DE102014209952B4 - Abgasnachbehandlungsvorrichtung, sowie Verfahren zur Abgasnachbehandlung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung sowie ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung. Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist die Abgasnachbehandlungsvorrichtung im Abgaskrümmer des Verbrennungsmotors (2) eine Filterpassage (9) mit im Betrieb der Abgasnachbehandlungsvorrichtung zeitlich variabel einstellbarem Durchlass für den Abgasstrom auf, wobei die Filterpassage (9) in ihrem Relativabstand zueinander verstellbare Filtrationswandungen aufweist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung, sowie ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung.
  • In Kraftfahrzeugen mit Dieselmotor, deren Abgasnachbehandlungsvorrichtung mit einem NOx-Speicherkatalysator ausgestattet ist, erfolgt in bestimmten Betriebsphasen ein Betrieb mit fettem Luft-Kraftstoff-Gemisch. Hierbei wird ein vergleichsweise niedriger Soll-Wert für den Lambda-Wert (z. B. 0,96) eingestellt, welcher zur Freisetzung und Umwandlung von in dem NOx-Speicherkatalysator gespeicherten Stickoxiden (NOx) sowie auch zur Freisetzung von Schwefel bei relativ niedrigen Katalysatortemperaturen (typischerweise 600°C - 700°C) benötigt wird.
  • Im Niedriglastbetrieb ist die Möglichkeit zur stabilen Einstellung eines Betriebs mit fettem Luft-Kraftstoff-Gemisch durch die Stabilität des Verbrennungsprozesses begrenzt. Dies gilt insbesondere bei Verbrennungskonzepten, welche auf einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch basieren und wie sie in Dieselmotoren mit Direkteinspritzung angewandt werden. Hierdurch wird die Robustheit, welche für die Erreichung niedriger Gesamtkohlenwasserstoff (THC)-Emissionen erforderlich ist, eingeschränkt. Beim Betrieb unter niedriger bis mittlerer Last und konstanter Motordrehzahl ist die Stabilität des fetten Luft-Kraftstoff-Gemisches ferner auch eine Funktion der Gleichmäßigkeit der Drehmomentanforderung durch den Fahrer (d. h. der Gaspedalbetätigung), welche wiederum fahrbahnabhängig, z. B. bei Fahrt auf einer Steigung oder einem Gefälle, variieren kann. Darüber hinaus ist bei einem Betrieb unter mittlerer bis hoher Last (typischerweise bei vorübergehender Beschleunigung oder fortwährendem Betrieb mit vergleichsweise hoher Leistung) die Möglichkeit zur Einstellung und Aufrechterhaltung eines Betriebs mit fettem Luft-Kraftstoff-Gemisch durch die Grenzwerte für die Abgastemperaturen am Turbolader und im Abgasrückführungskreislauf (EGR-Kreis) beschränkt.
  • Ein in der Praxis auftretendes Problem ist die ausgeprägte Bildung von nassem Ruß, welcher durch den Übergang vom mageren zum fetten Betrieb und den niedrigen Lambda-Wert zu Beginn des Reinigungsvorganges verursacht wird. Dieser nasse Ruß kann sich auf den Abgaskomponenten stromabwärts des Dieselpartikelfilters (DPF) ablagern und bis zu einem gewissen Grade beispielsweise auch als Ablagerung auf der Turbine des Turboladers haften bleiben, wodurch Betriebseigenschaften und Leistungsfähigkeit der Abgasnachbehandlungsvorrichtung beeinträchtigt werden können.
  • Aus DE 10 2010 026 868 A1 ist u.a. ein Rußfilter bekannt, welcher schräge Wellschichten mit parallelen Kämmen aufweist, um das Zurückhalten von Partikeln zu verbessern, wobei der Rußfilter auch so ausgestaltet sein kann, dass sich die hydraulische Fläche für den Abgasstrom als Funktion der Strecke durch den Rußfilter bzw. vom Einlass bis zum Auslass ändert.
  • Aus EP 0 205 755 B1 ist u.a. ein Abgasfilter für einen Dieselmotor bekannt, welcher eine gewellte Bahn und eine flache Bahn aus jeweils porösem Keramikmaterial aufweist, die zusammen eine Kompositbahn bilden, welche zur Ausbildung einer Wabenstruktur mit Zellkanälen aufgewickelt ist, wobei in die Kanäle rohrartige Einsätze mit vergleichsweise kleineren Öffnungen eingesetzt sind.
  • Aus WO 2009/065572 A1 ist u.a. ein Rußpartikelfilter bekannt, in welchem sich die Rußpartikel an hochtemperaturbeständigen Edelmetallscheiben ablagern, wobei z.B. mit einer Glühzündung ein Selbstbrand der gespeicherten Rußpartikel in Gang gesetzt werden kann.
  • Aus DE 32 35 953 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entfernung von festen Bestandteilen, insbesondere vom Rußbestandteilen, aus dem Abgas von Brennkraftmaschinen bekannt, wobei ein einer Trenneinrichtung vorgeschalteter Filter nur bei Vollastbetrieb zugeschaltet wird, wobei dieser Filter aufgrund seiner Anordnung nahe an der Auslaßseite der Brennkraftmaschine die Eigenschaft hat, sich bei Betrieb von den ausgefilterten Rußbestandteilen freizubrennen.
  • Zum weiteren Stand der Technik wird beispielhaft auf US 2006/0059899 A1 , EP 2 405 109 A2 , EP 1 270 884 A1 , JP 2000-80912 A , DE 10 2009 033 379 A1 , DE 93 20 917 U1 , DE 102 12 236 A1 , DE 20 2004 002 951 U und US 5 000 768 A verwiesen.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung sowie ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung bereitzustellen, welche die stabile Einstellung eines Betriebs mit fettem Luft-Kraftstoff-Gemisch unter Vermeidung der vorstehend beschriebenen Probleme ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
  • Eine erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor weist im Abgaskrümmer des Verbrennungsmotors eine Filterpassage mit im Betrieb der Abgasnachbehandlungsvorrichtung zeitlich variabel einstellbarem Durchlass für den Abgasstrom auf, wobei die Filterpassage in ihrem Relativabstand zueinander verstellbare Filtrationswandungen aufweist.
  • Der Erfindung liegt insbesondere das Konzept zugrunde, eine Unterstützung des Betriebs mit fettem Luftkraftstoffgemisch dadurch zu erreichen, dass im Abgaskrümmer des Verbrennungsmotors eine Filterpassage mit im Betrieb der Abgasnachbehandlungsvorrichtung zeitlich variabel einstellbarem Durchlass und im Relativabstand zueinander verstellbaren Filtrationswandungen vorgesehen wird, so dass insbesondere während eines Betriebs mit fettem Luftkraftstoffgemisch erzeugter nasser Ruß zumindest teilweise aufgefangen werden kann, wohingegen die Filterpassage im „normalen“ Betriebsmodus (d. h. im Betrieb mit stöchiometrischem oder auch magerem Luft-Kraftstoff-Gemisch) mit relativ größerem Durchlass eingestellt werden kann, so dass dann im „normalen“ Betriebsmodus die Abgasströmung weniger oder gar nicht behindert wird.
  • Gemäß einer Ausführungsform lässt die Filterpassage in wenigstens einer Einstellung den Abgasstrom unbeeinflusst.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist die Filterpassage wenigstens bereichsweise eine Lamellenstruktur auf.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist der Verbrennungsmotor einen Turbolader mit einem Verdichter und einer Turbine auf, wobei die Filterpassage bezogen auf den Abgasstrom stromaufwärts der Turbine angeordnet ist. Infolge dieser Anordnung der Filterpassage stromaufwärts der Turbine kann im Betrieb des Verbrennungsmotors bzw. der Abgasnachbehandlungsvorrichtung erzeugter nasser Ruß zumindest teilweise aufgefangen und daran gehindert werden, die Turbine des Turboladers zu erreichen und dort als Ablagerung haften zu bleiben.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist die Abgasnachbehandlungsvorrichtung ferner eine Steuereinrichtung auf, welche dahingehend konfiguriert ist, den Durchlass der Filterpassage in Abhängigkeit von einem im Betrieb des Verbrennungsmotors eingestellten Lambda-Wert des Luft-Kraftstoff-Gemisches zu variieren.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird bei dieser Variation bei einer Verringerung des Lambda-Wertes des Luft-Kraftstoff-Gemisches der Durchlass der Filterpassage reduziert.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, wobei die Abgasnachbehandlungsvorrichtung im Abgaskrümmer des Verbrennungsmotors eine Filterpassage mit im Betrieb der Abgasnachbehandlungsvorrichtung zeitlich variabel einstellbarem Durchlass für den Abgasstrom aufweist, und wobei die Abgasnachbehandlungsvorrichtung ferner eine Steuereinrichtung aufweist, welche dahingehend konfiguriert ist, den Durchlass der Filterpassage in Abhängigkeit von einem im Betrieb des Verbrennungsmotors eingestellten Lambda-Wert des Luft-Kraftstoff-Gemisches zu variieren, wobei bei dieser Variation bei einer Verringerung des Lambda-Wertes des Luft-Kraftstoff-Gemisches der Durchlass der Filterpassage reduziert wird.
  • Die Erfindung betrifft ferner auch ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung, mit einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung, welche eine Filterpassage mit im Betrieb der Abgasnachbehandlungsvorrichtung zeitlich variabel einstellbarem Durchlass für den Abgasstrom aufweist. Hierbei wird der Durchlass in Abhängigkeit von einem im Betrieb des Verbrennungsmotors eingestellten Lambda-Wert des Luft-Kraftstoff-Gemisches variiert, wobei bei dieser Variation bei einer Verringerung des Lambda-Wertes des Luft-Kraftstoff-Gemisches der Durchlass der Filterpassage reduziert wird.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird zur Reinigung der Filterpassage ein vorübergehender Hochtemperaturbetrieb durchgeführt.
  • Hinsichtlich weiterer bevorzugter Ausgestaltungen des Verfahrens wird auf die vorstehenden Ausführungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung Bezug genommen.
  • Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Abbildungen näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines möglichen Aufbaus einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung; und
    • 2a-b schematische Darstellungen zur Erläuterung der Funktion einer in einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung vorhandenen Filterpassage.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Aufbaus einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • Gemäß 1 bezieht ein Verbrennungsmotor 2 in Form eines Dieselmotors mit Turbolader 3 Frischluft von einem Luftfilter 4, welche von einem Verdichter 3a des Turboladers 3 vorverdichtet wird. Die Abgase des Verbrennungsmotors 2 durchströmen in der Abgasleitung 5 stromabwärts der Turbine 3b des Turboladers 3 nacheinander eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 6 mit einem Oxidationskatalysator und/oder einem NOx-Speicherkatalysator, einen Dieselpartikelfilter 7 sowie einen Endschalldämpfer 8.
  • Gemäß 1 ist des Weiteren in der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung 1 im Abgaskrümmer stromaufwärts der Turbine 3b des Turboladers 3 eine Filterpassage 9 vorgesehen, welche, wie im Weiteren unter Bezugnahme auf 2 beschrieben wird, im Betrieb der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 1 zeitlich variabel einstellbar ist.
  • Hierbei ist vorzugsweise eine Steuereinrichtung vorgesehen, welche dahingehend konfiguriert ist, den Durchlass der Filterpassage 9 in Abhängigkeit von einem im Betrieb des Verbrennungsmotors 2 eingestellten Lambda-Wert des Luft-Kraftstoff-Gemisches zu variieren.
  • Über diese Steuereinrichtung kann die Filterpassage 9 im „normalen“ Betriebsmodus (d. h. im Betrieb mit stöchiometrischem oder auch magerem Luft-Kraftstoff-Gemisch) wie in 2a schematisch angedeutet „offen“ eingestellt werden, d.h. die Abgasströmung wird dort nicht eingeschränkt oder behindert.
  • Während eines Betriebs des Verbrennungsmotors 2 mit fettem Luft-Kraftstoff-Gemisch wird jedoch, wie in 2b schematisch angedeutet, die Filterpassage 9 soweit geschlossen bzw. verengt, dass eine Durchlassbeschränkung des heißen Abgasstromes bzw. des fetten Luft-Kraftstoff-Gemisches erfolgt.
  • Hierbei weist die Filterpassage 9 im Ausführungsbeispiel eine Lamellenstruktur mit Lamellen 9a, 9b auf, welche Filtrationswandungen ausbilden, an denen sich insbesondere nasser Ruß ablagern kann. Infolge des verengten Durchlassquerschnitts im Bereich der Filterpassage 9 wird der erzeugte nasse Ruß zumindest teilweise aufgefangen und daran gehindert, die Turbine 3b des Turboladers 3 zu erreichen und dort in Form von Ablagerungen haften zu bleiben.
  • Der erhöhte Gegendruck ermöglicht es darüber hinaus, die Massenströmungsrate in der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 1 zu verringern, was insofern wünschenswert ist, als hierdurch der zusätzliche Kraftstoffbedarf für die Erzeugung des fetten Luft-Kraftstoff-Gemisches verringert wird.
  • Die abgelagerten Rußpartikel können dann während der normalen Regeneration des Dieselpartikelfilters 7 eliminiert werden. Des Weiteren kann auch über einen kurzzeitigen Hochtemperaturbetrieb eine Reinigung der Filterpassage 9 herbeigeführt werden.

Claims (10)

  1. Abgasnachbehandlungsvorrichtung (1) für einen Verbrennungsmotor (2), wobei die Abgasnachbehandlungsvorrichtung (1) im Abgaskrümmer des Verbrennungsmotors (2) eine Filterpassage (9) mit im Betrieb der Abgasnachbehandlungsvorrichtung (1) zeitlich variabel einstellbarem Durchlass für den Abgasstrom aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterpassage (9) in ihrem Relativabstand zueinander verstellbare Filtrationswandungen aufweist.
  2. Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterpassage (9) wenigstens bereichsweise eine Lamellenstruktur aufweist.
  3. Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterpassage (9) in wenigstens einer Einstellung den Abgasstrom unbeeinflusst lässt.
  4. Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor einen Turbolader (3) mit einem Verdichter (3a) und einer Turbine (3b) aufweist, wobei die Filterpassage (9) bezogen auf den Abgasstrom stromaufwärts der Turbine (3b) angeordnet ist.
  5. Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese ferner eine Steuereinrichtung aufweist, welche dahingehend konfiguriert ist, den Durchlass der Filterpassage (9) in Abhängigkeit von einem im Betrieb des Verbrennungsmotors (2) eingestellten Lambda-Wert des Luft-Kraftstoff-Gemisches zu variieren.
  6. Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei dieser Variation bei einer Verringerung des Lambda-Wertes des Luft-Kraftstoff-Gemisches der Durchlass der Filterpassage (9) reduziert wird.
  7. Abgasnachbehandlungsvorrichtung (1) für einen Verbrennungsmotor (2), wobei die Abgasnachbehandlungsvorrichtung (1) im Abgaskrümmer des Verbrennungsmotors (2) eine Filterpassage (9) mit im Betrieb der Abgasnachbehandlungsvorrichtung (1) zeitlich variabel einstellbarem Durchlass für den Abgasstrom aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungsvorrichtung (1) ferner eine Steuereinrichtung aufweist, welche dahingehend konfiguriert ist, den Durchlass der Filterpassage (9) in Abhängigkeit von einem im Betrieb des Verbrennungsmotors (2) eingestellten Lambda-Wert des Luft-Kraftstoff-Gemisches zu variieren, wobei bei dieser Variation bei einer Verringerung des Lambda-Wertes des Luft-Kraftstoff-Gemisches der Durchlass der Filterpassage (9) reduziert wird.
  8. Verfahren zur Abgasnachbehandlung, mit einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung (1) welche eine Filterpassage (9) mit im Betrieb der Abgasnachbehandlungsvorrichtung (1) zeitlich variabel einstellbarem Durchlass für den Abgasstrom aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchlass in Abhängigkeit von einem im Betrieb des Verbrennungsmotors (2) eingestellten Lambda-Wert des Luft-Kraftstoff-Gemisches variiert wird, wobei bei dieser Variation bei einer Verringerung des Lambda-Wertes des Luft-Kraftstoff-Gemisches der Durchlass der Filterpassage (9) reduziert wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Reinigung der Filterpassage (9) ein vorübergehender Hochtemperaturbetrieb durchgeführt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist.
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