DE102017103560A1 - Verbrennungsmotor und Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters im Abgaskanal eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Verbrennungsmotor und Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters im Abgaskanal eines Verbrennungsmotors Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor, in dessen Abgasanlage ein Drei-Wege-Katalysator und ein Partikelfilter angeordnet sind. Dabei ist die Abgasanlage über eine Niederdruck-Abgasrückführung mit dem Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors verbunden. Wird ein kritischer Beladungszustand des Partikelfilters bei gleichzeitig hoher Bauteiltemperatur des Partikelfilters festgestellt, kann ein Schubbetrieb des Verbrennungsmotors zu einem unkontrollierten Rußabbrand auf dem Partikelfilter führen. Um dies zu vermeiden, wird zum Bauteilschutz des Partikelfilters eine Abgasklappe geschlossen und ein Abgasrückführungsventil geöffnet, sodass das Abgas in den Ansaugtrakt zurückgeführt wird und der Verbrennungsmotor auch im Schubbetrieb ein im Wesentlichen stöchiometrisches Abgas liefert, sodass ein unkontrollierter Rußabbrand auf dem Partikelfilter vermieden wird

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verbrennungsmotor sowie ein Verfahren zur Regeneration eines in einer Abgasnachbehandlungsanlage eines Verbrennungsmotors angeordneten Partikelfilters.
  • 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 Gesetzgebungsstufe EU6 wird für Ottomotoren ein Grenzwert für eine Partikelanzahl vorgeschrieben, der in vielen Fällen den Einsatz eines Ottopartikelfilters notwendig macht. Im Fahrbetrieb wird ein solcher Ottopartikelfilter mit Ruß beladen. Damit der Abgasgegendruck nicht zu stark ansteigt, muss dieser Ottopartikelfilter kontinuierlich oder periodisch regeneriert werden. Der Anstieg des Abgasgegendrucks kann zu einem Mehrverbrauch des Verbrennungsmotors, Leistungsverlust und einer Beeinträchtigung der Laufruhe bis hin zu Zündaussetzern führen. 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 Temperaturerhöhung durch eine Zündwinkelverstellung, eine zeitweise Magerverstellung des Ottomotors, das Einblasen von Sekundärluft in die Abgasanlage oder eine Kombination dieser Maßnahmen infrage. Bevorzugt wird bislang eine Zündwinkelverstellung in Richtung spät in Kombination mit einer Magerverstellung des Ottomotors angewandt, da dieses Verfahren ohne zusätzliche Bauteile auskommt und in den meisten Betriebspunkten des Ottomotors eine ausreichende Sauerstoffmenge liefern kann.
  • Es treten bei einem Ottopartikelfilter aber auch Beladungszustände auf, in denen eine unkontrollierte Durchströmung des Ottopartikelfilters mit Sauerstoff nicht erwünscht ist. Erreicht das Beladungsniveau des Ottopartikelfilters ein kritisches Maß, kann beispielsweise eine Schubphase des Verbrennungsmotors zusammen mit einer hohen Temperatur des Ottopartikelfilters zu einem unkontrollierten Rußabbrand auf dem Ottopartikelfilter führen. Dabei können durch die exotherme Oxidation der Rußpartikel so hohe Temperaturen auf der Bauteiloberfläche des Ottopartikelfilters entstehen, dass es zu thermischen Schädigungen des Ottopartikelfilters kommen kann. Daher kann es erforderlich sein, in bestimmten Betriebssituationen den Sauerstoffeintrag in den Ottopartikelfilter zu reduzieren oder gänzlich zu unterbinden.
  • Aus der DE 10 2010 039 013 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regeneration eines Partikelfilters in einem Abgaskanal eines Ottomotors bekannt, wobei im Abgaskanal stromabwärts des Partikelfilters ein Drei-Wege-Katalysator angeordnet ist. Dabei ist vorgesehen, dass während der Regeneration des Partikelfilters mittels einer Lambdaregelung mit einer Lambdasonde stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators ein stöchiometrisches Abgas eingeregelt wird. Dazu wird bei Erkennen eines Sauerstoffüberschusses stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators das Verbrennungsluftverhältnis in Richtung fett verstellt und insbesondere in einem Schubbetrieb des Verbrennungsmotors ein ungefeuerter Betrieb des Verbrennungsmotors unterdrückt.
  • Aus der DE 10 2010 046 896 A1 sind ein System und ein Verfahren zur Regeneration eines von einem Katalysator begleiteten Partikelfilter in einem Abgaskanal eines Ottomotors bekannt, wobei der Abgaskanal stromabwärts eines Drei-Wege-Katalysators und eines Partikelfilters über eine Niederdruck-Abgasrückführung mit dem Ansaugkanal stromaufwärts des Verdichters eines Turboladers verbunden ist. Dabei ist der Drei-Wege-Katalysator im Abgaskanal stromabwärts des Partikelfilters angeordnet, um auch während der Regeneration des Partikelfilters eine effiziente Abgasreinigung durch den Drei-Wege-Katalysator zu ermöglichen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen unkontrollieren Rußabbrand auf dem Partikelfilter während eines Schubbetrieb des Verbrennungsmotors zu verhindern, wobei die Nachteile eines gefeuerten Schubbetriebs, insbesondere der erhöhte Kraftstoffverbrauch und die geringere Motorbremsleistung, überwunden werden.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Verbrennungsmotor mit einem Luftversorgungssystem und einer Abgasanlage gelöst, wobei das Luftversorgungssystem mindestens eine erste Drosselklappe aufweist, mit der eine Luftzufuhr zu den Brennräumen des Verbrennungsmotors gesteuert werden kann, wobei die Abgasanlage mindestens einen Drei-Wege-Katalysator und einen Partikelfilter umfasst, sowie mit einer Abgasrückführungsleitung, welche die Abgasanlage stromabwärts zumindest einer der Abgasnachbehandlungskomponenten mit dem Luftversorgungssystem stromaufwärts zumindest einer Drosselklappe verbindet, und wobei in der Abgasanlage stromabwärts einer Verzweigungsstelle, an der die Abgasrückführungsleitung aus der Abgasanlage gespeist wird, eine Abgasklappe angeordnet ist. Durch die Abgasklappe kann das Abgas des Verbrennungsmotors dem Ansaugkanal des Verbrennungsmotors zugeführt werden, wodurch eine Zirkulation des Abgases möglich ist. Dadurch kann in einem Schubbetrieb des Verbrennungsmotors verhindert werden, dass sauerstoffreiche Frischluft dem Partikelfilter in der Abgasanlage zugeführt wird. Dadurch kann ein unkontrollierter Rußabbrand auf dem Partikelfilter verhindert werden, wodurch die Gefahr einer thermischen Schädigung des Partikelfilters deutlich reduziert wird.
  • Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterbildungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Abgasnachbehandlungsanlage eines Verbrennungsmotors möglich.
  • In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem Luftversorgungssystem ein Verdichter und in der Abgasanlage eine Turbine eines Turboladers angeordnet sind, wobei die Abgasrückführungsleitung als Niederdruck-Abgasrückführung ausgebildet ist und die Abgasanlage stromabwärts der Turbine mit dem Luftversorgungssystem stromaufwärts des Verdichters verbindet. Durch eine Niederdruck-Abgasrückführung, bei der das Abgas dem Ansaugtrakt stromaufwärts des Verdichters zugeführt wird, ist auch bei geringen Abgasvolumina ein hinreichendes Spülgefälle vorhanden, um das Abgas über die Abgasrückführungsleitung dem Luftversorgungssystem zuzuführen. Durch ein Schließen der Abgasklappe kann dieses Spülgefälle noch vergrößert werden, da der Druck im Abgaskanal stromaufwärts der Abgasklappe dann ansteigt, sodass eine Zufuhr des Abgases auch stromaufwärts der ersten Drosselklappe in den Abschnitt des Ansaugtraktes möglich ist, in dem der Druck im Wesentlichen bei Umgebungsdruck liegt.
  • Gemäß einer weiteren Verbesserung der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem Luftversorgungssystem stromaufwärts einer Einleitstelle der Abgasrückführungsleitung eine weitere Drosselklappe angeordnet ist. Durch eine weitere Drosselklappe in dem Luftversorgungssystem stromaufwärts der Einleitstelle kann der Druck in dem Luftversorgungssystem abgesenkt werden, wodurch im Ansaugtrakt stromabwärts dieser weiteren Drosselklappe ein Unterdruck entsteht. Dadurch kann das Spülgefälle zwischen dem Abgaskanal und dem Luftversorgungssystem verstärkt werden, sodass die Zirkulation von Abgas durch die Abgasrückführungsleitung begünstigt wird.
  • Besonders bevorzugt ist dabei, wenn in der Abgasrückführungsleitung ein Abgaskühler angeordnet ist. Durch einen Abgaskühler kann im Normalbetrieb des Motors bei geöffnetem Abgasrückführungsventil die Verbrennungstemperatur abgesenkt werden, wodurch die Rohemissionen des Verbrennungsmotors positiv beeinflusst werden können.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass sowohl der Drei-Wege-Katalysator als auch der Partikelfilter in einer motornahen Position in der Abgasanlage angeordnet sind und die Verzweigungsstelle stromabwärts beider Abgasnachbehandlungskomponenten liegt. Durch eine motornahe Anordnung sowohl des Partikelfilters als auch des Drei-Wege-Katalysators ist ein besonders schnelles Aufheizen der beiden Abgasnachbehandlungskomponenten nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors möglich. Unter einer motornahen Anordnung ist in diesem Zusammenhang eine Anordnung mit einem Abstand von weniger als 80 cm, vorzugsweise von weniger als 50 cm Abgaslauflänge, ab einem Auslass des Verbrennungsmotors zu verstehen. Zudem besteht während einer Zirkulation des Abgases durch die Abgasrückführungsleitung bei geschlossener Abgasklappe nicht die Gefahr, dass der Drei-Wege-Katalysator unter seine Light-Off-Temperatur abkühlt, sodass auch nach Beendigung der Bauteilschutzmaßnahme und nach einem darauffolgenden Öffnen der Abgasklappe gewährleistet ist, dass eine effiziente Konvertierung der Abgaskomponenten durch den Drei-Wege-Katalysator möglich ist.
  • Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass eine erste Abgasnachbehandlungskomponente in der Abgasanlage stromaufwärts der Verzweigung und eine zweite Abgasnachbehandlungskomponente stromabwärts der Verzweigung angeordnet ist. Dadurch ergeben sich weitere Freiheitsgrade bei der Anordnung der Abgasnachbehandlungskomponenten, so kann insbesondere ein motornaher Partikelfilter mit einer Drei-Wege-katalytisch wirksamen Beschichtung mit einem Drei-Wege-Katalysator in einer Unterbodenlage des Kraftfahrzeuges kombiniert werden. Somit wird zusätzliches Katalysatorvolumen zur Verfügung gestellt, sodass auch bei einer Alterung des Katalysators und einer damit verbundenen Verringerung der Konvertierungsleistung immer noch eine effiziente Abgasnachbehandlung des Abgases des Verbrennungsmotors möglich ist.
  • Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die erste Abgasnachbehandlungskomponente ein Partikelfilter ist und die Abgasklappe stromabwärts der Verzweigung und stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators angeordnet ist. Dabei wird der Partikelfilter von dem zirkulierenden Abgas durchströmt und auf einer Temperatur gehalten, um anschließend an den Schubbetrieb bei einem gefeuerten Betrieb des Verbrennungsmotors eine Regeneration des Partikelfilters zu ermöglichen und ein starkes Abkühlen unter die Regenerationstemperatur zu verhindern.
  • Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass die erste Abgasnachbehandlungskomponente ein Drei-Wege-Katalysator ist und die Abgasklappe stromabwärts der Verzweigung und stromabwärts des Partikelfilters angeordnet ist. Durch eine Abgasklappe stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators und stromabwärts des Partikelfilters können beide Abgasnachbehandlungskomponenten auch im Schubbetrieb bei geschlossener Abgasklappe auf Temperatur gehalten werden, um in einem nachfolgenden Normalbetrieb eine effiziente Konvertierung der Schadstoffe zu ermöglichen oder die Regeneration des Partikelfilters zu erleichtern. Durch die Entkopplung von der Frischluftversorgung kann die Gefahr eines unkontrollierten Rußabbrandes auf dem Partikelfilter drastisch gesenkt werden, da dieser bei geschlossener Abgasklappe nur noch durch einen Abgasstrom mit sehr geringem Sauerstoffgehalt durchströmt wird. Alternativ kann der Partikelfilter auch stromabwärts der Abgasklappe angeordnet sein, wobei durch das Schließen der Abgasklappe der Partikelfilter im Wesentlichen von dem Abgasstrom entkoppelt wird. In dieser Konstellation wird der Partikelfilter lediglich durch die Blow-By-Gase durchströmt, welche die Abgasklappe passieren. Zudem weist dieser geringe Abgasstrom dann auch noch ein im Wesentlichen stöchiometrisches Abgas auf, sodass es zu keinem nennenswerten Rußumsatz auf dem Partikelfilter kommt.
  • Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Regeneration des Partikelfilters in einer Abgasanlage eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors vorgeschlagen, welches folgende Schritte umfasst:
    • - Betreiben des Verbrennungsmotors in einem Normalbetrieb, wobei der Partikelfilter mit Rußpartikeln aus dem Abgas des Verbrennungsmotors beladen wird,
    • - Erkennen eines Beladungszustands sowie einer Temperatur des Partikelfilters,
    • - Öffnen des Abgasrückführungsventils,
    • - Schließen der Abgasklappe, wenn in einem kritischen Beladungszustand und/oder bei einer kritischen Bauteiltemperatur des Partikelfilters ein Schubbetrieb des Verbrennungsmotors eingeleitet wird.
  • Durch ein erfindungsgemäßes Verfahren ist ein wirksamer Bauteilschutz des Partikelfilters bei einem Schubbetrieb des Verbrennungsmotors möglich, wobei das Bremsmoment des Verbrennungsmotors (anders als bei einem gefeuerten Schubbetrieb) nicht reduziert wird und die volle Motorbremsleistung zur Verfügung steht. Zudem ergibt sich eine zusätzliche Kraftstoffersparnis aus der Tatsache, dass die Sauerstoffspeicher des Drei-Wege-Katalysators während der Schubphase nicht oder zumindest nicht in dem Umfang mit Sauerstoff gefüllt werden und daher nicht im Anschluss an die Schubphase durch einen unterstöchiometrischen Betrieb des Verbrennungsmotors ausgeräumt werden müssen.
  • In einer vorteilhaften Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor solange mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (λ = 1) betrieben wird, bis die Abgasklappe vollständig geschlossen ist. Durch einen stöchiometrischen Motorbetrieb bis zum vollständigen Schließen der Abgasklappe kann sichergestellt werden, dass auch in der ersten Schubphase kein sauerstoffreiches Abgas in den Partikelfilter eingeleitet wird und es zu einer unkontrollierten Oxidation des in dem Partikelfilter zurückgehaltenen Rußes kommt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass in einer Schubphase des Verbrennungsmotors bei geschlossener Abgasklappe Kraftstoff in die Brennräume des Verbrennungsmotors eingebracht wird. Um auch bei einer längeren Schubphase sicherzustellen, dass es zu keinem Anstieg des Sauerstoffgehalts in dem durch die Abgasrückführungsleitung zirkulierenden Abgas kommt, ist vorgesehen, dass zusätzlich geringe Kraftstoffmengen in die Brennräume des Verbrennungsmotors eingebracht werden. Dies erfolgt bevorzugt durch eine Kraftstoffeinspritzung in die Brennräume des Verbrennungsmotors, kann alternativ jedoch auch durch eine Einspritzung in das Luftversorgungssystem des Verbrennungsmotors erfolgen.
  • Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Dabei sind gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion in den Zeichnungen jeweils mit gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet. Es zeigen:
    • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors;
    • 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors, wobei ein Normalbetrieb des Verbrennungsmotors dargestellt ist;
    • 3 das Ausführungsbeispiel gemäß 2, wobei ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Bauteilschutz des Partikelfilters dargestellt ist;
    • 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors;
    • 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors, wobei die Abgasklappe stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators angeordnet ist;
    • 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors, mit zwei motornah angeordneten Abgasnachbehandlungskomponenten;
    • 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors mit zwei motornah angeordneten Abgasnachbehandlungskomponenten; und
    • 8 ein Verlauf der Fahrzeuggeschwindigkeit eines Kraftfahrzeuges bei einem Schubbetrieb mit Schubabschaltung und bei einem gefeuerten Schubbetrieb.
  • 1 zeigt einen Verbrennungsmotor 10 für ein Kraftfahrzeug, welcher als ein mit Zündkerzen 18 fremdgezündeter Verbrennungsmotor 10 nach dem Ottoprinzip ausgeführt ist. Der Verbrennungsmotor 10 ist mit seinem Auslass 16 mit einer Abgasanlage 40 verbunden. Der Auslass 16 umfasst einen Abgaskrümmer, welcher die Abgase der unterschiedlichen Brennräume 12 des Verbrennungsmotors 10 einem Abgaskanal 52 der Abgasanlage 40 zuführt. Der Verbrennungsmotor 10 ist mit einem Einlass 14 mit einem Luftversorgungssystem 20 verbunden. Das Luftversorgungssystem 20 weist in Strömungsrichtung der Frischluft durch das Luftversorgungssystem 20 eine zweite Drosselklappe 24 auf, welche zur Vordrosselung der Ansaugluft und zur Erzeugung eines Unterdrucks im Luftversorgungssystem 20 stromabwärts dieser zweiten Drosselklappe 24 dient. Das Luftversorgungssystem 20 weist stromabwärts der zweiten Drosselklappe 24 einen Verdichter 26 eines Turboladers 38 auf, mit welchem die angesaugte Luft verdichtet wird und den Brennräumen 12 des Verbrennungsmotors 10 zugeführt wird. Stromabwärts des Verdichters 26 ist in dem Luftversorgungssystem 20 eine erste Drosselklappe 22 angeordnet, mit welcher die Luftzufuhr zu den Brennräumen 12 des Verbrennungsmotors 10 gesteuert wird.
  • Die Abgasanlage 40 weist einen Abgaskanal 52 auf, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors 10 durch die Abgasanlage 40 eine Turbine 36 des Turboladers 38 und stromabwärts der Turbine zwei Komponenten 42, 44 zur Abgasnachbehandlung des Verbrennungsmotors 10, nämlich ein Partikelfilter 44 und ein Drei-Wege-Katalysator 42, angeordnet sind. Dabei ist der Partikelfilter 44 vorzugsweise mit einer drei-Wege-katalytisch wirksamen Beschichtung versehen und als sogenannter Vier-Wege-Katalysator ausgebildet. Stromabwärts der zweiten Abgasnachbehandlungskomponente 42, 44, ist im Abgaskanal 52 eine Abgasklappe 48 angeordnet, mit welcher der Abgaskanal 52 versperrt werden kann. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Partikelfilter 44 stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators 42 angeordnet. Stromabwärts des Partikelfilters 44 und stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators 42 zweigt an einer Verzweigungsstelle 46 eine Abgasrückführungsleitung 30 aus der Abgasanlage 40 ab und verbindet den Abgaskanal 52 mit dem Luftversorgungssystem 20 stromaufwärts des Verdichters 26. In der Abgasrückführungsleitung 30 sind ein Abgasrückführungsventil 32 und ein Abgaskühler 34 angeordnet. Die Abgasrückführungsleitung 30 kann durch ein Schließen des Abgasrückführungsventils 32 gesperrt werden.
  • In einem Normalbetrieb des Verbrennungsmotors 10 ist wie in 2 dargestellt die Abgasklappe 48 geöffnet und das Abgasrückführungsventil 32 geschlossen, sodass das Abgas des Verbrennungsmotors zunächst durch den Partikelfilter 44 und anschließend durch den Drei-Wege-Katalysator strömt. Dabei wird der Verbrennungsmotor 10 mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (λ = 1) betrieben und die im Abgas enthaltenen, limitierten Schadstoffe, insbesondere Kohlenmonoxid (CO), unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) und Stickoxide (NOx) auf der katalytisch wirksamen Beschichtung des Partikelfilters 44 sowie dem Drei-Wege-Katalysator 42 konvertiert. Parallel wird der Partikelfilter 44 mit Rußpartikeln beladen. Erreicht die Beladung des Partikelfilters 44 einen kritischen Zustand oder übersteigt die Temperatur des Partikelfilters 44 einen kritischen Schwellenwert, sodass ein darauffolgender hoher Sauerstoffeintrag zu einem unkontrollierten Rußabbrand auf dem Partikelfilter 44 führen könnte, so wird als Bauteilschutzmaßnahe zum Schutze des Partikelfilters 44 bei einem Schubbetrieb des Verbrennungsmotors 10 zunächst der Verbrennungsmotor 10 weiterhin in einem gefeuerten Betrieb mit stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (λ = 1) betrieben, bis die Abgasklappe 48 vollständig geschlossen ist. Unter einem Schubbetrieb ist in diesem Zusammenhang ein Fahrbetrieb eines Kraftfahrzeuges zu verstehen, bei dem der Verbrennungsmotor 10 durch das rollende Kraftfahrzeug geschleppt wird. Im Schubbetrieb wird die Einspritzung von Kraftstoff in die Brennräume 12 des Verbrennungsmotors 10 unterbunden, was als sogenannte Schubabschaltung bezeichnet wird. Dies würde bei geöffneter Abgasklappe 48 dazu führen, dass der Verbrennungsmotor Frischluft mit einem hohen Sauerstoffgehalt durch die Brennräume 12 in die Abgasanlage 40 fördern würde. Dies ist aber bei kritischen Beladungszuständen des Partikelfilters 44 und/oder hohen Temperaturen des Partikelfilters 44 zu vermeiden. Sobald die Abgasklappe 48 geschlossen und das Abgasrückführungsventil 32 geöffnet ist, zirkuliert das Abgas des Verbrennungsmotors 10 über die Abgasrückführungsleitung 30 zurück in das Luftversorgungssystem 20 des Verbrennungsmotors 10, und der Verbrennungsmotor 10 wird in einem ungefeuerten Schubbetrieb betrieben, bei dem kein Kraftstoff den Brennräumen 12 zugeführt wird. Somit gelangt kein überschüssiger Sauerstoff in die Abgasanlage 40 und ein unkontrollierter Rußumsatz kann effektiv verhindert werden. Dieser Zustand ist in 3 dargestellt. Dabei sinkt der Restsauerstoffgehalt im Abgas soweit ab, dass keine oder nur eine sehr geringe Rußoxidation der im Partikelfilter 44 zurückgehaltenen Rußpartikel erfolgt. Im ungefeuerten Schubbetrieb des Verbrennungsmotors 10 sinkt die Temperatur des Partikelfilters 44, sodass die Gefahr einer thermischen Schädigung oder Zerstörung minimiert wird. Zusätzlich wird die zweite Drosselklappe 24 geschlossen und die erste Drosselklappe 22 geöffnet, um ein ansaugseitiges Nachströmen von Frischluft zu minimieren. Dadurch entsteht im Luftversorgungssystem 20 stromab der zweiten Drosselklappe 24 und stromauf des Verdichters 26 ein Unterdruck, welcher das Spülgefälle über die Abgasrückführungsleitung 30 zwischen der Abgasanlage 30 und dem Luftversorgungssystem 20 erhöht und somit die Abgaszirkulation begünstigt. Bei einem länger anhaltenden Schubbetrieb ist es möglich, über die Lambdaregelung des Drei-Wege-Katalysators 42 kleine Mengen an Kraftstoff in die Brennräume 12 des Verbrennungsmotors 10 einzubringen, um die durch Leckage in dem Luftversorgungssystem 20 eindringende Frischluft zu kompensieren und den überschüssigen Sauerstoff auf dem Drei-Wege-Katalysator 42 umzusetzen. Dadurch wird eine Akkumulation der Sauerstoffkonzentration vermieden, wodurch der Bauteilschutz auch bei längeren Schubphasen effektiv aufrechterhalten werden kann. Wenn der Fahrer wieder ein Wunschmoment von dem Verbrennungsmotor 10 anfordert, wird die Abgasklappe 48 wieder geöffnet und das Abgasrückführungsventil 32 geschlossen, um den Normalbetrieb wieder herzustellen. Dabei kann im Normalbetrieb eine weitere Beladung des Partikelfilters 44 oder eine Regeneration des Partikelfilters 44 erfolgen. Dabei wird der Verbrennungsmotor 10 zur Regeneration des Partikelfilters 44 gezielt mit einem leichten Luftüberschuss von λ = 1,05 bis λ = 1,2 betrieben, sodass eine kontrollierte Oxidation des im Partikelfilter 44 zurückgehaltenen Rußes erfolgt.
  • In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors 10 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 ausgeführt ist in der Abgasanlage der Drei-Wege-Katalysator 42 stromabwärts der Turbine 36 des Turboladers 38 und somit stromaufwärts der Verzweigung 46 angeordnet, während der Partikelfilter 44 stromabwärts der Verzweigung 46 und stromaufwärts der Abgasklappe 48 angeordnet ist.
  • In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors 10 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 ausgeführt ist in diesem Ausführungsbeispiel die Abgasklappe 48 stromabwärts der Verzweigung 46 und stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators 42 angeordnet. Dabei wird der Drei-Wege-Katalysator 42 in einer Schubphase des Verbrennungsmotors 10 nur mit einer Leckage durch die Abgasklappe 48 durchströmt, sodass ein sauerstoffhaltiges Abgas nur zu einer sehr langsamen und verzögerten Beladung der Sauerstoffspeicher des Drei-Wege-Katalysators 42 führt. Somit ist in einem nachfolgenden Normalbetrieb kein oder nur ein verkürztes Ausräumen dieser Sauerstoffspeicher des Drei-Wege-Katalysators 42 durch eine motorische Fettphase notwendig.
  • Alternativ kann in diesem Ausführungsbeispiel die Position von Drei-Wege-Katalysator 42 und Partikelfilter 44 getauscht werden, sodass der Partikelfilter 44 während der Abgaszirkulation mit geschlossener Abgasklappe nur durch die Gasleckage durch die Abgasklappe 48 durchströmt wird. Somit kann die Temperatur des Partikelfilters 44 im Schubbetrieb gesenkt werden und die Gefahr eines unkontrollierten Rußabbrandes auf dem Partikelfilter 44 verringert werden, da dieser nach einer Rückkehr in den Normalbetrieb erst wieder auf eine Regenerationstemperatur aufgeheizt werden muss, bevor ein signifikanter Rußumsatz auf dem Partikelfilter 44 möglich ist.
  • In 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors 10 dargestellt. Dabei sind sowohl der Partikelfilter 44 als auch der Drei-Wege-Katalysator 42 motornah und somit stromaufwärts der Verzweigungsstelle 46 angeordnet. In 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors 10 dargestellt, wobei bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 6 ausgeführt lediglich die Positionen von Drei-Wege-Katalysator 42 und Partikelfilter 44 vertauscht sind.
  • In 8 sind zwei Geschwindigkeitsverläufe eines Kraftfahrzeuges bei einem Schubbetrieb des Verbrennungsmotors 10 dargestellt. Dabei wird der Verbrennungsmotor 10 in den Phasen I und III jeweils in einem Normalbetrieb zur Erzeugung eines Antriebsmoments des Verbrennungsmotors 10 für das Kraftfahrzeug und in Phase II in einem Schubbetrieb betrieben. In der mit <2> gekennzeichneten Kurve wird der Verbrennungsmotor 10 wie im Stand der Technik bekannt in der Schubphase II mit einem gefeuerten Schubbetrieb und einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λ = 1 betrieben. Dabei ist die Bremsleistung durch das Motorschleppmoment reduziert, wodurch es nur zu einer geringen Reduzierung der Geschwindigkeit kommt und gleichzeitig auch während der Schubphase Kraftstoff in die Brennräume 12 des Verbrennungsmotors 10 eingebracht wird, was den Kraftstoffverbrauch des Kraftfahrzeuges erhöht. In der Kurve <1> ist ein Geschwindigkeitsverlauf bei einem erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt, wobei in der Schubphase die Schubabschaltung aktiv ist und kein Kraftstoff in die Brennräume 12 des Verbrennungsmotors 10 eingebracht wird. Somit kann ein effektiver Bauteilschutz für den Partikelfilter 44 und gleichzeitig ein Motorbremsbetrieb mit einem vergleichsweise hohen Schleppmoment realisiert werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Verbrennungsmotor
    12
    Brennraum
    14
    Einlass
    16
    Auslass
    18
    Zündkerze
    20
    Luftversorgungssystem
    22
    erste Drosselklappe
    24
    zweite Drosselklappe
    26
    Verdichter
    28
    Einleitstelle
    30
    Abgasrückführungsleitung
    32
    Abgasrückführungsventil
    34
    Abgaskühler
    36
    Turbine
    38
    Turbolader
    40
    Abgasanlage
    42
    Drei-Wege-Katalysator
    44
    Partikelfilter
    46
    Verzweigungsstelle
    48
    Abgasklappe
    50
    Motorsteuergerät
    52
    Abgaskanal
    λ
    Verbrennungsluftverhältnis
    t
    Zeit
    v
    Fahrzeuggeschwindigkeit
    I
    Phase 1
    II
    Phase 2
    III
    Phase 3
    <1>
    Fahrzeuggeschwindigkeit mit Schubabschaltung
    <2>
    Fahrzeuggeschwindigkeit mit gefeuertem Schubbetrieb
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102010039013 A1 [0004]
    • DE 102010046896 A1 [0005]

Claims (10)

  1. Verbrennungsmotor (10) mit einem Luftversorgungssystem (20) und einer Abgasanlage (40), wobei das Luftversorgungssystem (20) mindestens eine erste Drosselklappe (22, 24) aufweist, mit der eine Luftzufuhr zu den Brennräumen (12) des Verbrennungsmotors (10) gesteuert werden kann, und wobei die Abgasanlage (20) mindestens einen Drei-Wege-Katalysator (42) und einen Partikelfilter (44) umfasst, sowie mit einer Abgasrückführungsleitung (30), welche die Abgasanlage (40) stromabwärts zumindest einer der Abgasnachbehandlungskomponenten (42, 44) mit dem Luftversorgungssystem (20) stromaufwärts zumindest einer Drosselklappe (22, 24) verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasanlage (40) stromabwärts einer Verzweigungsstelle (46), an der die Abgasrückführungsleitung (30) aus der Abgasanlage (40) gespeist wird, eine Abgasklappe (48) angeordnet ist
  2. Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Luftversorgungssystem (20) ein Verdichter (26) und in der Abgasanlage (40) eine Turbine (36) eines Turboladers (38) angeordnet sind, wobei die Abgasrückführungsleitung (30) als Niederdruck-Abgasrückführung ausgebildet ist und die Abgasanlage (40) stromabwärts der Turbine (36) mit dem Luftversorgungssystem (20) stromaufwärts des Verdichters (26) verbindet.
  3. Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Luftversorgungssystem (20) stromaufwärts einer Einleitstelle (28) der Abgasrückführungsleitung (30) eine weitere Drosselklappe (22, 24) angeordnet ist.
  4. Verbrennungsmotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasrückführungsleitung (30) ein Abgaskühler (34) angeordnet ist.
  5. Verbrennungsmotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Drei-Wege-Katalysator (42) als auch der Partikelfilter (44) in einer motornahen Position in der Abgasanlage (40) angeordnet sind, und die Verzweigungsstelle (46) stromabwärts beider Abgasnachbehandlungskomponenten (42, 44) liegt.
  6. Verbrennungsmotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Abgasnachbehandlungskomponente (42, 44) in der Abgasanlage (40) stromaufwärts der Verzweigung (46) und eine zweite Abgasnachbehandlungskomponente (42, 44) stromabwärts der Verzweigung (46) angeordnet ist
  7. Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Abgasnachbehandlungskomponente (42, 44) ein Partikelfilter (44) ist und die Abgasklappe (48) stromabwärts der Verzweigung (46) und stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators (42) angeordnet ist.
  8. Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters (44) in einer Abgasanlage (40) eines Verbrennungsmotors (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend folgende Schritte: - Betreiben des Verbrennungsmotors (10) in einem Normalbetrieb, wobei der Partikelfilter (44) mit Rußpartikeln aus dem Abgas des Verbrennungsmotors (10) beladen wird, - Erkennen eines Beladungszustands sowie einer Temperatur des Partikelfilters (44), und - Schließen der Abgasklappe (48), wenn in einem kritischen Beladungszustand und/oder bei einer kritischen Bauteiltemperatur des Partikelfilters (44) ein Schubbetrieb des Verbrennungsmotors (10) eingeleitet wird
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (10) solange mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (λ = 1) betrieben wird, bis die Abgasklappe (48) vollständig geschlossen ist.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Schubphase des Verbrennungsmotors (10) bei geschlossener Abgasklappe (48) Kraftstoff in die Brennräume (12) des Verbrennungsmotors (10) eingebracht wird.
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