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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters in einem Abgasnachbehandlungssystem einer Brennkraftmaschine durch Verbrennung der an dem Partikelfilter angelagerten Partikel.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Verfahrens.
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Zur Reduzierung der Emission von Partikeln, insbesondere Rußpartikeln, durch Brennkraftmaschinen ist es bekannt, im Abgaskanal der Brennkraftmaschine zumindest einen Partikelfilter vorzusehen. In ihren Eigenschaften jeweils an das Einsatzgebiet angepasst sind Partikelfilter für die Abgasnachbehandlung von Dieselmotoren als auch von Ottomotoren bekannt. In dem Abgas mitgeführte Partikel, insbesondere Rußpartikel, werden an dem Partikelfilter angelagert und somit zurückgehalten. Ist die Speicherkapazität des Partikelfilters erreicht, erfolgt eine Regeneration des Partikelfilters. Dazu wird die Abgastemperatur auf hohe Werte, beispielsweise größer als 600°C, angehoben. Anschließend wird ein mageres Abgas mit einem entsprechenden Sauerstoffüberschuss eingestellt. Dadurch werden die an dem Partikelfilter angelagerten Partikel in einer exotherm verlaufenden Reaktion verbrannt. Zur Erhöhung der Abgastemperatur sind verschiedene inner- und außermotorische Verfahren bekannt. Innermotorisch Verfahren beruhen zumeist auf einer Verschlechterung des Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine, beispielsweise durch eine Verstellung des Zündzeitpunktes oder durch eine Veränderung der Kraftstoffeinspritzung. Bei außermotorischen Verfahren kann beispielsweise Kraftstoff in den Abgaskanal vor einem Oxidationskatalysator eingespritzt und an diesem katalytisch umgesetzt werden.
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Bei hohen Lasten der Brennkraftmaschine während ihres regulären Betriebes können hohe Temperaturen von Bauteilen des Abgasnachbehandlungssystems auftreten. Diese können so weit ansteigen, dass die Bauteile beschädigt werden. Um dies zu vermeiden ist es bekannt, im Rahmen eines Bauteileschutzes (component protection) das der Brennkraftmaschine zugeführte Luft-/Kraftstoffverhältnis derart anzupassen, dass ein Kraftstoffüberschuss vorliegt (Lambda < 1). Durch den Kraftstoffüberschuss wird Wärmeenergie von den bezüglich einer Überhitzung kritischen Bauteilen des Abgasnachbehandlungssystems abgeführt und das Abgasnachbehandlungssystem gekühlt. Ein solcher Betriebsmodus wird beispielsweise bei Geschwindigkeiten eines von der Brennkraftmaschine angetriebenen Kraftfahrzeugs von größer als 120km/h eingestellt. Nachteilig führt ein solcher Betriebsmodus zu einer verstärkten Rohpartikelemission der Brennkraftmaschine und damit zu einer schnellen Beladung des Partikelfilters. Gleichzeitig ist während des Betriebes der Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoffüberschuss zum Schutz der Bauteile des Abgasnachbehandlungssystems die Regeneration des Partikelfilters, welche zur Verbrennung der angelagerten Partikel einen Sauerstoffüberschuss erfordert, nicht möglich. Lange Betriebsphasen der Brennkraftmaschine unter hoher Last können somit aufgrund der hohen Partikelrohemission der Brennkraftmaschine und dem Umstand, dass der Partikelfilter nicht regeneriert werden kann, zu einer Überladung des Partikelfilters führen. Dies kann aufgrund des dadurch verursachten, erhöhten Abgasgegendrucks zu einer Beschädigung der Brennkraftmaschine führen. Um dies zu vermeiden ist es bekannt, das Drehmoment der Brennkraftmaschine zu reduzieren, um eine erforderliche Regeneration des Partikelfilters durchführen zu können. Eine solche Maßnahme wirkt sich jedoch negativ auf die Fahreigenschaften eines von der Brennkraftmaschine angetriebenen Kraftfahrzeugs aus.
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Zur Leistungssteigerung von Brennkraftmaschinen ist es bekannt, der Brennkraftmaschine durch eine Wassereinspritzung Wasser zuzuführen. Dadurch kann beispielsweise eine Frühzündung, bewirkt durch stark aufgeheizte Bereiche der Brennkraftmaschine, vermieden werden. Weiterhin kann durch die Wassereinspritzung ein Klopfen der Brennkraftmaschine vermieden und damit ein größeres Kompressionsverhältnis ermöglicht werden. Durch die reduzierte Klopfneigung der Brennkraftmaschine, wie sie durch die Wassereinspritzung erreicht wird, kann in Verbindung mit Ladern (Kompressoren, Turboladern etc.) und einer geeigneten Einstellung des Zündzeitpunktes eine deutliche Leistungssteigerung von fremdgezündeten Brennkraftmaschinen erreicht werden. Ein weiteres Einsatzgebiet der Wassereinspritzung ist die Reduzierung der Emission von Stickoxiden und von Kohlenstoffmonoxid. Ebenfalls ist es bekannt, an Stelle einer überhöhten Kraftstoffzuführung die Wassereinspritzung zum oben genannten Bauteileschutz (component protection) vorzusehen.
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So beschreibt die
DE 10 2014 222 464 A1 ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, bei dem in die der Brennkraftmaschine zugeführten Verbrennungsluft Wasser eingespritzt wird. Abhängig von der Menge des zugeführten Wassers wird das eingestellte Luftverhältnis zu einem reichen Gemische verschoben. Das in den Luftansaugtrakt eingespritzte Wasser bewirkt durch die aufzubringende Verdunstungswärme eine effektive Ladeluftkühlung und erreicht dadurch eine Innenkühlung des Motors. Eine Leistungssteigerung des Motors ergibt sich durch die kältere Verbrennungsluft und deren damit höheren Dichte. Der Zündwinkel kann in Richtung einer Frühzündung eingestellt werden, da die kühlere Verbrennungsluft weniger zum Klopfen neigt. Dadurch nimmt die Abgastemperatur ab. Die bei hohen Motordrehzahlen und Lasten erforderliche Gemischanreicherung zum Bauteilschutz kann reduziert werden oder entfallen.
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Aus der
DE 10 2007 050 511 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Ottomotors, bekannt. Eine Wassereinspritzung wird hinsichtlich der Wassermenge, der zeitlichen Dauer und der Lage von Beginn und Ende der Wassereinspritzung, bezogen auf einen Kurbelwinkel, derart durchgeführt, dass bei einem Lambdawert von größer 1 die NOx Emissionen unterhalb eines vorbestimmten Wertes liegen und/oder dass eine Klopfneigung der Brennkraftmaschine bei Kraftstoff mit geringer Oktanzahl verringert wird. Das Verfahren kann zur Verringerung der Klopfneigung bei minderwertigen Kraftstoff als auch zur Einsparung von Kraftstoff beim thermischen Bauteileschutz verwendet werden.
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Aus der
DE 102 00 664 A1 ist ein Zylinderkopf einer Verbrennungskraftmaschine bekannt. Dabei ist es vorgesehen, dass ein Ventilsitzring in mindestens einem Bereich wasserdurchlässig ausgeführt ist. Dadurch wird es ermöglicht, den Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine bei Volllast zu reduzieren, in dem Wasser eingespritzt wird. Der Ventilsitzring kann als ein gezielter Bauteilschutz für einen Katalysator und eine Turbolader vorgesehen sein.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem eine Regeneration eines Partikelfilters im Abgasnachbehandlungssystem einer Brennkraftmaschine auch bei hoher Last der Brennkraftmaschine durchgeführt werden kann.
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Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes Computerprogrammprodukt bereitzustellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass zumindest zeitweise während der Regeneration des Partikelfilters zumindest einem Brennraum der Brennkraftmaschine mittelbar oder unmittelbar Wasser zugeführt wird und die Brennkraftmaschine mit einem mageren Luft-/Kraftstoffverhältnis betrieben wird. Durch die Zuführung des Wassers werden die Bauteile entlang der Abgasführung der Brennkraftmaschine gekühlt. Damit wird im Rahmen eines Bauteileschutzes (component protection) vermieden, dass bei hoher Last der Brennkraftmaschine eine thermische Beschädigung der Bauteile auftritt. Gleichzeitig werden zur Durchführung der Regeneration des Partikelfilters ein mageres Abgas und damit ein Sauerstoffüberschuss eingestellt, welcher die Verbrennung der an dem Partikelfilter angelagerten Partikel ermöglicht. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es somit möglich, auch bei hoher Last der Brennkraftmaschine eine Regeneration des Partikelfilters durchzuführen, ohne das Bauteile der Brennkraftmaschine oder des Abgasnachbehandlungssystems durch zu hohe auftretende Temperaturen beschädigt werden. Auf Grund der auch bei hohen Lasten durchführbaren Regeneration des Partikelfilters kann eine Beschädigung der Brennkraftmaschine durch einen hohen Abgasgegendruck auf Grund eines überladenen Partikelfilters vermieden werden. Ebenfalls kann auf eine Reduzierung des Drehmomentes mit den dadurch bewirkten, negativen Auswirkungen auf ein Fahrverhalten eines mit der Brennkraftmaschine angetriebenen Kraftfahrzeugs zur Durchführung der Regeneration verzichtet werden. Wie sich überraschenderweise gezeigt hat, kann während einer Regeneration des Partikelfilters und dem dabei vorgesehenen Abbrand der Rußpartikel ein thermischer Bauteilschutz der Komponenten der Brennkraftmaschine und des Abgasnachbehandlung Systems durch die Zuführung von Wasser in den Brennraum der Brennkraftmaschine erreicht werden, ohne dass die exotherm verlaufende Verbrennung der Partikel an dem Partikelfilter unterbrochen oder beeinträchtigt wird.
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Zur Einleitung und zur Durchführung einer Regeneration des Partikelfilters kann es vorgesehen sein, dass während einer Aufwärmphase des Abgases zum Starten einer Regeneration des Partikelfilters dem zumindest einen Brennraum der Brennkraftmaschine kein Wasser zugeführt wird und dass die Zuführung des Wassers gestartet wird, wenn die Temperatur des Abgases am Partikelfilter eine vorgegebene Temperaturschwelle erreicht. Das Abgas und damit der Partikelfilter können somit zunächst so weit aufgeheizt werden, bis die erforderliche Zündtemperatur zur Verbrennung der angelagerten Rußpartikel erreicht wird. Anschließend kann ein mageres Lambda eingestellt und dem Brennraum das Wasser zugeführt werden. Dabei ermöglicht der Sauerstoffüberschuss eine Verbrennung der angelagerten Partikel, während die Zuführung des Wassers den erforderlichen Bauteilschutz gewährleistet.
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Vorzugsweise kann es vorgesehen sein, dass das Wasser in einen Ansaugkanal der Brennkraftmaschine oder in eine Saugöffnung eines Laders der Brennkraftmaschine oder vor einen Eintritt eines Ladeluftkühlers der Brennkraftmaschine oder auf eine Oberfläche des Ladeluftkühlers der Brennkraftmaschine oder in ein Saugrohr der Brennkraftmaschine oder direkt in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Durch das Einspritzen des Wassers in den Ansaugkanal der Brennkraftmaschine wird dieses von der angesagten Luft in den zumindest einen Brennraum der Brennkraftmaschine mitgeführt. Durch die Einspritzung in den Niederdruckbereich vor dem Lader kann eine gute Verteilung des Wassers erreicht werden. Auch größere Wassermengen können schnell und gleichmäßig von der vorbeiströmenden Frischluft aufgenommen werden, wenn dieses unmittelbar vor dem Ladeluftkühler oder auf die Oberfläche des Ladeluftkühlers aufgesprüht wird. Durch eine Einspritzung des Wassers in das Saugrohr wird es bei einfacher Montage der erforderlichen Wasserdüse dem zumindest einen Brennraum der Brennkraftmaschine unmittelbar und ohne zeitliche Verzögerung zugeführt. Eine besonders gute Dosierung der eingespritzten Wassermenge kann dadurch erreicht werden, dass das Wasser direkt in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird.
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Der konstruktive Aufwand zur Zuführung des Wassers kann dadurch gering gehalten werden, dass das Wasser dem der Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoff beigemischt wird.
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Vorzugsweise kann es vorgesehen sein, dass die Zuführung von Wasser während der Regeneration des Partikelfilters nur dann erfolgt, wenn die Last der Brennkraftmaschine eine vorgegebene Schwelle überschreitet. Lediglich, wenn die Last der Brennkraftmaschine einen bestimmten Wert überschreitet, ist mit erhöhten Bauteiltemperaturen zu rechnen und ein entsprechender Bauteilschutz erforderlich. Unterhalb dieser Schwelle muss kein Bauteilschutz vorgesehen werden und die Regeneration des Partikelfilters kann, wie bekannt, ohne die Zuführung von Wasser erfolgen.
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Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Zuführung von Wasser während der Regeneration des Partikelfilters dann erfolgt, wenn eine Drehzahl der Brennkraftmaschine und/oder ein Drehmoment der Brennkraftmaschine und/oder eine Geschwindigkeit eines von der Brennkraftmaschine angetriebenen Fahrzeugs und/oder ein Abgasvolumenstrom und/oder ein der Brennkraftmaschine zugeführter Frischluftvolumenstrom und/oder ein der Brennkraftmaschine zugeführter Kraftstoffvolumenstrom jeweils einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Alle diese Kennwerte geben einen Hinweis auf die aktuelle Last der Brennkraftmaschine und können so zur Festlegung, ob während einer Regeneration des Partikelfilters ein Bauteilschutz erforderlich ist, verwendet werden.
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Die Zuführung von Wasser in den zumindest einen Brennraum der Brennkraftmaschine während einer Regeneration des Partikelfilters ist dann erforderlich, wenn die Gefahr einer thermischen Überlastung von Bauteilen der Brennkraftmaschine und des Abgasnachbehandlungssystems besteht. Daher kann es vorgesehen sein, dass die Zuführung von Wasser während der Regeneration des Partikelfilters dann erfolgt, wenn eine gemessene oder modellierte Temperatur zumindest eines Bauteils der Brennkraftmaschine oder des Abgasnachbehandlungssystems eine vorgegebene Temperaturschwelle überschreitet. Die Zuführung des Wassers zur Durchführung einer Regeneration des Partikelfilters erfolgt demnach nur dann, wenn unmittelbar aus einer gemessenen oder modellierten Temperatur mit einer thermischen Überhitzung eines Bauteils der Brennkraftmaschine oder des Abgasnachbehandlungssystems zu rechnen ist.
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Die Temperatur des Abgases während der Regeneration des Partikelfilters ist durch die Zugabe des Wassers in den zumindest einen Brennraum der Brennkraftmaschine derart vorzunehmen, dass eine ausreichende Kühlung der Bauteile der Brennkraftmaschine und des Abgasnachbehandlungssystems erfolgt und gleichzeitig die Regeneration des Partikelfilters nicht unterbrochen oder beeinträchtigt wird. Um dies zu erreichen kann es vorgesehen sein, dass die dem zumindest einen Brennraum der Brennkraftmaschine während der Regeneration des Partikelfilters zugeführte Wassermenge in Abhängigkeit von der Last der Brennkraftmaschine vorgegeben wird und/oder dass die dem zumindest einen Brennraum der Brennkraftmaschine zugeführte Wassermenge in Abhängigkeit von einer Drehzahl der Brennkraftmaschine und/oder von einem Drehmoment der Brennkraftmaschine und/oder von einer Geschwindigkeit eines von der Brennkraftmaschine angetriebenen Fahrzeugs und/oder von einem Abgasvolumenstrom und/oder von einem der Brennkraftmaschine zugeführter Frischluftvolumenstrom und/oder von einem der Brennkraftmaschine zugeführter Kraftstoffvolumenstrom vorgegeben wird. Somit kann es vorgesehen sein, dass bei einer sehr hohen Last der Brennkraftmaschine dem zumindest einen Brennraum eine vergleichsweise große Wassermenge zugeführt wird, während bei einer kleineren Last und damit bei einer niedrigeren erwarteten thermischen Belastung der Bauteile der Brennkraftmaschine und des Abgasnachbehandlung Systems eine vergleichsweise geringere Wassermenge zugeführt wird.
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Eine direkte Einstellung der zugeführten Wassermenge in Abhängigkeit von der einzuhaltenden Temperatur der kritischen Bauteile der Brennkraftmaschine und des Abgasnachbehandlungssystems kann dadurch erreicht werden, dass die dem zumindest einen Brennraum der Brennkraftmaschine während der Regeneration des Partikelfilters zugeführte Wassermenge in Abhängigkeit von einer gemessenen oder modellierten Temperatur zumindest eines Bauteils der Brennkraftmaschine oder des Abgasnachbehandlungssystems vorgegeben wird. Auch hier ist es somit möglich, dass bei hohen Temperaturen des zumindest einen Bauteils der Brennkraftmaschine oder des Abgasnachbehandlungssystems dem zumindest einen Brennraum eine große Wassermenge zugeführt wird, während bei einer niedrigen Temperatur eine entsprechend geringere Wassermenge zugeführt wird.
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Eine verbesserte Kühlung der Bauteile der Brennkraftmaschine oder des Abgasnachbehandlungssystems und/oder eine Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine können dadurch erreicht werden, dass dem dem Brennraum der Brennkraftmaschine während der Regeneration des Partikelfilters zugeführten Wasser eine weitere Flüssigkeit beigemischt wird und/oder dass dem dem Brennraum der Brennkraftmaschine während der Regeneration des Partikelfilters zugeführten Wasser Alkohol beigemischt wird.
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Das Verfahren lässt sich bevorzugt zur Regeneration eines Partikelfilters für Ottomotoren (GPF) im Abgaskanal eines Ottomotors anwenden.
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Die das Computerprogrammprodukt betreffende Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Computerprogrammprodukt, das direkt in den internen Speicher eines digitalen Computers geladen werden kann und Softwarecodeabschnitte umfasst, mit denen die Schritte gemäß dem zuvor beschriebenen Verfahren ausgeführt werden, wenn das Produkt auf einem Computer läuft. Der digitale Computer ist vorzugsweise Teil einer Steuereinheit, insbesondere einer übergeordneten Motorsteuerung, welche zumindest einen Prozessor, ein computerlesbares Speichermedium und Ein- und Ausgabeeinheiten umfasst, zugeordnet. Das Computerprogrammprodukt ist durch ein entsprechendes Computerprogramm gebildet, welches auf dem computerlesbaren Speichermedium gespeichert ist und von dem Computer ausgeführt werden kann.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
- 1 in einer Prinzipdarstellung eine Brennkraftmaschine mit einer Frischluftzuführung und möglichen Einbaustellen zugeordneter Wasserdüsen und
- 2 in einer Prinzipdarstellung eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasnachbehandlungssystem.
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1 zeigt in einer Prinzipdarstellung eine Brennkraftmaschine 10 mit einer Frischluftzuführung 20 und möglichen Einbaustellen zugeordneter Wasserdüsen 31, 32, 33, 34.
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Die Darstellung zeigt stark schematisiert einen Zylinder 13 der Brennkraftmaschine 10 mit einem darin geführten Kolben 12. Der Kolben 12 ist mittels einer Pleuelstange 14 mit einer nicht dargestellten Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 10 verbunden. Ein Zylinderkopf 17 schließt den Zylinder 13 endseitig ab. Zwischen dem Kolben 12 und dem Zylinderkopf 17 ist ein Brennraum 11 der Brennkraftmaschine 10 ausgebildet.
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Dem Brennraum 11 der Brennkraftmaschine 10 wird über die Frischluftzuführung 20 Frischluft 21 zugeführt. In Strömungsrichtung der Frischluft 21 sind entlang eines Ansaugkanals 22 ein Lader 23, ein Ladeluftkühler 24, ein Saugrohr 25 und ein Einlassventil 16 angeordnet. Über eine Einspritzdüse 18 wird Kraftstoff in das Saugrohr 25 eingespritzt. Der vorliegend als Kompressor ausgeführte Lader 23 verdichtet die zugeführte Frischluft 21, während der Ladeluftkühler 24 die Frischluft in bekannter Weise abkühlt. Während eines Ansaugtaktes der Brennkraftmaschine 10 wird über das Einlassventil 16 ein Luft-/Kraftstoffgemisch dem Brennraum 11 der Brennkraftmaschine 10 zugeführt. Nach erfolgtem Arbeitstakt wird in einem Ausstoßtakt bei einem geöffneten Auslassventil 15 das gebildete Abgas 46 in einen Krümmer 41 eines in 2 gezeigten Abgasnachbehandlungssystems 40 ausgestoßen. Dabei führt das Abgas 46 während der Verbrennung in dem Brennraum 11 gebildete Rußpartikel mit sich.
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Entlang der Frischluftzuführung 20 sind an verschiedenen, optionalen Positionen angeordnete Wasserdüsen 31, 32, 33, 34 vorgesehen. Die dargestellten Positionen stellen alternative Einbaumöglichkeiten für die Wasserdüsen 31, 32, 33, 34 dar. In der praktischen Ausführung wird entsprechend nur eine der Positionen mit einer oder mehreren Wasserdüsen 31, 32, 33, 34 bestückt sein. In einer ersten Ausführungsvariante ist eine Wasserdüse 31, 32, 33, 34 (erste Wasserdüse 31) an dem Saugrohr 25 der Frischluftzuführung 20 angeordnet. Entsprechend einer zweiten Ausführungsvariante ist eine Wasserdüse 31, 32, 33, 34 (zweite Wasserdüse 32) derart an dem Ladeluftkühler 24 befestigt, dass sie Wasser auf die Oberfläche des Ladeluftkühlers 24 aufsprüht. Nach einer dritten möglichen Ausführungsvariante ist eine Wasserdüse 31, 32, 33, 34 (dritte Wasserdüse 33) an dem Ansaugkanal 22 unmittelbar vor dem Eintritt des Ladeluftkühlers 24 angeordnet. Eine vierte Ausführungsvariante sieht eine Wasserdüse 31, 32, 33, 34 (vierte Wasserdüse 34) an dem Ansaugkanal 22 unmittelbar vor dem Eingang des Laders 23 vor.
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2 zeigt in einer Prinzipdarstellung die Brennkraftmaschine 10 mit dem Abgasnachbehandlungssystem 40. Die über den Ansaugkanal 22 zugeführte Frischluft 21 wird über die Saugrohre 25 den einzelnen Zylindern 13 der Brennkraftmaschine 10 zugeführt. Über die Einspritzdüsen 18 wird Kraftstoff in die Saugrohre 25 eingespritzt. Die Einspritzdüsen 18 sind dazu mit einem Verteilerrohr 19 (rail), welches komprimierten Kraftstoff bereitstellt, verbunden. Jedem Saugrohr 25 ist weiterhin eine erste Wasserdüse 31 zugeordnet, deren Position bereits als eine der möglichen Positionen in 1 gezeigt ist. Die ersten Wasserdüsen 31 sind über eine gemeinsame Wasserzuleitung 30 miteinander verbunden.
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Der Brennkraftmaschine 10 nachgeschaltet ist der Krümmer 41 vorgesehen, welcher das bei der Verbrennung in den Brennräumen 11 der Brennkraftmaschine 10 entstandene Abgas 46 einem Abgaskanal 42 zuführt. In Strömungsrichtung des Abgases 46 sind dem Abgasnachbehandlungssystem 40 entlang dem Abgaskanal 42 ein Katalysator 43, vorliegend ein Dreiwegekatalysator, und ein Partikelfilter 44 zugeordnet. Ein Differenzdrucksensor 45 misst die Druckdifferenz über den Partikelfilter 44.
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Vorliegend ist die in den 1 und 2 gezeigte Brennkraftmaschine 10 als Ottomotor ausgeführt. Entsprechend ist in dem Abgasnachbehandlungssystem 40 ein für Ottomotoren geeigneter Partikelfilter 44 (GPF, Gasoline Particulate Filter) vorgesehen.
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Im Nachfolgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die Figuren 1 und 2 näher erläutert. Der Partikelfilter 44 (GPF) sammelt den während der Verbrennung in der Brennkraftmaschine entstandenen Ruß und lagert diesen an seinen Wänden ab. Die Rußbeladung des Partikelfilters 44 kann dabei anhand des Differenzdrucks über dem Partikelfilter 44, wie er mittels des Differenzdrucksensors 45 bestimmt wird, festgestellt werden. Ist eine Beladungsgrenze des Partikelfilters 44 erreicht, wird nach bekanntem Verfahren von einer Motorsteuerung (ECU, Electronic Control Unit) eine Regeneration des Partikelfilters 44 ausgelöst. Dazu werden Betriebsparameter der Brennkraftmaschine 10, beispielsweise der Zündzeitpunkt, derart verändert, dass die Temperatur des Abgases auf ca. 600 °C ansteigt. Ist diese Temperatur erreicht, wird von der Motorsteuerung ein mageres, der Brennkraftmaschine 10 zugeführtes Luft-/Kraftstoffverhältnis (Lambda größer 1) eingestellt, sodass im Abgas 46 ein Sauerstoffüberschuss vorliegt. Der Sauerstoffüberschuss führt in Kombination mit den hohen Abgastemperaturen zu einer Verbrennung der in dem Partikelfilter 44 eingelagerten Rußpartikel.
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Beim Betrieb der Brennkraftmaschine 10 unter hoher Last weisen die Bauteile des Abgasnachbehandlungssystems 40 sehr hohe Temperaturen auf. Diese können zur Zerstörung der Bauteile führen. Daher ist es bekannt, Brennkraftmaschinen 10 bei hoher Last mit einem Kraftstoffüberschuss (Lambda kleiner 1) zu betreiben. Der Kraftstoffüberschuss führt zu einer verbesserten Wärmeableitung von kritischen Bauteilen, wodurch das Abgasnachbehandlungssystem abgekühlt wird. Ein solcher als Bauteileschutz (component protection) bezeichnete Betriebsmodus der Brennkraftmaschine wird üblicherweise bei Kraftfahrzeugen ab einer Geschwindigkeit von 120 km/h vorgesehen. Er führt mit seinem Überangebot an Kraftstoff zu einer hohen Partikelrohemission der Brennkraftmaschine 10. Dies führt zu einer schnellen Beladung des Partikelfilters 44. Aufgrund des fetten Lambdas kann gleichzeitig eine Regeneration des Partikelfilters während des Bauteilschutzes nicht durchgeführt werden. Dies führt dazu, dass bei langen Betriebsphasen der Brennkraftmaschine 10 mit hoher Last der Partikelfilter 44 überladen wird. Daraus resultiert ein überhöhter Abgasgegendruck, was zur Beschädigung der Brennkraftmaschine 10 führen kann.
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Erfindungsgemäß ist es daher vorgesehen, während der Regeneration des Partikelfilters 44 dem oder den Brennräumen 11 der Brennkraftmaschine 10 Wasser zuzuführen. Das eingespritzte Wasser führt zu einer Kühlung der Bauteile des Abgasnachbehandlungssystems 40. Damit kann auch während eines Betriebes der Brennkraftmaschine 10 mit hoher Last ein mageres, der Brennkraftmaschine 10 zugeführtes Luft-/Kraftstoffverhältnis vorgesehen werden, wie es für die Regeneration des Partikelfilters 44 erforderlich ist, ohne dass auf einen thermischen Schutz der Bauteile der Brennkraftmaschine 10 und des Abgasnachbehandlungssystems 40 verzichtet werden muss. Zur Durchführung des Verfahrens wird zunächst die Abgastemperatur soweit angehoben, bis eine zur Verbrennung der in dem Partikelfilter 44 angelagerten Partikel erforderliche Temperatur erreicht ist. Dabei erfolgt vorzugsweise keine Zudosierung des Wassers. Anschließend wird die Brennkraftmaschine mit einem mageren Luft-/Kraftstoffgemisch betrieben. Dadurch wird die Verbrennung der in dem Partikelfilter 44 zurückgehaltenen Partikel ermöglicht. Während des mageren Betriebs der Brennkraftmaschine wird den Brennräumen 11 der Brennkraftmaschine 10 zumindest zeitweise Wasser zugeführt. Wie sich überraschenderweise gezeigt hat, kann die Temperatur der kritischen Bauteile des Abgasnachbehandlungssystems 40 und der Brennkraftmaschine 10 durch die Zuführung von Wasser in die Brennräume 11 der Brennkraftmaschine 10 während der Regeneration des Partikelfilters 44 unterhalb einer jeweils kritischen Temperaturschwelle gehalten werden, ohne dass die exotherm verlaufende Verbrennung der in dem Partikelfilter 44 angelagerten Partikel unterbrochen oder beeinträchtigt wird.
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Die Zuführung von Wasser während der Regeneration des Partikelfilters und/oder der Verbrennung der angelagerten Partikel kann über den gesamten Zeitraum oder zeitweise während des mageren Betriebs erfolgen. Die Zudosierung des Wassers kann dabei so beschränkt werden, dass lediglich keine thermische Überlastung der kritischen Bauteile der Brennkraftmaschine 10 oder des Abgasnachbehandlungssystems 40 erfolgt. Eine Beeinträchtigung der Verbrennung der Partikel kann so ausgeschlossen werden.
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In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt die Zuführung des Wassers in das jeweilige Saugrohr 25, welches einem jeweiligen Zylinder 13 der Brennkraftmaschine 10 zugeordnet ist. Das Wasser wird dabei zerstäubt und dem Brennraum unmittelbar, zusammen mit dem eingespritzten Kraftstoff und der Frischluft, zugeführt. Wie zu 1 gezeigt, kann das Wasser entsprechend der Anordnung der zweiten Wasserdüse 32 auch an dem Ladeluftkühler 24 angeordnet sein. Es wird dort auf die innere Oberfläche des Ladeluftkühlers 24 gespritzt und mit der vorbeiströmenden Frischluft vermischt. Einen einfacheren konstruktiven Aufbau lässt sich erreichen, wenn die Zuführung des Wassers unmittelbar vor dem Eingang des Ladeluftkühlers 24 oder vor dem Eingang des Laders 23 in den Ansaugkanal 22 erfolgt, wie dies in 1 durch die Positionen der dritten Wasserdüse 33 und der vierten Wasserdüse 34 gezeigt ist.
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Vorteilhaft erfolgt die Zuführung von Wasser während der Regeneration des Partikelfilters 44 nur dann, wenn die Brennkraftmaschine 10 mit einer so hohen Last betrieben wird, dass eine kritische Temperaturschwelle für Bauteile der Brennkraftmaschine 10 oder des Abgasnachbehandlungssystems 40 erreicht oder überschritten wird. Die Zuführung des Wassers während einer Regeneration des Partikelfilters 44 wird somit dann gestartet, wenn die Last der Brennkraftmaschine 10 eine vorgegebene Schwelle überschreitet. Beispielsweise kann die Zuführung von Wasser während der Regeneration des Partikelfilters 44 dann vorgesehen sein, wenn eine Drehzahl der Brennkraftmaschine 10, ein Drehmoment der Brennkraftmaschine 10, eine Geschwindigkeit eines von der Brennkraftmaschine 10 angetriebenen Fahrzeugs, ein in dem Abgaskanal 42 geführter Abgasvolumenstrom, ein der Brennkraftmaschine 10 zugeführter Frischluftvolumenstrom und/oder ein der Brennkraftmaschine 10 zugeführter Kraftstoffvolumenstrom jeweils einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Ebenfalls kann es vorgesehen sein, dass die Menge des der Brennkraftmaschine 10 zugeführten Wassers in Abhängigkeit von den oben genannten Größen ermittelt und vorgegeben wird. Dadurch kann eine zu starke Abkühlung des Abgasnachbehandlungssystems 40 und insbesondere des Partikelfilters 44 während dessen Regeneration vermieden werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Zudosierung des Wassers unmittelbar in Abhängigkeit einer Temperatur eines Bauteils der Brennkraftmaschine 10 oder einer Komponente des Abgasnachbehandlungssystems 40 erfolgt. Dabei kann sowohl die Entscheidung, ob den Brennräumen 11 Wasser zugeführt werden soll, als auch die Menge des zugeführten Wassers in Abhängigkeit von der vorliegenden oder erwarteten Temperatur getroffen bzw. festgelegt werden.
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Das Verfahren kann vorteilhaft zur Regeneration von Partikelfiltern 44 im Abgassystem von Ottomotoren vorgesehen werden. Dabei kann es besonders kostengünstig bei Brennkraftmaschinen 10 eingesetzt werden, bei welchen ohnehin eine Wassereinspritzung, beispielsweise zur Steigerung der Leistung der Brennkraftmaschine 10 oder zur Reduzierung von NOx-Emissionen, vorgesehen ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014222464 A1 [0006]
- DE 102007050511 A1 [0007]
- DE 10200664 A1 [0008]
