DE102010044102A1

DE102010044102A1 - Abgasanlage für Brennkraftmaschinen mit Partikelfilter

Info

Publication number: DE102010044102A1
Application number: DE102010044102A
Authority: DE
Inventors: Jens Dunstheimer; Thomas Lorenz; Georg Louven; Dr. Ruhland Helmut; Klaus Moritz Springer
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2010-11-18
Filing date: 2010-11-18
Publication date: 2012-05-24
Also published as: CN102465733B; CN102465733A; US20120124995A1; US8783020B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine, die einen Abgasstrang aufweist, der mit einer Auslaßseite der Brennkraftmaschine verbindbar ist, wobei im Abgasstrang in stromabwärtiger Richtung wenigstens ein Katalysator angeordnet und diesem ein Partikelfilter nachgeschaltet ist. Ferner ist im Abgasstrang stromauf des Partikelfilters eine Sekundärlufteinlaßöffnung zum Einleiten von Sekundärluft über wenigstens ein Flatterventil in den Abgasstrang vorgesehen, wobei die Sekundärluft verdichtete Luft ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasanlage für Brennkraftmaschinen mit einem Partikelfilter.
Die Schadstoffemission einer Brennkraftmaschine läßt sich durch die katalytische Abgasnachbehandlung mit Hilfe eines Abgaskatalysators wirksam verringern. Zur Verringerung der beispielsweise bei der Verbrennung von Dieselkraftstoff entstehenden Partikelemission werden Partikelfilter eingesetzt, die einem oder mehreren Abgaskatalysatoren gewöhnlich nachgeschaltet sind. Bei den von dem Partikelfilter aus dem Abgas zurückgehaltenen, das heißt im Filter gesammelten Partikeln handelt es sich in erster Linie um Rußpartikel. Abhängig von der Rußpartikelladung des Partikelfilters und der mit dieser einhergehenden Zunahme des Abgasgegendrucks ist eine regelmäßige Reinigung bzw. Regeneration des Partikelfilters erforderlich. Diese wird durch Oxidation, das heißt Verbrennen der Rußpartikel im Partikelfilter erreicht, wodurch die ordnungsgemäße Funktion des Partikelfilters während des Betriebs der Brennkraftmaschine erhalten wird.
Gemäß der Stufe 6 der europäischen Abgasnorm (Euro-6) sind zukünftig auch für Ottomotoren mit Direkteinspritzung strenge Partikelemissionsgrenzwerte einzuhalten.
Aus der Druckschrift DE 103 45 986 A1 ist eine Abgasanlage für Verbrennungsmotoren bekannt, die eine Katalysatorstrecke mit einem oder mehreren Katalysatoren und einen der Katalysatorstrecke nachgeschalteten Rußfilter aufweist. Zwischen der Katalysatorstrecke und dem Rußfilter ist ferner eine Zuführungsanordnung für Zusatzluft angeordnet. Als Zuführungsanordnung wird eine vom Abgas durchströmte Injektoranordnung oder ein zwischengeschaltetes, gesteuertes Regelventil verwendet. Die Luftentnahme erfolgt aus einem Luftbehälter oder einem Luft fördernden Aggregat. Das mit der Zusatzluft angereicherte Abgas unterstützt die Selbstreinigung des Rußfilters und verbessert die Verbrennung der Rußpartikel.
Des Weiteren ist aus der europäischen Patentschrift EP 1 970 547 B1 eine Abgasreinigungsanlage für einen Verbrennungsmotor bekannt. Die Abgasreinigungsanlage wird bei einem Motorrad eingesetzt, um das Abgas des Verbrennungsmotors durch drei in einer Abgasleitung hintereinander geschaltete Katalysatoren zu reinigen. Es wird vorgeschlagen, wenigstens zwischen dem zweiten und dritten Katalysator eine Nebenluft-Einleitungsleitung zum Einleiten von Nebenluft in die Abgasleitung vorzusehen, um die Oxidation von CO und HC in dem dritten Katalysator zu unterstützen. Die Nebenluft wird der Abgasleitung von einem Luftfilter über ein Flatterventil zugeführt.
Die Offenlegungsschrift DE 38 18 158 A1 offenbart ferner ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beseitigen von in einem Abgasfilter einer Brennkraftmaschine abgeschiedenem Ruß. Das Abgas erfährt im Bereich des Abgasfilters infolge adiabatischer Zustandsänderungen eine derartige Temperaturerhöhung, dass der im Filter abgeschiedene Ruß zum Verbrennen gebracht wird. Dem Abgasfilter ist ein Resonanzsystem zur Erzwingung eines im Resonanzzustand pulsierenden Drucks vorgeschaltet. Der Erregerdruck für das Resonanzsystem wird entweder durch eine pulsierende Brennerflamme oder durch periodisches Öffnen und Schließen des Abgasauslaßkanals mittels einer Klappe erzeugt.
Aus der Druckschrift DE 103 50 485 A1 ist des Weiteren eine Brennkraftmaschine bekannt, bei der im Abgas enthaltene Schadstoffe durch eine Reinigungseinrichtung reduziert werden. Die Reinigungseinrichtung wird wiederum zeitweise durch einen Oxidationsprozeß regeneriert. Zur Regeneration der Reinigungseinrichtung wird Frischluft stromaufwärts von der Reinigungseinrichtung von einem Gebläse direkt in den Abgasstrom geleitet. Als Frischluft wird die Ansaugluft der Brennkraftmaschine verwendet, die von dem im Ansaugbereich angeordneten Gebläse (Lader) verdichtet und über einen an der Brennkraftmaschine vorgesehenen Abgasrückführkanal und ein Abgasrückführventil in den Abgasstrom geleitet wird.
Schließlich offenbart die Druckschrift DE 10 2006 004 239 A1 ein Verfahren zum Betreiben einer Sekundärlufteinrichtung für eine Brennkraftmaschine. Die Sekundärlufteinrichtung weist einen Sekundärluftlader mit einer Turbine und einen Verdichter auf. Der mit der Turbine verbundene Verdichter bläst über ein Verdichterventil bei Bedarf Sekundärluft in einen Abgastrakt der Brennkraftmaschine, um eine Abgaskatalysatoraufheizung zu erzielen. Als Verdichterventil sind elektrisch betätigten Ventile oder elektrisch-pneumatische ansteuerbare Ventile vorgesehen, die den Leitungsquerschnitt entweder vollständig freigeben bzw. vollständig schließen oder eine kontinuierliche Einstellung des Querschnitts ermöglichen.
Vor diesem Hintergrund hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, die Funktion eines Partikelfilters einer Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine mit geringem Aufwand in dem gesamten bzw. einem möglichst großen Betriebs- bzw. Lastbereich der Brennkraftmaschine zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Abgasanlage mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung zusätzlich.
Erfindungsgemäß weist die Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine einen Abgasstrang auf, der mit einer Auslaßseite der Brennkraftmaschine verbindbar ist, wobei im Abgasstrang in stromabwärtiger Richtung wenigstens ein Katalysator angeordnet und diesem ein Partikelfilter nachgeschaltet ist. Ferner ist im Abgasstrang stromauf des Partikelfilters eine Sekundärlufteinlaßöffnung zum Einleiten von Sekundärluft über wenigstens ein Flatterventil in den Abgasstrang vorgesehen, wobei die Sekundärluft verdichtete Luft ist. Als verdichtete Luft ist im Sinne der Erfindung im Wesentlichen eine solche Luft zu verstehen, die im Vergleich zur normalen Umgebungsluft bzw. Umgebungsatmosphäre einen höheren Druck aufweist.
Durch die Sekundärlufteinlaßöffnung ist das Einleiten von Sekundärluft über wenigstens ein Flatterventil und damit das Einleiten von zusätzlichem Sauerstoff, der für die Oxidierung bzw. Verbrennung der Rußpartikel im Partikelfilter erforderlich ist, direkt in den Abgasstrang möglich. Eine beispielsweise über einen Brennraum der Brennkraftmaschine zugeführte Sekundärluft, um den Anteil an unverbranntem Restsauerstoff im Abgas für die Regeneration des Partikelfilters zu erhöhen, ist somit nicht erforderlich.
Ein Luftüberschuß bei der Verbrennung des Kraftstoffs im Brennraum der Brennkraftmaschine bedeutet, dass die Brennkraftmaschine mit einem mageren Kraftstoff-Luft-Gemisch (Lambda > 1) betrieben wird. Bei der Verwendung zum Beispiel eines Drei-Wege-Katalysators zur Abgasnachbehandlung ist jedoch die Einhaltung eines stöchiometrischen Verhältnisses, das heißt eines Kraftstoff-Luft-Verhältnisses, bei dem eine vollkommene Verbrennung des eingesetzten Kraftstoffs erfolgt (Lambda = 1), von großer Bedeutung. Die erfindungsgemäße Abgasanlage bietet demnach den großen Vorteil, dass die Brennkraftmaschine stets in einem normalen, das heißt stöchiometrischen Modus (Lambda = 1) betrieben werden kann, da die Sekundärluft zur Verbrennung der Rußpartikel in dem Partikelfilter nicht über die Brennkraftmaschine, sondern direkt in den Abgaskanal stromauf des Partikelfilters eingeleitet wird. Ein Moduswechsel der Brennkraftmaschine, zum Beispiel von einem Normal- in einen Magerbetrieb speziell zur Filterregeneration, ist somit nicht erforderlich, so dass ein für diese Modusumschaltung erforderliches Motormanagement bzw. eine hierfür vorgesehene Motorsteuerung zur Regeneration des Partikelfilters entfallen kann.
Das Flatterventil ist ein Rückschlagventil, das bevorzugt ohne sonstigen äußeren Antrieb lediglich aufgrund von Druckunterschieden auf den beiden Ventilseiten in einer Richtung, nämlich der Durchlaßrichtung, öffnet und sich selbsttätig wieder schließt. Als Durchlaßrichtung im Sinne der Erfindung ist die Richtung von außerhalb des Abgasstrangs in den Abgasstrang hinein zu verstehen, so dass Sekundärluft über das Flatterventil in den Abgasstrang hinein strömen kann, jedoch kein Abgas aus dem Abgasstrang unkontrolliert entweichen kann.
Zweckmäßigerweise ist das Flatterventil aus einem elastischen Material, beispielsweise aus Federstahl oder auch aus Kunststoff, gebildet, wobei die Materialeigenschaften gleichzeitig derart gewählt sind, dass sie eine dichte Schließung des Ventils sicherstellen. Ebenso ist das Material derart steif ausgebildet, dass die Ventilfunktion bei einem Druckunterschied, wie er gewöhnlich in einer Abgasanlage für Brennkraftmaschinen auftritt, gegen die Öffnungsrichtung sichergestellt ist. Das Flatterventil kann in besonders einfacher Ausgestaltung in der Sekundärlufteinlaßöffnung im Abgasstrang angeordnet sein. Es kann jedoch ebenso in der Sekundärluftzuführungsleitung zur Sekundärlufteinlaßöffnung angeordnet sein.
In dem Abgasstrang ändert sich aufgrund der Abgasdynamik während des Betriebs der Brennkraftmaschine periodisch der Abgasdruck. Das Flatterventil ist erfindungsgemäß derart ausgebildet, dass die periodischen Abgasdruckänderungen das Flatterventil ohne zusätzliche, externe Steuerung öffnen bzw. schließen, das heißt, das Flatterventil arbeitet passiv. Insbesondere öffnet sich das Flatterventil, wenn der Abgasdruck in dem Abgasstrang niedriger ist als der Druck auf der dem Abgasstrang abgewandten Ventilseite, und es schließt sich, wenn der Abgasdruck in dem Abgasstrang höher ist als der Druck auf der dem Abgasstrang abgewandten Ventilseite.
Somit strömt periodisch entsprechend den Abgasdruckänderungen im Abgasstrang Sekundärluft über das Flatterventil in den Abgasstrang. Der mit der Sekundärluft stromauf des Partikelfilters in den Abgasstrang eingebrachte zusätzliche Sauerstoff steht anschließend für die Verbrennung bzw. Oxidation der Rußpartikel in dem Partikelfilter zur Verfügung. Somit ist eine im Wesentlichen kontinuierliche Oxidation der Rußpartikel im Partikelfilter möglich. Einer zusätzlichen Pumpe zur Einleitung der Sekundärluft in den Abgaskanal bedarf es bei der erfindungsgemäßen Abgasanlage nicht. Schließt das Flatterventil, weil der Abgasdruck in dem Abgasstrang höher ist als der Druck auf der dem Abgasstrang abgewandten Ventilseite, wird automatisch das unkontrollierte Entweichen von Abgasen sowie der zuvor eingeströmten Sekundärluft aus dem Abgasstrang nach außen verhindert.
Die Abgasdynamik der Brennkraftmaschine im Abgasstrang verändert sich in Abhängigkeit von der Leistung, die von der Brennkraftmaschine abgegeben wird. Allgemein erhöht sich mit zunehmender Last der Brennkraftmaschine der mittlere Abgasdruck im Abgasstrang und somit der Druck, der auf die dem Abgasstrang zugewandten Ventilseite des Flatterventils einwirkt. Um folglich zu gewährleisten, dass die Sekundärluft nicht nur bei relativ geringem mittlerem Abgasdruck bei Niedriglast und/oder bei Leerlauf der Brennkraftmaschine in den Abgasstrang eingeleitet wird, sondern ebenfalls in einem hohen Lastbereich und somit relativ hohem mittlerem Abgasdruck im Abgasstrang, ist die Sekundärluft erfindungsgemäß verdichtete Luft.
Wie bereits erwähnt, ist als verdichtete Luft im Sinne der Erfindung im Wesentlichen Luft zu verstehen, die im Vergleich zur normalen Umgebungsluft bzw. Umgebungsatmosphäre einen höheren Druck aufweist. Somit ist gewährleistet, dass auch bei steigendem mittlerem Abgasdruck innerhalb des Abgasstrangs Sekundärluft wie zuvor beschrieben in den Abgasstrang einströmen kann und eine kontinuierliche Regeneration des Partikelfilters auch bei hohen Lastzuständen der Brennkraftmaschine aufrecht erhalten werden kann. Die erfindungsgemäße Abgasanlage weist somit zur Regeneration des Partikelfilters bzw. für eine optimale und dauerhafte Funktion des Partikelfilters einen äußerst einfachen Aufbau auf und ist zum Beispiel für den Einsatz bei einem Ottomotor mit Drei-Wege-Katalysator und diesem nachgeschalteten Partikelfilter bestens geeignet, wobei die Regeneration des Partikelfilters im Wesentlichen in allen Motorlastbereichen sichergestellt ist.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Sekundärluft eingangsseitige Ladeluft einer aufgeladenen Brennkraftmaschine. Die Sekundärluft wird hierfür zweckmäßigerweise zum Beispiel dem Ansaugrohr stromab des Verdichters einer mittels eines Turboladers aufgeladenen Brennkraftmaschine entnommen und der Sekundärlufteinlaßöffnung im Abgasstrang über das Flatterventil zugeführt. In besonders vorteilhafter Weise nimmt der Ladedruck der aufgeladenen Brennkraftmaschine und somit der Druck der Sekundärluft mit zunehmender Last der Brennkraftmaschine zu, so dass die Sekundärluft stets automatisch an den aktuellen Betriebszustand der Brennkraftmaschine angepaßt und ausreichend verdichtet ist, um dem Abgasstrang wie bereits beschrieben zugeführt werden zu können.
Gewöhnlich wird eine Brennkraftmaschine bei hoher Last, zum Beispiel zum Schutz von Motorkomponenten, in einem unterstöchiometrischen bzw. sauerstoffarmen Modus betrieben, das heißt Lambda ist kleiner als 1. Mit der erfindungsgemäßen Abgasanlage ist auch in einem solchen Fall die Anhebung des Sauerstoffanteils im Abgas gezielt stromauf des Partikelfilters in der beschriebenen, einfachen Weise auf Lambda größer als 1 möglich, um somit eine Verbrennung bzw. Oxidierung der Rußpartikel in dem Partikelfilter zu ermöglichen. Unterstützt wird dieser Vorgang zusätzlich durch die von der Brennkraftmaschine bei hoher Last ohnehin bereitgestellten hohen Abgastemperaturen von zum Beispiel etwa gleich oder größer 550°C. Die erfindungsgemäße Abgasanlage stellt demnach in einfacher Weise eine optimale und dauerhafte Funktion des Partikelfilters in einem weiten Betriebsbereich der aufgeladenen Brennkraftmaschine sicher.
Alternativ oder zusätzlich zu der eingangsseitigen Ladeluft einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann die verdichtete Sekundärluft ebenfalls mittels eines zusätzlichen Gebläses, beispielsweise mittels eines elektrisch betriebenen Verdichters, erzeugt werden. Ebenso könnte die als Sekundärluft verwendete Luft zum Beispiel verdichtete Luft aus einem Druckluftspeicherbehälter sein, der während des Betriebs der Brennkraftmaschine entsprechend nachgefüllt wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Sekundärlufteinlaßöffnung stromab des wenigstens einen Katalysators im Abgasstrang angeordnet. Mit anderen Worten ist die Sekundärlufteinlaßöffnung in einem solchen Fall zwischen dem bzw. den Katalysatoren im Abgasstrang und dem Partikelfilter angeordnet, wodurch der bzw. die Katalysatoren, insbesondere beispielsweise ein Drei-Wege-Katalysator, hinsichtlich des im Abgas enthaltenen Sauerstoffanteils stets in einem optimalen Betriebspunkt betreibbar ist. Die Sekundärluft, das heißt der zusätzliche Sauerstoff, wird in Abgasströmungsrichtung gesehen erst nach dem Katalysator in den Abgasstrang eingeleitet und verändert das für eine optimale Reinigungsleistung des Katalysators wichtige stöchiometrische Kraftstoff-Luft-Verhältnis im Katalysator im Wesentlichen nicht.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Flatterventil ein aktiv von einer Steuereinheit gesteuertes Flatterventil. Dies ermöglicht es in besonders vorteilhafter Weise, die Einleitung von Sekundärluft in den Abgasstrang zu steuern bzw. diese beispielsweise zeitweise vollständig zu unterbinden. Somit kann die Steuereinheit die Reinigung bzw. Regeneration des Partikelfilters in optimaler Weise steuern. Beispielsweise kann die Regeneration bis zum Erreichen einer bestimmten Partikelmassekonzentration im Partikelfilter durch Geschlossenhalten des Flatterventils verhindert werden und erst ab einer vorgegebenen Partikelladung des Filters die Regeneration durch Öffnen und Einleiten von Sekundärluft in den Abgasstrang gestartet und durchgeführt werden. Somit ist während des Betriebs der Brennkraftmaschine stets eine optimale Filtereigenschaft des Partikelfilters gewährleistet.
Die erfindungsgemäße Abgasanlage ist vorteilhafterweise ebenfalls mit Brennkraftmaschinen einsetzbar, die eine so genannte Schubabschaltung aufweisen. Die Schubabschaltung ist eine gesteuerte Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr zur Brennkraftmaschine, wenn von dieser keine Leistung abgefordert wird, wie dies beispielsweise während des Schubbetriebs der Fall ist. Während des Schubbetriebs und der gleichzeitigen Schubabschaltung wird zweckmäßigerweise für die Regeneration des Partikelfilters weiterhin Luft bzw. Sauerstoff durch die Brennkraftmaschine geleitet. Somit ist eine Regeneration des Partikelfilters unter allen Betriebszuständen bzw. Lastbereichen der Brennkraftmaschine möglich, ohne die Brennkraftmaschine hierfür speziell in einen sauerstoffreichen Magermodus (Lambda > 1) umschalten zu müssen. Ebenso kann auf die Verwendung von Additiven zur Unterstützung der Verbrennung bzw. Oxidation der Rußpartikel im Partikelfilter verzichtet werden.
In bevorzugter Ausführung wird die erfindungsgemäße Abgasanlage für eine mittels eines Abgasturboladers aufgeladene Brennkraftmaschine, insbesondere einen Ottomotor, mit Direkteinspritzung verwendet, wobei die Abgasanlage einen Abgasstrang aufweist, der mit einer Auslaßseite der Brennkraftmaschine verbindbar ist und in dem in stromabwärtiger Richtung wenigstens ein Katalysator, insbesondere ein Drei-Wege-Katalysator, angeordnet und diesem ein Partikelfilter nachgeschaltet ist. Ferner ist zwischen dem Katalysator und dem Partikelfilter eine Sekundärlufteinlaßöffnung zum Einleiten von Sekundärluft über ein Flatterventil in den Abgasstrang vorgesehen und die Sekundärluft ist eingangsseitige Ladeluft der aufgeladenen Brennkraftmaschine.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10345986 A1 [0004]
EP 1970547 B1 [0005]
DE 3818158 A1 [0006]
DE 10350485 A1 [0007]
DE 102006004239 A1 [0008]

Claims

Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine, aufweisend einen Abgasstrang, der mit einer Auslaßseite der Brennkraftmaschine verbindbar ist, wobei im Abgasstrang in stromabwärtiger Richtung wenigstens ein Katalysator angeordnet und diesem ein Partikelfilter nachgeschaltet ist, wobei im Abgasstrang stromauf des Partikelfilters eine Sekundärlufteinlaßöffnung zum Einleiten von Sekundärluft über wenigstens ein Flatterventil in den Abgasstrang vorgesehen ist und die Sekundärluft verdichtete Luft ist.
Abgasanlage nach Anspruch 1, wobei die Sekundärluft eingangsseitige Ladeluft einer aufgeladenen Brennkraftmaschine ist.