Rußpartikeln erfolgen kann, welche durch einen stromauf angeordneten Partikelfilter der Brennkraftmaschine nicht zurückgehalten werden konnten. Dies würde zu einem starken Druckabfall am Partikelfilter der Abgasrückführungsleitung und damit zu einem Ausfall der Niederdruck-Abgasrückführung führen. Ein Abbrand der akkumulierten Partikel während einer Regeneration eines ersten Partikelfilters in einem Abgastrakt ist nicht möglich, da durch die Positionierung des Partikelfilters in der Abgasrückführungsleitung nicht die erforderliche Temperatur für den Partikelabbrand erreicht werden kann.
Typischerweise sind Leitungsquerschnitte der Niederdruck-Abgasrückführung deutlich kleiner als die einer Abgasanlage der Brennkraftmaschine, in welcher der erste Partikelfilter angeordnet ist, insbesondere im Bereich des ersten Partikelfilters. Daher muss der Partikelfilter der Abgasrückführungsleitung relativ klein ausgeführt werden. Dies führt bei hohen Abgasrückführ-Raten zu entsprechenden Druckverlusten.
Generell führt ein kleiner Partikelfilter in der Abgasrückführungsleitung zu einem Anstieg eines Strömungswiderstandes, so dass ein effektives Spülgefälle abnimmt und bei gleichem Differenzdruck zwischen Entnahmestelle nach dem Partikelfilter der Abgasanlage und Einleitungsstelle vor einem Verdichter der Brennkraftmaschine nur eine geringe Rückführrate erreichbar ist.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbrennungskraftmaschine der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass eine Schädigung von Bauteilen in besonders vorteilhafter Weise vermieden ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Eine erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen, insbesondere einen Personenkraftwagen, mit einem Abgastrakt, in welchem zumindest eine mit einem Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbare Turbine eines Abgasturboladers und stromab der Turbine ein erstes Filterelement, insbesondere ein Partikelfilter, zur Filterung des Abgases angeordnet ist, und mit einem Ansaugtrakt, in welchen Abgas von einer Entnahmestelle des Abgastrakts rückführbar ist, wobei stromab des ersten Filterelements zumindest ein weiteres Filterelement vorgesehen ist, mittels welchem das rückzuführende Abgas filterbar ist, zeichnet sich dadurch aus, dass das zumindest eine weitere Filterelement stromauf der Entnahmestelle in dem Abgastrakt angeordnet ist. Dadurch ist ein Eintrag von Partikeln in eine Abgasrückführung, welche zur beschriebenen Rückführung des Abgases vorgesehen ist und die Entnahmestelle des Abgastrakts umfasst, vermieden. Daraus resultiert einerseits eine Vermeidung einer Schädigung von Bauteilen der Verbrennungskraftmaschine, wie beispielsweise eines Verdichters oder Komponenten der Abgasrückführung. Des Weiteren ist durch die Anordnung des zumindest einen weiteren Filterelements stromauf der Entnahmestelle in dem Abgastrakt ein Einsatz eines relativ großen Filterelements ermöglicht, wodurch ein Druckabfall durch das Filterelement gering gehalten werden kann. Damit einher geht eine Vermeidung einer negativen Beeinflussung der Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise durch eine Erhöhung eines Abgasgegendrucks. Eine Ausfallwahrscheinlichkeit der Abgasrückführung ist ebenfalls deutlich herabgesetzt. Darüber hinaus sind hohe Abgasrückführraten ohne weiteres realisierbar.
Das zumindest eine weitere Filterelement, welches eine Form eines zusätzlichen Abscheiders darstellt, ist vorteilhafterweise unmittelbar stromab des ersten Filterelements angeordnet und aus einem hochtemperaturbeständigen Werkstoff ausgebildet. Vorteilhafterweise ist es sehr nahe im Bereich des ersten Filterelements angeordnet, vorzugsweise in dessen Gehäuse aufgenommen, woraus sich ein geringer Bauraumbedarf ergibt, was insbesondere in einem platzkritischen Bereich wie einem Motorraum eine Entstehung von Package-Problemen vermeidet. Außerdem ist dadurch ein Abbrand des zumindest einen weiteren Filterelements im Rahmen einer regelmäßigen Regeneration des ersten Filterelements reinigbar.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass die erwähnte Abgasrückführung beispielsweise als Niederdruck-Abgasrückführung ausgebildet ist, durch welche das Abgas, wie angedeutet, stromab des ersten Filterelements sowie des zumindest einen weiteren Filterelements entnehmbar und in den Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere unmittelbar vor einen Verdichter derselbigen, rückführbar ist.
Das zumindest eine weitere Filterelement kann beispielsweise aus einem Drahtgestrick, als ein ein- oder mehrlagiges Sieb, aus Metallschaum, Sintermetall oder hochporöser Keramik ausgebildet sein. Eine axiale Erstreckung des zumindest einen weiteren Filterelements, also seine Dicke, ist dabei wesentlich geringer als seine radiale Erstreckung, also sein Durchmesser. Der Durchmesser kann dabei das 5 bis 100-fache der Dicke betragen.
Eine Porengröße oder Maschenweite des zumindest einen weiteren Filterelements ist derart ausgeführt, dass Teilchen ab einem Durchmesser von mindestens 10 bis 100 μm, vorzugsweise mindestens ca. 50 μm, zurückgehalten werden. Damit ist die Porengröße oder Maschenweite größer als bei einem typischen, keramischen Wall-Flow-Partikelfilter
Das zumindest eine weitere Filterelement kann mehrlagig ausgeführt sein, wobei eine Lage aufgrund kleinerer Porengröße oder Maschenweite ein sicheres Zurückhalten der Partikel bewirkt, während weitere Lagen zur Steigerung einer mechanischen Festigkeit des zumindest einen weiteren Filterelements beitragen. Diese weiteren Lagen sind dann beispielsweise mit einer größeren Porengröße oder Maschenweite als die erste Lage ausgeführt.
Die erfindungsgemäße Anordnung des zumindest einen weiteren Filterelements stromauf der Entnahmestelle führt nicht zu einer Reduzierung eines effektiven Spülgefälles, wodurch vorteilhafte Effekte der Abgasrückführung in vollem Maße nutzbar sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnungen zeigen in:
1 eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Niederdruck-Abgasrückführung, mittels welcher Abgas der Verbrennungskraftmaschine von stromab eines Partikelfilters in einem Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine entnehmbar und in einen Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine rückführbar ist, wobei stromauf der Entnahmestelle in dem Abgastrakt ein weiteres Filterelement angeordnet ist,
2 jeweils eine schematische Längsschnittansicht dreier alternativer Ausführungsformen des Filterelements gemäß 1,
3 jeweils eine schematische Längsschnittansicht dreier, weiterer alternativer Ausführungsformen des Filterelements gemäß 1,
4 eine schematische Längsschnittansicht sowie eine schematische Draufsicht einer weiteren alternativen Ausführungsform des Filterelements gemäß 1,
5 eine schematische Längsschnittansicht sowie eine schematische Draufsicht einer weiteren alternativen Ausführungsform eines Filterelements gemäß 1,
6 eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren alternativen Ausführungsform eines Filterelements gemäß 1 und
7 eine schematische Längsschnittansicht des Partikelfilters gemäß 1, in dessen Gehäuse das Filterelement gemäß 6 angeordnet ist.
Die 1 zeigt eine Verbrennungskraftmaschine 10 für einen Personenkraftwagen mit einem Abgastrakt 12, in welchem eine Turbine 14 eines Abgasturboladers 16 angeordnet ist, welche gemäß einem Richtungspfeil 18 von Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 durchströmbar ist. Die Turbine 14 ist über eine Welle mit einem Verdichter 20 des Abgasturboladers 16 verbunden und treibt diesen an. Der Verdichter 20 ist dabei in einem Ansaugtrakt 21 der Verbrennungskraftmaschine 10 angeordnet und verdichtet gemäß einem Richtungspfeil 22 von der Verbrennungskraftmaschine 10 angesaugte Luft.
Die verdichtete Luft strömt gemäß einem Richtungspfeil 24 weiter durch den Ansaugtrakt 21 und wird der Verbrennungskraftmaschine 10 zugeführt zur Darstellung eines von einem Fahrer des Personenkraftwagens gewünschten Moments.
Mittels einer Hochdruck-Abgasrückführung 26 ist Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 unmittelbar stromab der Verbrennungskraftmaschine 10 aus dem Abgastrakt 12 in den Ansaugtrakt 21 unmittelbar stromauf der Verbrennungskraftmaschine 10 gemäß einem Richtungspfeil 28 rückführbar.
Das die Turbine 14 antreibende Abgas strömt gemäß einem Richtungspfeil 30 weiter durch den Abgastrakt 12 und wird zunächst von einem Katalysator 32 und anschließend durch einen Partikelfilter 34 gereinigt.
Des Weiteren ist eine Niederdruck-Abgasrückführung 36 vorgesehen, mittels welcher Abgas von einer Entnahmestelle 45 stromab des Partikelfilters 34 in den Ansaugtrakt 21 unmittelbar stromauf des Verdichters 20 gemäß Richtungspfeilen 38 und 40 rückführbar ist.
Mittels eines Abgasrückführ-Ventils (AGR-Ventil) 42 ist ein Abgasmassenstrom des rückgeführten Abgases einstellbar. In einer Leitung 44 der Niederdruck-Abgasrückführung 36 ist ein Abgasrückführ-Kühler (AGR-Kühler) 46 vorgesehen, mittels welchem das rückgeführte Abgas in seinem Temperaturniveau absenkbar ist.
Zur Vermeidung einer Beschädigung beispielsweise des Verdichters 20 und/oder des AGR-Kühlers 46 und einer Verstopfung der Leitung 44 ist in einem Gehäuse 48 des Partikelfilters 34, also stromauf der Entnahmestelle 45, ein zusätzliches Filterelement 50 angeordnet, welches aus einer porösen Scheibe mit einer Membranschicht gebildet ist. Dieses Filterelement 50 hält schadhafte Partikel zurück, ohne allerdings die Verbrennungskraftmaschine 10 in ihren Verbrennungsvorgängen, also beispielsweise ein Abgasgegendruck und/oder ein effektives Spülgefälle, negativ zu beeinflussen.
Zur Darstellung einer gewissen Abgasrückführrate der Niederdruck-Abgasrückführung 36 ist eine Abgasdrosseleinrichtung 52 vorgesehen. Nicht rückgeführtes Abgas durchströmt den Abgastrakt 12 gemäß einem Richtungspfeil 54, passiert die Drosseleinrichtung 52 und strömt gemäß einem Richtungspfeil 56 an die Umwelt.
Die 2 zeigt drei mögliche Ausführungsformen des Filterelements 50 gemäß 1. Ein Filterelement 50' ist dabei aus einer porösen Scheibe 58 und einer Membranschicht 60 gebildet. Das Filterelement 50' wird dabei derart in den Abgastrakt 12 gemäß 1 angeordnet, dass es von dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 gemäß Richtungspfeilen 62 durchströmbar ist. Ist bei dem Filterelement 50' die Membranschicht 60 stromauf der porösen Scheibe 58 angeordnet, so ist die Membranschicht 60 bei einer alternativen Ausführungsform eines Filterelements 50'' stromab der porösen Scheibe 58 angeordnet.
Eine weitere alternative Ausführungsform eines Filterelements 50''' ist derart ausgebildet, dass jeweils eine poröse Scheibe 58 stromauf und stromab der Membranschicht 60 angeordnet ist.
Die Filterelemente 50', 50'' und 50''' sind dabei eben und rund ausgebildet.
Ebenso rund und eben ausgebildet ist eine weitere alternative Ausführungsform eines Filterelements 50'''', welches lediglich die poröse Scheibe 58 umfasst (3). Des Weiteren zeigt die 3 eine weitere alternative Ausführungsform eines Filterelements 50''''', welches zur Vergrößerung einer durchströmten Fläche oval ausgebildet ist, wobei das Filterelement 50''''' ebenso eine poröse Scheibe 58' und eine Membranschicht 60' umfasst. Ebenso ist eine gewölbte Ausbildung des Filterelements 50 sowie eine schräge Positionierung im Gehäuse 48 möglich.
Eine weitere alternative Ausführungsform eines Filterelements 50'''''' sieht eine Ausbildung des Filterelements 50'''''' als Kegel vor, bei welchem eine poröse Scheibe 58'' eine eben derartige, kegelige Form aufweist.
Auch eine Ausbildung des Filterelements 50 als ein Konus oder aus einer Kombination mehrerer Koni ist möglich, was in der 4 durch ein Filterelement 50''''''' mit einer porösen Scheibe bzw. Schicht 58''' dargestellt ist.
Die 5 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Filterelements 50'''''''', welches wellig ausgebildet ist und ebenso eine poröse Scheibe bzw. Schicht 58'''' umfasst.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass das Filterelement 50 in jedweder anderweitigen Form einer Geometrie des Gehäuses 48 angepasst ist.
Die 6 zeigt ein Filterelement 50'''''''' mit einer porösen Scheibe 58''''', wobei in einem Randbereich des Filterelements 50''''''''' eine Materialanhäufung vorgesehen ist, die als massiver Stützring 64 ausgebildet ist.
Die 7 verdeutlicht eine Anordnung des Filterelements 50''''''''' in dem Gehäuse 48 des Partikelfilters 34, wobei das Filterelement 50''''''''' beispielsweise durch radiales Klemmen, z. B. mit einer Fasermatte, oder durch axiales Klemmen, beispielsweise zwischen dem Partikelfilter 34 und einem Anschlagring im Gehäuse, durch Löten oder durch Schweißen fixiert ist.
Ebenso möglich ist eine direkte mechanische Verbindung mit einer Austrittsseite des Partikelfilters 34, so dass keine gesonderte Fixierung im Gehäuse 48 erforderlich ist.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungskraftmaschine
12: Abgastrakt
14: Turbine
16: Abgasturbolader
18: Richtungspfeil
20: Verdichter
21: Ansaugtrakt
22: Richtungspfeil
24: Richtungspfeil
26: Hochdruck-Abgasrückführung
28: Richtungspfeil
30: Richtungspfeil
32: Katalysator
34: Partikelfilter
36: Niederdruck-Abgasrückführung
38: Richtungspfeil
40: Richtungspfeil
42: AGR-Ventil
44: Leitung
45: Entnahmestelle
46: AGR-Kühler
48: Gehäuse
50, 50', 50'', 50''', 50'''', 50''''', 50'''''', 50''''''', 50'''''''', 50''''''''': Filterelement
52: Drosselvorrichtung
54: Richtungspfeil
56: Richtungspfeil
58, 58', 58'', 58''', 58'''', 58''''': poröse Scheibe
60, 60': Membranschicht
62: Richtungspfeil
64: Stützring

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006038706 A1 [0003]

Claims

Verbrennungskraftmaschine (10) für einen Kraftwagen, insbesondere einen Personenkraftwagen, mit einem Abgastrakt (12), in welchem zumindest eine mit einem Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) durchströmbare Turbine (14) eines Abgasturboladers (16) und stromab der Turbine (14) ein erstes Filterelement (34), insbesondere ein Partikelfilter (34), zur Filterung des Abgases angeordnet ist, und mit einem Ansaugtrakt (21), in welchen Abgas von einer Entnahmestelle (45) des Abgastrakts (12) rückführbar ist, wobei stromab des ersten Filterelements (34) zumindest ein weiteres Filterelement (50, 50', 50'', 50''', 50'''', 50''''', 50''''', 50''''''', 50'''''''', 50''''''''') vorgesehen ist, mittels welchem das rückzuführende Abgas filterbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine weitere Filterelement (50, 50', 50'', 50''', 50'''', 50''''', 50'''''', 50''''''', 50'''''''', 50''''''''') stromauf der Entnahmestelle (45) in dem Abgastrakt (12) angeordnet ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine weitere Filterelement (50, 50', 50'', 50''', 50'''', 50''''', 50'''''', 50''''''', 50'''''''', 50''''''''') unmittelbar stromab des ersten Filterelements (34) angeordnet ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine weiteren Filterelement (34) in einem Gehäuse (48) des ersten Filterelements (34) aufgenommen ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine weitere Filterelement (50, 50', 50'', 50''', 50'''', 50'''', 50'''''', 50''''''', 50'''''''', 50''''''''') einen Durchmesse aufweist, welcher das fünf- bis einhundertfache seiner axialen Erstreckungsrichtung beträgt.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des zumindest einen Filterelements (50, 50', 50'', 50''', 50'''', 50''''', 50'''''', 50''''''', 50'''''''', 50''''''''') Partikel des Abgases mit einem Durchmesser von mindestens 10 bis 100 Mikrometern, insbesondere von mindestens 50 Mikrometern, aus dem Abgas filterbar sind.