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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters im Abgaskanal eines Verbrennungsmotors.
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Die kontinuierliche Verschärfung der Abgasgesetzgebung stellt hohe Anforderungen an die Fahrzeughersteller, welche durch entsprechende Maßnahmen zur Reduktion der motorischen Rohemissionen und durch eine entsprechende Abgasnachbehandlung gelöst werden. Mit Einführung der nächsten Gesetzgebungsstufe EU6 wird für Ottomotoren ein Grenzwert für eine Partikelanzahl vorgeschrieben. Dies kann dazu führen, dass bei einigen Modellen der Einsatz eines Ottopartikelfilters nötig sein kann. Im Fahrbetrieb wird ein solcher Ottopartikelfilter mit Ruß beladen. Damit der Abgasgegendruck nicht zu stark ansteigt, muss dieser Ottopartikelfilter kontinuierlich oder periodisch regeneriert werden. Um eine thermische Oxidation des im Ottopartikelfilter zurückgehaltenen Rußes mit Sauerstoff durchzuführen, ist ein hinreichend hohes Temperaturniveau in Verbindung mit gleichzeitig vorhandenem Sauerstoff in der Abgasanlage des Ottomotors notwendig. Da moderne Ottomotoren normalerweise ohne Sauerstoffüberschuss mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (λ = 1) betrieben werden, sind dazu zusätzliche Maßnahmen erforderlich. Dazu kommen als Maßnahmen beispielsweise eine zeitweise Magerverstellung des Ottomotors oder das Einblasen von Sekundärluft in die Abgasanlage in Frage. Bevorzugt wird bislang eine Magerverstellung des Ottomotors angewandt, da dieses Verfahren ohne zusätzliche Bauteile auskommt und in den meisten Betriebspunkten des Ottomotors eine ausreichende Sauerstoffmenge liefern kann. Nachteilig an einer solchen Magerverstellung ist jedoch, dass bei der Magerverstellung des Motors Stickoxide nicht hinreichend durch den Drei-Wege-Katalysator konvertiert werden können. Zudem kann es bei einem Magerbrennverfahren gerade im niedrigen Teillastbereich oder im Leerlauf Probleme geben, die zur Regeneration des Partikelfilters notwendige Temperatur zu erreichen. Dazu sind bei bekannten Verbrennungsmotoren weitere Maßnahmen, wie beispielsweise eine Verstellung des Zündwinkels in Richtung spät, bekannt, wodurch die Temperatur im Abgas zunimmt, der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors jedoch abnimmt und die Rohemissionen zunehmen.
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Aus der
EP 1 867 848 B1 ist ein Sekundärluftsystem für einen Verbrennungsmotor bekannt, bei der ein Verdichter eine Turbine aufweist, wobei von einem Turbolader verdichtete Luft oder Luft aus einem Druckspeicher des Bremssystems zum Antrieb der Turbine genutzt wird, wobei der Verdichter Sekundärluft in den Abgaskanal fördert. Dabei ist als Druckspeicher ein Drucklufttank für ein pneumatisch betätigtes Bremssystem vorgesehen. Ein solcher Druckspeicher ist jedoch nur bei mittleren und schweren Nutzfahrzeugen vorgesehen.
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Aus der
EP 1 797 297 B1 ist ein Verbrennungsmotor mit einem Druckspeicher bekannt, wobei die Druckluft aus dem Druckspeicher insbesondere dann in den Brennraum des Verbrennungsmotors eingebracht wird, wenn der Turbolader noch nicht auf Drehzahl gebracht ist und der Verdichter noch nicht hinreichend viel Luft in den Brennraum schaufelt. Dadurch kann eine Drehmomentschwäche im unteren Teillastbereich, das sogenannte „Turboloch“, überwunden werden.
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Aus der
DE 10 2010 044 102 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren bekannt, bei welchen Frischluft durch einen Verdichter im Ansaugkanal mit Druck beaufschlagt wird und über eine Sekundärluftleitung stromaufwärts eines Partikelfilters in den Abgaskanal eingeleitet wird.
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Nachteilig an einer solchen Lösung ist jedoch, dass der Verdichter gerade dann besonders viel Druck erzeugt, wenn der Verbrennungsmotor mit einer hohen Leistung betrieben wird. In diesen Betriebspunkten gibt es meist ohnehin keine Probleme, eine Regeneration des Partikelfilters durchzuführen.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Regeneration eines Partikelfilters weitestgehend unabhängig von dem Betriebszustand des Verbrennungsmotors zu ermöglichen.
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Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit einem Ansaugkanal und einem Abgaskanal, einem im Ansaugkanal angeordneten Verdichter, einem im Abgaskanal angeordneten Partikelfilter, sowie mit einer Sekundärluftleitung, welche den Ansaugkanal stromabwärts des Verdichters mit dem Abgaskanal stromaufwärts des Partikelfilters verbindet, gelöst, wobei an der Sekundärluftleitung ein Druckspeicher angeordnet ist, welcher eingerichtet ist, in einem ersten Betriebszustand mit Frischluft aus dem Ansaugkanal befüllt zu werden und in einem zweiten Betriebszustand die im Druckspeicher bevorratete Druckluft an den Abgaskanal stromaufwärts des Partikelfilters abzugeben. Dadurch kann zum einen zusätzliche Luft für eine exotherme Verbrennungsreaktion im Abgaskanal zur Verfügung gestellt werden, um die Abgastemperatur auf eine Regenerationstemperatur des Partikelfilters, insbesondere auf ein Temperaturniveau von ca. 650°C, anzuheben, und zum anderen Sauerstoff zur Oxidation des im Partikelfilter zurückgehaltenen Rußes zur Verfügung gestellt werden, sodass der Verbrennungsmotor bei der Regeneration des Partikelfilters mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben werden kann. Dadurch ist auch während der Regeneration des Partikelfilters eine effiziente Abgasreinigung durch den Drei-Wege-Katalysator möglich und eine Abmagerung des Verbrennungsgemischs, bei der auftretende NOx-Emissionen nicht mehr durch den Drei-Wege-Katalysator konvertiert werden können, kann entfallen.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale sind Verbesserungen und vorteilhafte Weiterbildungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung zur Regeneration eines Partikelfilters möglich.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Ventilanordnung aufweist, wobei in einer ersten Schaltstellung der Ventilanordnung ein Einbringen von verdichteter Luft in den Abgaskanal gesperrt ist und in einer zweiten Schaltstellung der Ventilanordnung verdichtete Luft aus dem Druckspeicher in den Abgaskanal abströmen kann. Durch ein Sperren der Sekundärluftleitung stromabwärts des Druckspeichers kann die verdichtete Luft nicht in den Abgaskanal einströmen und wird somit in der Sekundärluftleitung zurückgehalten. Dabei strömt die verdichtete Luft in dieser ersten Schaltstellung in den Druckspeicher ein, sodass im Druckspeicher ein unter einem gegenüber dem Umgebungsdruck und dem Druck im Abgaskanal überhöhten Druck stehendes Volumen an Druckluft bevorratet werden kann. In der zweiten Schaltstellung ist der Durchgang durch die Sekundärluftleitung stromab des Druckspeichers bis in den Abgaskanal geöffnet, sodass die Druckluft aus dem Druckspeicher und/oder aus der Sekundärluftleitung in den Abgaskanal einströmen kann. Dabei kann die Ventilanordnung sowohl mehrere Ventile, insbesondere ein Ventil stromaufwärts des Druckspeichers und ein Ventil stromabwärts des Druckspeichers, umfassen, als auch ein Mehr-Wege-Ventil, insbesondere ein 3/2-Wege-Ventil, welches in einer ersten Schaltstellung den Ansaugkanal über die Sekundärluftleitung mit dem Druckspeicher und in einer zweiten Schaltstellung den Druckspeicher über die Sekundärluftleitung mit dem Abgaskanal verbindet.
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Vorteilhaft ist dabei, wenn die Ventilanordnung zwei unabhängig voneinander betätigbare Ventile aufweist. Dabei sind das erste Ventil in einem ersten Abschnitt der Sekundärluftleitung zwischen dem Ansaugkanal und dem Druckspeicher und das zweite Ventil in einem zweiten Abschnitt der Sekundärluftleitung zwischen dem Druckspeicher und dem Abgaskanal angeordnet. Somit ist auch eine direkte Durchleitung der verdichteten Luft aus dem Ansaugkanal über die Sekundärluftleitung in den Abgaskanal möglich. Dadurch kann der Abgaskanal mit zusätzlicher Frischluft versorgt werden, auch ohne den Druckspeicher zu entleeren. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn der Verbrennungsmotor mit hoher Last betrieben wird und der Verdichter einen entsprechend hohen Ladedruck aufbaut. Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn das erste Ventil als passives Ventil und das zweite Ventil als aktives Ventil ausgebildet ist. Da das erste Ventil lediglich ein Rückströmen der verdichteten Luft in den Ansaugkanal verhindern soll, kann hier ein kostengünstiges passives Ventil, insbesondere ein federbelastetes Rückschlagventil, verwendet werden. Das zweite Ventil ist ein aktives Ventil, mit dem die dem Abgaskanal zugeführte Menge an zusätzlicher Luft gesteuert werden kann. Dazu eignet sich insbesondere ein elektro-magnetisch gesteuertes Ventil oder ein piezo-elektrisch gesteuertes Ventil, da mit dieser Art von Ventil eine schnelle und genaue Ansteuerung möglich ist und somit die Menge der über die Sekundärluftleitung dem Abgaskanal zugeführten Luft besonders genau gesteuert werden kann.
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In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Druckspeicher eine Membran aufweist. Durch eine Membran in dem Druckspeicher kann die Frischluft von einem Treibmittel getrennt werden, wodurch ein einfaches Ausbringen der im Druckspeicher gespeicherten Frischluft in den Abgaskanal möglich ist. Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn die Membran gasundurchlässig ist und ein zweites Gas von der verdichteten Frischluft trennt. Dabei ist als zweites Gas ein chemisch reaktionsträges Gas, vorzugsweise Kohlendioxid oder Stickstoff, vorgesehen. Durch die in den Druckspeicher einströmende Frischluft wird auch das durch die Membran von der Frischluft getrennte zweite Gas verdichtet, wodurch auf einfache Weise ein Druck auf die Frischluft ausgeübt werden kann, wenn die Verbindung des Druckspeichers zum Abgaskanal geöffnet ist. Alternativ kann der Druckspeicher auch als Feder-Kolben-System ausgebildet sein, wobei die in den Druckspeicher einströmende Frischluft den Kolben gegen eine Federkraft der Feder vorspannt. Ferner kann alternativ zu einer Membran auch ein abgedichteter Kolben zur Medientrennung im Druckspeicher vorgesehen sein.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sekundärluftleitung stromabwärts des Verdichters und stromaufwärts einer Drosselklappe aus dem Ansaugkanal abzweigt. Durch ein Abzweigen der Frischluft unmittelbar nach dem Verdichter und vor der Drosselklappe steht der maximale Druck zur Verfügung. Ein Abzweigen der Frischluft stromabwärts der Drosselklappe wäre prinzipiell denkbar, jedoch erfolgt durch die Drosselklappe eine Druckminderung im Ansaugkanal, sodass hier nicht mehr der maximal durch den Verdichter aufgebaute Druck zur Verfügung steht.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Sekundärluftleitung stromabwärts eines Drei-Wege-Katalysators und stromaufwärts des Partikelfilters in den Abgaskanal mündet. Dadurch kann der Verbrennungsmotor auch bei einer Regeneration des Partikelfilters mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben werden, sodass eine effiziente Konvertierung aller Schadstoffe durch den Drei-Wege-Katalysator möglich ist.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Regeneration des Partikelfilters vorgeschlagen, welches folgende Schritte umfasst:
- – Betreiben des Verbrennungsmotors in einem Normalbetrieb, wobei Rußpartikel in dem Partikelfilter zurückgehalten werden,
- – Verdichten von Frischluft in einem Ansaugkanal des Verbrennungsmotors,
- – Zufuhr zumindest eines Teilstroms der verdichteten Frischluft in einen Druckspeicher,
- – Einleiten einer Regeneration des Partikelfilters,
- – Regeneration des Partikelfilters, wobei die im Druckspeicher bevorratete Luft stromaufwärts des Partikelfilters in den Abgaskanal eingeleitet wird.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist eine Regeneration des Partikelfilters im Wesentlichen unabhängig von dem Verbrennungsluftverhältnis des Verbrennungsmotors möglich.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Regeneration des Partikelfilters bei einer niedrigen Teillast oder im Leerlauf des Verbrennungsmotors erfolgt, wobei die Temperatur im Abgaskanal dadurch angehoben wird, dass der Zündwinkel des Verbrennungsmotors in Richtung spät verstellt wird und die im Druckspeicher bevorratete Luft ausschließlich zur Regeneration des Partikelfilters genutzt wird. Unter einer unteren Teillast ist in diesem Zusammenhang ein Betrieb des Motors mit maximal 25% der Nennlast und/oder maximal 30% der Nenndrehzahl zu verstehen. Diese Aufheizung kann zusätzlich durch eine Verstellung des Zündwinkels in Richtung spät unterstützt werden. Somit können auch im Leerlauf oder bei niedrigerer Teillast die zur Regeneration des Partikelfilters notwendige Temperatur sowie ein Sauerstoffüberschuss im Abgaskanal sichergestellt werden. Alternativ ist vorgesehen, dass eine Temperaturerhöhung im Abgaskanal durch einen sogenannten Lambdasplit-Betrieb des Verbrennungsmotors erfolgt, wobei einzelne Brennräume mit einem unterstöchiometrischen und gleichzeitig andere Brennräume mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben werden. Ferner ist es möglich, dass der Verbrennungsmotor mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird oder durch eine Nacheinspritzung Kraftstoff in den Abgaskanal eingebracht wird, wobei der unverbrannte Kraftstoff im Abgaskanal mit der Luft aus dem Druckspeicher exotherm umgesetzt wird und über diese exotherme Reaktion die Temperatur des Partikelfilters angehoben wird.
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Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
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Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnung erläutert. Es zeigt:
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1 einen Verbrennungsmotor mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Regeneration des Partikelfilters.
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1 zeigt einen Verbrennungsmotor 10, vorzugsweise einen Ottomotor, mit einem Ansaugkanal 12 und einem Abgaskanal 22. Der Ansaugkanal 12 weist eingangsseitig einen Luftfilter 14 auf, welchem in Strömungsrichtung der Frischluft ein Verdichter 16 eines Turboladers 24 nachgeschaltet ist. Stromabwärts des Verdichters 16 verzweigt sich die Ansaugleitung 12 an einer Verzweigung 40 in einen Hauptast und in eine Sekundärluftleitung 32, welche die Ansaugleitung 12 mit dem Angaskanal 22 verbindet. Im Hauptast der Ansaugleitung 12 ist eine Drosselklappe 18 und stromabwärts der Drosselklappe ein Ladeluftkühler 20 angeordnet. Der Hauptast der Ansaugleitung mündet in die Brennräume des Verbrennungsmotors 10. Im Abgaskanal 22 ist stromabwärts eines Auslasses des Verbrennungsmotors 10 eine Turbine 26 des Turboladers 24 angeordnet. Die Turbine 26 treibt dabei den Verdichter 16 im Ansaugkanal 12 an. Stromabwärts der Turbine 26 ist im Abgaskanal ein Drei-Wege-Katalysator 28 und weiter stromabwärts ein Partikelfilter 30 angeordnet. Die Sekundärluftleitung 32 mündet stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators 28 und stromaufwärts des Partikelfilters 30 in den Abgaskanal 22.
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An der Sekundärluftleitung ist ein Druckspeicher 36 angeordnet, welcher über die Sekundärluftleitung 32 mit Druckluft befüllbar ist. An der Sekundärluftleitung 32 ist eine Ventilanordnung 46 vorgesehen, welche ein erstes Ventil 34 und ein zweites Ventil 38 umfasst.
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Dabei ist das erste Ventil 34 in der Sekundärluftleitung stromabwärts der Verzweigung 40 und stromaufwärts des Druckspeichers 36 angeordnet. Das erste Ventil 34 ist vorzugsweise als passives Ventil ausgestaltet, vorzugsweise als federbelastetes Rückschlagventil. Das zweite Ventil 38 ist in der Sekundärluftleitung 32 stromabwärts des Druckspeichers 36 und stromaufwärts einer Einmündung 42 der Sekundärluftleitung 32 in den Abgaskanal 22 angeordnet und vorzugsweise als aktives Ventil ausgestaltet. Alternativ kann die Ventilanordnung 46 anstelle der zwei Ventile 34, 38 auch ein Mehr-Wege-Ventil, insbesondere ein 3/2-Wege-Ventil aufweisen, bei dem in einer ersten Schaltstellung ein Durchgang von dem Ansaugkanal 12 über einen ersten Abschnitt der Sekundärluftleitung 32 in den Druckspeicher 36 geöffnet ist, und in einer zweiten Schaltstellung eine Verbindung vom Druckspeicher 36 über einen zweiten Abschnitt der Sekundärluftleitung 32 in den Abgaskanal 22 geöffnet ist.
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In dem Druckspeicher 36 ist eine Membran 44 vorgesehen, welche den Druckspeicher 36 gasdicht in eine erste und eine zweite Kammer unterteilt. Die erste, dem Ein- und Ausgang des Druckspeichers 36 zugewandte Kammer ist mit der vom Verdichter 16 verdichteten Frischluft befüllbar, während die zweite Kammer mit einem reaktionsträgen Gas, insbesondere Kohlenstoffdioxid oder Stickstoff, befüllt ist. Die zweite Kammer dient dabei als Triebmittel für die in der ersten Kammer befindliche Frischluft, wenn die Verbindung über den zweiten Abschnitt der Sekundärluftleitung 32 mit dem Abgaskanal 22 geöffnet ist.
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Im Betrieb des Verbrennungsmotors 10 wird Frischluft über den Luftfilter 14 in die Ansaugleitung 12 angesaugt. Die angesaugte Frischluft wird durch den Verdichter 16 verdichtet, wobei ein erster Teilstrom dem Hauptast der Ansaugleitung 12 und ein zweiter Teilstrom der Sekundärluftleitung 32 zugeführt wird. Der erste Teilstrom strömt durch die Drosselklappe 18 und den Ladeluftkühler 20 in die Brennräume des Verbrennungsmotors 10, wo er in bekannter Weise mit dem eingespritzten Kraftstoff exotherm reagiert, wobei die Verbrennung vorzugsweise mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis erfolgt. Das Abgas des Verbrennungsmotors 10 wird durch die Turbine 26 des Turboladers 24 geführt, wodurch die Turbine 26 den Verdichter 16 antreibt. Das Abgas strömt weiter in den Drei-Wege-Katalysator 28, in dem die schädlichen Bestandteile des Abgases in unschädliche Stoffe konvertiert werden. Aus dem Drei-Wege-Katalysator 28 strömt das Abgas weiter in einen Partikelfilter 30, in dem zusätzlich Rußpartikel aus dem Abgas herausgefiltert werden. Da die Speicherkapazität des Partikelfilters 30 begrenzt ist, muss dieser periodisch regeneriert werden. Zur Regeneration des Partikelfilters, also zur thermischen Oxidation der auf dem Partikelfilter 30 eingelagerten Rußpartikel sind ein Temperaturniveau von mindestens 600°C vorzugsweise mindestens 650°C sowie ein Sauerstoffüberschuss im Abgaskanal 22 notwendig.
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Der zweite Teilstrom der angesaugten und verdichteten Frischluft wird über die Sekundärluftleitung 32 dem Druckspeicher 36 zugeführt, wobei die verdichtete Frischluft das passive Ventil 34 durchströmt. Dabei strömt die verdichtete Frischluft in den Druckspeicher 36 ein, wobei sich die Membran verformt und das zweite Gas auf der anderen Seite der Membran ebenfalls unter Druck setzt. Das passive Ventil 34 verhindert ein Rückströmen der im Druckspeicher 36 bevorrateten Frischluft in den Ansaugkanal 12. Über das zweite Ventil 38 kann die Luftmenge zur Regeneration des Partikelfilters 30 gesteuert werden. Um den Partikelfilter auf eine Regenerationstemperatur aufzuheizen, wird der Verbrennungsmotor 10 vorübergehend mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben, sodass unverbrannter Kraftstoff in den Abgaskanal 22 gelangt. Die Menge des unverbrannten Kraftstoffs wird über das Luftverhältnis der Zylinder eingestellt. Dabei ist es nicht notwendig, dass alle Zylinder mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben werden, dies kann auch Zylinder-selektiv erfolgen. Der unverbrannte Kraftstoff reagiert im Abgaskanal 22 stromauf des Partikelfilters 30 oder auf dem Partikelfilter 30 mit der über das zweite Ventil 38 ein dosierten Frischluft aus dem Druckspeicher 36, sodass der Partikelfilter 30 auf die Regenerationstemperatur gebracht wird. Durch diese Konfiguration ist eine Regeneration des Partikelfilters auch bei einer unteren Teillast oder im Leerlauf möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbrennungsmotor
- 12
- Ansaugkanal
- 14
- Luftfilter
- 16
- Verdichter
- 18
- Drosselklappe
- 20
- Ladeluftkühler
- 22
- Abgaskanal
- 24
- Turbolader
- 26
- Turbine
- 28
- Drei-Wege-Katalysator
- 30
- Partikelfilter
- 32
- Sekundärluftleitung
- 34
- Ventil
- 36
- Druckspeicher
- 38
- Ventil
- 40
- Abzweigung
- 42
- Einmündung
- 44
- Membran
- 46
- Ventilanordnung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1867848 B1 [0003]
- EP 1797297 B1 [0004]
- DE 102010044102 A1 [0005]
