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Die Erfindung betrifft einen Abgasstrang einer Brennkraftmaschine, mit von Abgas der Brennkraftmaschine durchströmbar, strömungstechnisch hintereinander an die Brennkraftmaschine angeschlossenen Abgasreinigungseinrichtungen, wobei wenigstens eine erste der Abgasreinigungseinrichtungen elektrisch beheizbar ist.
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Bekannten Brennkraftmaschinen sind Abgasstränge zugeordnet, die beispielsweise eine Abgasreinigungseinrichtung in Form eines geregelten Dreiwegekatalysators zur Abgasnachbehandlung aufweisen. Zur Erreichung eines hohen Umwandlungsgrads ist es daher notwendig, die Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoff-Luft-Gemisch zu betreiben, welches im Wesentlichen dem stöchiometrischen Verhältnis entspricht. Bei einigen Ausführungsformen der Brennkraftmaschine werden jedoch auch sogenannte Mager- beziehungsweise Schichtkonzepte umgesetzt. Dabei wird die Brennkraftmaschine in einem Teil des Betriebskennfelds nicht mit einem stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Verhältnis, sondern bei Luftüberschuss betrieben. Bei einer solchen Vorgehensweise ist jedoch zusätzlich eine weitere Abgasreinigungseinrichtung notwendig, welche als SCR-Abgasreinigungseinrichtung (SCR: Selective Catalytic Reduction) oder als DeNox-Abgasreinigungseinrichtung (DeNox: Rauchgasentstickung) ausgeführt ist, weil der Dreiwegekatalysator bei Luftüberschuss lediglich oxidierend wirkt, also nur als Zweiwegekatalysator arbeitet.
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Allen Ausführungsformen ist gemeinsam, dass die Abgasreinigungseinrichtung, beispielsweise also der Dreiwegekatalysator, ihre Leistungsfähigkeit erst ab Erreichen einer bestimmten Betriebstemperatur entfaltet. Ist diese erreicht, gelangen gasförmige Schadstoffe, insbesondere HC, CO und/oder NOx, nur noch in geringfügigem Ausmaß durch die Abgasreinigungseinrichtung hindurch. Zur schnellen Erreichung dieser Betriebstemperatur ist es bekannt, die Abgasreinigungseinrichtung zu beheizen. Die dabei eingesetzten Heizverfahren arbeiten beispielsweise mit Spätzündung, erhöhter Leerlaufdrehzahl, Mehrfacheinspritzung und teilweise sogar mit Sekundarlufteinblasung in den Abgaskrümmer zur Nachverbrennung von Kohlenwasserstoffen und Kohlenstoffmonoxid.
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Ebenfalls wird die Abgasreinigungseinrichtung vorzugsweise so nah an der Brennkraftmaschine wie möglich platziert. Daraus ergibt sich für aufgeladene Brennkraftmaschinen eine besondere Herausforderung, da die Turbine und das Gehäuse des Turboladers eine große Oberfläche beziehungsweise Masse aufweisen und entsprechend zu einer starken Abkühlung des Abgases führen, bevor dieses in die Abgasreinigungseinrichtung gelangt. Entsprechend heizt sich diese langsamer auf.
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Der Hauptnachteil dabei ist der enorme Energieeinsatz, welcher für das Heizen des Dreiwegekatalysators aufgebracht werden muss. Bei einer großvolumigen Brennkraftmaschine, beispielsweise einer aufgeladenen V8-Brennkraftmaschine, ist der Kraftstoffmehrverbrauch gegenüber optimaler Betriebsweise, also ohne Spätzündung, ohne Anfettung aufgrund Sekundärlufteinsatz, ohne erhöhte Drehzahlen und dergleichen zur Aufheizung der Abgasreinigungseinrichtung auf etwa 0,6 bis 0,8 l/100 km auf Basis des aktuellen europäischen Fahrzyklus zu beziffern. Ein weiterer Verbrauchsnachteil entsteht dadurch, dass die motornah platzierte Abgasreinigungseinrichtung im oberen Last- und Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine gekühlt werden muss, beispielsweise mittels Kraftstoff. Hinzu kommt der erhöhte Abgasgegendruck aufgrund des größeren Volumenstroms bei der erhöhten Abgastemperatur. Auch ist die Brennkraftmaschine bei einem Betreiben mit Spätzündung während des Kaltstarts empfindlicher gegenüber Schlechtkraftstoffen, was zu einer schlechteren Laufruhe führt.
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Um die Abgasreinigungseinrichtung beziehungsweise den Katalysator schneller aufzuheizen kann ein elektrisches Beheizen vorgesehen sein. Dies ist vor allem dann möglich, wenn die Brennkraftmaschine Bestandteil einer Hybridantriebseinrichtung ist, welche neben der Brennkraftmaschine wenigstens eine elektrische Maschine aufweist. Die Brennkraftmaschine und die elektrische Maschine sind dabei bevorzugt derart miteinander wirkverbunden, dass ein Antriebsmoment des Kraftfahrzeugs, welchem die Antriebseinrichtung zugeordnet ist, von der Brennkraftmaschine und der elektrischen Maschine wenigstens zeitweise gemeinsam erzeugt wird. Derartige Hybridantriebseinrichtungen weisen aufgrund der ohnehin vorgesehenen elektrischen Maschine ein höheres Leistungsangebot des Bordnetzes auf, sodass für das elektrische Beheizen der Abgasreinigungseinrichtung keine zusätzlichen Einrichtungen notwendig sind.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Abgasstrang einer Brennkraftmaschine vorzustellen, welcher den Eingangs genannten Nachteil nicht aufweist, sondern insbesondere ein schnelles Erreichen der Betriebstemperaturen und der Abgasreinigungseinrichtungen bei gleichzeitig geringem Abgasgegendruck aufweist.
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Dies wird erfindungsgemäß mit dem Abgasstrang mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Dabei ist vorgesehen, dass die erste, elektrisch beheizbare Abgasreinigungseinrichtung stromabwärts wenigstens einer zweiten der Abgasreinigungseinrichtungen vorgesehen ist. Die elektrisch beheizbare Abgasreinigungseinrichtung, also die erste Abgasreinigungseinrichtung, ist bei aus dem Stand der Technik bekannten Abgassträngen üblicherweise die erste in Strömungsrichtung auf die Brennkraftmaschine folgende Abgasreinigungseinrichtung. Bei einer derartigen Konfiguration arbeitet die erste Abgasreinigungseinrichtung häufig als Vorkatalysator, welcher lediglich eine geringe Masse beziehungsweise ein geringes Volumen aufweist und bevorzugt lediglich in einem Kaltstartbetrieb der Brennkraftmaschine für eine ausreichende Reinigung des Abgases sorgt. Nachdem eine weitere, stromabwärts gelegene Abgasreinigungseinrichtung ihre Betriebstemperatur erreicht hat, übernimmt diese die Reinigung des Abgases.
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Erfindungsgemäß ist im Wesentlichen eine Umkehrung dieser Reihenfolge vorgesehen. So ist nun die zweite Abgasreinigungseinrichtung stromaufwärts der ersten Abgasreinigungseinrichtung vorgesehen, also zwischen dieser und der Brennkraftmaschine. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die zweite Abgasreinigungseinrichtung als Partikelfilter vorliegt oder einen solchen zumindest aufweist. Über den Abgasstrang ist vorzugsweise eine unmittelbare Verbindung zwischen der Brennkraftmaschine und einer Umgebung der Brennkraftmaschine hergestellt. Neben den dem Abgasstrang zugeordneten Abgasreinigungseinrichtungen durchströmt das Abgas der Brennkraftmaschine also keine weiteren Abgasreinigungseinrichtungen. Bevorzugt ist die elektrisch beheizbare Abgasreinigungseinrichtung in Strömungsrichtung die letzte Abgasreinigungseinrichtung, bevor das Abgas in die Umgebung ausgebracht wird. Grundsätzlich können die Abgasreinigungseinrichtungen separat ausgebildet und über jeweils eine Abgasleitung miteinander verbunden sein. Die Abgasreinigungseinrichtungen können jedoch auch beispielsweise in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein, welches auf seiner einen Seite strömungstechnisch an die Brennkraftmaschine und auf der gegenüberliegenden Seite an die Umgebung angeschlossen ist.
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Durch die stromabwärtige Anordnung der elektrisch beheizbaren Abgasreinigungseinrichtung wird während des Kaltstartbetriebs der Brennkraftmaschine Kraftstoff eingespart, weil keine speziellen Maßnahmen für das Aufheizen der Abgasreinigungseinrichtungen vorgesehen werden müssen beziehungsweise minimal ausgelegt werden können. Insbesondere wird der aus dem direkten Einbringen von Kraftstoff vor den Abgasreinigungseinrichtungen resultierende Kraftstoffverbrauch erheblich reduziert. Bevorzugt ist das Aufheizen lediglich durch das elektrische Beheizen und das Durchströmen mit dem Abgas vorgesehen, wobei die Temperatur von letzterem nicht oder nur geringfügig durch gegenüber dem Normalbetrieb veränderte Betriebsparameter der Brennkraftmaschine erhöht wird. Entsprechend wird eine bessere Laufruhe der Brennkraftmaschine und eine erhöhte Schlechtspritverträglichkeit erzielt, weil die Verbrennung prozessoptimal gestaltet werden kann und keine Rücksicht auf eine für die Abgasreinigungseinrichtungen notwendige Heizleistung genommen werden muss. Zudem gilt grundsätzlich, dass derartige Heizmaßnahmen eine umso geringere Heizleistung auf die erste Abgasreinigungseinrichtung aufweisen, je weiter stromabwärts diese angeordnet ist beziehungsweise je mehr Abgasreinigungseinrichtungen zwischen der Brennkraftmaschine und ihr angeordnet sind.
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Auch kann eine Sekundärlufteinrichtung entfallen, weil keine Sekundärluft zum Aufheizen der Abgasreinigungseinrichtungen eingebracht werden muss. Entsprechend können die Kosten es Abgasstrangs beziehungsweise der Brennkraftmaschine deutlich reduziert werden. Zusätzlich bedeutet der Entfall der Sekundärlufteinrichtung eine deutlich reduzierte NOx-Emission, weil kein Sauerstoffüberschuss in dem Abgas vorliegt beziehungsweise kein zusätzlicher Sauerstoff nach der Brennkraftmaschine in das Abgas eingebracht wird. Auch der Bauteilschutzbedarf wird reduziert. Zudem werden thermische Belastungen der der ersten Abgasreinigungseinrichtung zugeordneten elektrischen Heizeinrichtung weitgehend vermieden, weil stets zumindest die eine zweite Abgasreinigungseinrichtung stromaufwärts der ersten Abgasreinigungseinrichtung vorgesehen ist, sodass die Temperatur des Abgases bei Erreichen der ersten Abgasreinigungseinrichtung bereits deutlich reduziert ist.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das elektrische Beheizen der Abgasreinigungseinrichtung bereits dann durchgeführt wird, wenn eine Fahrertür des Kraftfahrzeugs geöffnet wird und/oder eine Fahrererkennung, welche beispielsweise einem Fahrersitz zugeordnet ist, einen Fahrer in einem Innenraum des Kraftfahrzeugs anzeigt. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das elektrische Beheizen der Abgasreinigungseinrichtung lediglich über einen bestimmten Zeitraum durchgeführt wird und/oder nur dann, wenn die Fahrzeugbatterie einen ausreichenden Ladestand aufweist. Die Erfindung betrifft demnach ebenso ein Verfahren zum Betreiben des Abgasstrangs beziehungsweise der Brennkraftmaschine, der der Abgasstrang zugeordnet ist.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die erste Abgasreinigungseinrichtung als elektrisch beheizbarer Dreiwegekatalysator vorliegt. Die erste Abgasreinigungseinrichtung weist also beispielsweise eine Beschichtung auf, welche die üblichen Umwandlungsprozesse unterstützt. Sie verfügt zudem über eine Heizeinrichtung, beispielsweise eine Heizscheibe, welche in der ersten Abgasreinigungseinrichtung oder unmittelbar stromaufwärts von dieser von dem Abgas überströmbar angeordnet ist.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die zweite Abgasreinigungseinrichtung einen Partikelfilter aufweist. Der Partikelfilter soll mithin stromaufwärts der ersten Abgasreinigungseinrichtung vorliegen, also zwischen der Brennkraftmaschine und der elektrisch beheizbaren Abgasreinigungseinrichtungen.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die zweite Abgasreinigungseinrichtung eine Dreiwegekatalysatorbeschichtung aufweist. Die zweite Abgasreinigungseinrichtung kann also ebenfalls als Dreiwegekatalysator ausgebildet sein oder zusätzlich die entsprechenden Eigenschaften aufweisen. Insbesondere liegt die zweite Abgasreinigungseinrichtung als Partikelfilter vor, welcher zusätzlich mit der Dreiwegekatalysatorbeschichtung versehen ist. Entsprechend arbeitet die zweite Abgasreinigungseinrichtung als Vierwegekatalysator. Vor allem die Gesetzgebung hinsichtlich Partikelemissionen und die Weiterentwicklung der Zulassungszyklen führen dazu, dass auch für Brennkraftmaschinen, insbesondere Otto-Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung, Abgasreinigungseinrichtungen in Form von Partikelfiltern eingesetzt werden. Daraus resultiert beispielsweise die Verwendung des Vierwegekatalysators, bei welchem ein derartiger Partikelfilter in den Dreiwegekatalysator integriert ist beziehungsweise umgekehrt. Dennoch kann häufig auf den vorstehend beschriebenen Dreiwegekatalysator nicht verzichtet werden, weil die Konvertierungsfähigkeit eines solchen Vierwegekatalysators nicht ausreicht, um die geforderten Umwandlungsraten zu erzielen. Es sind daher üblicherweise mehrere Abgasreinigungseinrichtungen vorgesehen, welche strömungstechnisch hintereinander an die Brennkraftmaschine angeschlossen sind und bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine von dem von dieser erzeugten Abgas durchströmt werden.
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Bei dem Betreiben der Brennkraftmaschine kann es vorgesehen sein, die als Vierwegekatalysator ausgebildete zweite Abgasreinigungseinrichtung durch ein periodisches Verändern des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses um das stöchiometrische Verhältnis herum zu beheizen. Die Heizleistung ist dabei abhängig von der Frequenz und der Amplitude der Schwingungen. Dies kann ebenso für das Beheizen der ersten Abgasreinigungseinrichtung vorgesehen sein. Zusätzlich oder alternativ ist ein „Überreißen” der Speicherfähigkeit der stromaufwärts gelegenen zweiten Abgasreinigungseinrichtung vorgesehen. Entsprechend werden sowohl die erste Abgasreinigungseinrichtung als auch die zweite Abgasreinigungseinrichtung beheizt. Alternativ kann selbstverständlich das elektrische Beheizen durchgeführt werden. Das beschriebene Verfahren ist insbesondere auch während eines normalen Fahrbetriebs, welcher sich an den Kaltstartbetrieb anschließt, durchführbar.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein Kohlenwasserstoffadsorber vorgesehen ist, der als eine dritte der Abgasreinigungseinrichtungen vorliegt oder in die erste Abgasreinigungseinrichtung integriert ist. Der Kohlenwasserstoffadsorber kann auch als HC-Trap bezeichnet werden. Der Kohlenwasserstoffadsorber kann entweder als eigenständige Abgasreinigungseinrichtung vorgesehen und dabei beispielsweise stromaufwärts oder stromabwärts der ersten Abgasreinigungseinrichtung angeordnet sein. Besonders bevorzugt liegt er jedoch stromaufwärts vor, beispielsweise zwischen der ersten Abgasreinigungseinrichtung und der zweiten Abgasreinigungseinrichtung. Alternativ kann er jedoch auch zwischen der ersten Abgasreinigungseinrichtung und einem Auspuff des Abgasstrangs, durch welchen das Abgas in die Umgebung gelangt, angeordnet sein. Der Kohlenwasserstoffadsorber kann in die erste Abgasreinigungseinrichtung integriert sein. Diese kann damit als Vierwegekatalysator mit integriertem Kohlenwasserstoffadsorber vorliegen.
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Der Kohlenwasserstoffadsorber kann für besonders anspruchsvolle Konzepte hinsichtlich der Abgasqualität vorgesehen sein. Er ermöglicht es, während des Beheizens der ersten Abgasreinigungseinrichtung Kohlenwasserstoffe zwischenzuspeichern. Ab einem Überschreiten einer bestimmten Abgastemperatur werden diese wieder desorbiert, also aus dem Kohlenwasserstoffadsorber ausgetragen, und vorzugsweise der stromabwärts gelegenen ersten Abgasreinigungseinrichtung zugeführt. In dieser können sie nachverbrannt werden. Bei Erreichen der Temperatur, ab welcher das Desorbieren erfolgt, ist üblicherweise die erste Abgasreinigungseinrichtung betriebsbereit beziehungsweise hat eine entsprechende Temperatur erreicht. Grundsätzlich kann auch der Vierwegekatalysator eine derartige Speicherfunktionalität bereitstellen.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Strömungsweg zwischen der Brennkraftmaschine und der zweiten Abgasreinigungseinrichtung mindestens 600 mm beträgt. Die zweite Abgasreinigungseinrichtung ist bevorzugt die strömungstechnisch erste Abgasreinigungseinrichtung, welche stromabwärts der Brennkraftmaschine vorliegt. Zwischen der Brennkraftmaschine und der zweiten Abgasreinigungseinrichtung sind mithin keine weiteren Abgasreinigungseinrichtungen vorgesehen. Die zweite Abgasreinigungseinrichtung soll nun motorfern angeordnet sein. Das bedeutet, dass der Strömungsweg mindestens 600 mm beträgt. Bevorzugt ist der Strömungsweg jedoch länger und beträgt mindestens 700 mm, mindestens 800 mm, mindestens 900 mm oder mindestens 1000 mm. Je weiter stromabwärts die zweite Abgasreinigungseinrichtung platziert wird, umso geringer ist der Abgasgegendruck, gegen welchen die Brennkraftmaschine arbeiten muss. Insbesondere wenn die zweite Abgasreinigungseinrichtung den Partikelfilter aufweist, macht sich dieser Unterschied deutlich bemerkbar. Die Absenkung des Abgasgegendrucks resultiert insbesondere aus dem geringeren Volumenstrom, welche wiederum durch die geringeren Abgastemperaturen verursacht wird, die an stromabwärts gelegenen Positionen im Vergleich zu motornahen Positionen vorliegen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigt die einzige
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Figur eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasstrang.
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Die Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Antriebseinrichtung 1 mit wenigstens einer Brennkraftmaschine 2 und einem Abgasstrang 3. Die Brennkraftmaschine 2 ist in der hier dargestellten Ausführungsform als V6-Brennkraftmaschine ausgeführt, welche zudem mittels eines Abgasturboladers 4 aufgeladen ist. Während eines Betriebs der Brennkraftmaschine 2 gelangt Abgas aus Zylindern 5 beispielsweise über einen oder mehrere Abgaskrümmer und/oder ein Hosenrohr über den Abgasturbolader 4 beziehungsweise eine Turbine 6 des Abgasturboladers 4 in den Abgasstrang 3 und wird nachfolgend in eine Umgebung der Antriebseinrichtung 1 entlassen.
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In der Figur sind vier verschiedene Ausführungsformen des Abgasstrangs 3 dargestellt. In der zuoberst dargestellten Ausführungsform weist der Abgasstrang 3 eine erste Abgasreinigungseinrichtung 7 und eine zweite Abgasreinigungseinrichtung 8 auf. Die erste Abgasreinigungseinrichtung 7 ist dabei am weitesten stromabwärts angeordnet, sodass das sie durchströmende Abgas nachfolgend in die Umgebung abgegeben wird. Stromabwärts der ersten Abgasreinigungseinrichtung 7 sind also keine weiteren Abgasreinigungseinrichtungen vorgesehen. Die erste Abgasreinigungseinrichtung 7 ist elektrisch beheizbar. Zu diesem Zweck weist sie eine Heizeinrichtung auf, beispielsweise in Form einer Heizscheibe oder dergleichen, welche in der ersten Abgasreinigungseinrichtung 7 vorgesehen oder dieser zugeordnet ist. Besonders bevorzugt liegt die erste Abgasreinigungseinrichtung 7 als elektrisch beheizbarer Dreiwegekatalysator vor. Stromaufwärts der ersten Abgasreinigungseinrichtung 7 ist die zweite Abgasreinigungseinrichtung 8 vorgesehen. Diese liegt insbesondere als Vierwegekatalysator vor, weist also beispielsweise einen Partikelfilter auf, der mit einer Dreiwegekatalysatorbeschichtung versehen ist.
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Für die weiteren Ausführungsformen wird grundsätzlich auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen. Nachfolgend wird lediglich auf die Unterschiede eingegangen. Für die zweite Ausführungsform ist die zweite Abgasreinigungseinrichtung 8 als Vierwegekatalysator ausgebildet, weist also den Partikelfilter auf und ist mit der Dreiwegekatalysatorbeschichtung versehen. Zusätzlich ist ein Kohlenwasserstoffadsorber in die zweite Abgasreinigungseinrichtung 8 integriert. Die dritte Ausführungsform sieht vor, dass die zweite Abgasreinigungseinrichtung 8 den Partikelfilter aufweist, jedoch nicht über die Dreiwegekatalysatorbeschichtung verfügt. Die zweite Abgasreinigungseinrichtung 8 liegt insoweit lediglich als Partikelfilter vor. Stromabwärts der zweiten Abgasreinigungseinrichtung 8 und stromaufwärts der ersten Abgasreinigungseinrichtung 7 ist daher eine dritte Abgasreinigungseinrichtung 9 vorgesehen, welche als Kohlenwasserstoffadsorber ausgebildet ist. Die drei Abgasreinigungseinrichtungen 7, 8 und 9 sind dabei getrennt voneinander ausgebildet und werden durch entsprechende Rohrleitungen miteinander verbunden. Die vierte Ausführungsform basiert auf der dritten Ausführungsform, wobei jedoch die zweite Abgasreinigungseinrichtung 8 wiederum als Vierwegekatalysator ausgebildet ist.
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Allen Ausführungsformen ist gemeinsam, dass die der Brennkraftmaschine 2 strömungstechnisch am nächsten gelegene zweite Abgasreinigungseinrichtung 8 motorfern angeordnet ist, der Strömungsweg zwischen der Brennkraftmaschine und der zweiten Abgasreinigungseinrichtung 8 also mindestens 600 mm beträgt. Zudem ist stets die erste Abgasreinigungseinrichtung 7 am weitesten stromabwärts gelegen.
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Durch die Anordnung der zweiten Abgasreinigungseinrichtung 8 unmittelbar nach der Brennkraftmaschine 2 beziehungsweise dem Abgasturbolader 4 ohne weitere dazwischen gelegene Abgasreinigungseinrichtungen kann eine gegebenenfalls notwendige Regeneration dieser Abgasreinigungseinrichtung 8 sehr gezielt durchgeführt werden, weil das Abgas nicht bereits durch andere Abgasreinigungseinrichtungen beeinflusst ist. Die vorstehend beschriebene Antriebseinrichtung 1 ermöglicht zudem die Integration der dritten Abgasreinigungseinrichtung 3 in Form des Kohlenwasserstoffadsorbers ohne aufwendige Klappensysteme, wie sie im Stand der Technik teilweise vorgesehen sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebseinrichtung
- 2
- Brennkraftmaschine
- 3
- Abgasstrang
- 4
- Abgasturbolader
- 5
- Zylinder
- 6
- Turbine
- 7
- 1. Abgasreinigungseinrichtung
- 8
- 2. Abgasreinigungseinrichtung
- 9
- 3. Abgasreinigungseinrichtung
