DE102009046559A1

DE102009046559A1 - Abgasnachbehandlungsvorrichtung, Antriebsvorrichtung sowie Verfahren zum Betreiben

Info

Publication number: DE102009046559A1
Application number: DE102009046559A
Authority: DE
Inventors: Michael Frank; Oliver Marquardt; Klaus Winkler; Dimitrios Stavrianos
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-11-10
Filing date: 2009-11-10
Publication date: 2011-05-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung (21) zur Nachbehandlung von Abgasen einer Brennkraftmaschine (2), insbesondere eines Ottomotors (15), mit mindestens einem in einem der Brennkraftmaschine (2) nachgeschalteten Abgastrakt (3) angeordneten Partikelfilter (10). Es ist vorgesehen, dass stromaufwärts des Partikelfilters (10) ein zum Regenerieren des Partikelfilters (10) freigebbarer Frischluftkanal (12) in den Abgastrakt (3) mündet. Ferner betrifft die Erfindung eine Antriebsvorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung einer Antriebsvorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung zur Nachbehandlung von Abgasen einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Ottomotors, mit mindestens einem in einem der Brennkraftmaschine nachgeschalteten Abgastrakt angeordneten Partikelfilter.
Ferner betrifft die Erfindung eine Antriebsvorrichtung für ein Fahrzeug, mit wenigstens einer Brennkraftmaschine, der eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung nachgeschaltet ist.
Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung, mit mindestens einem in einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine angeordneten Partikelfilter.
Stand der Technik
Abgasnachbehandlungsvorrichtungen, Antriebsvorrichtungen sowie Verfahren zum Betreiben derartiger Abgasnachbehandlungsvorrichtungen von Antriebsvorrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Insbesondere bei Dieselmotoren werden Partikelfilter bereits seit langer Zeit erfolgreich zur Nachbehandlung des Abgases eingesetzt. Diese Partikelfilter scheiden die im Abgas befindlichen Feststoffpartikel ab und halten sie in dem Filtersubstrat zurück. Die im Filter eingelagerte Rußmasse führt allerdings zu einem stetigen Zusetzen des Partikelfilters beziehungsweise des Filtersubstrats und somit zu einer Erhöhung des Abgasgegendrucks, der sich negativ auf die Motorleistung und den Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine auswirkt. Aus diesem Grund können Partikelfilter nur dann sinnvoll eingesetzt werden, wenn sie im Betrieb regeneriert werden können. Hierzu muss die eingespeicherte Rußmasse von Zeit zu Zeit ausgetragen werden. Die Regeneration erfolgt dabei über oxidativen Rußabbrand, der als exotherme Reaktion selbstständig ablaufen soll.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass stromaufwärts des Partikelfilters ein zum Regenerieren des Partikelfilters freigebbarer Frischluftkanal in den Abgastrakt mündet. Wie der Name schon sagt, dient der Frischluftkanal zum Fördern von Frisch- beziehungsweise Umgebungsluft, die sich insbesondere durch einen hohen Sauerstoffanteil auszeichnet. Auch kann es sich hierbei um in einem entsprechenden Speicher komprimierte, sauerstoffreiche Frischluft handeln. Der Frischluftkanal mündet in den Abgastrakt, sodass die Frischluft durch den Frischluftkanal in den Abgastrakt geführt und dem durch den Abgastrakt strömenden Abgas der Brennkraftmaschine, insbesondere des Ottomotors beigemengt werden kann. Zum Regenerieren des Partikelfilters ist der Frischluftkanal freigebbar, sodass Frischluft dem Abgas stromaufwärts des Partikelfilters beigemengt wird, um in dem Partikelfilterzusammen mit dem Abgas zu dem oxidativen Rußabbrand zu reagieren. Insbesondere bei Ottomotoren kann somit der im Abgas normalerweise nur gering vorliegende Sauerstoffanteil, der jedoch für eine erfolgreiche Regeneration des Partikelfilters notwendig ist, ausgeglichen werden. Dadurch kann zum einen der Ottomotor wie gewohnt betrieben werden, und zum anderen dennoch eine Regeneration des Partikelfilters durchgeführt werden. Die dafür notwendige Abgastemperatur liefert das Abgas der zweckmäßigerweise als Ottomotor ausgebildeten Brennkraftmaschine, das bereits eine ausreichend hohe Temperatur aufweist.
Vorteilhafterweise ist ein elektrisch betätigbares Ventil zum Freigeben oder Versperren des Frischluftkanals vorgesehen. Mittels des Ventils ist ein Durchströmungsquerschnitt des Frischluftkanals vorteilhafterweise stufenweise oder kontinuierlich einstellbar, um eine gewünschte Dosierung der Frischluft zu ermöglichen. Alternativ und/oder zusätzlich kann das Ventil intermittierend betrieben werden, um hierdurch die Dosierung der zuzuführenden Frischluftmenge zu steuern. Zweckmäßigerweise ist das Ventil an dem abgastraktseitigen Ende des Frischluftkanals angeordnet, wobei unter dem Abgastrakt hier im Wesentlichen ein von der Brennkraftmaschine kommendes Abgasrohr zu verstehen ist, in/an welchem die entsprechenden Abgasnachbehandlungseinheiten, wie beispielsweise ein Vor-Katalysator, ein Dreiwege-Katalysator und/oder Zuführeinrichtungen für Abgasnachbehandlungsmittel vorgesehen sind.
Weiterhin ist vorgesehen, dass das Ventil den Frischluftkanal in Abhängigkeit von einem Druckgefälle über den Partikelfilter und/oder von einer Abgastemperatur freigibt. Das Druckgefälle über den Partikelfilter kann dabei entweder durch eine entsprechende Berechnung abgeschätzt oder mittels zwei Drucksensoren, von denen einer stromaufwärts und der andere stromabwärts des Partikelfilters angeordnet ist, bestimmt werden. Überschreitet das Druckgefälle einen bestimmten vorgebbaren/vorgegebenen Grenzwert, so bedeutet das, dass der Partikelfilter beziehungsweise das Filtersubstrat derart mit Partikeln zugesetzt ist, dass es sich negativ auf die Motorleistung und den Verbrauch auswirkt. Bei Überschreiten des Grenzwertes wird somit die Regeneration des Partikelfilters eingeleitet und dazu der Frischluftkanal entsprechend freigegeben. Als weiteres Kriterium zur Freigabe der Regeneration ist die Abgastemperatur vorgesehen. Liegt diese unterhalb eines Grenzwertes, so kann die exotherme Reaktion in dem Partikelfilter nicht selbstständig ablaufen. Daher ist vorgesehen, dass das Ventil den Frischluftkanal erst bei Überschreiten einer vorgebbaren/vorgegebenen Grenztemperatur freigibt. Zusätzlich können noch weitere Parameter vorgesehen sein, in deren Abhängigkeit das Ventil schaltbar ist. So ist es vorteilhaft, wenn eine Freigabe des Frischluftkanals unterbunden wird, wenn die Brennkraftmaschine eine Volllastanforderung erhält, sodass die Brennkraftmaschine beispielsweise ihr maximales Drehmoment erbringen kann und keine Leistungseinbuße aufgrund von Sauerstoffmangel erfährt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Verdichter zum Erhöhen des Gasdrucks in dem Frischluftkanal vorgesehen ist, wobei der Verdichter nicht unbedingt direkt in dem Frischluftkanal angeordnet sein muss. Bevorzugt ist der Verdichter in einem Frischluft führenden Einlasskanal der Brennkraftmaschine angeordnet, wobei von dem Einlasskanal stromabwärts des Verdichters der Frischluftkanal abzweigt. Mittels des Verdichters kann jedoch auf einfache Art und Weise der Druck in dem Frischluftkanal erhöht und somit das Beimengen von Frischluft in das Abgas ermöglicht werden.
Bevorzugt ist ein Abgasturbolader vorgesehen, der den Verdichter aufweist. Der Abgasturbolader wird dabei zweckmäßigerweise durch das durch den Abgastrakt strömende Abgas der Brennkraftmaschine angetrieben und sorgt mittels des Verdichters zur Erhöhung des Drucks in dem Frischluftkanal. Dies stellt eine besonders einfache und kostengünstige Möglichkeit zur Erhöhung des Drucks in dem Frischluftkanal dar. Dass der Gasdruck in dem Frischluftkanal höher ist als der Gasdruck in dem Abgastrakt, zumindest in dem Bereich, in welchem der Frischluftkanal in den Abgastrakt mündet, ist eine Grundbedingung des Systems, da ansonsten nicht die Frischluft dem Abgas beigemischt, sondern Abgas in den Frischluftkanal eindringen würde.
Um sich negativ auf das gewünschte Druckverhältnis auswirkende Gasdruck-Spitzen in dem Abgastrakt und/oder Gasdruck-Senken in dem Frischluftkanal entgegenzuwirken, ist vorteilhafterweise dem abgastraktseitigen Ende des Frischluftkanals ein Rückschlagventil zugeordnet. Das Rückschlagventil arbeitet bevorzugt mittels Federkraft und ist dadurch ein selbstregelndes Ventil. Übersteigt der Gasdruck des Abgases den Gasdruck der Frischluft, so verschließt das Rückschlagventil die Verbindung zwischen dem Frischluftkanal und dem Abgastrakt. Hierdurch wird in jedem Fall die Systemsicherheit gewährleistet.
Die vorteilhafte Antriebsvorrichtung zeichnet sich durch eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung aus wie sie oben beschrieben wurde. Besonders bevorzugt ist dabei der Abgasturbolader der Brennkraftmaschine zugeordnet. Letztendlich bildet der Abgasturbolader somit ein Element der Brennkraftmaschine, das insbesondere zur Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine dient. Brennkraftmaschinen mit Abgasturboladern sind weitgehend bekannt. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Abgasturbolader der Brennkraftmaschine auch dazu benutzt, den Gasdruck in dem Frischluftkanal entsprechend zu erhöhen.
Vorteilhafterweise ist dem Verdichter des Abgasturboladers ein Umluftventil zugeordnet. Ein derartiges Umluftventil dient bei Ottomotoren dazu, bei einer geschlossenen Drosselklappe die auf den Verdichter bremsend wirkende Luftsäule in die Umgebung abzulassen, damit der Verdichter frei weiterdrehen kann, ohne dass seine Drehzahl verringert wird. Hierdurch wird ein erneuter Druckaufbau verkürzt und ein schnelles Beschleunigen des Abgasturboladers, zugunsten eines besseren Ansprechverhaltens insbesondere nach einem Schaltvorgang erzielt. Zweckmäßigerweise führt der Frischluftkanal von dem Verdichter und/oder von dem Umluftventil zu dem Abgastrakt. So kann ein Frischluftkanal stromabwärts des Verdichters von einem Einlasskanal der Brennkraftmaschine abzweigen und zu dem Abgastrakt beziehungsweise -rohr führen. Alternativ oder zusätzlich führt der Frischluftkanal von einem Ausgang des Umluftventils zu dem Abgastrakt beziehungsweise Abgasrohr.
Schließlich ist vorgesehen, dass der Abgasturbolader einen schaltbaren Bypass aufweist, der zur Regeneration des Partikelfilters versperrt ist. Moderne Abgasturbolader weisen häufig ein sogenanntes Waste-Gate auf, das den Bypass bei höheren Drehzahlen des Abgasturboladers freigibt, um ein zu hohes Ladedruckangebot zu verhindern. Vorliegend kann das mögliche Überangebot an Ladedruck durch Versperren des Bypasses dazu benutzt werden, den Partikelfilter mit Umgebungsluft zu versorgen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung einer Antriebsvorrichtung, insbesondere wie sie oben beschrieben wurde, zeichnet sich dadurch aus, dass zum Regenerieren des Partikelfilters dem Abgas stromaufwärts des Partikelfilters Frischluft beigemengt wird. Hierdurch ergeben sich die oben beschriebenen Vorteile.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dazu zeigt die
Figur eine schematische Darstellung einer vorteilhaften Antriebsvorrichtung.
Die Figur zeigt in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer vorteilhaften Antriebsvorrichtung 1 für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug. Die Antriebsvorrichtung 1 weist eine Brennkraftmaschine 2 auf, der ein Abgastrakt 3 nachgeschaltet ist. Weiterhin ist der Brennkraftmaschine 2 ein Abgasturbolader 4 zugeordnet, der einen im Einlasskanal 5 der Brennkraftmaschine 2 angeordneten Verdichter 6 sowie eine in einem Auslasskanal 7 der Brennkraftmaschine 2 angeordnete Turbine 8 umfasst, wobei die Turbine 8 zum Antreiben des Verdichters 6 mit letzterem wirkverbunden ist. Letztendlich ist die Turbine 8 somit im Abgastrakt der Brennkraftmaschine 2 angeordnet. Stromabwärts der Turbine 8 sind in dem Abgastrakt 3 ein Vorkatalysator 9, ein Partikelfilter 10 sowie ein Hauptkatalysator 11 in der genannten Reihenfolge angeordnet.
Weiterhin ist ein Frischluftkanal 12 vorgesehen. Der Frischluftkanal 12 zweigt von dem Einlasskanal 5 stromabwärts des Verdichters 6 ab und mündet in den Abgastrakt 3, vorliegend zwischen dem Vorkatalysator 9 und dem Partikelfilter 10. Der Frischluftkanal 12 weist an seinem abgastraktseitigen Ende ein elektrisch betätigbares Ventil 13 zum Freigeben oder Versperren des Frischluftkanals 12 sowie ein Rückschlagventil 14 auf. Das Rückschlagventil 14 verhindert ein Eindringen von Abgasen in den Frischluftkanal 12, für den Fall, dass der Gasdruck in dem Abgastrakt 3 den Gasdruck in dem Frischluftkanal 12 übersteigt. Alternativ kann der Frischluftkanal 12 auch von einem stromabwärts des Verdichters 6 angeordneten – hier nicht dargestellten – Umluftventil abgehen.
Während des Betriebs der als Ottomotor 15 ausgebildeten Brennkraftmaschine 2 wird der Abgasstrom durch den Partikelfilter 10 geleitet, wobei letzterer die in dem Abgas befindlichen Feststoffpartikel abscheidet und (im Filtersubstrat) zurückhält. Die im Partikelfilter 10 eingelagerte Rußmasse führt allerdings zu einem stetigen Zusetzen des Partikelfilters 10 und somit zu einer Erhöhung des Abgasgegendrucks, der sich negativ auf die Leistung sowie den Verbrauch der Brennkraftmaschine 2 beziehungsweise des Ottomotors 15 auswirkt. Anhand einer Messung der Druckdifferenz beziehungsweise eines Druckgefälles über den Partikelfilter 10 mittels eines stromaufwärts des Partikelfilter 10 angeordneten Drucksensors 16 und eines stromabwärts des Partikelfilters 10 angeordneten Drucksensors 17 und/oder mittels einer kontinuierlichen, modellbasierten Berechnung der Rußrohemissionen des Ottomotors 15 ist eine Abschätzung der in dem Partikelfilter 10 eingelagerten beziehungsweise zurückgehaltenen Rußmasse möglich. Sofern kontinuierlich ablaufende Regenerationsvorgänge auf Basis sehr hoher Abgastemperaturen, wie beispielsweise bei Fahrten mit höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten, und durch Schubabschalten sporadisch eingebrachten Restsauerstoff, nicht ausreichen, die Filterbeladung des Partikelfilters 10 zu reduzieren, wird eine Zwangsregeneration des Partikelfilters 10 eingeleitet. in Abhängigkeit von dem Druckgefälle über dem Partikelfilter 10 gibt das Ventil 13 den Frischluftkanal 12 frei, sodass sauerstoffreiche Frischluft dem Abgas des Ottomotors 15 stromaufwärts des Partikelfilters 10 zugeführt beziehungsweise beigemengt wird. Beim Freigeben des Frischluftkanals 12 wird vorteilhafterweise weiterhin die Abgastemperatur am Partikelfilter 10 berücksichtigt. Hierzu ist zweckmäßigerweise ein Temperatursensor 18 vorgesehen. Insbesondere ist der Temperatursensor 18 stromaufwärts des Partikelfilters 10 angeordnet und die Temperatur in dem Partikelfilter 10 wird mittels eines Modells berechnet. Erreicht die modulierte Abgastemperatur im/am Partikelfilter 10 im aktuellen Betriebszustand eine zur Regeneration des Partikelfilters 10 ausreichende, vorher festgelegte Schwelle, und liegen keine Verbotskriterien – auf die später näher eingegangen werden soll – vor, wird die Zuführung von Frischluft durch Freigeben des Frischluftkanals 12 veranlasst.
Die gängige Auslegung des Abgasturboladers 4 auf hohen Durchsatz bereits bei geringen Drehzahlen und Lasten der Brennkraftmaschine 2 beziehungsweise des Ottomotors 15 führt zum schnellen Ansprechen des Ottomotors 15 auch im unteren Drehzahlbereich. Bei höheren Drehzahlen und Lasten stellt der Abgasturbolader 4 jedoch ein zu hohes Ladedruckangebot bereit. Um dies zu verhindern, weist der Abgasturbolader 4 einen schaltbaren Bypass 19 auf, der der Turbine 8 zugeordnet ist, also das Abgas an der Turbine 8 bedarfsweise vorbeileitet. Um das zu hohe Ladedruckangebot zu verhindern, wird der Bypass 19 freigegeben, sodass nicht der gesamte Abgasstrom zum Antrieb der Turbine 8 zur Verfügung steht. Vorteilhafterweise wird der Bypass 19 (Waste Gate) im Regenerationsbetrieb für den Partikelfilter 10 geschlossen beziehungsweise versperrt, sodass das Überangebot an Ladedruck dazu genutzt wird, den Partikelfilter 10 mit Umgebungsluft zu versorgen.
Das Ventil 13 ist vorteilhafterweise derart ausgebildet, dass es einen gewünschten Durchströmungsquerschnitt stufenweise und/oder kontinuierlich einstellt. Alternativ oder zusätzlich lässt sich eine gewünschte Frischluftmenge durch einen intermittierenden Betrieb des Ventils 13 realisieren.
Als Verbotskriterium, bei dem ein Freigeben des Frischluftkanals 12 unterbunden werden soll, wird beispielsweise eine Volllast-Anforderung an den Ottomotor 15 berücksichtigt. Hier würde ein Abzweigen von Frischluft zu einer Leistungsminderung des Ottomotors 15 führen.
Mittels der oben beschriebenen Vorrichtung sowie dem beschriebenen Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung ist es auf einfache und kostengünstige Art und Weise möglich, einen Partikelfilter 10 für Ottomotoren 15 effizient zu nutzen, da durch die vorteilhafte Abgasnachbehandlungsvorrichtung 3 ein Regenerieren des Partikelfilters 10 auf einfache Art und Weise im Betrieb ermöglicht wird.

Claims

Abgasnachbehandlungsvorrichtung (21) zur Nachbehandlung von Abgasen einer Brennkraftmaschine (2), insbesondere eines Ottomotors (15), mit mindestens einem in einem der Brennkraftmaschine (2) nachgeschalteten Abgastrakt (3) angeordneten Partikelfilter (10), dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts des Partikelfilters (10) ein zum Regenerieren des Partikelfilters (10) freigebbarer Frischluftkanal (12) in den Abgastrakt (3) mündet.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein elektrisch betätigbares Ventil (13) zum Freigeben oder Versperren des Frischluftkanals (12).
Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (13) den Frischluftkanal (12) in Abhängigkeit von einem Druckgefälle über den Partikelfilter (10) und/oder in Abhängigkeit von einer Abgastemperatur freigibt.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Verdichter (6) zum Erhöhen des Gasdrucks in dem Frischluftkanal (12).
Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Abgasturbolader (4), der den Verdichter (6) aufweist.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem abgastraktseitigen Ende des Frischluftkanals (12) ein Rückschlagventil (14) zugeordnet ist.
Antriebsvorrichtung (1) für ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, mit wenigstens einer Brennkraftmaschine (2), der eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung (21) nachgeschaltet ist, gekennzeichnet durch die Ausbildung der Abgasnachbehandlungsvorrichtung (21) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasturbolader (4) der Brennkraftmaschine (2) zugeordnet ist und einen schaltbaren Bypass aufweist, der zum Regenerieren des Partikelfilters versperrt ist.
Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verdichter (6) ein Umluftventil zugeordnet ist.
Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Frischluftkanal (12) von dem Verdichter (6) und/oder von dem Umluftventil zu dem Abgastrakt (3) führt.
Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung einer Antriebsvorrichtung, insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, mit mindestens einem in einem Abgastrakt in einer Brennkraftmaschine angeordneten Partikelfilter, dadurch gekennzeichnet, dass zum Regenerieren des Partikelfilters dem Abgas stromaufwärts des Partikelfilters Frischluft beigemengt wird.