DE102013215525A1 - Leitsystem zum Zuführen von Luft und Abgasen zu einer Brennkraftmaschine hin und zum Abführen der von der Brennkraftmaschine erzeugten Abgase von der Brennkraftmaschine weg - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leitsystem zum Zuführen von Luft und Abgasen zu einer Brennkraftmaschine (12) hin und zum Abführen der von der Brennkraftmaschine (12) erzeugten Abgase von der Brennkraftmaschine (12) weg, umfassend einen Zufuhrkanal (14) zum Zuführen der Luft und Abgasen zu der Brennkraftmaschine (12), einen Abführkanal (38) zum Abführen der von der Brennkraftmaschine (12) erzeugten Abgase von der Brennkraftmaschine (12), in welchem eine oder mehrere Abgasnachbehandlungseinheiten (40) zum Nachbehandeln der Abgase angeordnet sind, wobei eine im Zufuhrkanal (14) angeordnete Heizeinrichtung (32) zum Vorwärmen der Luft und/oder der Abgase, die der Brennkraftmaschine (12) zugeführt werden, vorgesehen ist. Dabei wird die Dauer des Heizvorgangs und/oder die von der Heizeinrichtung (32) abgegebene Heizleistung in Abhängigkeit von einer näherungsweise dem Alterungszustand der wenigstens einen Abgasbehandlungseinheit (40) repräsentierenden Größe gesteuert. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine (12) mit einem derartigen Leitsystem (10), ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine (12) sowie ein Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Leitsystems (10).

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leitsystem zum Zuführen von Luft und/oder Abgasen zu einer Brennkraftmaschine hin und zum Abführen der von der Brennkraftmaschine erzeugten Abgase von der Brennkraftmaschine weg, umfassend einen Zufuhrkanal zum Zuführen der Luft und Abgasen zu der Brennkraftmaschine, und einen Abführkanal zum Abführen der von der Brennkraftmaschine erzeugten Abgase von der Brennkraftmaschine, in welchem eine oder mehrere Abgasnachbehandlungseinheiten zum Nachbehandeln der Abgase angeordnet sind. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einem derartigen Leitsystem sowie ein mit der Brennkraftmaschine ausgestattetes Fahrzeug. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Leitsystems.
• Um die immer strenger werdenden gesetzlichen Umweltschutzauflagen wie die LEV der USA oder die EU6 oder EU7 der Europäischen Union erfüllen zu können, müssen die Abgase einer Brennkraftmaschine, beispielsweise eines Otto- oder Dieselmotors, mit denen Kraftfahrzeuge angetrieben werden, so behandelt werden, dass die Schadstoffemissionen der Brennkraftmaschine unter den vorgegebenen Höchstgrenzen bleiben. Bei Ottomotoren kommen beispielsweise katalytische Reaktoren als Abgasnachbehandlungseinheiten zum Einsatz, die unter Verwendung katalytischer Materialien, welche die Geschwindigkeit bestimmter Reaktionen erhöhen, beispielsweise eine Oxidation von Kohlenwasserstoff (HC) und Kohlenmonoxid (CO) sicherstellen. Zur Oxidation der unverbrannten Kohlenwasserstoffe und von Kohlenmonoxid wird insbesondere ein Oxidationskatalysator im Abgasstrom vorgesehen.
• Ein generelles Problem stellt die Alterung der als Abgasnachbehandlungseinheiten eingesetzten Katalysatoren dar. Diese Katalysatoren weisen eine Edelmetallschicht auf, die sich mit zunehmender Anzahl von Betriebsstunden verbraucht. Um die eingangs genannten Umweltschutzauflagen auch bei einer hohen Anzahl von Betriebsstunden einhalten zu können, werden die Katalysatoren mit einem Edelmetall-Überschuß ausgestattet, was die Herstellung der Katalysatoren insbesondere vor dem Hintergrund der allgemein steigenden Rohstoffpreise verteuert und das Problem der Alterung nicht wirklich löst, sondern nur zeitlich nach hinten verschiebt.
• Aus der DE 10 2007 031 768 A1 ist es bekannt, Veränderungen der Motorbetriebsbedingungen, die zu einem Abgastemperaturanstieg oder zu einer exothermen Reaktion in einem Katalysator führen und damit das Anspringverhalten verbessern, bei neuen Katalysatoren verkürzt auszuführen, um eine vorzeitige Alterung des Katalysators durch diese Maßnahmen zu vermeiden. Ab einem bestimmten Alterungsgrad wird die Verkürzung nicht mehr angewandt, d.h., gemäß diesem Dokument erfolgt bei nicht mehr als neu betrachteten Katalysatoren keine Anpassung der Maßnahmen zur Temperaturerhöhung mehr.
• Aus der DE 691 24 227 T2 ist es bekannt, ein elektrisches Heizelement zur Verbesserung des Anspringverhaltens eines Katalysators zu verwenden.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, das eingangs erwähnte Leitsystem so weiterzuentwickeln, dass die relevanten Umweltschutzauflagen mit den zur Abgasnachbehandlung eingesetzten Katalysatoren auch bei einer hohen Anzahl von Betriebsstunden eingehalten werden können, ohne dass sie mit einem Überschuß von Edelmetall versehen werden müssen. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben des Leitsystems anzugeben, welches dem Problem der Alterung der Katalysatoren entgegenwirkt.
• Gelöst wird die Aufgabe durch ein Leitsystem nach Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
• Dadurch, dass eine im Zufuhrkanal angeordnete Heizeinrichtung, die einen Heizvorgang zum Vorwärmen der Luft, die der Brennkraftmaschine zugeführt wird, vorgesehen ist, die so eingerichtet ist, dass die Dauer des Heizvorgangs und/oder die von der Heizeinrichtung während des Heizvorgangs in die Luft eingebrachte Heizleistung in Abhängigkeit von einer näherungsweise den Alterungszustand der wenigstens einen Abgasbehandlungseinheit (40) repräsentierenden Größe gesteuert wird, vorzugsweise in Abhängigkeit von der Anzahl der Betriebsstunden der Verbrennungskraftmaschine und/oder der Abgasnachbehandlungseinheiten und/oder der Kilometerleistung, kann einerseits die Aufwärmphase der Brennkraftmaschine verkürzt und die zur Abgasnachbehandlung verwendeten Katalysatoren schneller auf ihre Betriebstemperatur gebracht werden.
• Unter Betriebsstunden soll die Zeitdauer verstanden werden, zu welcher die Brennkraftmaschine ein Drehmoment abgeben kann. Sofern die Brennkraftmaschine als ein Diesel- oder Ottomotor eines Fahrzeugs ausgebildet ist, kann anstelle der Anzahl der Betriebsstunden auch der Kilometerstand des Fahrzeugs als Bezugsgröße für die Einstellung der Dauer des Heizvorgangs oder der in die Luft eingebrachten thermischen Energie herangezogen werden.
• Weitere denkbare, den Alterungszustand der Abgasbehandlungseinrichtung näherungsweise beschreibende Größen könnten der über die gesamte Laufdauer integrierte Luftmassenstrom durch die Abgasbehandlungseinrichtung sein, der ggf. auch durch einen exponentiell abgastemperaturabhängigen Term gewichtet werden kann, und so ein Maß für das bislang aufgetretene chemische Reaktionsgeschehen an der Abgasbehandlungseinrichtung darstellt.
• Die Vorwärmung bewirkt einerseits, dass die Brennkraftmaschine eine verringerte Konzentration von CO und HC erzeugt und andererseits die Katalysatoren schneller eine höhere Umsatzrate erreichen. Die Konzentration von CO und HC im Abgas wird verringert und die Katalysatoren werden weniger stark beansprucht.
• Mit zunehmender Anzahl von Betriebsstunden oder zunehmendem Kilometerstand sinkt die Leistung der Abgasnachbehandlungseinheiten, wodurch die Abgasemissionen steigen. Es hat sich aber überraschenderweise gezeigt, dass der Leistungsabfall dadurch signifikant reduziert werden kann, dass die Dauer des Heizvorgangs und/oder die während des Heizvorgangs in die Luft eingebrachte thermische Energie mit zunehmender Anzahl von Betriebsstunden verändert und vorzugsweise erhöht werden. Somit können andererseits die Abgasemissionen über eine große Anzahl von Betriebsstunden weitgehend konstant gehalten und die Umweltschutzauflagen eingehalten werden, ohne dass die als Katalysatoren ausgebildeten Abgasnachbehandlungseinheiten mit einem Edelmetall-Überschuß versehen werden müssen.
• Die Heizeinrichtung kann beispielsweise als Gitter-Heizelement ("Grid Heater") ausgeführt sein, wie es beispielsweise in der WO 00/34643 oder in der WO 2005/035967 dargestellt ist. Eine derartige Heizeinrichtung kann beispielsweise mittels einer Regelungseinheit zusammenwirken, so dass Dauer des Heizvorgangs und die dabei abgegebene Heizleistung in Abhängigkeit des Alters der Abgasnachbehandlungseinheit verändert werden können.
• Eine bevorzugte Ausbildung des erfindungsgemäßen Leitsystems zeichnet sich durch einen Abgasrückführkanal zur Rückführung der Abgase vom Abführkanal in den Zufuhrkanal aus. Ein besonderes Problem stellt die Minderung der Emissionen von Stickoxiden (NO_X) dar. Ein übliches Mittel zur Verminderung der Stickoxidemission insbesondere bei Dieselmotoren ist ein Selectiv-Catalytic-Reduction-Katalysator(SCR-Katalysator), bei dem mit einem ammoniakhaltigen Reduktionsmittel als Reaktionsfluid eine Reduktion von NO_X zu Stickstoff (N₂) und Wasser (H₂O) erfolgt, wobei das Reaktionsfluid mittels der Zuführeinrichtung stromaufwärts vom SCR-Katalysator in den Abführkanal des Leitsystems eingebracht und dort mit dem Abgas in Kontakt gebracht wird. Jedoch können mit einer derartigen Abgasnachbehandlung allein die Umweltschutzauflagen nicht eingehalten werden. Insbesondere bei Dieselmotoren ist die Abgasrückführung eine der wichtigsten Maßnahmen zur Senkung der Stickoxidemissionen. Das Abgas enthält weniger Sauerstoff als die der Brennkraftmaschine zugeführte unverbrauchte Luft. Das durch eine Abgasrückführung erzeugte Gemisch aus Luft und Abgas, welches der Brennkraftmaschine zugeführt wird, weist eine verminderte Sauerstoffkonzentration auf. Hierdurch kann es aber zu unvollständigen Verbrennungen kommen, die zu einer verminderten Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine und zur Erhöhung der Emission von schädlichen Abgasen führen. Um dies zu verhindern, muss der Volumenstrom der zugeführten Luft erhöht werden, um eine ausreichende Sauerstoffkonzentration zur Verfügung zu stellen. Hierdurch sinkt die Verbrennungstemperatur und die Reaktionsgeschwindigkeit der NO_X-Bildung, so dass mit der Abgasrückführung einerseits gewährleistet werden kann, dass die Kraftstoffmoleküle vollständig verbrennen, aber die Bildung von NO_X vermindert wird. Dieser Effekt kann durch das Vorsehen von Kühlern, die das rückgeführte Abgas kühlen, verstärkt werden. Ein mit Kühlern versehenes Leitsystem ist in der DE 10 2010 050 413 offenbart.
• In einer Fortbildung des erfindungsgemäßen Leitsystems mündet der Abgasrückführkanal in einer Einmündung in den Zufuhrkanal, wobei die Heizeinrichtung stromaufwärts der Einmündung angeordnet ist. In diesem Fall wird nur die Luft direkt von der Heizeinrichtung vorgewärmt, nicht aber das rückgeführte Abgas. Die Temperatur des rückgeführten Abgases wird indirekt über die vorgewärmte Luft geändert. Die Luft ist im Allgemeinen sauberer als die Abgase, so dass sich bei dieser Anordnung keine oder nur im Umfang geringere Ablagerungen auf der Heizeinrichtung bilden können. Folglich muß die Heizeinrichtung nicht oder weniger häufig gereinigt werden und ihr Wirkungsgrad wird nicht durch Ablagerungen verringert.
• In einer anderen Ausführungsform mündet der Abgasrückführkanal in einer Einmündung in den Zufuhrkanal, wobei die Heizeinrichtung stromabwärts der Einmündung angeordnet ist. In diesem Fall werden sowohl das Abgas als auch die Luft von der Heizeinrichtung direkt erwärmt. Somit läßt sich die Temperatur des Gemischs aus Abgas und Luft, das der Brennkraftmaschine zugeführt wird, unabhängig vom Mischverhältnis, gut steuern.
• Vorzugsweise ist im Zufuhrkanal ein Luftfilter zum Filtern der Luft mit einem Bypasskanal zum Umgehen des Luftfilters angeordnet, wobei die Heizeinrichtung im Bypasskanal angeordnet ist. Der Luftfilter filtert Substanzen aus der Luft, die sich negativ auf die Verbrennung in der Brennkraftmaschine auswirken. Um eine thermische Überlastung des Luftfilters zu verhindern, ist die Heizeinrichtung im Bypaßkanal angeordnet.
• In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leitsystems ist im Zufuhrkanal eine Drosselklappe zum Regeln der Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine angeordnet, wobei die Heizeinrichtung stromabwärts der Drosselklappe angeordnet ist. Durch Verwirbelungen oder Druckverluste in der Strömung wird die Regelung der Leistungsabgabe erschwert. In dieser Ausgestaltung wird die Strömung der Luft oder des Gemischs aus Luft und Abgasen durch die Drosselklappe nicht gestört, so dass eine präzise Regelung der Leistungsabgabe ermöglicht wird.
• Es ist von Vorteil, wenn im Zufuhrkanal ein Temperatursteuerungsmodul zum Steuern der Temperatur der Luft und/oder der Abgase im Zufuhrkanal angeordnet ist. Dabei arbeitet das Temperatursteuerungsmodul mit der Heizeinrichtung zusammen und steuert es entsprechend an. Wie bereits eingangs erwähnt, ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, eine möglichst vollständige Verbrennung von CO und HC zu erreichen sowie die Entstehung von NO_X zu verringern. Sowohl die Vollständigkeit der Verbrennung als auch die Konzentration des entstehenden NO_X sind stark temperaturabhängig, so dass eine exakte Steuerung der Temperatur der Luft und/oder der Abgase im Zufuhrkanal einen erheblichen Einfluß auf die Abgasemissionen hat. Folglich ist es in dieser Ausführungsform in besonderem Maße möglich, die gewünschten Reaktionsbedingungen mit den gewünschten Effekten auf die Abgasemissionen einzustellen, um die Umweltschutzauflagen einhalten zu können.
• Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Temperatursteuerungsmodul einen Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur der Luft und/oder der Abgase im Zufuhrkanal umfasst. Hierfür ist der Temperatursensor stromabwärts von der Heizeinrichtung vorteilhafterweise in der unmittelbaren Umgebung der Brennkraftmaschine angeordnet, so dass die Temperatur der in die Brennkraftmaschine einströmenden Luft und/oder des Gemischs aus Luft und Abgas genau erfaßt und durch eine entsprechende Aktivierung der Heizeinrichtung durch das Temperatursteuerungsmodul angepaßt werden kann. In diesem Fall ist eine Regelung der Temperatur realisierbar, so dass eine besonders emissionsarme Betriebsweise ermöglicht wird.
• Eine besondere Ausführungsform zeichnet sich durch einen im Zufuhrkanal angeordneten Luftaufnahmesensor zum Erfassen des Volumenstroms der in den Zufuhrkanal einströmenden Luft aus. Der Volumenstrom und somit die Masse der der Brennkraftmaschine zugeführten Luft hat einen großen Einfluß auf das thermodynamische Verhalten der Brennkraftmaschine selbst und der Abgasnachbehandlungseinheit. Hierdurch kann einerseits das Aufwärmverhalten der Brennkraftmaschine und der Abgasnachbehandlungseinheit vorausgesagt und die Einstellung der Heizeinrichtung entsprechend gewählt werden. Für den Fall, dass das Leitsystem einen Abgasrückführkanal aufweist, kann das Mischverhältnis zwischen Luft und Abgas genau bestimmt werden, was eine weitere Verminderung der Abgasemissionen ermöglicht.
• Ferner weist das erfindungsgemäße Leitsystem vorzugsweise eine im Zufuhrkanal angeordnete Verdichtungseinrichtung zum Verdichten der Luft und/oder der Abgase, die der Brennkraftmaschine zugeführt werden und eine im Abführkanal angeordnete Entspannungseinrichtung zum Entspannen der Abgase auf. Durch die Verdichtung kann die von der Brennkraftmaschine abgegebene Leistung deutlich gesteigert werden, ohne dass der Kraftstoffverbrauch merklich ansteigt.
• Vorzugsweise werden die Abgase im verdichteten Zustand vom Abführkanal über den Abgasrückführkanal in den Zufuhrkanal zurückgeführt. Dies kann auf einfache Weise dadurch realisiert werden, dass der Abgasrückführkanal stromaufwärts von der Entspannungseinheit vom Abführkanal abzweigt und stromabwärts von der Verdichtungseinheit in den Zufuhrkanal mündet. In diesem Fall wird eine Hochdruck-Abgasrückführung realisiert, wozu im Abgasrückführkanal eine Fördereinheit vorgesehen sein kann, die in diesem Fall das Abgas nicht komprimieren muß, damit es in den Zufuhrkanal eingebracht werden kann.
• In einer vorteilhaften Weiterbildung umfaßt das Leitsystem einen zweiten Abgasrückführkanal, der stromabwärts der Entspannungseinrichtung vom Abführkanal abzweigt und stromaufwärts der Verdichtungseinrichtung in den Zufuhrkanal einmündet, so dass die Abgase im entspannten Zustand in den Zufuhrkanal zurückgeführt werden. In diesem Fall wird eine Niederdruck-Abgasrückführung realisiert, die demselben Zweck wie die Hochdruck-Abgasrückführung dient. Je nach Betriebszustand und Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine kann es günstiger sein, die Hochdruck- oder die Niederdruck-Abgasrückführung oder beide zu aktivieren.
• Im zweiten Abgasrückführkanal sind bevorzugt eine oder mehrere Abgasreinigungseinrichtungen angeordnet. Somit ist es möglich, das rückgeführte Abgas von Substanzen zu reinigen, die einen negativen Effekt auf die Verbrennung in der Brennkraftmaschine haben. Die Emission von schädlichen Substanzen im Abgas kann hierdurch weiter gesenkt werden.
• Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, umfassend ein Leitsystem nach einem der vorherigen Ausführungsbeispiele sowie ein Fahrzeug mit einer derartigen Brennkraftmaschine. Die Vorteile und technischen Effekte, die mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine und dem entsprechend ausgerüsteten Fahrzeug erzielt werden, entsprechen denjenigen, die für das erfindungsgemäße Leitsystem beschrieben worden sind.
• Ferner wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben eines Leitsystems nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungen gelöst, das folgende Schritte umfaßt:
• – Zuführen der Luft und Abgasen zu der Brennkraftmaschine mittels eines Zufuhrkanals,
• – Abführen der von der Brennkraftmaschine erzeugten Abgase von der Brennkraftmaschine mittels eines Abführkanals,
• – Nachbehandeln der Abgase mittels einer oder mehrerer im Abführkanal angeordneter Abgasnachbehandlungseinheiten, und
• – Vorwärmen der Luft und/oder der Abgase, die der Brennkraftmaschine zugeführt werden mittels einer im Zufuhrkanal angeordneten Heizeinrichtung.
• Die Vorteile und technischen Effekte, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielt werden, entsprechen denjenigen, die für das erfindungsgemäße Leitsystem beschrieben worden sind.
• Das Verfahren wird dadurch weitergebildet, dass der Schritt des Vorwärmens nur solange durchgeführt wird, bis dass die Brennkraftmaschine und/oder die Abgasnachbehandlungseinheiten ihre Betriebstemperatur erreicht haben. Hat die Brennkraftmaschine ihre Betriebstemperatur noch nicht erreicht, so steigt der Anteil an nicht vollständig verbranntem Kraftstoff, so dass die HC- und CO-Konzentrationen im Abgas zunehmen. Hat die Brennkraftmaschine ihre Betriebstemperatur noch nicht erreicht, haben die Abgasnachbehandlungseinheiten ihre Betriebstemperaturen üblicherweise auch noch nicht erreicht, so dass sie erst recht nicht in der Lage sind, die dann erhöht entstehenden HC- und CO-Moleküle in unschädliche Verbindungen umzuwandeln. Um sowohl die Brennkraftmaschine als auch die Abgasnachbehandlungseinheiten schnell auf Betriebstemperatur zu bringen und die HC- und CO-Emissionen zu senken, wird der Schritt des Vorwärmens in der Aufwärmphase der Brennkraftmaschine und der Abgasnachbehandlungseinheiten ausgeführt. Je nach Einfluss auf die HC- und CO-Emissionen kann die Betriebstemperatur der Abgasnachbehandlungseinheiten oder der Brennkraftmaschine als Bezug genommen werden. Sofern die Brennkraftmaschine als Otto- oder Dieselmotor eines Fahrzeugs ausgebildet wird, wird der Schritt des Vorwärmens hauptsächlich unmittelbar nach Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine bei Fahrtantritt durchgeführt, allerdings kann er auch dann durchgeführt werden, wenn die Temperatur der Abgasnachbehandlungseinheiten während der Fahrt unter die Betriebstemperatur fällt. Zur Verbrauchsreduzierung werden heutzutage vermehrt Start-Stopp-Automatiken eingesetzt, bei denen die Brennkraftmaschine beim Stillstand des Fahrzeugs abgeschaltet und bei Leistungsanforderung wieder eingeschaltet wird. Während die Brennkraftmaschine dabei üblicherweise kaum abkühlt und daher schnell wieder ihre Betriebstemperatur erreicht, kann die Temperatur der Abgasnachbehandlungseinheit bei abgeschalteter Brennkraftmaschine stark fallen. Um die Temperatur der Abgasnachbehandlungseinheit schnell wieder auf die Betriebstemperatur zu bringen, kann die Vorwärmung nicht nur unmittelbar nach Fahrtantritt durchgeführt werden. Sofern eine Abgasrückführung vorgesehen ist, wird diese in diesem Fall abgeschaltet.
• Nach Erreichen der Betriebstemperaturen wäre eine Vorwärmung nutzlos oder sogar kontraproduktiv, da, wie eingangs erwähnt, eine Kühlung des rückgeführten Abgases die Bildung von NO_X vermindern kann. Jedoch steht das Vorsehen einer Heizeinrichtung nicht im Widerspruch zu einer Kühlung des rückgeführten Abgases, sofern Vorwärmung und Kühlung aufeinander abgestimmt werden.
• Eine weitere Ausbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass der Schritt des Vorwärmens für eine Zeitdauer durchgeführt wird, die über den Zeitpunkt hinaus reicht, zu dem die Brennkraftmaschine und/oder die Abgasnachbehandlungseinheiten ihre Betriebstemperatur erreicht haben, wobei die Zeitdauer mit der Anzahl der Betriebsstunden der Brennkraftmaschine und/oder der Abgasnachbehandlungseinheiten erhöht wird. Sofern die Brennkraftmaschine als ein Diesel- oder Ottomotor eines Fahrzeugs ausgebildet ist, kann anstelle der Anzahl der Betriebsstunden auch der Kilometerstand des Fahrzeugs als Bezugsgröße für die Erhöhung der Zeitdauer genommen werden. Mit zunehmender Anzahl von Betriebsstunden oder zunehmendem Kilometerstand sinkt die Leistung der Abgasnachbehandlungseinheiten, wodurch die Abgasemissionen steigen. Es hat sich aber überraschenderweise gezeigt, dass der Leistungsabfall dadurch signifikant reduziert werden kann, dass der Schritt des Vorwärmens mit zunehmender Anzahl von Betriebsstunden erhöht wird. Somit können die Abgasemissionen über eine große Anzahl von Betriebsstunden weitgehend konstant gehalten und die Umweltschutzauflagen eingehalten werden, ohne dass die als Katalysatoren ausgebildeten Abgasnachbehandlungseinheiten mit einem Edelmetall-Überschuß versehen werden müssen.
• In einer weiteren Ausgestaltung umfaßt das erfindungsgemäße Verfahren folgenden Schritt:
• – Rückführen der Abgase vom Abführkanal in den Zufuhrkanal mittels eines Abgasrückführkanals.
• Wie bereits eingangs erwähnt, kann es zur Verringerung der NO_X-Emissionen vorteilhaft sein, das Abgas zurückzuführen, mit der Zuluft zu vermischen und der Brennkraftmaschine erneut zuzuführen. In dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens können daher sowohl die Zuluft als auch das Gemisch aus Zuluft und Abgas vorgewärmt werden. Den meisten modernen Brennkraftmaschinen wird verdichtete Luft zugeführt, so dass auch das Abgas im verdichteten Zustand rückgeführt wird. Je nach Ausgestaltung des Leitsystems kann aber auch eine Niederdruck-Abgasrückführung durchgeführt werden. Die Verwendung der Heizeinrichtung ist von der Art der Abgasrückführung unabhängig. Der Effekt der Reduzierung der NO_X-Emissionen beruht jedoch auf einer Kühlung des Gemischs aus Zuluft und rückgeführten Abgasen, so dass die Regelungseinheit so eingerichtet sein muß, die Vorwärmung nur dann durchzuführen, wenn keine Abgasrückführung stattfindet. Insbesondere wird unmittelbar nach Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine keine Abgasrückführung durchgeführt.
• Die vorliegende Erfindung wird anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Bezug auf die anhängenden Zeichnungen im Detail erläutert. Es zeigen
• 1 eine prinzipielle Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Leitsystems,
• 2 eine prinzipielle Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Leitsystems, und
• 3a–d Diagramme zur vereinfachten Darstellung des Zusammenhangs zwischen Emission und Alterung der Abgasnachbehandlungseinheit und Emission und Dauer der Vorwärmung sowie der erfindungsgemäßen Steuerung der Vorwärmzeit über die Betriebsstunden bzw. Kilometerstand und deren Effekt auf die Alterung.
• In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leitsystems 10 ₁ zum Zuführen von Luft und Abgasen zu einer Brennkraftmaschine 12 hin und zum Abführen der von der Brennkraftmaschine 12 erzeugten Abgase von der Brennkraftmaschine 12 weg prinzipiell dargestellt. Das Leitsystem 10 ₁ umfaßt einen Zufuhrkanal 14 zum Zuführen von Luft zur Brennkraftmaschine 12, die im dargestellten Beispiel als einen Dieselmotor ausgestaltet ist. Der Zufuhrkanal 14 weist einen Aufnahmeabschnitt 16 auf, über den die Luft von der Umgebung in den Zufuhrkanal 14 eingeleitet wird. Um den Volumenstrom der in den Zufuhrkanal 14 einströmenden Luft erfassen zu können, ist stromabwärts des Aufnahmeabschnitts 16 ein Luftaufnahmesensor 18 angeordnet. Die einströmende Luft wird mittels einer Verdichtungseinrichtung 20 verdichtet, die von einer Entspannungseinrichtung 22 angetrieben wird, wozu die Verdichtungseinrichtung 20 und die Entspannungseinrichtung 22 mit einer Welle 24 verbunden sind. Die verdichtete Luft strömt von der Verdichtungseinrichtung 20 weiter zu einem Luftfilter 26, wo sie von Partikeln gereinigt wird. Der Luftfilter 26 weist einen Bypaßkanal 28 auf, über den die Luft ganz oder teilweise unter Umgehung des Luftfilters 26 weiterströmen kann. Die Menge der durch den Bypaßkanal 28 strömenden Luft wird durch eine Steuerklappe 30 geregelt. Im Bypaßkanal 28 ist eine Heizeinrichtung 32 angeordnet, mit welcher die einströmende Luft auf die gewünschte Temperatur aufgewärmt werden kann. Ferner ist stromaufwärts vom Luftfilter 26 ein Temperatursteuerungsmodul 34 angeordnet, mit welchem die Temperatur der einströmenden Luft erfaßt und durch entsprechendes Ansteuern der Heizeinrichtung 32 verändert werden kann. Für den Fall, dass die Temperatur der einströmenden Luft zu hoch ist, steuert das Temperatursteuerungsmodul 34 die Steuerklappe 30 an, so dass die Luft hauptsächlich durch den Bypaßkanal 28 geleitet wird, um eine thermische Überlastung des Luftfilters 26 zu verhindern.
• Stromabwärts vom Luftfilter 26 setzt sich der Zufuhrkanal 14 fort und führt die Luft zur Brennkraftmaschine 12, wo der Zufuhrkanal 14 endet. In unmittelbarer Nachbarschaft zur Brennkraftmaschine 12 ist im Zufuhrkanal 14 ein Temperatursensor 36 angeordnet, um die Temperatur der in die Brennkraftmaschine 12 einströmenden Luft zu messen. In der Brennkraftmaschine 12 wird die Luft zusammen mit dem Kraftstoff, der über eine nicht dargestellt Vorrichtung der Brennkraftmaschine 12 zugeführt wird, verbrannt, so dass Abgase entstehen, die über einen Abführkanal 38 abgeführt werden. Das Abgas durchströmt zunächst die Entspannungseinrichtung 22, wo das Abgas entspannt und die Welle 24 angetrieben wird, wodurch wiederum die Verdichtungseinrichtung 20 zum Verdichten der Luft in Drehung versetzt wird. Nach der Entspannung strömt das Abgas zu einer Abgasnachbehandlungseinheit 40, die im dargestellten Falle eines Dieselmotors einen Dieseloxidationskatalysator 42 (DOC), einen Dieselpartikelfilter 44 (DPF) sowie einen SCR-Katalysator 46 (Selectiv-Catalytic-Reduction-Katalysator) umfaßt. Anschließend gelangt das nachbehandelte Abgas über einen Auspuff 48 in die Umgebung.
• Das Leitsystem 10 ₁ umfaßt einen Abgasrückführkanal 50, der stromabwärts der Brennkraftmaschine 12 vom Abführkanal 38 abzweigt und über eine Einmündung 52 stromaufwärts der Brennkraftmaschine 12 in den Zufuhrkanal 14 mündet. Hierdurch ist es möglich, Abgas in einem bestimmten Verhältnis mit der Luft zu mischen und das Gemisch der Brennkraftmaschine 12 zuzuführen, wodurch die bei der Verbrennung entstehenden NO_X-Konzentrationen gesenkt werden können. Zur wahlweisen Durchführung oder Unterbrechung der Abgasrückführung ist ein Sperrventil 54 im Abgasrückführkanal 50 angeordnet. Da komprimiertes Abgas rückgeführt wird, wird diese Art der Abgasrückführung auch Hochdruck-Abgasrückführung genannt.
• Weiterhin umfaßt das Leitsystem 10 ₁ einen zweiten Abgasrückführkanal 56, der stromabwärts des Dieselpartikelfilters 44 vom Abführkanal 38 abzweigt und stromaufwärts von der Verdichtungseinrichtung 20 in den Zufuhrkanal 14 einmündet. In diesem Fall wird das entspannte Abgas rückgeführt, so dass es sich um eine Niederdruck-Abgasrückführung handelt. Im zweiten Abgasrückführkanal 56 ist eine geeignete Abgasreinigungseinrichtung 58 angeordnet, mit dem das rückgeführte Abgas von für die Verbrennung schädlichen Substanzen befreit werden kann. Die Abgasreinigungseinrichtung 58, etwa ein Katalysator oder ein Partikelfilter, kann aber bei Ausfall oder zu hohem Druckverlust über einen zweiten Bypaßkanal 60 umgangen werden.
• Zum Erleichtern des Verständnisses der Erfindung ist die Strömungsrichtung der Luft und des Abgases mit Pfeilen gekennzeichnet.
• Um die Heizeinrichtung 32 entsprechend der momentan herrschenden Betriebszustände zu betätigen, ist eine Regelungseinheit 62 vorgesehen, die entweder drahtlos oder, wie dargestellt, über elektrische Leitungen 64 beispielsweise mit dem Luftaufnahmesensor 18, dem Temperatursteuerungsmodul 34 und dem Temperatursensor 36 verbunden ist. Dabei kann das Temperatursteuerungsmodul 34, wie dargestellt, separat ausgestaltet oder in die Regelungseinheit 62 integriert sein. Weiterhin kann die Regelungseinheit 62 das Sperrventil 54 ansteuern, um die Abgasrückführung zuzulassen oder zu unterbinden. Weiterhin kann das Sperrventil 54 so eingerichtet sein, dass die Menge des rückgeführten Abgases einstellbar ist. In 1 sind nur einige Möglichkeiten dargestellt, für welche die Regelungseinheit 62 eingesetzt werden kann. Weitere Möglichkeiten sind denkbar.
• In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Leitsystems 10 ₂ dargestellt. Es unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel nur durch die Anordnung der Heizeinrichtung 32, die stromabwärts des Luftfilters 26 kurz vor dem Ende des Zufuhrkanals 14 angeordnet ist. Somit ist der Weg zwischen der Heizeinrichtung 32 und der Brennkraftmaschine 12 kürzer, so dass die Wärmeverluste reduziert werden.
• Die Regelungseinheit 62 ist vorzugsweise so programmiert, dass sie das erfindungsgemäße Verfahren ausführt, wonach die Heizeinrichtung 32 nur solange betrieben wird, bis dass die Brennkraftmaschine 12 und/oder die Abgasnachbehandlungseinheiten 40 ihre Betriebstemperaturen erreicht haben. Welche der beiden Betriebstemperaturen hierzu verwendet wird, kann sich beispielsweise danach richten, welche der beiden Betriebstemperaturen später erreicht wird oder welche besser meßbar oder repräsentativer ist. Um zu bestimmen, ob die Betriebstemperaturen erreicht sind, kann die Regelungseinheit 62 die Temperatur der Luft im Zufuhrkanal 14 und den Volumenstrom der Luft berücksichtigen, wobei andere Bestimmungsmethoden ebenfalls denkbar sind, beispielsweise die Öltemperatur der Brennkraftmaschine 12.
• Alternativ kann die Regelungseinheit 62 die Anzahl der Betriebsstunden der Brennkraftmaschine 12 oder der Abgasnachbehandlungseinheiten 40 ermitteln, wozu ebenfalls der Volumenstrom verwendet werden kann. Solange ein Volumenstrom vorhanden ist, kann von einem Betrieb ausgegangen und als Betriebszeit festgehalten werden. Alternativ kann die Regelungseinheit 62 den Kilometerstand des Fahrzeugs berücksichtigen. Die Heizeinrichtung 32 wird über den Zeitpunkt hinaus betrieben, zu dem die Brennkraftmaschine 12 und/oder die Abgasnachbehandlungseinheiten 40 ihre Betriebstemperaturen erreicht haben. Die über den Zeitpunkt hinausgehende Zeitdauer wird in einer vorgebbaren Abhängigkeit vom Kilometerstand oder von der Anzahl der Betriebsstunden erhöht.
• Insbesondere soll die Erhöhung der Heizdauer über einen weiten Lebensdauerbereich der wenigstens einen Abgasbehandlungseinheit näherungsweise stetig erfolgen (jeweils immer bezogen auf ansonsten gleiche Motorbetriebszustände), und zwar entweder bis zum Lebensdauerende der Abgasbehandlungseinheit, oder zumindest bis zu einem Alterungszustand, der deutlich mehr als 50% (beispielsweise 70% oder 80%) der Gesamtlebensdauer der Abgasbehandlungseinheit entspricht. "Näherungsweise stetig" soll in diesem Zusammenhang bedeuten, dass die Heizdauer auch zeitweise stagnieren kann und dann beispielsweise sprunghaft erhöht werden kann. Über einen längeren Zeitraum betrachtet soll sich jedoch – jeweils bezogen auf ansonsten gleiche Betriebsbedingungen – eine Erhöhung der Heizdauer ergeben.
• Somit erfolgt eine Anpassung der Heizdauer nicht nur bei als neu betrachteten Abgasbehandlungseinheiten, sondern über einen weiten Lebensdauerbereich, d.h. auch bei einer schon stärker gealterten Abgasbehandlungseinheit.
• Während der so näherungsweise stetig gesteigerten Heizdauer wird die Heizeinrichtung bevorzugt mit in etwa gleichbleibender Leistung betrieben, so dass insgesamt mit steigender Heizdauer auch eine steigende Wärmemenge appliziert wird. Zur Verbesserung der Energiegesamtbilanz kann es jedoch beispielsweise auch vorgesehen sein, dass die applizierte Heizleistung über die jeweilige Heizdauer reduziert wird.
• In den 3a–c sind die verschiedenen Zusammenhänge der wesentlichen Größen zusammengestellt, auf denen die Erfindung basiert. In 3a ist zu sehen, dass die Schadstoffemissionen, hier am Beispiel von CO und HC dargestellt, ohne eine Vorwärmung der Zuluft mit zunehmender Alterung der Abgasnachbehandlungseinheit steigen, wie es bei bekannten Abgasnachbehandlungseinheiten der Fall ist. Die Alterung ist durch die Betriebsstunden der Abgasnachbehandlungseinheit oder, für den Fall, dass die Brennkraftmaschine ein Fahrzeug antreibt, durch den Kilometerstand quantifiziert.
• In 3b ist der Einfluß der Vorwärmung auf die CO und HC-Schadstoffemissionen veranschaulicht. Je länger die Zuluft vorgewärmt wird, desto stärker nähern sich die Brennkraftmaschine und Abgasnachbehandlungseinheit ihren Betriebstemperaturen, was zu sinkenden CO- und HC-Schadstoffemissionen führt.
• In 3c ist eines der erfindungsgemäßen Verfahren zum Einstellen der Vorwärmdauer in Abhängigkeit der Betriebsstunden der Abgasnachbehandlungseinheit bzw. des Kilometerstands des Fahrzeugs dargestellt. Mit zunehmender Anzahl von Betriebsstunden oder mit zunehmendem Kilometerstand des Fahrzeugs wird erfindungsgemäß die Zeitdauer der Vorwärmung erhöht. Als Folge davon wird die in 3a dargestellte Erhöhung der Schadstoffemissionen zunehmender Alterung der Abgasnachbehandlungseinheit durch den in 3b dargestellten Effekt zumindest abgeschwächt oder sogar ganz vermieden, so dass sich die Umweltschutzauflagen selbst bei einer hohen Anzahl von Betriebsstunden oder bei einem hohen Kilometerstand noch einhalten lassen. Im Idealfall wird eine von den Betriebsstunden bzw. vom Kilometerstand unabhängige Schadstoffemission erreicht, wie es in 3d dargestellt ist.
• Bezugszeichenliste

10, 10₁, 10₂

Leitsystem

12

Brennkraftmaschine

14

Zufuhrkanal

16

Aufnahmeabschnitt

18

Luftaufnahmesensor

20

Verdichtungseinrichtung

22

Entspannungseinrichtung

24

Welle

26

Luftfilter

28

Bypaßkanal

30

Steuerklappe

32

Heizeinrichtung

34

Temperatursteuerungsmodul

36

Temperatursensor

38

Abführkanal

40

Abgasnachbehandlungseinheit

42

Dieseloxidationskatalysator

44

Dieselpartikelfilter

46

SCR-Katalysator

48

Auspuff

50

Abgasrückführkanal

52

Einmündung

54

Sperrventil

56

zweiter Abgasrückführkanal

58

Abgasreinigungseinrichtung

60

zweiter Bypaßkanal

62

Regelungseinheit

64

elektrische Leitung

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 102007031768 A1 [0004]
• DE 69124227 T2 [0005]
• WO 00/34643 [0013]
• WO 2005/035967 [0013]
• DE 102010050413 [0014]

Claims (11)

1. Leitsystem zum Zuführen von Luft und Abgasen zu einer Brennkraftmaschine (12) hin und zum Abführen der von der Brennkraftmaschine (12) erzeugten Abgase von der Brennkraftmaschine (12) weg, umfassend – einen Zufuhrkanal (14) zum Zuführen der Luft und Abgasen zu der Brennkraftmaschine (12), und – einen Abführkanal (38) zum Abführen der von der Brennkraftmaschine (12) erzeugten Abgase von der Brennkraftmaschine (12), in welchem eine oder mehrere Abgasnachbehandlungseinheiten (40) zum Nachbehandeln der Abgase angeordnet sind, mit einer im Zufuhrkanal (14) angeordneten elektrischen Heizeinrichtung (32), die einen Heizvorgang zum Vorwärmen der Luft durchführt, die der Brennkraftmaschine (12) zugeführt wird, wobei die Heizeinrichtung (32) so eingerichtet ist, dass die Dauer des Heizvorgangs und/oder die von der Heizeinrichtung (32) abgegebene Heizleistung in Abhängigkeit von einer näherungsweise den Alterungszustand der wenigstens einen Abgasbehandlungseinheit (40) repräsentierenden Größe gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die auf vorgegebene Motorbetriebsbedingungen bezogene Heizdauer über einen weiten Lebensdauerbereich der Abgasbehandlungseinheit näherungsweise stetig erhöht wird.
2. Leitsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den Alterungszustand der wenigstens einen Abgasbehandlungseinheit (40) näherungsweise repräsentierende Größe die Anzahl der Betriebsstunden der Brennkraftmaschine (12), der Kilometerstand und/oder die Gesamtbetriebszeit der wenigstens einen Abgasnachbehandlungseinheit (40) ist.
3. Leitsystem nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Abgasrückführkanal (50) zum Rückführen der Abgase vom Abfuhrkanal (38) in den Zufuhrkanal (14).
4. Leitsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasrückführkanal (50) in einer Einmündung (52) in den Zufuhrkanal (14) mündet und die Heizeinrichtung (32) stromaufwärts der Einmündung (52) angeordnet ist.
5. Leitsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasrückführkanal (50) in einer Einmündung (52) in den Zufuhrkanal (14) mündet und die Heizeinrichtung (32) stromabwärts der Einmündung (52) angeordnet ist.
6. Leitsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Zufuhrkanal (14) ein Temperatursteuerungsmodul (34) zum Steuern der Temperatur der Luft und/oder der Abgase im Zufuhrkanal (14) angeordnet ist.
7. Brennkraftmaschine, umfassend ein Leitsystem (10) nach einem der vorherigen Ansprüche.
8. Fahrzeug, umfassend eine Brennkraftmaschine (12) nach Anspruch 7.
9. Verfahren zum Betreiben eines Leitsystems nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend folgende Schritte: – Zuführen der Luft und Abgasen zu der Brennkraftmaschine (12) mittels eines Zufuhrkanals (14), – Abführen der von der Brennkraftmaschine (12) erzeugten Abgase von der Brennkraftmaschine (12) mittels eines Abführkanals (38), – Nachbehandeln der Abgase mittels einer oder mehrerer im Abführkanal (38) angeordneter Abgasnachbehandlungseinheiten (40), und – Vorwärmen der Luft und/oder der Abgase, die der Brennkraftmaschine (12) zugeführt werden mittels einer im Zufuhrkanal (14) angeordneten Heizeinrichtung (32) in Abhängigkeit von einer näherungsweise den Alterungszustand der wenigstens einen Abgasbehandlungseinheit (40) repräsentierenden Größe, derart, dass die bei auf vorgegebene Motorbetriebsbedingungen bezogene Heizdauer über einen weiten Lebensdauerbereich der wenigstens einen Abgasbehandlungseinheit näherungsweise stetig erhöht wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Vorwärmens nur solange durchgeführt wird, bis dass die Brennkraftmaschine (12) und/oder die Abgasnachbehandlungseinheiten (40) ihre Betriebstemperatur erreicht haben.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Vorwärmens für eine Zeitdauer durchgeführt wird, die über den Zeitpunkt hinaus reicht, zu dem die Brennkraftmaschine (12) und/oder die Abgasnachbehandlungseinheiten (40) ihre Betriebstemperatur erreicht haben, wobei die Zeitdauer mit der Anzahl der Betriebsstunden der Brennkraftmaschine (12) und/oder der Abgasnachbehandlungseinheiten (40) erhöht wird.

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