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Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasturbolader und einem Partikelfilter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Partikelfilters gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.
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Verbrennungskraftmaschinen mit Abgasturbolader sind bekannt. Insbesondere ist der Abgasturbolader zur Leistungssteigerung der Verbrennungskraftmaschine ausgebildet. Zur Reduzierung von Emissionen der Verbrennungskraftmaschine sind in einem Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine unterschiedliche Filter- und Reinigungssysteme stromab einer Turbine des Abgasturboladers angeordnet, insbesondere ein Katalysator und ein Partikelfilter. Damit beide Systeme über einen gesamten Betriebsbereich der Verbrennungskraftmaschine hinreichend funktionieren, ist zur zusätzlichen Lufteinspeisung in den Abgastrakt eine sogenannte Sekundärluftleitung vorgesehen, über die Frischluft, insbesondere zur Oxidation des Partikelfilters in den Abgastrakt eingeleitet werden kann.
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Der Offenlegungsschrift
DE 10 2008 000 793 A1 ist eine Verbrennungskraftmaschine in Form eines Dieselmotors entnehmbar, welche mit einem Abgasturbolader aufgeladen ist. Stromab einer Turbine des Abgasturboladers, welcher in einem Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist, sind seriell im Abgastrakt ein Katalysator und ein Partikelfilter ausgebildet. In einem Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine ist ein Verdichter des Abgasturboladers angeordnet. Stromab des Verdichters und stromauf eines im Ansaugtrakt stromab des Verdichters angeordneten Ladeluftkühlers zweigt eine Luftleitung ab, die zwischen einem Turbinenaustritt der Turbine und einem Eintritt des Katalysators in den Abgastrakt einmündet. Mit Hilfe der Luftleitung werden dem Katalysator und dem Partikelfilter Frischluft zur gemeinsamen Durchströmung mit Abgas der Verbrennungskraftmaschine zugeführt.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2011 118 337 A1 ist ebenfalls eine turboaufgeladene Verbrennungskraftmaschine bekannt. Im Gegensatz zur Verbrennungskraftmaschine der
DE 10 2008 000 793 A1 ist hier zusätzlich zwischen dem Katalysator und dem Partikelfilter ein Stickoxidspeicherkatalysator ausgebildet. Die vom Ansaugtrakt abzweigende Luftleitung mit einer Regelvorrichtung mündet zwischen dem Katalysator und dem Stickoxidspeicherkatalysator in den Abgastrakt ein. Zusätzlich ist eine weitere Luftleitung mit einer weiteren Regelvorrichtung vorgesehen, die zwischen dem Stickoxidspeicherkatalysator und dem Partikelfilter in den Abgastrakt mündet, so dass unabhängig von einer Luftzufuhr stromauf des Stickoxidspeicherkatalysators dem Partikelfilter Luft zur Regeneration zugeführt werden kann.
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Die Offenlegungsschrift
DE 10 2009 046 559 A1 offenbart eine Verbrennungskraftmaschine, in Form eines Ottomotors, mit einem Abgasturbolader, wobei im Abgastrakt stromab der Turbine seriell ein Vorkatalysator und ein Hauptkatalysator positioniert sind, zwischen denen ein Partikelfilter angeordnet ist. Zwischen dem Vorkatalysator und dem Partikelfilter mündet zur zusätzlichen Luftversorgung des Partikelfilters eine aus vom Ansaugtrakt abzweigende Luftleitung in den Abgastrakt ein.
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In der Offenlegungsschrift
JP 2006 307811 A ist eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasturbolader beschrieben, wobei der Abgasturbolader zur Sekundärluftförderung ausgebildet ist. Damit insbesondere bei niedrigen Drehzahlen und Lastpunkten der Verbrennungskraftmaschine ausreichend Sekundärluft zu Verfügung gestellt werden kann, weist der Abgasturbolader einen Elektromotor auf.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasturbolader bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe ist es, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines Partikelfilters anzugeben.
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Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
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Eine erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasturbolader und einem Partikelfilter umfasst einen Ansaugtrakt und einen Abgastrakt. Ein Verdichter des Abgasturboladers ist im Ansaugtrakt und eine zum Antrieb des Verdichters ausgebildete Turbine des Abgasturboladers ist im Abgastrakt angeordnet. Es ist eine den Ansaugtrakt mit dem Abgastrakt durchströmbar verbindende Luftleitung zur Steigerung einer Reduktion des Partikelfilters vorgesehen, welche in den Abgastrakt stromab der Turbine und stromauf des Partikelfilters einmündend ausgebildet ist. Der Abgasturbolader ist elektrisch unterstützt. Die Verbrennungskraftmaschine ist in Form eines Ottomotors ausgestaltet.
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Elektrisch unterstützte Abgasturbolader können zur Verbesserung eines Ansprechverhaltens von mittels Abgasturbolader aufgeladenen Verbrennungsmaschinen und zur Steigerung eines stationären Volllastmomentes bei niedrigen Drehzahlen der Verbrennungskraftmaschine eingesetzt werden. Insbesondere bei niedrigen Lasten der Verbrennungskraftmaschine wird dem Abgasturbolader eine nicht hinreichende Abgasenthalpie zur Verfügung gestellt. Mit Hilfe des elektrisch angetriebenen Abgasturboladers kann insbesondere in diesen Lastbereich der Verbrennungskraftmaschine eine hohe Frischluftmenge bei einem ausreichend hohen Ladedruck zugeführt werden.
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Der Vorteil der Erfindung ist mit Hilfe des elektrisch unterstützten Abgasturboladers insbesondere bei geringen Drehzahlen und/oder Lastpunkten der Verbrennungskraftmaschine dem Partikelfilter insbesondere bei erreichter Ruß-Beladung auch bei niedrigen Drehzahlen und/oder Lastpunkten ausreichend Frischluft zur Regeneration zur Verfügung zu stellen. Somit kann eine separate Sekundärluftpumpe, welche üblicherweise der Verbrennungskraftmaschine zugeordnet ist, entfallen. Dies führt aufgrund einer Reduktion der Bauteile der Verbrennungskraftmaschine zu einer Reduzierung von Herstellungskosten.
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Ein weiterer Vorteil ist in einer Gewichtsreduktion der Verbrennungskraftmaschine durch den Entfall der Sekundärluftpumpe zu sehen.
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Der Abgasturbolader kann bspw. ausschließlich zur Förderung der Frischluft für den Abgastrakt vorgesehen sein. Sofern er nicht zusätzlich einer Aufladung der Verbrennungskraftmaschine dient, kann er kompakt, mit anderen Worten relativ zu einem üblicherweise der Aufladung dienenden Abgasturbolader klein ausgeführt sein. Ebenso kann er auch zusätzlich zu einem der Aufladung der Verbrennungskraftmaschine dienenden Abgasturbolader angeordnet sein.
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Bei einem Ersatz der üblicherweise eingesetzten Sekundärluftpumpe kann eine Verrohrung derselben, wie bspw. Rückschlagventil, Einblasestellen an einem Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine, beibehalten und genutzt werden. So kann bspw. die Abzweigung der Luftleitung vom Ansaugtrakt stromauf einer Drosselklappe der Verbrennungskraftmaschine ausgestaltet sein. Insbesondere bei niedrigen Last- und Drehzahlen der Verbrennungskraftmaschine ist der elektrisch unterstützte Abgasturbolader zu bestromen.
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Insbesondere, sofern zusätzlich zwischen der Turbine und dem Partikelfilter ein Katalysator im Abgasstrang angeordnet ist, kann dem Katalysator mit Hilfe des elektrisch unterstützten Abgasturboladers insbesondere bei geringen Drehzahlen und/oder Lastpunkten der Verbrennungskraftmaschine ausreichend Frischluft zur Nachoxidation unverbrannter Kohlenwasserstoffe zugeführt werden. Bspw. wird mit Hilfe der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine während einer Kaltstartphase zum Aufheizen des Katalysators hinreichend Frischluft dem Abgastrakt zugeführt.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine von der Luftleitung abzweigende Abzweigleitung in die Abgasleitung zwischen der Turbine und dem Katalysator einmündend ausgebildet. Der Vorteil ist eine für den Katalysator und den Partikelfilter getrennt voneinander ausgebildete Zufuhr von Frischluft, wodurch jedes der beiden Bauteile unabhängig voneinander individuell mit Frischluft versorgt werden kann.
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Vorteilhaft ist eine Durchströmung der Luftleitung und/oder der Abzweigleitung zur kontrollierten Luftzufuhr in den Abgastrakt regelbar. Somit lassen sich Frischluftmengen in Abhängigkeit des Betriebspunktes der Verbrennungskraftmaschine einstellen, wodurch gezielt auf eine aktuelle Emission Einfluss genommen werden kann. Das heißt mit anderen Worten, das eine Frischluft führende Leitung vor dem Katalysator in den Abgastrakt und eine weitere frischluftführende Leitung stromauf des Partikelfilters in den Abgastrakt münden.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist die Luftleitung eine Luft-Kraftstoff-Mischeinrichtung auf. Eine Gemischanreicherung, zur bspw. der Regeneration des Partikelfilters, kann in einem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine zur Erzielung eines fetten Gemisches und damit zur Erzielung unverbrannter Kohlenwasserstoffe erfolgen. Dies ist vorteilhaft, sofern eine gesteuerte Regeneration des Partikelfilters zeitgleich mit einem Aufheizen des Katalysators ausgeführt werden soll.
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Ebenso kann vorteilhaft gemäß der vorgesehenen weiteren Ausgestaltung eine zusätzliche Einspritzstelle von Kraftstoff mittels der Luft-Kraftstoff-Mischeinrichtung ausgebildet sein. Somit kann bei einer gesteuerten Regeneration des Partikelfilters durch eine Anreicherung der Frischluft mit Kraftstoff eine Temperaturerhöhung im Partikelfilter zur Steigerung der Regeneration erzielt werden. Insbesondere, sofern gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine die Luft-Kraftstoff-Mischeinrichtung ein Zündelement aufweist. Somit kann durch das Zündelement die angereicherte Frischluft geregelt gezündet werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist stromauf des Partikelfilters eine Messeinrichtung zur Messung eines Kraftstoff-Luftverhältnisses des Abgases im Abgastrakt ausgebildet. Somit besteht die Möglichkeit in Abhängigkeit der gemessenen Luft-Kraftstoffzusammensetzung des Abgases die zur Regenration bei einem Kraftstoff-Luftverhältnis mit einem Wert 1 benötigte Luftmenge genau zu bestimmen. Das heißt mit anderen Worten, es wird genau soviel Frischluft über die Luftleitung dem Partikelfilter zugeführt, damit im Abgas enthaltener unverbrannter Kraftstoff zur Aufheizung des Partikelfilters nahezu emissionsneutral verbrannt werden kann.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist zur elektrischen Unterstützung des Abgasturboladers ein Elektromotor eine Welle des Abgasturbolader umfassend ausgebildet. Der Vorteil ist in einer Bereitstellung eines kompakten Abgasturboladers zu sehen.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Partikelfilters, wobei der Partikelfilter in einem Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist, und wobei die Verbrennungskraftmaschine einen Abgasturbolader aufweist, welcher elektrisch unterstützt ist. Eine Turbine des Abgasturboladers ist stromauf des Partikelfilters im Abgastrakt angeordnet und ein Verdichter des Abgasturboladers ist in einem Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine angeordnet. Eine Luftleitung ist stromab des Verdichters und stromab der Turbine den Abgastrakt und den Ansaugtrakt durchströmbar verbindend ausgebildet. Die Verbrennungskraftmaschine ist in Form eines Ottomotors ausgebildet. Zur Regeneration des Partikelfilters wird dem Partikelfilter über die Luftleitung vom Verdichter angesaugte Frischluft zugeführt. In einem niedrigen und/oder mittleren Last- und/oder Drehzahlbereich der Verbrennungskraftmaschine wird der Abgasturbolader elektrisch angetrieben.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Frischluft mit Hilfe einer Regelvorrichtung geregelt. Der Vorteil ist eine betriebspunktabhängige Zufuhr von Frischluft in den Abgastrakt zum Regenerieren des Partikelfilters.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Beschreibung von Ausführungsbeispielen genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Eine erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine eines ersten Ausführungsbeispiels, welche in Form eines Ottomotors ausgebildet ist, weist einen Ansaugtrakt und einen Abgastrakt auf. Des Weiteren umfasst die Verbrennungskraftmaschine einen elektrisch unterstützten Abgasturbolader mit einem Verdichter und einer Turbine, welcher mit Hilfe eines Elektromotors elektrisch angetrieben werden kann. Im Ansaugtrakt sind stromauf der Verbrennungskraftmaschine ein Luftfilter, der Verdichter, ein Ladeluftkühler und eine Drosselklappe vorgesehen, die seriell durchströmbar angeordnet sind. Der Abgastrakt weist stromab der Verbrennungskraftmaschine die Turbine, einen Katalysator, einen Partikelfilter und einen Schalldämpfer auf, welche im Abgastrakt ebenfalls seriell durchströmbar positioniert sind.
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Zur seriellen Durchströmbarkeit ist im Ansaugtrakt eine Ladeluftleitung, den Luftfilter, den Verdichter, den Ladeluftkühler und die Drosselklappe durchströmbar aufnehmend ausgebildet. Ebenso ist im Abgastrakt eine Abgasleitung die Turbine, den Katalysator, den Partikelfilter und den Schalldämpfer durchströmbar aufnehmend ausgeführt.
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Im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine wird über den Verdichter geförderte Frischluft unter Zufuhr von Kraftstoff in einem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine zu Abgas verbrannt. Das Abgas tritt über die mit der Verbrennungskraftmaschine durchströmbar verbundene Abgasleitung in den Abgastrakt ein, wobei es die Turbine durchströmt und ein Laufzeug des Abgasturboladers zur Rotation anregt.
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Das Laufzeug weist ein in der Turbine drehbar angeordnetes Turbinenrad auf, welches mit Hilfe einer Welle mit einem im Verdichter drehbar angeordnetes Verdichterrad drehfest verbunden ist. Somit wird aufgrund der Rotation des Turbinenrades das Verdichterrad ebenfalls zur Rotation angeregt, so dass mit Hilfe des Verdichters Frischluft ansaugt und verdichtet wird.
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Zur Regenerierung des Partikelfilters sowie zur Steigerung einer Betriebstemperatur des Katalysators ist eine Luftleitung stromab des Verdichters und stromauf des Ladeluftkühlers von der Ladeluftleitung abzweigend ausgebildet, wobei die Luftleitung stromab der Turbine und stromauf des Katalysators in die Abgasleitung mündet.
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Insbesondere im niedrigen und mittleren Drehzahl- und/oder Lastbereich der Verbrennungskraftmaschine weist, aufgrund einer geringen Abgastemperatur der Verbrennungskraftmaschine, das die Turbine antreibende Abgas eine geringe Abgasenthalpie auf, so dass eine Drehzahl des Laufzeugs relativ zu einem Volllastbetrieb der Verbrennungskraftmaschine reduziert ist.
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Damit insbesondere im niedrigen und mittleren Drehzahl- und/oder Lastbereich der Verbrennungskraftmaschine ausreichend Frischluft über die Luftleitung gefördert werden kann, wird der Abgasturbolader bevorzugt in diesen Betriebsbereichen elektrisch angetrieben. Das heißt mit anderen Worten, dass aufgrund des elektrischen Antriebs das Laufzeug eine höhere Drehzahl im Vergleich zu einem nicht elektrisch unterstützten Betrieb aufweist. Somit kann auch bei einer geringen Abgasenthalpie hinreichend Luft über die Luftleitung dem Abgastrakt zugeführt werden.
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Die Luftleitung weist zur regelbaren Durchströmung eine Regelvorrichtung, insbesondere in Form eines Ventils auf. Somit kann bei Bedarf vom Verdichter geförderte Frischluft über die Luftleitung dem Abgastrakt zugeführt werden. Wird bspw. die Verbrennungskraftmaschine im Volllastbetrieb betrieben, kann die Ladeluftleitung geschlossen werden, so dass keine Frischluft dem Abgastrakt zugeführt wird. Ebenso kann bspw. bei niedrigen Drehzahlen oder Lastpunkten das Ventil so eingestellt sein, dass nur eine geringe Luftmenge in die Abgasleitung einströmen kann.
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In einem zweiten Ausführungsbeispiel ist die Luftleitung stromab des Katalysators und stromauf des Partikelfilters mit der Abgasleitung durchströmbar verbunden. Zur Erzielung oder Überschreitung einer im Partikelfilter notwendigen Regenerationstemperatur ist eine Kraftstoffeinspritzung in die Luftleitung vorgesehen. Zusätzlich ist eine Luft-Kraftstoffmischeinrichtung vorgesehen, wobei die Luft-Kraftstoffmischung mit Hilfe eines Zündelementes, bspw. einer Zündkerze entflammt wird.
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In einem dritten Ausführungsbeispiel ist eine Messeinrichtung zur Messung eines Kraftstoff-Luftverhältnisses des Abgases vorgesehen. In Abhängigkeit des Kraftstoff-Luftverhältnisses des Abgases wird dem Abgas stromauf des Partikelfilters und stromab des Katalysators exakt so viel Frischluft über die Luftleitung zugeführt, dass ein stöchiometrisches Gemisch, also ein Gemisch, welches ein Kraftstoff-Luftverhältnis mit einem Wert 1 aufweist, an einem Eintritt des Partikelfilters vorliegt. Somit kann eine Erwärmung des Partikelfilters nahezu emissionsneutral erfolgen.
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In einem vierten Ausführungsbeispiel weist die Luftleitung eine Abzweigleitung auf, welche stromauf des Katalysators, somit zwischen der Turbine und dem Katalysator in die Abgasleitung mündet. Zusätzlich ist eine weitere Abzweigleitung vorgesehen, welche zwischen dem Katalysator und dem Partikelfilter in die Abgasleitung mündet. Somit kann sowohl der Katalysator als auch der Partikelfilter bedarfsgerecht mit Frischluft aus der Luftleitung versorgt werden.
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Die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine ist in einem fünften Ausführungsbeispiel in Form eines nicht aufgeladenen Ottomotors ausgebildet. Mit anderen Worten bedeutet das, dass der Abgasturbolader ausschließlich zur Förderung von Frischluft für die Abgasleitung vorgesehen ist. Dabei kann der Abgasturbolader entweder ausschließlich mit Hilfe des Elektromotors angetrieben werden oder es kann die Turbine über Abgas der Verbrennungskraftmaschine angetrieben sein.
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Ebenso könnte zusätzlich zum elektrisch angetriebenen Abgasturbolader ein üblicher Abgasturbolader vorgesehen werden, welcher zur Aufladung der Verbrennungskraftmaschine ausgebildet ist. Dabei könnte der elektrisch angetriebene Abgasturbolader stromab einer weiteren Turbine des üblichen Abgasturboladers im Abgastrakt angeordnet sein.
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Die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine weist somit anstelle einer üblicherweise eingesetzten Sekundärluftpumpe zur Förderung von Frischluft in die Abgasleitung den elektrisch unterstützten Abgasturbolader auf. Zur Steigerung der Regenerationstemperatur des Partikelfilters sollte das den Partikelfilter durchströmende Abgas ein Kraftstoff-Luftverhältnis einen Wert aufweisen, welcher kleiner als 1 ist. Dabei kann ein sogenanntes fettes Verbrennungsgemisch durch eine Gemischanreicherung erzielt werden, wobei ein Kraftstoff-Luftverhältnis mit einem Wert, welcher kleiner als 1 ist, im Brennraum verbrannt wird.
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Die Gemischanreicherung ist insbesondere für ein Aufheizen des Katalysators geeignet. Somit ist sie bevorzugt bei der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine einzusetzen, deren Luftleitung stromauf des Katalysators in die Abgasleitung mündet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008000793 A1 [0003, 0004]
- DE 102011118337 A1 [0004]
- DE 102009046559 A1 [0005]
- JP 2006307811 A [0006]