DE102011118765A1 - Ottomotor mit Druckwellenlader und Dreiwegekatalysator - Google Patents

Ottomotor mit Druckwellenlader und Dreiwegekatalysator Download PDF

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Abstract

Die Erfindung beschreibt einen Ottomotor (1) in Kombination mit einem Druckwellenlader (2) und einem geregelten Dreiwegekatalysator (3, 30), wobei der Dreiwegekatalysator (3, 30) im Abgasstrang (4) zwischen Motorauslass und Druckwellenladereinlass angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist zusätzlich eine Partikelfilterung (3, 5) vorgesehen.

Description

  • Die Erfindung beschreibt einen Ottomotor in Kombination mit einem Druckwellenlader und einem geregelten Dreiwegekatalysator, wobei der Dreiwegekatalysator im Abgasstrang zwischen Motorauslass und Druckwellenladereinlass angeordnet ist.
  • Aus der EP 0 885 352 B1 ist es bekannt, einen Otto-Motor in Kombination mit einem Druckwellenlader und einem geregelten Dreiwegekatalysator vorzusehen, wobei der Dreiwegekatalysator zwischen Motorauslass und Druckwellenladereinlass angeordnet ist und nach dem Druckwellenlader ein Oxidationskatalysator im Abgasstrang folgt. Dabei dienen zur Steuerung der Katalysatoren eine Lambda-Sonde, ein Temperaturfühler und eine Wastegate-Klappe. Damit soll ein Otto-Motor angegeben werden, der sowohl eine wesentlich höhere spezifische Leistung als auch einen wesentlich geringeren Schadstoffausstoß aufweist.
  • Aus der EP 0 899 436 B1 ist ein Otto-Motor in Kombination mit einer Druckwellenmaschine und einem Dreiwegekatalysator bekannt, wobei der Dreiwegekatalysator im Auslass des Otto-Motors zwischen dem Otto-Motor und dem Abgaseinlass der Druckwellenmaschine angeordnet ist und zwischen dem Dreiwegekatalysator und dem Abgaseinlass der Druckwellenmaschine eine Heizeinrichtung angeordnet ist. Gemäß 2 kann der Dreiwegekatalysator auch zweigeteilt sein, wobei sich die Heizeinrichtung zwischen den beiden Teilen befindet. Dadurch kann eine effiziente Heizung des Katalysators und des Eingangs der Druckwellenmaschine erzielt werden. Außerdem wird ein Diesel-Motor in Kombination mit einer Druckwellenmaschine, einer Heizeinrichtung und einem Katalysator offenbart, wobei die Heizeinrichtung auf den Abgaseinlass der Druckwellenmaschine wirkt. Der Katalysator ist ein Oxidationskatalysator. Er befindet sich im Auslass des Diesel-Motors zwischen dem Diesel-Motor und dem Abgaseinlass der Druckwellenmaschine. Die Heizeinrichtung befindet sich zwischen dem Oxidationskatalysator und dem Abgaseinlass der Druckwellenmaschine.
  • Aus der EP 0 072 059 B1 ist es bekannt, einen Abgaspartikelfilter im Hochdruckteil eines Abgassystems vor einer Druckwellenmaschine anzuordnen.
  • Aus der DE 39 07 939 A1 ist es bekannt, bei einem Dieselmotor eine integrale Ausfilterung von Rußpartikeln, gepaart mit einer auf tiefen Temperaturen stattfindenden Regenerierung sowie eine Nachoxidation der gasförmigen Schadstoffe anhand eines einheitlichen Filterelementes vorzusehen. Dies ist auch besonders vorteilhaft für einen Druckwellenlader, der stromabwärts des Filters platziert ist, da der Druckwellenlader einerseits vor möglichen Rußpartikeln verschont bleiben soll und der Druckwellenlader andererseits rasch ansprechen soll, was nur möglich ist, wenn die Wärmesenkeigenschaft des Filters minimiert werden kann.
  • Konventionelle Ottomotoren zeigen im Teillast-Bereich in typischen Fahrzyklen sehr geringe Partikelemission, bei Lastzunahme und insbesondere bei Anfettung des Gemisches mit Kraftstoff werden allerdings Partikelkonzentrationen gemessen, die einem Dieselmotor sowohl bezüglich der Partikelkonzentration als auch bezüglich des Partikelcharakters weitgehend entsprechen. Bei einem Ottomotor mit Direkteinspritzung ist die Situation dem Dieselmotor ähnlich. Vor allem im geschichteten Betrieb werden hohe Konzentrationen an äußerst feinen Partikeln festgestellt. Zudem haben sich die Abgasnormen seit dem Anmeldetag der genannten Druckschriften mehrfach verschärft und verschärfen sich auch noch in Zukunft.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Abgasreinigungskonzept eines Ottomotors in Kombination mit einem Druckwellenlader weiter zu verbessern. Insbesondere gilt es, ein an die systemspezifischen Anforderungen des Druckwellenladers angepasstes Abgasreinigungskonzept zur Unterschreitung der zukünftig strengsten Abgasemissionsgrenzwerte (Europa EU6 und/oder USA LEV III) auszulegen.
  • Diese Aufgabe löst die Erfindung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Demnach ist bei einem Ottomotor in Kombination mit einem Druckwellenlader und einem geregelten Dreiwegekatalysator der Dreiwegekatalysator im Abgasstrang zwischen Motorauslass und Druckwellenladereinlass angeordnet und erfindungsgemäß eine Partikelfilterung vorgesehen. Mit der erfindungsgemäßen Partikelfilterung wird dem Problem der sehr kleinen Feinpartikel begegnet, die moderne direkteinspritzende Ottomotoren emittieren. Dabei handelt es sich bei allen erfindungsgemäßen Ausführungsvarianten um ein einfaches System mit zusätzlicher Partikelreinigung, welches die Aufwände für eine innermotorische Partikelminderung reduziert.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Dreiwegekatalysator selbst zusätzlich mit einer Partikelfilterfunktion ausgestattet. So wird ein integriertes System mit Drei-Wege-Katalyse und zusätzlicher Partikelreinigung geschaffen. Die Platzierung der Reinigung vor dem Druckwellenlader ermöglicht ein ungestörtes Spülen des Druckwellenladers, weil kein Gegendruck im Abgasstrang aufgebaut wird. Dies ist für die Leistungsfähigkeit des Laders besonders wichtig. Außerdem kann das Abgassystem bis zum Druckwellenlader durch die ohnehin vorhandene sogenannte On-board-Diagnose überwacht werden. Allerdings erfordert diese Variante eine recht hohe Temperaturbeständigkeit des Katalysators mit einer entsprechend hohen Edelmetallbeladung des integrierten Katalysators zur Alterungsabsicherung. Auch ist zunächst vor dem Druckwellenlader eine relativ große thermische Masse aufzuheizen. Zudem muss der Einfluss des Partikelfilterabbrands auf die Leistung des Druckwellenladers berücksichtigt werden. Der Partikelfilter wird bei kurzzeitigen relativ hohen Abgastemperaturen gereinigt, was im Druckwellenlader und dem Ottomotor als Leistungsplus ankommen würde. Da ein Fahrer jedoch keiner unvorhergesehene Leistungsänderung seines Fahrzeugs ausgesetzt sein soll, muss dieser Leistungssprung am Druckwellenlader durch eine entsprechende Regelung des Druckwellenladers ausgeglichen werden. Steigt also beim Regenerationsbetrieb des Partikelfilters die Abgasenthalpie an, muss diesem Anstieg zur Darstellung eines konstanten Ladedrucks mit einer Anpassung der Stellgrößen des Druckwellenladers begegnet werden. Dies ist aber mit den bekannten Stellgrößen am Druckwellenlader problemlos möglich.
  • In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsvariante ist nach einem Druckwellenladerauslass im Abgasstrang ein Partikelfilter angeordnet. Auch hierbei handelt es sich um ein besonders einfaches System mit zusätzlicher Partikelreinigung. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist nach dem Partikelfilter noch ein Stickoxidnachbehandlungssystem angeordnet. Dadurch dass Partikelfilter und gegebenenfalls Stickoxidnachbehandlungseinheit nach dem Druckwellenlader liegen, ist vor dem Einlass des Druckwellenladers die aufzuheizende Masse kleiner. Die geringere thermische Trägheit in Verbindung mit dem geringeren Volumen vor dem Druckwellenladereinlass im Abgasstrang wirkt sich positiv auf den Druckwellenlader bei transientem Fahrverhalten, also bei Lastwechseln aus. Da der Druckwellenlader möglichst nah am Auslass des Verbrennungsmotors sitzen sollte und ohnehin in diesen Abgaspfad bereits ein Dreiwegekatalysator eingebunden ist, ist die dem Druckwellenlader nachgeordnete Platzierung von Partikelfilter und Stickoxidnachbehandlung gut bauraumkompatibel. Allerdings zeigt das Betriebsverhalten eines Druckwellenladers eine deutliche Abhängigkeit vom abgasseitig nach dem Druckwellenlader herrschenden Gegendruck. Je höher der Gegendruck ist, desto mehr wird der Spülprozess gedrosselt. Der sich einstellende Gegendruck wird auch durch den Partikelfilter und das Stickoxidnachbehandlungssystem erhöht, daher limitiert dieser Gegendruck die maximale Ladeluftmenge des Druckwellenladers. Mit der Partikelfilterung und gegebenenfalls der Stickoxidnachbehandlung kann aber die Einhaltung der Grenzwerte für Feinpartikel und Stickoxide sichergestellt werden und zwar auch gerade dann, wenn ein effizienter motorischer Magerbetrieb gewählt wird.
  • Besonders bevorzugt kann die erfindungsgemäße Druckwellenladeranordnung auch für ein Regelungsverfahren verwendet werden, indem der Druckwellenlader so geregelt wird, dass der Druckwellenlader durch Spülen des Abgases mit Luft das Abgas nach dem Druckwellenladerauslass mit Sauerstoff anreichert. Dadurch kann die Abgastemperatur nach dem Druckwellenladerauslass im Sinne eines Thermomanagements beeinflusst werden.
  • Bei einer fetten Abgaszusammensetzung ist im Abgas unverbrannter Kraftstoff enthalten, der durch eine Reaktion mit Sauerstoff verbrennen kann. Wenn über den Druckwellenlader dem fetten Abgasgemisch durch Spülen mit Luft Sauerstoff zugeführt wird, kann so die Abgastemperatur über einen Nachbrenneffekt nach dem Druckwellenladerauslass erhöht werden. Somit kann der Druckwellenlader zur Umsetzung einer Sekundärluftfunktion zur Reduktion der Zeit bis zum Light-off, also bis zur Starttemperatur des nach dem Druckwellenlader befindlichen Partikelfilters und/oder Stickoxidnachbehandlungssystems genutzt werden. Insbesondere wird der Druckwellenlader so geregelt, dass der Druckwellenlader durch Spülen des Abgases mit Luft das Abgas nach dem Druckwellenladerauslass mit Sauerstoff dann anreichert, wenn bei fetter Abgaszusammensetzung die Abgastemperatur in dem nach dem Druckwellenladerauslass angeordneten Partikelfilter für eine durchzuführende Reinigung des Partikelfilters nicht ausreicht und/oder wenn die Abgastemperatur vor dem Stickoxidnachbehandlungssystem niedriger ist als die zum Funktionieren des Stickoxidnachbehandlungssystems notwendige Mindesttemperatur. Dadurch wird ein zuverlässiger Reinigungsbetrieb sichergestellt. In vorteilhafter Weise kann so auf eine separate Heiz- oder Sekundärluftzuführeinrichtung verzichtet werden.
  • Alternativ kann die Abgastemperatur nach dem Druckwellenlader durch Spülen mit Frischluft auch auf eine gewünschte niedrigere Temperatur abgesenkt werden. Dadurch wird erfindungsgemäß ermöglicht, den nach dem Druckwellenlader befindlichen Partikelfilter und/oder das Stickoxidnachbehandlungssystem in einem optimalen Arbeitstemperaturbereich zu halten, insbesondere kann so auch ein Überschreiten einer vorgegebenen Maximaltemperatur verhindert werden. Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Regelung einer Abgastemperatur bei dem Ottomotor in Kombination mit dem Druckwellenlader und dem geregelten Dreiwegekatalysator offenbart, bei dem der Druckwellenlader durch Spülen des Abgases mit Luft das Abgas nach dem Druckwellenladerauslass mit Sauerstoff dann anreichert, wenn bei einem stöchiometrischen oder mageren Abgasgemisch die Abgastemperatur nach dem Druckwellenladerauslass einen vorgegebenen Temperaturbereich für den Partikelfilter und/oder das Stickoxidnachbehandlungssystem überschreitet. Bei einem stöchiometrischen oder mageren Abgasgemisch ist im Abgas kein überschüssiger Kraftstoff mehr vorhanden, der noch verbrennen könnte. Durch das Zuführen von relativ kalter Frischluft wird die Abgastemperatur über den kühleren Massenstrom abgesenkt. Das Nachbehandlungssystem kann also über einen größtmöglichen Zeitraum in seinem bevorzugten Temperaturfenster betrieben werden.
  • Nachfolgend ist die Erfindung anhand der Figuren genauer beschrieben. Dabei zeigen
  • 1 einen Abgasstrang (4) mit einem Dreiwegekatalysator mit einer integrierten Partikelfilterfunktion (3) vor einem Druckwellenlader (2),
  • 2 den Abgasstrang (4) mit einem Dreiwegekatalysator (30) vor dem Druckwellenlader (2) und einem Partikelfilter (5) nach dem Druckwellenlader (2),
  • 3 einen Abgasstrang (4) mit einem Dreiwegekatalysator (30) vor dem Druckwellenlader (2) und einem Partikelfilter (5) nach dem Druckwellenlader (2) sowie einem Stickoxidnachbehandlungssystem (6).
  • 1 zeigt schematisch einen Ottomotor (1), an dessen Auslass sich ein Abgasstrang (4) anschließt. Nah am Auslass des Ottomotors (1) sitzt ein Dreiwegekatalysator (3). Aktuell im Markt befindliche aufgeladene Ottomotoren sind ausschließlich mit Abgasturboladern, mechanisch angetriebenen Kompressoren oder einer Kombination von beiden mehrstufig aufgeladen. Die motornahe Platzierung des Dreiwegekatalysators (3) wird durch den Druckwellenlader (2) ermöglicht. Ein Energieaustausch von einer Heißgasseite (21), welche sich im Abgasstrang (4) befindet und in die Abgas in Pfeilrichtung vom Abgasstrang (4) einströmt und die Heißgasseite (21) in Pfeilrichtung in den Abgasstrang (4) wieder verlässt, zu einer Kaltgasseite (20), welche in Pfeilrichtung von der Umgebungsluft angeströmt wird und die Kaltgasseite (20) in Richtung einer nicht näher dargestellten Ladeluftleitung zum Ottomotor (1) wieder verlässt, findet mit Schallgeschwindigkeit statt. Daraus resultiert ein gegenüber einem Turbolader deutlich besseres Ansprechverhalten, so dass ein Befüllen des Druckwellenladers (2) nicht so eine kritische Rolle spielt wie bei einem Turbolader. Folglich kann der Dreiwegekatalysator (3) vor dem Druckwellenlader (2) im Abgasstrang (4) sitzen. Durch die Möglichkeit einer motornahen Anbindung des Dreiwegekatalysators (3), wird die Betriebstemperatur des Reinigungssystems (3) früher erreicht. In den Dreiwegekatalysator (3) ist eine Partikelfilterfunktion integriert. Dies geschieht entweder durch eine besondere Beschichtung des Dreiwegekatalysators (3) oder durch einen besonderen Aufbau. Dadurch wird auch bei einem modernen aufgeladenen, direkteinspritzenden Ottomotor sichergestellt, dass nicht nur die gewünschte Motorenleistung erbracht wird, sondern auch die gesetzlichen Abgasgrenzwerte eingehalten werden. Der Abgasstrang (4) nach dem Druckwellenlader (2) ist frei von Katalysatoren, was sich äußerst positiv in einem niedrigen Gegendruck auswirkt. Der Dreiwegekatalysator mit Partikelfilterfunktion (3) vor dem Druckwellenlader (2) stellt zwar eine relativ große thermische Masse dar, die sich auf die Abgastemperatur vor dem Druckwellenlader (2) auswirkt, weil sie immer zuerst aufgeheizt werden muss, dem kann jedoch mittels einer Heizstrategie begegnet werden.
  • 2 zeigt ebenfalls den Ottomotor (1) mit anschließendem Abgasstrang (4) und den Druckwellenlader (2) mit Heißgasseite (21) und Kaltgasseite (20). Vor dem Druckwellenlader (2) sitzt ein Dreiwegekatalysator (30). Die Partikelfilterfunktion wird durch einen Partikelfilter (5) ausgeübt, der hinter dem Druckwellenlader (2) im Abgasstrang (4) sitzt. Dadurch ist die thermische Trägheit und das Volumen vor dem Druckwellenlader (2) gegenüber der Lösung aus 1 geringer, allerdings erhöht der Partikelfilter (5) den Gegendruck im Abgasstrang (4).
  • In 3 schließt sich an den Partikelfilter (5) noch ein Stickoxidnachbehandlungssystem (6) an. Durch den Dreiwegekatalysator (30), den Partikelfilter (5) und das Stickoxidnachbehandlungssystem (6) wird das von dem Ottomotor (1) emittierte Abgas bestmöglich gereinigt, während es gleichzeitig durch den Druckwellenlader (2) über den Energieaustausch zwischen Heißgasseite (21) und Kaltgasseite (22) zum Verdichten der Ladeluft genutzt wird.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 0885352 B1 [0002]
    • EP 0899436 B1 [0003]
    • EP 0072059 B1 [0004]
    • DE 3907939 A1 [0005]

Claims (7)

  1. Ottomotor (1) in Kombination mit einem Druckwellenlader (2) und einem geregelten Dreiwegekatalysator (3, 30), wobei der Dreiwegekatalysator (3, 30) im Abgasstrang (4) zwischen Motorauslass und Druckwellenladereinlass angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Partikelfilterung (3, 5) vorgesehen ist.
  2. Ottomotor (1) in Kombination mit dem Druckwellenlader (2) und dem geregelten Dreiwegekatalysator (3, 30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dreiwegekatalysator (3) selbst zusätzlich mit einer Partikelfilterfunktion ausgestattet ist.
  3. Ottomotor (1) in Kombination mit dem Druckwellenlader (2) und dem geregelten Dreiwegekatalysator (3, 30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem Druckwellenladerauslass im Abgasstrang (4) ein Partikelfilter (5) angeordnet ist.
  4. Ottomotor (1) in Kombination mit dem Druckwellenlader (2) und dem geregelten Dreiwegekatalysator (3, 30) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Partikelfilter (5) ein Stickoxidnachbehandlungssystem (6) angeordnet ist.
  5. Verfahren zur Regelung einer Abgastemperatur bei dem Ottomotor (1) in Kombination mit dem Druckwellenlader (2) und dem geregelten Dreiwegekatalysator (3, 30) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckwellenlader (2) so geregelt wird, dass der Druckwellenlader (2) durch Spülen des Abgases mit Luft das Abgas nach dem Druckwellenladerauslass mit Sauerstoff anreichert, wodurch die Abgastemperatur nach dem Druckwellenladerauslass beeinflusst wird.
  6. Verfahren zur Regelung einer Abgastemperatur bei dem Ottomotor (1) in Kombination mit dem Druckwellenlader (2) und dem geregelten Dreiwegekatalysator (3, 30) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckwellenlader (2) durch Spülen des Abgases mit Luft das Abgas nach dem Druckwellenladerauslass mit Sauerstoff dann anreichert, wenn bei einer fetten Abgaszusammensetzung die Abgastemperatur in dem nach dem Druckwellenladerauslass angeordneten Partikelfilter (5) für eine durchzuführende Reinigung des Partikelfilters (5) nicht ausreicht und/oder wenn die Abgastemperatur vor dem Stickoxidnachbehandlungssystem (6) niedriger ist als die zum Funktionieren des Stickoxidnachbehandlungssystems notwendige Mindesttemperatur.
  7. Verfahren zur Regelung einer Abgastemperatur bei dem Ottomotor (1) in Kombination mit dem Druckwellenlader (2) und dem geregelten Dreiwegekatalysator (3, 30) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckwellenlader (2) durch Spülen des Abgases mit Luft das Abgas nach dem Druckwellenladerauslass mit Sauerstoff dann anreichert, wenn bei einem stöchiometrischen oder mageren Abgasgemisch die Abgastemperatur nach dem Druckwellenladerauslass einen vorgegebenen Temperaturbereich für den Partikelfilter (5) und/oder das Stickoxidnachbehandlungssystem (6) überschreitet.
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