DE102018108685A1

DE102018108685A1 - Dieselmotor und Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors

Info

Publication number: DE102018108685A1
Application number: DE102018108685.7A
Authority: DE
Inventors: Axel Groenendijk; Christian Kuck; Ekkehard Pott; Lars Nebelin
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2018-04-12
Filing date: 2018-04-12
Publication date: 2019-10-17

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Dieselmotor (10) mit einem Luftversorgungssystem (20) und einer Abgasanlage (30). Dabei ist der Dieselmotor (10) mittels eines Abgasturboladers (32) aufgeladen. Zusätzlich zum Abgasturbolader (32) ist in dem Luftversorgungssystem (20) ein elektrisch angetriebener Verdichter (26) vorgesehen, über welchen die den Brennräumen (16) des Dieselmotors (10) zugeführte Frischluft unabhängig von der Drehzahl der Turbine (34) des Abgasturboladers (32) verdichtet werden kann. Der erfindungsgemäße Dieselmotor (10) weist ferner einen kleinvolumigen, motornah angeordneten Dieselpartikelfilter (42) auf, welcher stromabwärts der Turbine (34) in der Abgasanlage (30) angeordnet ist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Dieselmotors (10), um die Partikelrohemissionen des Dieselmotors (10) zu reduzieren und somit mit einem kleinvolumigen Dieselpartikelfilter (42) lange Intervalle zwischen den notwendigen Regenerationszyklen des Dieselpartikelfilters (42) zu ermöglichen.

Description

Die Erfindung betrifft einen selbstzündenden Verbrennungsmotor nach dem Dieselprinzip sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Dieselmotors gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
Die aktuelle und eine zukünftig immer schärfer werdende Abgasgesetzgebung stellen hohe Anforderungen an die motorischen Rohemissionen und die Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren. Dabei stellen die Forderungen nach einem weiter sinkenden Verbrauch und die weitere Verschärfung der Abgasnormen hinsichtlich der zulässigen Stickoxid-Emissionen eine Herausforderung für die Motorenentwickler dar. Bei Ottomotoren erfolgt die Abgasreinigung in bekannter Weise über einen Drei-Wege-Katalysator, sowie dem Drei-Wege-Katalysator vor- und nachgeschaltete weitere Katalysatoren. Bei Dieselmotoren finden aktuell Abgasnachbehandlungssysteme Verwendung, welche einen Oxidationskatalysator, einen Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Katalysator) sowie einen Partikelfilter zur Abscheidung von Rußpartikeln und gegebenenfalls weitere Katalysatoren aufweisen. Dabei ist bekannt, dass die Partikelemissionen eines Dieselmotors durch einen Dieselpartikelfilter (DPF) wirksam gemindert werden können. Dieser Vorgang erfolgt diskontinuierlich, das heißt Beladungsphasen und Regenerationsphasen des Dieselpartikelfilters wechseln sich ab. Dabei wird angestrebt, dass eine vorgegebene absolute Beladung des Dieselpartikelfilters, beispielsweise 20 Gramm Ruß, oder eine spezifische Beladung, beispielsweise 5 Gramm Ruß pro Kubikdezimeter Partikelfiltervolumen, nicht überschritten wird, damit der Abgasgegendruck einen bestimmten Schwellenwert nicht überschreitet und damit bei der Regeneration des Partikelfilters keine schädigenden Temperaturspitzen auftreten.
Um eine Regeneration des Dieselpartikelfilters mit geringem zusätzlichen Energieaufwand zu ermöglichen, wird eine möglichst motornahe Position des Partikelfilters angestrebt. Aufgrund des notwendigen Filtervolumens und eines beengten Bauraums im Motorraum eines Kraftfahrzeuges werden Partikelfilter oftmals in einer motorfernen Unterbodenlage eines Kraftfahrzeuges angeordnet. Da außerdem infolge des Kraftstoffmehrverbrauchs zum Aufheizen des Partikelfilters auf seine Regenerationstemperatur eine möglichst seltene Regeneration angestrebt wird, korreliert das Volumen des Partikelfilters eng mit den mittleren Partikelrohemissionen des Verbrennungsmotors im gemischten Fahrbetrieb. Üblich sind Volumina des Dieselpartikelfilters von 1 dm³ pro 20 mg/km emittierter Partikelrohemissionen, mit einer in der Praxis auftretenden Bandbreite von +/-30% bei einer Vielzahl von Kraftfahrzeugen.
Bekannt ist darüber hinaus, dass mit steigenden Fahrwiderständen und Motorlasten des Verbrennungsmotors die Partikelrohemissionen zunehmen. Dies liegt zum einen an einem höheren Kraftstoffdurchsatz, zum anderen wird bei dynamischen Lastanforderungen häufiger ein volllastnaher Betriebspunkt des Verbrennungsmotors angefahren. In diesen Fahrzuständen tritt aufgrund des gegenüber dem Kraftstoffpfad trägeren Füllungsaufbau infolge des verzögerten Ansprechverhaltens des Abgasturboladers temporär ein Betrieb mit geringem Luftüberschuss im Brennraum und daraus resultierenden, temporär erhöhten Partikelrohemissionen auf. Besonders kritisch sind dabei Verbrennungsluftverhältnisse von λ_E < 1,1, da infolge eines lokalen Luftmangels im Brennraum die Partikelnachoxidation an solchen Betriebspunkten signifikant behindert wird.
Daher wurde bei aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen bisher zur Kompensation der steigenden Partikelrohemissionen zur Erzielung gleicher Regenerationsintervalle des Dieselpartikelfilters mit steigenden Fahrwiderständen auch das Volumen des Dieselpartikelfilters vergrößert. Dies hat negative Auswirkungen auf die Herstellungskosten des Partikelfilters und den Verbrauch des Verbrennungsmotors, da der Abgasgegendruck zunimmt und längere Aufheizzeiten mit Betriebspunkten mit ungünstigem Wirkungsgrad notwendig sind, um den Partikelfilter auf seine Regenerationstemperatur aufzuheizen. Zudem verursacht ein hinreichend großes Partikelfiltervolumen oftmals Bauraumprobleme bei einer motornahen Unterbringung des Partikelfilters, sodass dieser in einer für die Regeneration ungünstigen Unterbodenlage des Kraftfahrzeuges angeordnet werden muss.
Aus der DE 10 2015 212 788 A1 ist ein Partikelfilter für einen Ottomotor b bekannt, welcher eine katalytische wirksame Drei-Wege-Beschichtung aufweist, welcher für eine motornahe Anordnung in einer Abgasanlage eines Verbrennungsmotors vorgesehen ist. Der Partikelfilter weist einen zweischichtigen katalytischen Schichtaufbau auf, um die Dauerhaltbarkeit des Partikelfilters zu verbessern und die katalytische Wirkung zu erhöhen.
Aus der DE 10 2015 000 955 A1 ist ein Dieselmotor mit einem motornah angeordneten Oxidationskatalysator und einem ebenfalls motornahen Dieselpartikelfilter bekannt, wobei der Dieselpartikelfilter eine SCR-Beschichtung aufweist. Dem Dieselpartikelfilter ist ein zweiter SCR-Katalysator nachgeschaltet, um eine besonders wirkungsvolle Reduzierung der Stickoxidemissionen im Abgas zu ermöglichen.
Nachteilig an den bekannten Lösungen ist jedoch, dass zwar die Abgasnachbehandlung verbessert wird, jedoch die Rohemissionen des Verbrennungsmotors nicht verringert werden und daher relativ kurze Regenerationsintervalle der Partikelfilter notwendig sind.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Partikelrohemissionen auch bei Betriebspunkten des Dieselmotors mit höheren Motorlasten zu verringern und insbesondere einen Anstieg der Partikelrohemissionen bei dynamischen Lastanforderungen zu verringern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Dieselmotor mit einem Luftversorgungssystem und einer Abgasanlage gelöst, wobei der Dieselmotor mittels eines Abgasturboladers aufgeladen ist, wobei der Abgasturbolader eine in der Abgasanlage angeordnete Turbine umfasst, welche einen im Luftversorgungssystem angeordneten Verdichter antreibt. In der Abgasanlage ist in einer motornahen Position ein Dieselpartikelfilter angeordnet. In dem Luftversorgungssystem ist ein elektrisch angetriebener Verdichter angeordnet, mit welchem die den Brennräumen des Dieselmotors zugeführte Frischluft im Wesentlichen unabhängig von der Drehzahl der Turbine des Abgasturboladers verdichtet werden kann. Unter einer motornahen Position ist in diesem Zusammenhang eine Position der einlassseitigen Stirnfläche des Dieselpartikelfilters vom Auslass des Dieselmotors von maximal 1000 mm, vorzugsweise von maximal 800 mm, besonders bevorzugt von maximal 500 mm Abgaslauflänge zu verstehen. Durch den elektrischen Zusatzverdichter kann die Füllung der Brennräume insbesondere bei dynamischen Lastwechseln verbessert werden, sodass die Gefahr von lokalen Bereichen mit Sauerstoffmangel abnimmt. Dadurch kann die Partikelnachoxidation in den Brennräumen des Dieselmotors signifikant verbessert werden, sodass deutlich weniger Partikelemissionen in die Abgasanlage des Dieselmotors emittiert werden. Durch dieses Absenken der Partikelrohemissionen können bei geringerem Partikelfiltervolumen die Regenerationsintervalle konstant gehalten oder verlängert werden, wodurch die Verwendung eines kleinen Partikelfilters sinnvoll ist.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterbildungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Dieselmotors möglich.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Dieselpartikelfilter ein Filtervolumen von maximal 2,3 dm³, bevorzugt von maximal 2,1 dm³, besonders bevorzugt von maximal 1,8 dm³, idealerweise von maximal 1,6 dm³, pro dm³ Hubraum des Dieselmotors aufweist. Durch die erwähnte Reduzierung der Partikelrohemissionen kann bei gleicher Betriebssituation das Regenerationsintervall des Partikelfilters verlängert und/oder das Volumen des Partikelfilters reduziert werden. Durch eine Reduzierung des Partikelfiltervolumens sinken die Herstellkosten für den Partikelfilter, zudem ist eine motornahe Anordnung auch in eng gepackten Motorräumen leichter zu realisieren. Zudem wird das Aufheizen des Partikelfilters auf seine Regenerationstemperatur begünstigt, da weniger Partikelfiltervolumen des Dieselpartikelfilters erwärmt werden muss.
Bevorzugt ist der Dieselpartikelfilter stromabwärts der Turbine des Abgasturboladers angeordnet, wobei der Abstand zwischen dem Turbinenausgang der Turbine und dem Eintritt des Dieselpartikelfilters maximal 800 mm, vorzugsweise maximal 500 mm, besonders bevorzugt maximal 300 mm, Abgaslauflänge beträgt. Durch eine motornahe Anordnung des Dieselpartikelfilters kann das Aufheizen des Partikelfilters verbessert werden, da der Partikelfilter mit heißerem Abgas angeströmt wird und die Wärmeverluste durch die Wände des Abgaskanals minimiert werden.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der elektrisch angetriebene Verdichter stromabwärts des Verdichters des Abgasturboladers in dem Luftversorgungssystem angeordnet ist. Durch eine motornahe Anordnung des elektrisch angetriebenen Verdichters kann das Ansprechverhalten weiter verbessert werden, da weniger Totvolumen gefördert werden muss und somit hinreichend schnell die Füllung der Brennräume verbessert werden kann.
Bevorzugt ist dabei, wenn das Luftversorgungssystem einen Ansaugkanal aufweist, wobei ein Bypass vorgesehen ist, welcher an einer Verzweigung aus dem Ansaugkanal abzweigt und an einer Einmündung wieder in den Ansaugkanal mündet, wobei der elektrisch angetriebene Verdichter in dem Bypass angeordnet ist. Durch eine Anordnung des elektrisch angetriebenen Verdichters ist eine besonders einfache Zuschaltung des Verdichters möglich. Ferner kann der elektrisch angetriebene Verdichter so einfach aus dem Ansaugkanal entkoppelt werden, um die Strömungsverluste in einem Normalbetrieb ohne elektrisch angetriebenen Verdichter zu minimieren.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn an der Verzweigung und/oder an der Einmündung des Bypasses in den Ansaugkanal eine Steuerklappe vorgesehen ist, mit welcher die Ansaugluft wahlweise durch den Ansaugkanal, den Bypass oder entsprechend aufgeteilt durch beide Kanäle geleitet wird. Durch eine entsprechende Steuerklappe kann der Luftstrom in dem Luftversorgungssystem entsprechend gesteuert werden. Insbesondere kann die zusätzliche Verdichtung durch den elektrisch angetriebenen Verdichter somit auf einfache Art und Weise gesteuert werden, um die Füllung der Brennräume mit Frischluft zu verbessern.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der elektrisch angetriebene Verdichter eine Antriebsleistung von 0,5 KW bis 3 KW, bevorzugt etwa 1,5 KW, pro dm³ Hubraum des Dieselmotors aufweist. Eine solche Antriebsleistung kann vergleichsweise einfach durch eine Batterie des Kraftfahrzeuges aufgebracht werden, da diese Leistung oftmals nur kurzfristig benötigt wird. Je größer und schwerer der elektrische Zusatzverdichter wird, desto schwerer wird das Kraftfahrzeug und desto schwerer wird es, diesen elektrischen angetriebenen Verdichter in einem eng gepackten Motorraum unterzubringen. Durch einen elektrisch angetrieben Verdichter kann hinreichend viel zusätzliche Frischluft bereitgestellt werden, um lokalen Sauerstoffmangel im Brennraum zu verhindern.
In einer weiteren Verbesserung des Erfindung ist vorgesehen, dass stromabwärts der Turbine und stromaufwärts des Dieselpartikelfilters ein Dieseloxidationskatalysator oder ein NOx-Speicherkatalysator angeordnet ist. Durch einen Katalysator mit einer entsprechenden oxidativen Stufe kann das Abgas zusätzlich aufgeheizt werden, was das Erreichen der Regenerationstemperatur des Dieselpartikelfilters begünstigt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Dieselpartikelfilter mit einer katalytisch wirksamen Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Beschichtung) versehen ist. Durch eine solche Beschichtung können zusätzlich zu den Partikeln auch die Stickoxide im Abgas des Dieselmotors signifikant minimiert werden. Alternativ oder zusätzlich kann dem Partikelfilter auch ein SCR-Katalysator nachgeschaltet sein, um eine weitere Minimierung der Stickoxid-Emissionen im Abgas zu erreichen.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors mit einem Luftversorgungssystem und einer Abgasanlage vorgeschlagen, wobei der Dieselmotor mittels eines Abgasturboladers aufgeladen ist. Der Abgasturbolader umfasst eine Turbine, welche in der Abgasanlage angeordnet ist und einen Verdichter, welcher in dem Luftversorgungssystem angeordnet ist und durch die Turbine über eine Welle angetrieben wird. In der Abgasanlage ist ein Dieselpartikelfilter angeordnet, um Rußpartikel aus dem Abgas des Dieselmotors herauszufiltern. Die Ansaugluft des Dieselmotors wird in dem Luftversorgungssystem durch einen elektrisch angetriebenen Verdichter verdichtet und das Abgas des Verbrennungsmotors durch den in einer motornahen Position angeordneten Dieselpartikelfilter gereinigt. Durch ein erfindungsgemäßes Verfahren werden die Partikelrohemissionen bei der Verbrennung des Kraftstoffs in den Brennräumen des Dieselmotors deutlich reduziert. Insbesondere werden Bereiche mit einem lokalen Sauerstoffmangel, in welchem die bei der Verbrennung entstehenden Rußpartikel nicht mehr nachoxidiert werden können, verringert. Somit können die Regenerationsintervalle des Partikelfilters verlängert werden und der Partikelfilter kann gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen kleiner ausgeführt werden. Dadurch wird weniger Energie für das Aufheizen des Partikelfilters auf seine Regenerationstemperatur benötigt, was den Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors senkt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass bei Erkennen einer einen ersten Schwellenwert überschreitenden Abweichung des Ladedruck-Istwerts vom Ladedruck-Sollwert des Abgasturboladers der elektrisch angetriebene Verdichter aktiviert wird. Prinzipiell ist es vorteilhaft, wenn der elektrisch angetriebene Verdichter nur in bestimmten Betriebssituationen zugeschaltet wird, um den Strombedarf des elektrisch angetriebenen Verdichters zu minimieren. Deshalb ist es sinnvoll, den elektrisch angetriebenen Verdichter nur dann zu aktivieren, wenn aufgrund eines dynamischen Lastwechsels oder eines Volllastbetriebs die Gefahr von erhöhten Partikelrohemissionen aufgrund von lokalen Bereichen des Brennraums mit einer Sauerstoffunterversorgung droht.
In einer weiteren Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass bei Unterschreiten eines zweiten Schwellenwertes der Abweichung vom Ladedruck-Istwert zum Ladedruck-Sollwert des Abgasturboladers der elektrisch angetriebene Verdichter wieder deaktiviert wird. Dementsprechend ist es zur Minimierung des Verbrauchs sinnvoll und vorteilhaft, den elektrischen Zusatzverdichter abzuschalten, wenn der Dieselmotor ohnehin mit hohem Sauerstoffüberschuss betrieben wird und die Partikelrohemissionen ohnehin gering sind.
Gemäß einer zusätzlichen Optimierung des Verfahrens ist vorgesehen, dass parallel zum Betreiben des elektrisch angetriebenen Verdichters der Druck eines KraftstoffHochdruckspeichers, aus welchem Kraftstoffinjektoren zum Einbringen des Kraftstoffs in die Brennräume des Dieselmotors versorgt werden, um 20 bis 50 % angehoben wird. Durch eine Anhebung des Einspritzdrucks erfolgt bei ansonsten gleichen Betriebsbedingungen eine feinere Zerstäubung des Kraftstoffs, wodurch die Rußbildung in den Brennräumen minimiert wird, da der feiner zerstäubte Kraftstoff schneller verdampft und somit die Gefahr abnimmt, dass unverbrannte Kraftstofftropfen mit der Flammenfront in Berührung kommen und Rußpartikel bilden.
In einer weiteren Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass parallel zum Betrieb des elektrisch angetriebenen Verdichters die Einspritzparameter von den Kraftstoffinjektoren eines Hochdruck-Kraftstoffeinspritzsystems angepasst werden. Durch eine Anpassung der Einspritzparameter, insbesondere des Einspritzzeitpunktes und/oder der Einspritzmenge können ebenfalls die Partikelrohemissionen minimiert werden. Dies kann in hochdynamischen Lastwechseln zu Lasten des Wirkungsgrades des Dieselmotors geschehen, da diese hochdynamischen Lastwechsel in der Regel zeitlich sehr eng begrenzt sind und somit den Gesamtverbrauch des Dieselmotors nur sehr geringfügig beeinflussen.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn einzelne Voreinspritzungen der Kraftstoffinjektoren zur Minderung der Partikelrohemissionen gezielt aktiviert oder deaktiviert werden. Durch eine Anpassung der Voreinspritzungen kann nicht nur das Verbrennungsgeräusch, sondern auch die Emissionsbildung entsprechend verbessert werden, da der Brennraum bei der Haupteinspritzung bereits heißer ist und somit der Kraftstoff schneller und besser verdampft.
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. Es zeigen:

1 eine erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Dieselmotors mit einem Luftversorgungssystem und einer Abgasanlage;
2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Dieselmotors mit einem Luftversorgungssystem und einer Abgasanlage;
3 den Verlauf des Drehmoments bei einem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren im Vergleich zu einem erfindungsgemäßen Verfahren mit Erhöhung der Füllung des Brennraums durch einen elektrischen Verdichter;
4 den Verlauf des Sauerstoffgehalts im Ansaugkanal sowie die Stickoxid-Konzentration im Abgas während eines erfindungsgemäßen Verfahrens im Vergleich zu einem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren;
5 die Drehzahl des elektrischen Verdichters bei einem solchen Verfahren im zeitlichen Verlauf; und
6 das Verbrennungsluftverhältnis im Brennraum während eines erfindungsgemäßen Verfahrens im Vergleich zu einem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors.

1 zeigt einen Dieselmotor 10 mit einem Luftversorgungssystem 20 und einer Abgasanlage 30. Der Dieselmotor 10 ist mit seinem Einlass 12 mit dem Luftversorgungssystem 20 und mit seinem Auslass 14 mit der Abgasanlage 30 verbunden. Der Dieselmotor 10 weist eine Mehrzahl von Brennräumen 16 auf, wobei an jedem der Brennräume 16 ein Kraftstoffinjektor 18 eines nicht weiter dargestellten Hochdruck-Kraftstoffeinspritzsystems, insbesondere eines Common-Rail-Kraftstoff Einspritzsystems, mit einer Hochdruckpumpe und einem Kraftstoff-Hochdruckspeicher, angeordnet ist. An den Brennräumen 16 sind Ventile zum Ladungswechsel der Brennräume vorgesehen, um die Brennräume 16 mit Frischluft aus dem Luftversorgungssystem 20 zu füllen und die Abgase der Verbrennung in die Abgasanlage 30 abzuführen.
Das Luftversorgungssystem 20 umfasst einen Ansaugkanal 22, in welchem in Strömungsrichtung der Frischluft durch den Ansaugkanal 22 ein Verdichter 24 eines Abgasturboladers 32 und stromabwärts des Verdichters 24 ein Ladeluftkühler 28 angeordnet sind. An der Ansaugleitung 22 ist stromabwärts des Verdichters 24 und stromaufwärts des Ladeluftkühlers 28 ein Bypass 25 vorgesehen, welcher an einer Verzweigung 23 aus dem Ansaugkanal 22 abzweigt und an einer Einmündung 29 wieder in den Ansaugkanal 22 mündet. In dem Bypass 25 ist ein elektrisch angetriebener Verdichter 26 angeordnet, mit welchem die Frischluft zusätzlich zum und im Wesentlichen unabhängig vom Verdichter 24 des Abgasturboladers 32 verdichtet und den Brennräumen 16 des Dieselmotors 10 zugeführt werden kann. An der Einmündung 29 ist eine Steuerklappe 27 vorgesehen, mit welcher die Frischluft wahlweise durch den Bypass 25, durch den Ansaugkanal 22 oder entsprechend aufgeteilt den Brennräumen 16 zugeführt werden kann.
Die Abgasanlage 30 umfasst einen Abgaskanal 36, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgases des Dieselmotors 10 durch den Abgaskanal 36 eine Turbine 34 des Abgasturboladers 32, stromabwärts der Turbine 34 ein motornaher Dieseloxidationskatalysator 38 oder ein NOx-Speicherkatalysator 40 und weiter stromabwärts und ebenfalls motornah ein Dieselpartikelfilter 42 angeordnet sind. Der Dieselpartikelfilter 42 weist ein Filtervolumen von weniger als 2,3 dm³, vorzugsweise von weniger als 2,1 dm³, besonders bevorzugt von weniger als 1,8 dm³, idealerweise von weniger als 1,6 dm³, pro dm³ Hubraum des Dieselmotors 10 auf, sodass er entsprechend kleinvolumig ausgelegt werden kann und mit seinem benötigten Bauraum auch in eng bepackte Motorräume passt. Der Dieselpartikelfilter 42 kann eine Beschichtung 44 zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden aufweisen, um zusätzlich zu seiner Rückhaltefunktion für die Partikelemissionen auch die Stickoxidemissionen zu minimieren.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Dieselmotors 10 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 ausgeführt, ist in diesem Ausführungsbeispiel in der Abgasanlage 30 stromabwärts des Dieselpartikelfilters 42 ein zusätzlicher SCR-Katalysator 48 angeordnet. Stromabwärts des Dieseloxidationskatalysators 38 oder des NOx-Speicherkatalysators 40 und stromaufwärts des SCR-Katalysators 48 ist mindestens ein Dosierelement 46, 47 zur Eindosierung von wässriger Harnstofflösung in die Abgasanlage 30 vorgesehen. Das Dosierelement kann dabei sowohl stromaufwärts des Dieselpartikelfilters 42 als auch stromabwärts des Dieselpartikelfilters 42 angeordnet sein. Bei einem mit einer SCR-Beschichtung 44 versehenen Dieselpartikelfilter 42 ist das Dosierelement 46 stromaufwärts des Dieselpartikelfilters 42 angeordnet. Ferner kann ein zweites Dosierelement 47 stromabwärts des Dieselpartikelfilters 42 mit der SCR-Beschichtung 44 vorgesehen sein, um die Effizienz der Abgasnachbehandlung und der Minderung der Stickoxide zu verbessern.
Im Betrieb des Dieselmotors 10 werden die bei der Verbrennung des Kraftstoffs in den Brennräumen 16 des Dieselmotors 10 gebildeten Rußpartikel in dem Dieselpartikelfilter 42 zurückgehalten. Hat der Dieselpartikelfilter 42 einen bestimmten Schwellenwert für die Beladung erreicht, so muss der Dieselpartikelfilter 42 regeneriert werden. Diese Regeneration erfolgt in bekannter Weise durch eine Anhebung der Abgastemperatur und eine Oxidation der im Dieselpartikelfilter 42 zurückgehaltenen Rußpartikel. In der Beladungsphase sind dynamische Lastanforderungen und Hochlastbereiche des Dieselmotors 10 besonders kritisch, da in diesen Phasen der Dieselmotor 10 mit einem geringeren Luftüberschuss betrieben wird und insbesondere die Nachoxidation der gebildeten Rußpartikel durch lokale Bereiche mit Sauerstoffmangel gehemmt ist. Um dies zu vermeiden, erfolgt in diesen Betriebssituationen eine zusätzliche Verdichtung der Frischluft durch den elektrischen Verdichter 26, um die Füllung der Brennräume 16 zu verbessern. Durch den elektrisch angetriebenen Zusatzverdichter 26 kann die Betriebshäufigkeit mit Lambda < 1,1 um mindestens 50%, vorzugsweise um 70 %, besonders bevorzugt um mindestens 90 % gegenüber einem Motorbetrieb des Dieselmotors 10 ohne beziehungsweise mit deaktiviertem elektrisch angetriebenen Verdichter 26 reduziert werden. Ferner kann in allen Fahrzyklen mit einer Dauer von mehr als 300 Sekunden und einer Fahrstrecke von mehr als einem Kilometer die Auftrittswahrscheinlichkeit auf weniger als 5 %, insbesondere auf weniger als 1,5 %, besonders bevorzugt auf weniger als 0,5 %, reduziert werden. Damit wird insbesondere bei schwereren Personenkraftwagen wie Kleinbussen, SUV, Vans oder Transportern im WLTP-Zyklus eine Partikelrohemission von weniger als 100 mg / km, bevorzugt von weniger als 50 mg / km, insbesondere von weniger als 25 mg / km Partikelmasse erreicht. Dabei liegen die NOx-Rohemissionen des Kraftfahrzeuges nicht höher als 400 mg / km, vorzugsweise nicht höher als 210 mg / km , idealerweise nicht höher als 120 mg / km und können durch die nachgeschalteten Abgasnachbehandlungskomponenten 40, 44, 48 entsprechend weiter minimiert werden.
In 3 sind das innere Solldrehmoment und das effektive Drehmoment des Dieselmotors 10 bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben des Dieselmotors 10 im Vergleich zu einem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren dargestellt. Hierbei wird der beispielhafte hochdynamische Lastsprung und der bekannte Vorteil des elektrisch angetriebenen Verdichters 26 (Kurve I) hinsichtlich des Aufbaus des effektiven Drehmoments deutlich im Vergleich zu dem Drehmomentaufbau ohne elektrisch angetriebenen Verdichter 26 (Kurve II).
In 4 sind die Sauerstoffkonzentration im Ansaugkanal 22 des Dieselmotors 10 sowie die NOx-Rohemissionen des Dieselmotors 10 bei einem erfindungsgemäßen Verfahren (Kurve I) zum Betreiben des Dieselmotors 10 im Vergleich zu einem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren (Kurve II) ohne elektrisch angetriebenen Verdichter 26 dargestellt. Der beschleunigte Zylinderfüllungsaufbau durch den elektrisch angetriebenen Verdichter führt zunächst zu einem schnelleren Anstieg der Sauerstoffkonzentration im Vergleich zum Stand der Technik ohne elektrisch angetriebenen Verdichter 26. Da das erhöhte Niveau der Zylinderfüllung jedoch höhere Raten von Abgasrückführung ermöglicht, kann anschließend ein Betrieb bei geringeren Sauerstoffkonzentrationen gefahren werden. Die Stickoxidemissionen sind dabei maßgeblich von der Sauerstoffkonzentration abhängig, sodass sich vergleichbare NO_x -Emissionsverläufe ergeben. Insgesamt resultieren somit im Vergleich zum Stand der Technik ohne elektrisch angetriebenen Verdichter 26 im dargestellten Lastsprung vergleichbare kumulierte Stickoxidemissionen. Eine zusätzliche Anpassung der Strategie zur Abgasrückführung durch eine frühzeitige Erhöhung des Anteils der Abgasrückführung ermöglicht sogar eine Reduzierung der Stickoxidemissionen. Hierdurch wäre jedoch eine geringe Minderung des Rußvorteils, welcher durch den elektrisch angetriebenen Verdichter 26 erzielt wird, zu erwarten. Die Rußminderung durch die Vermeidung von Verbrennungsluftverhältnissen Ä < 1,1 ist in 6 dargestellt.
In 5 ist der Verlauf der Drehzahl des elektrisch angetriebenen Verdichters 26 über der Zeit dargestellt. Zum Ausgleich der Differenz zwischen dem geforderten Ladedruck und dem aktuellen Ladedruck wird die Drehzahl des elektrisch angetriebenen Verdichters 26 so früh wie möglich und so schnell wie möglich bis zur maximalen Drehzahl erhöht, um sehr geringe Verbrennungsluftverhältnisse Ä zu vermeiden. Dieser Zusammenhang ist auch aus 6 ersichtlich. Der Betrieb im Bereich der Maximaldrehzahl n_EAV,max soll dabei jedoch möglichst kurz gehalten werden, um möglichst wenig elektrische Energie bereitstellen zu müssen und somit Kraftstoffverbrauch zu sparen. Hierzu wird die Drehzahl n_EAV des elektrisch angetriebenen Verdichters 26 reduziert, sobald der Abgasturbolader 32 nahezu das geforderte Ladedruckniveau eigenständig darstellen kann.
In 6 sind das Verbrennungsluftverhältnis Ä und die Partikelemission des Dieselmotors 10 bei einem erfindungsgemäßen Verfahren (Kurve I) zum Betreiben des Dieselmotors 10 im Vergleich zu einem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren (Kurve II) ohne elektrisch angetriebenen Verdichter 26 dargestellt. Es zeigt sich, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere die Betriebsdauer mit geringem Luftüberschuss mit lokaler Sauerstoffunterversorgung verringert wird und somit die Partikelrohemissionen des Dieselmotors 10, insbesondere durch eine Vermeidung des Betriebs unterhalb von λ=1.1, deutlich zurückgehen.
Bezugszeichenliste

10: Dieselmotor
12: Einlass
14: Auslass
16: Brennraum
18: Kraftstoffinjektor
20: Luftversorgungssystem
22: Ansaugkanal
23: Verzweigung
24: Verdichter
25: Bypass
26: Elektrischer Verdichter
27: Steuerklappe
28: Ladeluftkühler
29: Einmündung
30: Abgasanlage
32: Abgasturbolader
34: Turbine
36: Abgaskanal
38: Oxidationskatalysator
40: NOx-Speicherkatalysator
42: Dieselpartikelfilter (DPF)
44: Dieselpartikelfilter mit SCR-Beschichtung (SDPF)
46: Dosierelement
47: Dosierelement
48: SCR-Katalysator
50: Steuergerät
EAV: elektrisch angetriebener Verdichter
M_E: effektives Drehmoment
M_i: inneres Drehmoment
NO_x: NOx-Konzentration in ppm
O₂: Sauerstoffkonzentration im Ansaugkanal
P: Partikelemission
n: Drehzahl des elektrischen Verdichters
t: Zeit
Ä: Verbrennungsluftverhältnis

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015212788 A1 [0006]
DE 102015000955 A1 [0007]

Claims

Dieselmotor (10) mit einem Luftversorgungssystem (20) und einer Abgasanlage (30), wobei der Dieselmotor mittels eines Abgasturboladers (32) aufgeladen ist, wobei der Abgasturbolader (32) eine in der Abgasanlage (30) angeordneten Turbine (34) umfasst, welche einen im Luftversorgungssystem (20) angeordneten Verdichter (24) antreibt, sowie mit einem in der Abgasanlage (30) angeordneten Dieselpartikelfilter (42), dadurch gekennzeichnet, dass in dem Luftversorgungssystem (20) ein elektrisch angetriebener Verdichter (26) angeordnet ist und dass der Dieselpartikelfilter (42) in einer motornahen Position in der Abgasanlage (30) angeordnet ist.
Dieselmotor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dieselpartikelfilter (42) ein Filtervolumen von maximal 2,3 dm³ pro dm³ Hubraum des Dieselmotors (10) aufweist.
Dieselmotor (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Dieselpartikelfilter (42) stromabwärts der Turbine (34) des Abgasturboladers (32) angeordnet ist, wobei der Abstand zwischen dem Turbinenausgang der Turbine (34) und dem Eintritt des Dieselpartikelfilters (42) maximal 800 mm beträgt.
Dieselmotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch angetriebene Verdichter (26) stromabwärts des Verdichters (24) des Abgasturboladers (32) angeordnet ist.
Dieselmotor (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftversorgungssystem (20) einen Ansaugkanal (22) aufweist, wobei ein Bypass (25) vorgesehen ist, welcher an einer Verzweigung (23) aus dem Ansaugkanal (22) abzweigt und an einer Einmündung (29) wieder in den Ansaugkanal (22) mündet, wobei der elektrisch angetriebene Verdichter (26) in dem Bypass (25) angeordnet ist.
Dieselmotor (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass an der Verzweigung (23) und/oder an der Einmündung (29) eine Steuerklappe (27) vorgesehen ist, mit welcher die Ansaugluft wahlweise durch den Ansaugkanal (22), durch den Bypass (25) oder entsprechend aufgeteilt durch beide Kanäle (22, 25) geleitet wird.
Dieselmotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch angetriebene Verdichter (26) eine Antriebsleistung von 0,5 KW bis 3 KW pro dm³ Hubraum des Dieselmotors (10) aufweist.
Dieselmotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts der Turbine (34) und stromaufwärts des Dieselpartikelfilters (42) ein Dieseloxidationskatalysator (38) oder ein NOx-Speicherkatalysator (40) angeordnet ist.
Dieselmotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Dieselpartikelfilter (42) mit einer katalytisch wirksamen Beschichtung (44) zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden versehen ist.
Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotor (10) mit einem Luftversorgungssystem (20) und einer Abgasanlage (30), wobei der Dieselmotor mittels eines Abgasturboladers (32) aufgeladen ist, wobei der Abgasturbolader (32) eine in der Abgasanlage (30) angeordnete Turbine (34) umfasst, welche einen im Luftversorgungssystem (20) angeordneten Verdichter (24) antreibt, sowie mit einem in der Abgasanlage (30) angeordneten Dieselpartikelfilter (42), dadurch gekennzeichnet, dass die Ansaugluft in dem Luftversorgungssystem (20) durch einen elektrisch angetriebenen Verdichter (26) verdichtet und das Abgas des Verbrennungsmotors durch einen in einer motornahen Position in der Abgasanlage (30) angeordneten Dieselpartikelfilter von Rußpartikeln gereinigt wird.
Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erkennen einer einen ersten Schwellenwert überschreitenden Abweichung des Ladedruck-Istwerts vom Ladedruck-Sollwert des Abgasturboladers (32) der elektrisch angetriebene Verdichter (26) aktiviert wird.
Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei Unterschreiten eines zweiten Schwellenwertes der Abweichung des Ladedruck-Istwerts vom Ladedruck-Sollwert des Abgasturboladers (32) der elektrisch angetriebene Verdichter (26) wieder deaktiviert wird.
Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum Betrieb des elektrisch angetriebenen Verdichters (26) der Druck eines Kraftstoffhochdruckspeichers um 20 bis 50 % angehoben wird.
Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum Betrieb des elektrisch angetriebenen Verdichters (26) die Einspritzparameter von Kraftstoffinjektoren (18) eines Hochdruck-Kraftstoffeinspritzsystems angepasst werden.
Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors (10) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Voreinspritzungen der Kraftstoffinjektoren (18) zur Minderung der Partikelrohemissionen gezielt aktiviert oder deaktiviert werden.