DE102014200048A1

DE102014200048A1 - Verwendung von Abgaskondensat für die NOx-Reduktion

Info

Publication number: DE102014200048A1
Application number: DE102014200048.3A
Authority: DE
Inventors: Guohui Chen; Claudia Conée; Claudia Herudek; Helmut Ruhland; Werner Willems
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2013-01-09
Filing date: 2014-01-07
Publication date: 2014-07-10
Also published as: US9644575B2; CN103912413B; US20140190148A1; CN103912413A

Abstract

Die Erfindung führt eine Rückführvorrichtung (2) für einen Verbrennungsmotor (3) ein, die eine Zuluftleitung (4) und eine Abgasleitung (5) besitzt. Die Abgasleitung (5) weist eine Kühleinheit (6) auf, die dazu ausgebildet ist, einen durch die Kühleinheit (6) strömenden Abgasstrom des Verbrennungsmotors (3) zu kühlen. Die Rückführvorrichtung (2) weist eine Kondensatauffangvorrichtung (7) auf, die ausgebildet ist, ein aus dem in der Kühleinheit (6) gekühlten Abgasstrom kondensierendes Kondensat aufzufangen und an die Zuluftleitung (4) zu leiten. Die Zuluftleitung (4) umfasst eine Einspritzvorrichtung (8), die ausgebildet ist, das Kondensat in die Verbrennungsluft einzuspritzen. Erfindungsgemäß umfasst die Rückführvorrichtung (2) außerdem eine Abgasrückführung (9), die ausgebildet ist, wenigstens einen Teil des Abgases zu der Zuluftleitung (4) zurückzuführen und der Verbrennungsluft beizumischen, und einen oder mehrere Abzweige von der Abgasleitung (5) aufweist, der oder die stromaufwärts der Kühleinheit (6) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Rückführvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, eine Brennkraftvorrichtung mit einer solchen Rückführvorrichtung, ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Brennkraftvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftvorrichtung.
Aufgrund stetig steigender Anforderungen an die Abgasreinheit von Kraftfahrzeugen wird versucht, die Entstehung von Schadstoffen bei der Verbrennung des Kraftstoffes im Verbrennungsmotor zu verhindern oder zu verringern und die entstandenen Schadstoffe chemisch oder physikalisch in weniger schädliche Stoffe umzuwandeln. Insbesondere wird dabei eine Verringerung des Ausstoßes an Stickoxiden, kurz NOx, angestrebt. Bei großen Verbrennungsmotoren wie Dieselmotoren ist es hierzu bekannt, der Verbrennungsluft des Verbrennungsmotors Wasser als Dampf oder als Sprühnebel beizumischen. In Kraftfahrzeugen findet dieser Ansatz jedoch kaum Anwendung und ist lediglich vereinzelt bei Lastkraftwagen verwirklicht. Insbesondere bei Personenkraftfahrzeugen wird die Verringerung des Ausstoßes von Stickoxiden durch Beimischung von Wasser in die Verbrennungsluft gegenwärtig nicht angewendet, weil hierbei üblicherweise mit erheblichem zusätzlichen Aufwand für die Lagerung von Wasser, das regelmäßig nachgefüllt werden muss, verbunden ist. Außerdem hat sich als nachteilig erwiesen, dass das derart mitgeführte Wasser bei niedrigen Umgebungstemperaturen einfrieren kann.
Die Erfindung führt daher eine Rückführvorrichtung für einen Verbrennungsmotor ein, die eine Zuluftleitung und eine Abgasleitung besitzt. Die Zuluftleitung ist dabei dazu ausgebildet, eine Verbrennungsluft anzusaugen und an den Verbrennungsmotor zu leiten. Die Abgasleitung ist dabei dazu ausgebildet, einen Abgasstrom des Verbrennungsmotors abzuleiten. Die Abgasleitung weist eine Kühleinheit auf, die dazu ausgebildet ist, den durch die Kühleinheit strömenden Abgasstrom des Verbrennungsmotors zu kühlen. Erfindungsgemäß weist die Rückführvorrichtung eine Kondensatauffangvorrichtung auf, die ausgebildet ist, ein aus dem in der Kühleinheit gekühlten Abgasstrom kondensierendes Kondensat aufzufangen und an die Zuluftleitung zu leiten. Die Zuluftleitung umfasst eine Einspritzvorrichtung, die ausgebildet ist, das Kondensat in die Verbrennungsluft einzuspritzen. Die Rückführvorrichtung verfügt über eine Abgasrückführung, die ausgebildet ist, wenigstens einen Teil des Abgases zu der Zuluftleitung zurückzuführen und der Verbrennungsluft beizumischen. Die Abgasrückführung (Exhaust Gas Recirculation, EGR) ist eine verbreitete Technik zur Verringerung des Ausstoßes von Stickoxiden. Erfindungsgemäß besitzt die Abgasrückführung einen oder mehrere Abzweige von der Abgasleitung, die stromaufwärts der Kühleinheit angeordnet sind.
Die Erfindung beruht auf der Einsicht, dass das Abgas eines Verbrennungsmotors grundsätzlich einen hohen Anteil dampfförmigen Wassers enthält. Die Erfindung macht sich diese Tatsache zunutze, indem sie das für die Verringerung des Stickoxidausstoßes durch Beimischung von Wasser zu der Verbrennungsluft des Verbrennungsmotors benötigte Wasser zuerst aus dem Abgas des Verbrennungsmotors gewinnt. Auf diese Weise kann der Ausstoß an Stickoxiden reduziert werden, ohne dass ein Wassertank notwendig wäre, was den Platzbedarf, das Kraftfahrzeuggewicht und den Betriebsaufwand für den Fahrer reduziert und Probleme mit der Vereisung des mitgeführten Wasservorrates vermeidet. Die Anordnung des Abzweigs oder der Abzweige von der Abgasleitung für die Abgasrückführung stromaufwärts der Kühleinheit bietet den Vorteil, dass der im Abgas enthaltene Wasserdampf direkt der Abgasrückführung zugeführt wird und nur demjenigen Teil des Abgases, der zum Auspuff geleitet wird, Wasser durch Kondensation entzogen wird. Auf diese Weise ist es möglich, einen hohen Anteil Wasserdampf in der Verbrennungsluft zu akkumulieren, so dass auch eine Kühleinheit mit einer verhältnismäßig geringen Kühlwirkung eingesetzt werden kann, um Wasser aus dem Abgas durch Kondensation abzuscheiden. Dadurch sinkt vorteilhaft der zusätzliche Aufwand für die Kühlung.
Die Zuluftleitung kann einen Verdichter umfassen, der ausgebildet ist, die Verbrennungsluft zu verdichten. Die Einspritzvorrichtung ist dabei bevorzugt stromabwärts des Verdichters angeordnet.
Die Kühleinheit kann beispielsweise einen Wärmetauscher enthalten. Die Kühleinheit kann auch eine mäanderförmige Abgasleitung enthalten, um eine Oberfläche der Kühleinheit zu erhöhen und eine Verweildauer des Abgases in der Kühleinheit zu verlängern, wodurch eine stärkere Abkühlung des Abgasstromes erreicht wird.
Die Kühleinheit kann auch eine Kompressionskältemaschine enthalten oder an eine Kompressionskältemaschine anschließbar ausgebildet sein. Hierbei ist insbesondere vorteilhaft, wenn eine zur Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraumes vorgesehene Klimaanlage für die Kühlung des Abgasstromes mit der Kühleinheit der Rückführvorrichtung verbunden wird, da eine gute Kühlleistung ohne nennenswerte Erhöhung des Gesamtaufwandes erreicht wird.
Die Kondensatauffangvorrichtung kann einen Zwischenspeicher für das aufgefangene Kondensat umfassen. Ein solcher Zwischenspeicher ermöglicht einen Ausgleich schnell wechselnder Bedarfe für die Wasserbeimischung. So ist es vorstellbar, dass bei kurzzeitig erhöhter Motorleistung das während dieser Zeitspanne durch Kondensation aus dem Abgasstrom gewonnene Kondensat nicht ausreicht, um eine optimale Befeuchtung des proportional zur Motorleistung gesteigerten Massenstroms von Verbrennungsluft genügt, so dass auf zuvor aufgefangenes und im Zwischenspeicher gespeichertes Kondensat zurückgegriffen wird.
Um Probleme mit einer eventuellen Vereisung des Kondensats zu vermeiden, kann die Rückführvorrichtung mit einer Ablassvorrichtung ausgestattet sein, welche mit der Kondensatauffangvorrichtung verbunden und ausgebildet ist, auf ein Ablasssignal hin das aufgefangene Kondensat abzulassen. Dies ist insbesondere in Kombination mit einem Zwischenspeicher sinnvoll, der durch Abwärme des Verbrennungsmotors vor dem Einfrieren geschützt werden kann, solange der Verbrennungsmotor betrieben wird. Das Ablasssignal kann insbesondere ausgelöst werden, wenn eine mit der Rückführvorrichtung ausgestattete Brennkraftvorrichtung abgeschaltet wird, beispielsweise beim Abstellen eines Kraftfahrzeuges durch den Fahrer.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Brennkraftvorrichtung mit einem Verbrennungsmotor und einer mit dem Verbrennungsmotor verbundenen erfindungsgemäßen Rückführvorrichtung. Außerdem führt die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Brennkraftvorrichtung ein. Bei dem Kraftfahrzeug ist die Rückführvorrichtung bevorzugt an eine Kompressionskältemaschine anschließbar ausgebildet. Dabei ist die Kühleinheit der Rückführvorrichtung vorzugsweise an eine Klimaanlage des Kraftfahrzeuges angeschlossen.
Ein weiterer Erfindungsaspekt stellt ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftvorrichtung zur Verfügung. Es verfügt wenigstens über die folgenden Schritte:
Rückführen eines Teiles eines Abgasstromes eines Verbrennungsmotors der Brennkraftvorrichtung und Beimischen des Teiles des Abgasstromes zu einer Verbrennungsluft des Verbrennungsmotors;
Kühlen eines verbleibenden Abgasstromes des Verbrennungsmotors der Brennkraftvorrichtung;
Auffangen eines Kondensates aus dem gekühlten verbleibenden Abgasstrom;
Beimischen des aufgefangenen Kondensates in die Verbrennungsluft des Verbrennungsmotors; und
Ausstoßen des gekühlten verbleibenden Abgasstromes.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Beschreibung von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigen:
1 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuges; und
2 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuges 1, das über eine an einen Verbrennungsmotor 3 angeschlossene Rückführvorrichtung 2 verfügt. Durch einen Luftfilter 13 von einem Verdichter 10 angesaugte Verbrennungsluft wird über eine Zuluftleitung 4 dem Verbrennungsmotor 3 zugeführt. Der Verbrennungsmotor verbrennt den Kraftstoff, beispielsweise Benzin oder Dieselöl, mit der Verbrennungsluft und generiert so die für den Antrieb des Kraftfahrzeuges 1 benötigte Antriebskraft. Das bei der Verbrennung entstehende Abgas wird über eine Abgasleitung 5 vom Verbrennungsmotor 3 abgeleitet. Ein Teil des Abgases wird zur Verringerung des Schadstoffausstoßes über eine Abgasrückführung 9 und ein Mischventil 14 der Verbrennungsluft beigemischt werden. Die Abgasleitung 5 weist eine Kühleinheit 6 auf, die ausgebildet ist, einen durch die Kühleinheit 6 strömenden Abgasstrom des Verbrennungsmotors 3 zu kühlen, so dass in dem Abgas enthaltener Wasserdampf in der Kühleinheit 6 zu einem wasserhaltigen Kondensat kondensiert. Das Kondensat wird von einer Kondensatauffangvorrichtung aufgefangen und an eine in der Zuluftleitung 4 angeordneten Einspritzvorrichtung 8 geleitet, die das Kondensat in die Verbrennungsluft einspritzt (beispielsweise als Wasserdampf oder Sprühnebel). Erfindungsgemäß wird die Kühleinheit 6 stromabwärts der Abgasrückführung 9 angeordnet, um nur demjenigen Teil des Abgases, der über einen Auspuff ausgestoßen wird, Wasserdampf durch Kondensation zu entziehen.
In der Zuluftleitung 4 kann ein Verdichter 10 vorgesehen sein, welcher vorzugsweise stromaufwärts der Einspritzvorrichtung 8 angeordnet ist. Eine Einspritzung des Kondensats stromaufwärts des Verdichters 10 könnte eine unerwünschte erneute Kondensation des eingespritzten Kondensats nach der Kompression bewirken.
In der Abgasleitung 5 kann eine Abgasturbine 11 vorgesehen sein, die durch den Abgasstrom in der Abgasleitung 5 in Rotation versetzt wird und so den Verdichter 10 antreibt. Ferner kann eine Abgasnachbehandlung 12 zur Filterung oder katalytischen Reduktion von Schadstoffen vorgesehen sein.
2 zeigt ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Brennkraftvorrichtung, das in einem Startschritt S0 beginnt und dann zu einem ersten Schritt S1 fortsetzt. In Schritt S1 wird ein Teil eines Abgasstromes eines Verbrennungsmotors der Brennkraftvorrichtung zurückgeführt und einer Verbrennungsluft des Verbrennungsmotors beigemischt. Ein verbleibender Teil des Abgasstromes wird gekühlt, so dass in dem Abgas enthaltener Wasserdampf also Kondensat abgeschieden wird. In einem gleichzeitig oder anschließend ausgeführten Schritt S2 wird das Kondensat aufgefangen und anschließend in Schritt S3 ebenfalls der Verbrennungsluft des Verbrennungsmotors beigemischt. Außerdem wird in Schritt S3 der gekühlte verbleibende Teil des Abgasstromes ausgestoßen. In einem nachfolgenden Schritt S4 wird geprüft, ob ein Ablasssignal empfangen wurde. Ist dem nicht der Fall, wird das Verfahren durch Rückverzweigung zu Schritt S1 fortgesetzt. Wurde das Ablasssignal empfangen, wird zu einem Schritt S5 verzweigt, in dem das aufgefangene Kondensat abgelassen wird. Dies dient einem Schutz vor Vereisung. Wird die Brennkraftvorrichtung zu einem späteren Zeitpunkt wieder in Betrieb genommen, kann das für den Betrieb benötigte Wasser für die Beimischung zu der Verbrennungsluft durch erneute Kühlung des dann entstehenden Abgasstromes gewonnen werden.
Die Erfindung erlaubt einen Einsatz einer Wassereinspritzung in die Verbrennungsluft des Verbrennungsmotors zur Verringerung des Stickoxidausstoßes bei geringem Aufwand. Insbesondere kann der Aufwand für eine Speicherung von Wasser und das regelmäßige Auffüllen des Wassertanks entfallen. Damit ist die Rückführvorrichtung der Erfindung besonders für einen Einsatz bei Personenkraftfahrzeugen attraktiv.

Claims

Eine Rückführvorrichtung (2) für einen Verbrennungsmotor (3), die Rückführvorrichtung (2) aufweisend eine Zuluftleitung (4), die ausgebildet ist, eine Verbrennungsluft anzusaugen und an den Verbrennungsmotor (3) zu leiten, und eine Abgasleitung (5), die ausgebildet ist, einen Abgasstrom des Verbrennungsmotors (3) abzuleiten, wobei die Abgasleitung (5) eine Kühleinheit (6) aufweist, die ausgebildet ist, den durch die Kühleinheit (6) strömenden Abgasstrom des Verbrennungsmotors (3) zu kühlen, wobei die Rückführvorrichtung (2) außerdem eine Kondensatauffangvorrichtung (7), die ausgebildet ist, ein aus dem in der Kühleinheit (6) gekühlten Abgasstrom kondensierendes Kondensat aufzufangen und an die Zuluftleitung (4) zu leiten, eine in der Zuluftleitung (4) angeordnete Einspritzvorrichtung (8), die ausgebildet ist, das Kondensat in die Verbrennungsluft einzuspritzen, und eine Abgasrückführung (9) umfasst, die ausgebildet ist, wenigstens einen Teil des Abgases zu der Zuluftleitung (4) zurückzuführen und der Verbrennungsluft beizumischen, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführung (9) einen oder mehrere Abzweige von der Abgasleitung (5) aufweist und der Abzweig oder die Abzweige von der Abgasleitung (5) stromaufwärts der Kühleinheit (6) angeordnet sind.
Die Rückführvorrichtung (2) eines der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Zuluftleitung (4) einen Verdichter (10) umfasst, der ausgebildet ist, die Verbrennungsluft zu verdichten, wobei die Einspritzvorrichtung (8) stromabwärts des Verdichters (10) angeordnet ist.
Die Rückführvorrichtung (2) eines der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Kühleinheit (6) einen Wärmetauscher enthält.
Die Rückführvorrichtung (2) eines der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Kühleinheit (6) eine mäanderförmige Abgasleitung enthält.
Die Rückführvorrichtung (2) eines der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Kühleinheit (6) eine Kompressionskältemaschine enthält.
Die Rückführvorrichtung (2) eines der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Kühleinheit (6) an eine Kompressionskältemaschine anschließbar ausgebildet ist.
Die Rückführvorrichtung (2) eines der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Kondensatauffangvorrichtung (7) einen Zwischenspeicher für das aufgefangene Kondensat umfasst.
Die Rückführvorrichtung (2) eines der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Ablassvorrichtung, welche mit der Kondensatauffangvorrichtung (7) verbunden und ausgebildet ist, auf ein Ablasssignal hin das aufgefangene Kondensat abzulassen.
Eine Brennkraftvorrichtung mit einem Verbrennungsmotor (3) und einer mit dem Verbrennungsmotor verbundenen Rückführvorrichtung (2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
Ein Kraftfahrzeug (1) mit einer Brennkraftvorrichtung gemäß dem vorhergehenden Anspruch.
Ein Kraftfahrzeug (1) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Rückführvorrichtung (2) gemäß Anspruch 7 ausgebildet ist und das eine Klimaanlage aufweist, wobei die Kühleinheit (6) der Rückführvorrichtung an die Klimaanlage des Kraftfahrzeuges (1) angeschlossen ist.
Ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftvorrichtung mit den Schritten: Rückführen eines Teiles eines Abgasstromes eines Verbrennungsmotors der Brennkraftvorrichtung und Beimischen des Teiles des Abgasstromes zu einer Verbrennungsluft des Verbrennungsmotors; Kühlen eines verbleibenden Abgasstromes des Verbrennungsmotors (3) der Brennkraftvorrichtung; Auffangen eines Kondensates aus dem gekühlten verbleibenden Abgasstrom; Beimischen des aufgefangenen Kondensates in eine Verbrennungsluft des Verbrennungsmotors (3); und Ausstoßen des gekühlten verbleibenden Abgasstromes.