-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasanlage für einen Ottomotor.
-
Stand der Technik
-
Bekannt ist der Einsatz von Partikelfiltern im Abgassystem von Verbrennungsmotoren. Da der Einsatz eines solchen Filters grundsätzlich eine Gegendruckerhöhung bedingt, ist es in der Regel erstrebenswert, ein Partikelfilter größtmöglichen Durchmessers zu wählen. Das Verhältnis von Länge zu Durchmesser sollte jedoch ein gewisses, typischerweise zwischen 0,75 und 1 beziffertes Mindestmaß einhalten; andernfalls ist ein sicheres Halten des Partikelfilters im Gehäuse (canning) des Filters, das im Wesentlichen wie bei einem heutigen Keramikkatalysator aufgebaut ist, nicht möglich.
-
Partikelfilter haben jedoch die Eigenschaft, dass sie dem Abgasstrom bei einer Länge von 90 bis ca. 110 mm den geringstmöglichen Gegendruck entgegensetzen und bei längerer Ausführung wieder im Gegendruck ansteigen. Folglich gilt es auch zu vermeiden, dass das Filter die genannte Länge deutlich übersteigt. Die Länge eines Partikelfilters hängt direkt mit dem Durchmesser zusammen. Dies bedeutet, dass eine Durchmesservergrößerung zu einer Verlängerung des Filters führt. Ein hinsichtlich des ausgeübten Gegendrucks bestmögliches Filter kann also keinen beliebig großen Durchmesser aufweisen.
-
Ein weiteres Problem stellt die Regeneration des gattungsmäßigen Partikelfilters dar. Bei der Regeneration von Partikelfiltern wird der angelagerte Ruß kontrolliert oxidiert, also gleichsam abgebrannt. Hierzu muss die Temperatur im Partikelfilter auf ca. 600 °C erhöht werden, um dann mit ausreichend Sauerstoff im Abgas den Ruß gezielt „abzubrennen“. Bei großen Partikelfiltern von Kraftfahrzeugen kann diese hohe Temperatur aber im innerstädtischen Fahrbetrieb oft nicht ohne weiteres erreicht werden. Dieses Problem wird in der Fahrzeugtechnik bekanntermaßen dadurch gelöst, dass die Motorsteuerung das Filter auch bei niedrigen Geschwindigkeiten des betreffenden Fahrzeugs gezielt auf die genannte Temperatur erhitzt, was den Kraftstoffverbrauch erhöht und für die Fahrzeuginsassen – wie das Beispiel einer Stadtfahrt bei einer Fahrgeschwindigkeit von 50 km/h im zweiten Gang eindrücklich belegt – ungewohnte Betriebszustände des Motors erfordert.
-
DE 10 2013 003701 A1 betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Regeneration eines Partikelfilters einer Abgasanlage einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine, wobei dem Partikelfilter ein zumindest zur Konvertierung von Stickoxiden ausgebildeter Katalysator nachgeschaltet ist, sowie eine zur Ausführung des Verfahrens eingerichtete Abgasanlage. Hier ist vorgesehen, dass während der Regeneration des Partikelfilters ein Luftverhältnis der Brennkraftmaschine auf einen mageren Lambdawert eingestellt wird und stromauf des nachgeschalteten Katalysators dem Abgas der Brennkraftmaschine ein Kohlenwasserstoff zugeführt wird, sodass in dem nachgeschalteten Katalysator eine Konvertierung von Stickoxiden erfolgt.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die Erfindung stellt eine Abgasanlage für einen Ottomotor nach Anspruch 1 bereit.
-
Ein Vorzug dieser Lösung liegt im geschickten Einsatz von Abgasklappen im Zusammenspiel mit Ottopartikelfiltern (OPF) und deren verschiedenen Schaltstrategien, um eine gezielte Regeneration der OPF zu erleichtern bzw. besser zu steuern, die Beladung der OPF gezielt zu führen oder – bei Anwendung zweier OPF – lediglich einen OPF als beschichtetes System einzusetzen.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Insgesamt werden nachfolgend dreizehn Ausführungsbeispiele dafür angeführt, wie erfindungsgemäße Abgasanlagen für Otto- und insbesondere Benzinmotoren – sei es in Reihen-, V- oder anderweitiger Bauform – aufgebaut werden können. Umsetzbar ist nach dem erfindungsgemäßen Wirkprinzip eine ein- oder zweiflutige Abgasführung.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Die besagten Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
-
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel.
-
2 zeigt ein erstes Schaltungsbeispiel.
-
3 zeigt ein zweites Schaltungsbeispiel.
-
4 zeigt ein drittes Schaltungsbeispiel.
-
5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel.
-
6 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel.
-
7 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel.
-
8 zeigt ein viertes Schaltungsbeispiel.
-
9 zeigt ein fünftes Schaltungsbeispiel.
-
10 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel.
-
11 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel
-
12 zeigt ein siebtes Ausführungsbeispiel.
-
13 zeigt ein achtes Ausführungsbeispiel.
-
14 zeigt ein sechstes Schaltungsbeispiel.
-
15 zeigt ein neuntes Ausführungsbeispiel.
-
16 zeigt ein zehntes Ausführungsbeispiel.
-
17 zeigt ein elftes Ausführungsbeispiel.
-
18 zeigt ein zwölftes Ausführungsbeispiel.
-
19 zeigt ein dreizehntes Ausführungsbeispiel.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
1 illustriert einen als Boxermotor ausgeführten Ottomotor (13, 14, 15, 16, 17) mit Abgasturbolader (13), vier Zylindern (14, 15, 16, 17) sowie einem erfindungsgemäßen Abgassystem. Letzteres umfasst seinerseits ein erstes Ottopartikelfilter (1) und ein zweites Ottopartikelfilter (2), die über eine erste Abgasklappe (8) und eine zweite Abgasklappe (9) gesteuert werden können. Sowohl das erste Ottopartikelfilter (1) als auch das zweite Ottopartikelfilter (2) können eine katalytische Beschichtung aufweisen; aus Kostengründen mag aber lediglich das dem Ottomotor (13, 14, 15, 16, 17) nähere erste Ottopartikelfilter (1) beschichtet sein.
-
Im ersten Schaltungsbeispiel gemäß 2 ist die erste Abgasklappe (8) geöffnet und die zweite Abgasklappe (9) geschlossen. Auf diese Weise wird der gesamte Abgasstrom über das erste Ottopartikelfilter (1) geleitet. Diese Konfiguration erweist sich als geeignete Schaltung für den Kaltwarmlauf des Ottomotors (13, 14, 15, 16, 17). Der in dieser Phase den Drei-Wege-Katalysator (12) passierende Ruß wird im ersten Ottopartikelfilter (1) gesammelt.
-
Günstig ist die dargestellte Schaltung ferner für die Regeneration in Fahrphasen geringer Motorlast. Der gesamte Abgasstrom wird in solchen Phase über das erste Ottopartikelfilter (1) geleitet. Abbildungsgemäß ist das erste Ottopartikelfilter (1) hierzu näher am Ottomotor (13, 14, 15, 16, 17) angeordnet als das zweite Ottopartikelfilter (2), damit die Betriebstemperatur des ersten Ottopartikelfilters (1) jene des zweiten Ottopartikelfilters (2) übersteigt. Optional kann – dem Aufbau eines Vier-Wege-Katalysators (four-way conversion catalyst) entsprechend – auch eine Beschichtung aufgebracht sein, um die Regeneration aktiv zu unterstützen.
-
In Betracht kommt das gezeigte Schaltungsbeispiel auch im Falle eines Abbruchs der Regeneration des zweiten Ottopartikelfilters (2), um dieses zu schützen.
-
Im zweiten Schaltungsbeispiel gemäß 3 ist die zweite Abgasklappe (9) geöffnet und die erste Abgasklappe (8) geschlossen. Hierbei wird der gesamte Abgasstrom über das zweite Ottopartikelfilter (2) geleitet. Auch diese Schaltung ist günstig für die Regeneration in Fahrphasen geringer Motorlast. Der gesamte Abgasstrom wird in solchen Phasen nun über das zweite Ottopartikelfilter (2) geleitet, um dessen Betriebstemperatur zu maximieren. Optional kann auch hier eine Beschichtung aufgebracht sein, um die Regeneration aktiv zu unterstützen.
-
An das abbildungsgemäße Schaltungsbeispiel ist ferner zu denken, falls das erste Ottopartikelfilter (1) mit Ruß gefüllt ist und noch nicht regeneriert werden konnte. Gleiches gilt im Fall eines Abbruchs der Regeneration des ersten Ottopartikelfilters (1), um dieses zu schützen. Die erste Abgasklappe (8) kann auch entfallen, wenn die Konfiguration gemäß 3 niemals benötigt wird.
-
Im dritten Schaltungsbeispiel gemäß 4 sind die erste Abgasklappe (8) und die zweite Abgasklappe (9) geöffnet; der Abgasstrom wird über das erste Ottopartikelfilter (1) und das zweite Ottopartikelfilter (2) geleitet. Eine derartige Schaltung empfiehlt sich bei hoher Motorlast, um den durch das Abgassystem ausgeübten Gegendruck so gering wie möglich zu halten. Um die Drucksensoren (4, 5, 6, 7) mittels des ersten Ottopartikelfilters (1) sowie des zweiten Ottopartikelfilters (2) zu eichen, können die erste Abgasklappe (8) und die zweite Abgasklappe (9) auch teilweise geöffnet werden. Entsprechend den einzelnen Drucksensoren (4, 5, 6, 7) ist es möglich Druckdifferenzsensoren vorzusehen.
-
5 zeigt anhand eines zweiten Ausführungsbeispiels eine abweichende, aber ebenfalls zur Anbringung des ersten Drucksensors (4) geeignete Druckmessstelle. Damit kann auf einen vierten Drucksensor (7) verzichtet werden. Im Übrigen sei auf die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel verwiesen.
-
6 zeigt anhand eines dritten Ausführungsbeispiels eine Anordnung, bei welcher die Abgasströme hinter der ersten Abgasklappe (8) und der zweiten Abgasklappe (9) nicht getrennt in den Schalldämpfer (18) münden, sondern zunächst wieder zu einem Strom zusammengeführt werden. Im Übrigen sei erneut auf die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel verwiesen.
-
7 verdeutlicht anhand eines vierten Ausführungsbeispiels die Möglichkeit einer Sekundärluftzuleitung (19) vor dem ersten Ottopartikelfilter (1) und dem zweiten Ottopartikelfilter (2) bei einem erfindungsgemäßen System. Ein Vorteil des vorgestellten Ausführungsbeispiels liegt darin, dass zu einer gezielten Regeneration nur entweder in das erste Ottopartikelfilter (1) oder das zweite Ottopartikelfilter (2) Sekundärluft eingeblasen werden muss und damit eine deutlich genauere Steuerung erzielt werden kann, als es ohne die erfindungsgemäße erste Abgasklappe (8) und zweite Abgasklappe (9) denkbar wäre.
-
Sämtliche zum ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Schaltungen sind entsprechend im vierten Ausführungsbeispiel anwendbar; durch die Sekundärluftzuleitung (19) ergeben sich gleichwohl weitere Optionen zur Regeneration. So ist in einem vierten Schaltungsbeispiel gemäß 8 die erste Abgasklappe (8) geschlossen und die zweite Abgasklappe (9) geöffnet. Das zweite Ottopartikelfilter (2) wurde gezielt vorgewärmt; seine Betriebstemperatur reicht für eine Regeneration jedoch nicht aus. Der Ottomotor (13, 14, 15, 16, 17) wird anhand der von den Lambdasonden (3) gelieferten Lambdawerte auf ein fettes Gemisch, also einen unterstöchiometrischen Betrieb umgestellt. Auf diese Weise befindet sich stromabwärts des Katalysators (12) noch Kohlenwasserstoff (HC) im Abgas. Bei dieser Einstellung wird Sekundärluft stromaufwärts des zweiten Ottopartikelfilters (2) eingeblasen, um eine Nachreaktion des noch vorhandenen HC vor dem zweiten Ottopartikelfilter (2) zu erreichen. Diese Reaktion heizt dann gezielt das zweite Ottopartikelfilter (2) auf, um dessen Regenerationstemperatur zu erreichen.
-
Nun gibt es zwei Möglichkeiten, die Regeneration des zweiten Ottopartikelfilters (2) auszulösen:
- 1. Der Ottomotor (13, 14, 15, 16, 17) wird überstöchiometrisch, also mit einem mageren Gemisch betrieben. So befindet sich Restsauerstoff im Abgas, und der Restsauerstoff kann mit den Rußpartikeln im zweiten Ottopartikelfilter (2) reagieren.
- 2. Der Ottomotor (13, 14, 15, 16, 17) wird in einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis betrieben, und durch die Sekundärluftzuleitung (19) wird Luft stromaufwärts des zweiten Ottopartikelfilters (2) eingeblasen. Die nun vorhandene Sekundärluft kann mangels HC nicht mit dem Abgas, sondern lediglich mit dem Ruß im zweiten Ottopartikelfilter (2) reagieren. Hierzu kann es auch dienlich sein, die erste Abgasklappe (8) wieder zu öffnen, um den Abgasstrom durch das zweite Ottopartikelfilter (2), welches regeneriert werden soll, zu reduzieren. Auf diesem Wege werden Strömungsgeschwindigkeit und Massedurchsatz reduziert, und die Masse der eingeblasenen Sekundärluft nimmt im Verhältnis zum Abgas einen höheren Anteil am Durchsatz ein.
-
Eine entsprechende Regeneration kann im Falle des ersten Ottopartikelfilters (1) durch umgekehrte Stellung der ersten Abgasklappe (8) und zweiten Abgasklappe (9) erreicht werden, wie 9 anhand eines fünften Schaltungsbeispiels veranschaulicht. Verschiedenste Zwischenstellungen der ersten Abgasklappe (8) sowie der zweiten Abgasklappe (9) sind in diesem Verfahren ebenfalls denkbar.
-
In einem fünften Ausführungsbeispiel gemäß 10 wird ein Teilstrom des Abgases durch eine zusätzliche Leitung (20) unter Umgehung der ersten Abgasklappe (8) bzw. zweiten Abgasklappe (9) vom ersten Ottopartikelfilter (1) und zweiten Ottopartikelfilter (2) unmittelbar in den Schalldämpfer (18) geleitet. Dies birgt folgende Vorteile: Bei geschlossener erster Abgasklappe oder zweiter Abgasklappe kann ein genau definierter Anteil des Abgases das erste Ottopartikelfilter (1) bzw. zweite Ottopartikelfilter (2) durch die Bypass-Leitung (20) umströmen, und somit können wieder die Drucksensoren (4, 5, 6, 7) genutzt werden. Auch kann die Regeneration durch die Sekundärluftzuleitung (19) nun vollständig anders gesteuert werden. Das erste Ottopartikelfilter (1) oder das zweite Ottopartikelfilter (2) wird erwärmt, indem der gesamte Abgasstrom hindurch geleitet wird. Wenn die für eine Regeneration erforderliche Temperatur erreicht ist, wird die erste Abgasklappe (8) bzw. zweite Abgasklappe (9) geschlossen und die Sekundärluft durch das zugehörige Filter geleitet, die dort gezielt den Ruß „abbrennt“. Somit ist eine sehr genaue Regenerationssteuerung des ersten Ottopartikelfilters (1) und zweiten Ottopartikelfilters (2) möglich. Die Bypass-Leitung (20) kann auch in Gestalt regelbarer Abgasklappen (8, 9) umgesetzt werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
-
Ein sechstes und siebtes Ausführungsbeispiel gemäß der 11 und 12 belegen, dass die erste Abgasklappe (8) und zweite Abgasklappe (9) auch stromaufwärts des ersten Ottopartikelfilters (1) bzw. zweiten Ottopartikelfilters (2) angebracht werden können. Im Übrigen sei abermals auf die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel verwiesen. Das siebte Ausführungsbeispiel belegt zudem eine abweichende Möglichkeit der Sekundärluftregeneration.
-
Ein achtes Ausführungsbeispiel gemäß 13 beleuchtet den zusätzlichen Einsatz einer dritten Abgasklappe (10) sowie einer vierten Abgasklappe (11), um gleichzeitig die Regeneration des ersten Ottopartikelfilters (1), des zweiten Ottopartikelfilters (2) und die Auspuffgeräusche zu optimieren.
-
14 zeigt eine mögliche Konfiguration der Abgasanlagen (1, 2, 4–11, 18–22) gemäß dem sechsten, siebten und achten Ausführungsbeispiel. Das zweite Ottopartikelfilter (2) hat hier – sei es in Anwendung des oben beschriebenen Verfahrens oder im regulären Fahrbetrieb – bereits seine Regenerationstemperatur erreicht. Die zweite Abgasklappe (9) wird nun geschlossen und gezielt Sekundärluft eingeblasen, welche die Reaktion des Rußes begünstigt. Der Vorteil dieser Möglichkeit besteht darin, dass sehr genau gesteuert werden kann, wieviel Sauerstoff zugeführt wird. Diese Variante kann auch für die On Bord Diagnose Überwachung von beschichteten Partikelfilter verwendet werden. Dazu ist nach dem Partikelfilter noch eine Lambdasonde (3) vorgesehen. Hierzu wird die Abgasklappe vor einem der Partikelfilter geschlossen. In diesem wird dann solange Sekundärluft eingeblasen bis der Sauerstoffspeicher der Beschichtung gefüllt ist und die Sonde nach Partikelfilter den ankommenden Sauerstoff erkennt. Über die eigeblasene Sekundärluftmenge kann nun errechnet werden wieviel Sauerstoff in der Beschichtung gespeichert wurde. Darüber ist die Aussage über die Funktionsfähigkeit (Alterungszustand) der Beschichtung möglich. Dies hat den positiven Effekt, dass kein zusätzlicher Katalysator nach Ottopartikelfilter positioniert werden muss, der die durchbrechenden Emissionskomponenten HC/NOx wieder umwandelt. Es tritt lediglich Luft nach Ottopartikelfilter aus, wenn der Sauerstoffspeicher der Beschichtung gesättigt ist.
-
15 zeigt ein einflutiges Abgassystem mit einem ersten Ottopartikelfilter (1) und einem zweiten Ottopartikelfilter (2). Alle anderen Funktionen sind wie in den vorherigen Beispielen realisierbar; auch die Lage der Abgasklappen (8, 9) mag entsprechend der obigen Ausführung variiert werden.
-
16 zeigt ein zehntes Ausführungsbeispiel der Erfindung in Gestalt eines zweiflutigen Abgassystems.
-
17 verdeutlicht anhand eines elften Ausführungsbeispiels das Zusammenwirken der ersten Abgasklappe (8) mit dem ersten Ottopartikelfilter (1), wenn aufgrund baulicher Vorgaben nur eine einflutige Ausgestaltung der Abgasanlage möglich ist. Ein Vorteil dieses Systems besteht darin, dass durch Schließen der ersten Abgasklappe (8) der durch das Abgassystem ausgeübte Gegendruck erhöht und der Ottomotor (13, 14, 15, 16, 17) unter höherer Last betrieben wird, ohne die Motordrehzahl zu erhöhen. Damit steigt die Abgastemperatur, was eine Regeneration bei geringer Fahrgeschwindigkeit vereinfacht. So ist eine Regeneration auch im Stadtbetrieb möglich, ohne für den Kunden unerwünschte Motorbetriebspunkte einzustellen – zu denken ist auch hier an das bereits angeführte Beispiel einer Stadtfahrt bei einer Fahrgeschwindigkeit von 50 km/h im zweiten Gang. Die Bypass-Leitung (20) kann sinnvoll durch einen zusätzlichen strömungstechnischen Ausgang oder eine unvollständige Schließung der ersten Abgasklappe (8) umgesetzt werden.
-
Das in 18 gezeigte zwölfte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem elften; allerdings ist die erste Abgasklappe (8) hier vor dem ersten Ottopartikelfilter (1) angebracht. Diese Anordnung birgt den Vorteil, dass die erste Abgasklappe (8) dazu verwendet werden kann, den Bypass-Abgasstrom ohne weitere Hilfsmittel an der abbildungsgemäß mit dem Bezugszeichen 21 markierten Position einzustellen. Dies erspart einen zusätzlichen strömungstechnischen Ausgang.
-
19 zeigt eine Variante, bei welcher jeweils ein Heizkatalysator (22) vor dem ersten Ottopartikelfilter (1) und dem zweiten Ottopartikelfilter (2) vorgesehen ist. Hierdurch werden weitere Möglichkeiten der Steuerung eröffnet. Dadurch werden alle zuvor beschriebenen Funktionen bezüglich Aufheizung und Regeneration des ersten Ottopartikelfilters (1) und zweiten Ottopartikelfilters (2) weiter aufgewertet. Der Heizkatalysator (22) kann funktionsgemäß beheizt werden, und nur ein kleiner Abgasstrom wird über die erste Abgasklappe (8) bzw. zweite Abgasklappe (9) durch den beheizten Strang der Abgasanlage geleitet, um möglichst viel Wärme vom Heizkatalysator (22) auf das erste Ottopartikelfilter (1) oder zweite Ottopartikelfilter (2) zu übertragen. Wenn dessen Regenerationstemperatur erreicht, kann die stromaufwärts des Filters angeordnete erste Abgasklappe (8) bzw. zweite Abgasklappe (9) geschlossen und lediglich mittels der zugeordneten Sekundärluftzuleitung (19) eine Regeneration eingeleitet werden.
-
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 102013003701 A1 [0005]
