DE102018117247A1

DE102018117247A1 - Abgasvorrichtung

Info

Publication number: DE102018117247A1
Application number: DE102018117247.8A
Authority: DE
Inventors: Markus Ehrly
Original assignee: FEV Europe GmbH
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2018-07-17
Filing date: 2018-07-17
Publication date: 2018-09-20
Also published as: DE102019119148A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasvorrichtung für einen Verbrennungsmotor und Verfahren für die Abgasreinigung für eine Abgasvorrichtung.
Die erfindungsgemäße Abgasvorrichtung für einen Verbrennungsmotor umfasst eine Abgasleitung (1), eine in der Abgasleitung (1) angeordnete Turbine (4), ein stromab hinter der Turbine (4) angeordnetes Hauptabgasnachbehandlungssystem (7), einen Turbinenbypass (3) und ein im Turbinenbypass (3) angeordnetes Abgasnachbehandlungssystem (5), wobei der Turbinenbypass (3) derart eingerichtet ist, Abgas stromauf der Turbine (4) aus der Abgasleitung (1) abzuführen und zwischen der Turbine (4) und dem Hauptabgasnachbehandlungssystem (7) der Abgasleitung (1) wieder zuzuführen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasvorrichtung für einen Verbrennungsmotor und ein Verfahren für die Abgasreinigung für eine Abgasvorrichtung.
Aus der JP2001050038A ist eine Vorrichtung bekannt, die eine Bypassleitung vorsieht, um das Kaltstartverhalten eines aufgeladenen Dieselmotors zu verbessern.
Die erfindungsgemäße Abgasvorrichtung für einen Verbrennungsmotor umfasst eine Abgasleitung, eine in der Abgasleitung angeordnete Turbine, ein stromab hinter der Turbine angeordnetes Hauptabgasnachbehandlungssystem, einen Turbinenbypass und ein im Turbinenbypass angeordnetes Abgasnachbehandlungssystem, wobei der Turbinenbypass derart eingerichtet ist, Abgas stromauf der Turbine aus der Abgasleitung abzuführen und zwischen der Turbine und dem Hauptabgasnachbehandlungssystem der Abgasleitung wieder zuzuführen. Die Erfindung ermöglicht vorzugsweise in der Warmlaufphase zumindest teilweises Leiten des Abgases über den Turbinenbypass, wodurch der Vorteil entsteht, Schadstoffemissionen zu mindern, indem das Abgasnachbehandlungssystem im Turbinenbypass und das Hauptabgasnachbehandlungssystem schneller aufheizen und in dem Abgasnachbehandlungssystem im Turbinenbypass direkt Schadstoffe adsorbiert oder sehr schnell neutralisiert werden können.
Eine vorteilhafte erste Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Abgasvorrichtung ein Stellventil umfasst. Das Stellventil wird zur Regulierung des Massenflusses durch den Turbinenbypass verwendet. In einer bevorzugten Ausführungsform ist es stufenlos einstellbar. Dies hat den Vorteil, dass der Turbinenbypass nicht nur vollständig geöffnet oder geschlossen werden kann, sondern erlaubt es auch, angepasst an die jeweiligen Betriebsbedingungen, Teilmassenströme zu realisieren. Alternativ kann aber auch ein diskontinuierlich arbeitendes Stellventil eingesetzt werden, um beispielsweise Kosten zu senken und Robustheit zu erhöhen, wobei zumindest zwei Positionen zur Regulierung des Massenstroms durch den Turbinenbypass erforderlich sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren für die Abgasreinigung für eine Abgasvorrichtung weist die folgenden Schritte auf: Während der Warm laufphase des Verbrennungsmotors wird der Turbinenbypass zumindest teilweise geöffnet, so dass der Abgasmassenstrom zumindest teilweise durch den Turbinenbypass geführt wird. Dies führt dazu, dass sich das Abgasnachbehandlungssystem sehr schnell aufheizen kann, da der nicht entspannte Abgasmassenstrom viel thermische Energie aufweist und das Abgasnachbehandlungssystem für schnelle Wärmeaufnahme ausgelegt ist. Die Abgastemperatur vor dem Hauptabgasnachbehandlungssystem wird bestimmt. Bei Überschreiten eines Temperaturschwellwertes im Bereich der Light-Off Temperatur des Hauptabgasnachbehandlungssystems, wird der der Turbinenbypass zumindest teilweise geschlossen. Ein bevorzugter Bereich liegt bei ±20 °C der Light-Off Temperatur, ein besonders bevorzugter Bereich bei ±10 °C der Light-Off Temperatur. Die Light-Off Temperatur liegt erfahrungsgemäß im Bereich 200-300 °C. Mögliche Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind, dass die Hauptabgasreinigungsanlage schneller aufheizt, da die Turbine umgangen wird, und während des Warmlaufens die Schadstoffe in der Abgasreinigungsanalage des Turbinenbypasses gespeichert oder neutralisiert werden, so dass die Schadstoffemissionen effektiv limitiert werden können. Außerdem kann eine Abnutzung der zusätzlichen Abgasnachbehandlungsanlage reduziert werden, da sie nur während des Warmlaufs des Verbrennungsmotors aktiv ist.
Die abhängigen Ansprüche beschreiben weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
Im Folgenden werden mehrere bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben. Dabei zeigt

1 eine erfindungsgemäße Abgasvorrichtung, und
2 ein erfindungsgemäßes Verfahren für die Abgasvorrichtung.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung. Die Vorrichtung umfasst eine Abgasleitung 1, eine in der Abgasleitung 1 angeordnete Turbine 4, ein stromab hinter der Turbine 4 angeordnetes Hauptabgasnachbehandlungssystem 7, einen Turbinenbypass 3 und ein im Turbinenbypass 3 angeordnetes Abgasnachbehandlungssystem 5. Der Turbinenbypass 3 ist derart eingerichtet, dass Abgas stromauf der Turbine 4 aus der Abgasleitung 1 abgeführt wird. Zwischen der Turbine 4 und dem Hauptabgasnachbehandlungssystem 7 wird das abgeführte Abgas der Abgasleitung 1 wieder zugeführt. In der Turbine 4 wird das Abgas entspannt. Die Turbine 4 kann mit einem Verdichter verbunden sein, der die Frischladung verdichtet. Das entspannte Abgas wird in dem Hauptabgasnachbehandlungssystem 7 von Schadstoffbelastungen gereinigt. Der Turbinenbypass 3 mit dem Abgasnachbehandlungssystem 5 bietet den Vorteil, dass ein Teil des Abgases nicht durch die Turbine 4 strömt und damit mit erhöhter Temperatur durch das Abgasnachbehandlungssystem 5 im Turbinenbypass 3 strömt. Insbesondere in der Warmlaufphase bietet das den Vorteil der besseren Speicherung oder Neutralisierung von Schadstoffemissionen.
In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Abgasvorrichtung ein Stellventil 2 zur Regulierung des Massenflusses durch den Turbinenbypass 3. Dies hat den Vorteil, dass der Massenstrom durch den Turbinenbypass 3 genau gesteuert werden kann. Dies erlaubt einen effizienteren Betrieb und eine bessere Abgasreinigung. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Stellventil 2 stufenlos zwischen vollständig geöffnet und vollständig geschlossen verstellbar, so dass abhängig vom Betriebszustand der Turbinenbypass 3 im richtigen Maße geöffnet oder verschlossen werden kann. In einer Variante des Konzepts ist das Stellventil 2 mit zumindest zwei diskreten Positionen, beispielsweise geöffnet und geschlossen, verstellbar. In diesem Ausführungsbeispiel ist zusätzlich, wie in 1 dargestellt, ein zweites Stellventil 6 vorgesehen, das am Ende des Turbinenbypasses 3 angeordnet ist. Dies ermöglicht durch Verschließen sicherzustellen, dass kein Gas aus dem Turbinenbypass 3 in die Abgasleitung 1 gelangen kann und/oder dass kein Gas aus der Abgasleitung 1 in den Turbinenbypass 3 gelangt. Letzteres kann zu unerwünschten Strömungsverlusten führen.
Das Abgasnachbehandlungssystem 5 im Turbinenbypass 3 ist hier als Speicherkatalysator ausgeführt. Dies bietet den Vorteil, dass bei noch niedrigen Temperaturen Schadstoffemissionen eingespeichert werden können. Werden im Turbinenbypass 3 Temperaturen im Bereich der Light-Off Temperatur des Speicherkatalysators erreicht, können Schadstoffe direkt neutralisiert werden.
In einer Variante ist das Abgasnachbehandlungssystem 5 im Turbinenbypass 3 als passiver Adsorber ausgeführt. Dies bietet eine kostengünstigere Option, allerdings kann es bei zahlreichen Kurzfahrten dazu führen, dass der Speicher voll ist bevor die Betriebstemperatur des Hauptabgasnachbehandlungssystems 7 erreicht ist, womit unter Umständen nicht das volle Potential des Konzepts ausgeschöpft werden kann.
Der Turbinenbypass 3 ist thermisch isoliert ausgeführt. Dies hat den Vorteil, dass der Turbinenbypass 3 schneller aufheizt und auch langsamer abkühlt. Dadurch erreicht er schneller die für Katalysatoren erforderliche Light-Off-Temperatur und die Neutralisierung von Schadstoffen kann früher beginnen.
Das Hauptabgasnachbehandlungssystem 7 ist mit dem Ziel reduzierter Stickoxidemissionen in Dieselmotoren als SCR (Selective catalytic reduction) System, als kombiniertes System aus SCR und Dieselpartikelfilter (DPF) oder als Kombination aus SCR, DPF und Stickoxid-Speicherkatalysator ausgeführt. Die geeignete Lösung ergibt sich aus den zu erzielenden Abgaswerten, Kosten und Platzbedarf. Die Anwendung ist nicht auf dieselmotorische Verfahren beschränkt, sondern ist auch für andere Brennverfahren, wie Ottomotoren, einsetzbar. Genauso kann das Konzept auf andere Schadstoffe als Stickoxide wie beispielsweise unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Rußpartikel oder Kohlenmonoxid angewandt werden.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren für die Abgasreinigung für eine Abgasvorrichtung wird im Schritt S1 während der Warmlaufphase des Verbrennungsmotors der Turbinenbypass 3 zumindest teilweise geöffnet und zumindest ein Teil des Abgasmassenstroms durch den Turbinenbypass 3 geführt. Dabei erwärmt sich der Turbinenbypass 3 sehr schnell, da das Abgas nicht in der Turbine entspannt wurde, wodurch der Bereich der Light-Off Temperatur des Abgasnachbehandlungssystems 5 sehr schnell erreicht wird. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Turbinenbypass 3 durch Betätigung des Stellventils 2 vollständig geöffnet, damit die Abgasnachbehandlungsanlage 5 sehr schnell aufheizt. Der zweite Schritt S2 umfasst die Bestimmung der Abgastemperatur vor dem Hauptabgasnachbehandlungssystem 7. Diese kann entweder kontinuierlich geschehen oder in diskreten, kurzen Zeitintervallen, beispielsweise mittels eines Sensors oder eines Temperaturmodells. Im dritten Schritt S3 wird ein zumindest teilweises Schließen des Turbinenbypasses 3 veranlasst, wenn ein Temperaturschwellwert im Bereich der Light-Off Temperatur des Hauptabgasnachbehandlungssystems 7 überschritten wird oder die Speicherfähigkeit der Abgasnachbehandlungsanlage 5 erreicht wird und ein weiteres Aufheizen zu einem unvorteilhaften Freisetzen von Schadstoffen führen würde. In diesem Ausführungsbeispiel werden die Stellventile 2 und 6 bei Erreichen der Light-Off Temperatur vollständig geschlossen, so dass die Abgasreinigung nun von der Hauptabgasnachbehandlungsanlage 7 vorgenommen wird.
In einem weiteren Schritt S4 erfolgt bei Vorliegen von Regenerationsbedingungen eine zumindest teilweise Öffnung des Turbinenbypasses 3 zur Desorption der Abgasreinigungseinheit 5. Mit diesem Schritt wird für die nächste Warmlaufphase des Motors ein regeneriertes Abgasnachbehandlungssystem 5 bereitgestellt, so dass eine möglichst große Speicherkapazität zur Verfügung steht.
Sobald die Abgasreinigungseinheit 5 gereinigt ist, wird in einem Schritt S5 der Turbinenbypass 3 geschlossen. Damit wird der Motor wieder im gewöhnlichen Modus betrieben, der im Normalbetrieb die besten Effizienz- und Schadstoffwerte erzielt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2001050038 A [0002]

Claims

Abgasvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, umfassend eine Abgasleitung (1), eine in der Abgasleitung (1) angeordnete Turbine (4), ein stromab hinter der Turbine (4) angeordnetes Hauptabgasnachbehandlungssystem (7), einen Turbinenbypass (3) und ein im Turbinenbypass (3) angeordnetes Abgasnachbehandlungssystem (5), wobei der Turbinenbypass (3) derart eingerichtet ist, Abgas stromauf der Turbine (4) aus der Abgasleitung (1) abzuführen und zwischen der Turbine (4) und dem Hauptabgasnachbehandlungssystem (7) der Abgasleitung (1) wieder zuzuführen.
Abgasvorrichtung nach Anspruch 1, umfassend ein Stellventil (2), wobei das Stellventil (2) zur Regulierung des Massenflusses durch den Turbinenbypass (3) stufenlos zwischen vollständig geöffnet und vollständig geschlossen verstellt werden kann oder zumindest zwei diskrete Positionen, beispielsweise geöffnet und geschlossen, umfasst.
Abgasvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Abgasnachbehandlungssystem (5) als Speicherkatalysator ausgeführt ist.
Abgasvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Abgasnachbehandlungssystem (5) als passives Speichersystem ausgeführt ist.
Abgasvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Turbinenbypass (3) thermisch isoliert ist.
Abgasvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Hauptabgasnachbehandlungssystem (7) als SCR (Selective catalytic reduction) System, als kombiniertes System aus SCR und Dieselpartikelfilter (DPF) oder als Kombination aus SCR, DPF und Stickoxid-Speicherkatalysator ausgeführt ist.
Verfahren für die Abgasreinigung für eine Abgasvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, aufweisend die folgenden Schritte: - Während der Warmlaufphase des Verbrennungsmotors zumindest teilweises Öffnen des Turbinenbypasses (3), so dass der Abgasmassenstrom zumindest teilweise durch den Turbinenbypass (3) geführt wird - Bestimmen der Abgastemperatur vor dem Hauptabgasnachbehandlungssystem (7) - Bei Überschreiten eines Temperaturschwellwertes im Bereich der Light-Off Temperatur des Hauptabgasnachbehandlungssystems (7) oder bei Erreichen der Speicherfähigkeit der Abgasnachbehandlungsanlage 5, zumindest teilweises Schließen des Turbinenbypasses (3).
Verfahren nach Anspruch 7, wobei bei Vorliegen von Regenerationsbedingungen eine zumindest teilweise Öffnung des Turbinenbypasses (3) zur Desorption des Abgasnachbehandlungssystems (5) im Turbinenbypass (3) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Turbinenbypass (3) geschlossen wird, wenn das Abgasnachbehandlungssystem (5) im Turbinenbypass (3) gereinigt ist.