DE102019006494B4 - Abgasanlage für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug sowie Kraftfahrzeug - Google Patents

Abgasanlage für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug sowie Kraftfahrzeug Download PDF

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Abstract

Abgasanlage (16) für eine Verbrennungskraftmaschine (12) eines Kraftfahrzeugs, mit einem von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (12) durchströmbaren Partikelfilter (58) zum Herausfiltern von Partikeln aus dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine (12), und mit einem von dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine (12) durchströmbaren und stromab des Partikelfilters (58) angeordneten SCR-Katalysator (60) zum Entsticken des Abgases der Verbrennungskraftmaschine (12), dadurch gekennzeichnet, dass:- die Abgasanlage einen Brenner (62) aufweist, mittels welchem unter Bereitstellen eines Abgases des Brenners (62) das Abgas der Verbrennungskraftmaschine (12) an einer stromauf des SCR-Katalysators (60) und stromab des Partikelfilters (58) angeordneten Stelle (S1) erwärmbar ist, und- die Abgasanlage (16) ein Filterelement (65) zum Herausfiltern von Partikeln aus dem Abgas des Brenners (62) aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug und ein Kraftfahrzeug.
  • Die DE 10 2008 059 078 A1 offenbart ein Abgasnachbehandlungssystem für insbesondere eine selbstzündende Brennkraftmaschine, mit einem in einer Abgasleitung eingesetzten Denox-Katalysator, einem Partikelfilter und einer Einleitvorrichtung für ein Reduktionsmittel. Dabei sind ein Brenner, der Partikelfilter, die Einleitvorrichtung und der Denox-Katalysator in dieser Reihenfolge in der Abgasleitung angeordnet.
  • Des Weiteren ist der DE 10 2008 032 604 A1 ein Verfahren zum Einstellen eines Zustands eines in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs geführten Abgasstroms als bekannt zu entnehmen. Es ist eine Druckluftquelle zum Erzeugen eines in einer Frischluftleitung geführten Luftmassestroms zum Versorgen der Brennkraftmaschine mit Verbrennungsluft vorgesehen.
  • Die WO 2018 / 219 476 A1 offenbart ein Abgasnachbehandlungssystem für insbesondere eine selbstzündende Brennkraftmaschine, mit einem in einer Abgasleitung eingesetzten NOx-Katalysator, einem Partikelfilter und einem SCR-Katalysator. Ein Brenner dient dabei zum Erwärmen eines Fluids, wobei das Fluid den NOx-Katalysator umspült und das Fluid dabei Wärme an den NOx-Katalysator abgibt.
  • Die US 5 771 683 A offenbart ein Abgasnachbehandlungssystem mit einem Brenner, mittels welchem unter Bereitstellen eines Abgases des Brenners das Abgas einer Verbrennungskraftmaschine erwärmbar ist. Der Brenner weist eine Brennkammer auf, in welcher unter Bildung des Abgases des Brenners ein Brennstoff-Luft-Gemisch zündbar und verbrennbar ist. Das in der Brennkammer des Brenner gebildete Abgas durchströmt ein Element aus einem Keramik-Schaum, bevor es sich mit dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine vermischt.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Abgasanlage, eine Antriebseinrichtung und ein Kraftfahrzeug zu schaffen, sodass ein besonders emissionsarmer Betrieb realisiert werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Abgasanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch eine Antriebseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 sowie durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
  • Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine auch als Abgassystem oder Abgastrakt bezeichnete Abgasanlage für eine vorzugsweise als Hubkolbenmaschine ausgebildete Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftwagens. Dies bedeutet, dass das Kraftfahrzeug in seinem vollständig hergestellten Zustand die Verbrennungskraftmaschine und die Abgasanlage aufweist und mittels der Verbrennungskraftmaschine angetrieben werden kann. Dabei ist die Abgasanlage von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbar. Die Verbrennungskraftmaschine stellt das Abgas der Verbrennungskraftmaschine während eines befeuerten Betriebs der Verbrennungskraftmaschine bereit. Während des befeuerten Betriebs laufen in der Verbrennungskraftmaschine Verbrennungsvorgänge ab. Die Verbrennungskraftmaschine ist beispielsweise als eine fremdgezündete Verbrennungskraftmaschine und somit als ein Ottomotor oder aber als eine selbstzündende Brennkraftmaschine und somit beispielsweise als ein Dieselmotor ausgebildet. Die Abgasanlage weist einen von dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren und beispielsweise als Dieselpartikelfilter (DPF) ausgebildeten Partikelfilter auf, mittels welchem in dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine etwaig enthaltene Partikel, insbesondere Rußpartikel, aus dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine herausgefiltert werden können. Dies bedeutet, dass mittels des Partikelfilters das Abgas der Verbrennungskraftmaschine gefiltert werden kann, derart, dass mittels des Partikelfilters im Abgas etwaig enthaltene Partikel, insbesondere Rußpartikel, aufgefangen und rückgehalten und somit aus dem Abgas herausgefiltert werden können.
  • Die Abgasanlage weist ferner einen von dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren und stromab des Partikelfilters angeordneten SCR-Katalysator zum Entsticken des Abgases der Verbrennungskraftmaschine auf. Der SCR-Katalysator ist für die selektive katalytische Reduktion (SCR - selective catalytic reducation - selektive katalytische Reduktion) katalytisch wirksam. Dies bedeutet, dass der SCR-Katalysator dazu ausgebildet ist, die selektive katalytische Reduktion (SCR) katalytisch zu bewirken und/oder zu unterstützen. Im Rahmen der beispielsweise in dem SCR-Katalysator ablaufenden selektiven katalytischen Reduktion werden im Abgas enthaltene Stickoxide (NOx) zu Wasser (H2O) und Stickstoff (N2) umgewandelt. Hierzu reagieren die im Abgas enthaltenen Stickoxide mit Ammoniak (NH3) zu Wasser und Stickstoff. Der Ammoniak wird beispielsweise von einem Reduktionsmittel bereitgestellt beziehungsweise stammt aus einem Reduktionsmittel, wobei das Reduktionsmittel beispielsweise in die Abgasanlage beziehungsweise in das die Abgasanlage durchströmende Abgas einbringbar ist beziehungsweise eingebracht wird. Unter dem Entsticken des Abgases ist zu verstehen, dass im Abgas etwaig enthaltene Stickoxide durch die SCR zumindest teilweise aus dem Abgas entfernt werden, wodurch im Abgas etwaig enthaltene Stickoxide reduziert, das heißt verringert werden.
  • Um nun einen besonders emissionsarmen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine und somit des Kraftfahrzeugs insgesamt realisieren zu können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Abgasanlage, insbesondere wenigstens oder genau, einen Brenner aufweist, mittels welchem unter Bereitstellen eines Abgases des Brenners das Abgas der Verbrennungskraftmaschine an einer stromauf des SCR-Katalysators und stromab des Partikelfilters angeordneten Stelle erwärmbar ist. Das Abgas des Brenners wird beispielsweise auch als Brennerabgas bezeichnet, wobei das Abgas der Verbrennungskraftmaschine auch als Maschinenabgas bezeichnet wird. Beispielsweise kann der Brenner durch Verbrennen eines Brennstoff-Luft-Gemisches das Brennerabgas bereitstellen. Das Brennerabgas weist beispielsweise eine höhere Temperatur als das Maschinenabgas auf und kann sich mit dem Maschinenabgas vermischen, wodurch das Maschinenabgas erwärmt wird. Dadurch, dass das Brennerabgas mit dem Maschinenabgas vermischt wird, entsteht beispielsweise ein das Brennerabgas und das Maschinenabgas umfassendes Gesamtabgas, dessen Temperatur größer als eine Temperatur des Maschinenabgases für sich alleine betrachtet ist. Durch Erwärmen des Abgases der Verbrennungskraftmaschine kann beispielsweise wenigstens eine stromab der Stelle angeordnete Komponente der Abgasanlage effektiv und effizient erwärmt werden. Bei dieser Komponente handelt es sich beispielsweise zumindest um den SCR-Katalysator, welcher mittels des Brenners effektiv und effizient erwärmt und somit beispielsweise besonders schnell auf eine vorteilhafte Temperatur gebracht werden kann, bei oder ab der die SCR besonders vorteilhaft in dem SCR-Katalysator ablaufen kann. Insbesondere kann mittels des Brenners der SCR-Katalysator nach oder bei einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine auf eine hinreichende beziehungsweise besonders vorteilhaft hohe Temperatur gebracht werden, um einen besonders emissionsarmen Betrieb gewährleisten zu können. Da die Stelle stromauf des SCR-Katalysators und stromab des Partikelfilters angeordnet ist, kann der SCR-Katalysator mittels des Brenners effektiv und effizient erwärmt werden, ohne dass hierdurch beispielsweise der Partikelfilter mittels des Brenners übermäßig erwärmt wird. An der Stelle kann sich beispielsweise das Brennerabgas mit dem Maschinenabgas vermischen. Insbesondere ist es denkbar, dass das von dem Brenner bereitgestellte Brennerabgas an der Stelle in das Maschinenabgas einbringbar beziehungsweise einleitbar ist.
  • Unter dem Merkmal, dass mittels des Brenners das Maschinenabgas an der stromauf des SCR-Katalysators und stromab des Partikelfilters angeordneten Stelle erwärmbar ist, ist insbesondere zu verstehen, dass der Brenner stromauf des SCR-Katalysators und stromauf des Partikelfilters angeordnet ist. Mit anderen Worten kann das Merkmal, dass das Maschinenabgas an der stromauf des SCR-Katalysators und stromab des Partikelfilters angeordneten Stelle mittels des Brenners erwärmbar ist, alternativ auch derart ausgerückt werden, dass der Brenner, insbesondere im Strömungsrichtung des die Abgasanlage durchströmenden Abgases, stromauf des SCR-Katalysators und stromabwärts des Partikelfilters angeordnet ist.
  • Um dabei einen besonders emissionsarmen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine insbesondere im Hinblick auf eine Partikelemission realisieren zu können, ist es ferner erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Abgasanlage, insbesondere wenigstens oder genau, ein insbesondere zusätzlich zu dem Partikelfilter vorgesehenes und von dem Partikelfilter beabstandetes Filterelement zum Herausfiltern von Partikeln, insbesondere Rußpartikeln, aus dem Abgas des Brenners aufweist. Mit anderen Worten ist das Filterelement angeordnet und ausgebildet, um im Brennerabgas etwaig enthaltene Partikel, insbesondere Rußpartikel, aus dem Brennerabgas herauszufiltern. Das Filterelement ist beispielsweise von dem Brennerabgas durchströmbar und dazu ausgebildet, im Brennerabgas enthaltene Partikel, insbesondere Rußpartikel, aufzufangen und rückzuhalten. Da das Brennerabgas im Vergleich zu dem Maschinenabgas einen wesentlich geringeren Volumen- und/oder Massestrom aufweisen kann, können der Bauraumbedarf, das Gewicht und die Kosten des Filterelements besonders gering gehalten werden.
  • Das zuvor genannte und auch einfach als Gemisch bezeichnete Brennstoff-Luft-Gemisch, welches mittels des Brenners beziehungsweise in dem Brenner verbrannt wird, wird beispielsweise in einer Brennkammer des Brenners verbrannt. Insbesondere wird das Gemisch, insbesondere durch Fremdzündung und dabei beispielsweise mittels einer beispielsweise als Zündkerze ausgebildeten Fremdzündeinrichtung, gezündet und in der Folge verbrannt. Der Brenner wird beispielsweise mit einem, insbesondere flüssigen oder gasförmigen, Brennstoff und mit Luft versorgt, wodurch, beispielsweise in der Brennkammer, das Gemisch aus der Luft und dem Brennstoff gebildet wird, mit welcher beziehungsweise mit welchem der Brenner versorgt wird. Mit anderen Worten umfasst das Gemisch die Luft und den Brennstoff, mit welchem der Brenner versorgt wird. Somit entsteht beispielsweise das Brennerabgas in der Brennkammer, wobei das Filterelement beispielsweise von dem Brennerabgas aus der Brennkammer durchströmbar ist.
  • Der Erfindung liegen insbesondere die folgenden Erkenntnisse zugrunde: Herkömmliche Brenner erzeugen Partikel, insbesondere Rußpartikel, und somit Partikelemissionen, insbesondere Rußpartikelemissionen. Daher sind derartige Brenner üblicherweise vor Partikelfiltern, insbesondere Dieselpartikelfiltern, verbaut, mittels welchen auch Partikel aus dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine herausgefiltert werden. Da es nun jedoch erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass dem Brenner das Filterelement zugeordnet ist, kann der Brenner nach dem Partikelfilter beziehungsweise stromab des Partikelfilters angeordnet beziehungsweise verbaut werden, ohne dass es zu einer übermäßigen Partikelemission kommt. Beispielsweise ist der Partikelfilter angeordnet und ausgebildet, um bezogen auf das Maschinenabgas und das Brennerabgas ausschließlich das Maschinenabgas zu filtern und somit bezogen auf das Brennerabgas und auf das Maschinenabgas ausschließlich aus dem Maschinenabgas Partikel, insbesondere Rußpartikel, herauszufiltern. Somit ist beispielsweise der Partikelfilter bezogen auf das Maschinenabgas und das Brennerabgas ausschließlich von dem Maschinenabgas, nicht jedoch auch von dem Brennerabgas durchströmbar. Alternativ oder zusätzlich ist es vorzugsweise vorgesehen, dass das dem Brenner zugeordnete Filterelement bezogen auf das Maschinenabgas und das Brennerabgas ausschließlich von dem Brennerabgas durchströmbar ist beziehungsweise durchströmt wird. Somit ist beispielsweise das Filterelement angeordnet und ausgebildet, um bezogen auf das Maschinenabgas und das Brennerabgas ausschließlich das Brennerabgas zu filtern und somit bezogen auf das Maschinenabgas und das Brennerabgas ausschließlich aus dem Brennerabgas Partikel, insbesondere Rußpartikel, herauszufiltern.
  • Ferner ist die Verwendung wenigstens eines oder mehrerer elektrischer Heizeinrichtungen, insbesondere Heizkatalysatoren, denkbar, wobei eine solche elektrische Heizeinrichtung zumindest nahezu beliebig in der Abgasanlage positioniert werden könnte. Mittels einer solchen elektrischen Heizeinrichtung kann das Maschinenabgas unter Nutzung von elektrischer Energie, insbesondere elektrischem Strom, erwärmt werden, ohne hierdurch Sekundäremissionen wie beispielsweise Partikelemissionen zu erzeugen. Die elektrische Heizeinrichtung kann beispielsweise unter Nutzung von elektrischer Energie Wärme bereitstellen und an oder in das Abgas, insbesondere der Verbrennungskraftmaschine, abgeben. Im Vergleich zu einem Brenner, mittels welchem das Maschinenabgas unter Verbrennen eines Brennstoff-Luft-Gemisches und somit unter Bereitstellen von Brennerabgas erwärmbar ist, kann mittels einer elektrischen Heizeinrichtung insbesondere in einem Niedervoltbereich eine nur sehr geringe Heizleistung erreicht werden. Ein elektrischer Heizkatalysator liegt in der Heizleitstung bei einer Spannung von 12 Volt etwa um den Faktor 12 und bei einer Spannung von 48 Volt etwa um den Faktor 3 bis 4 mal niedriger als ein Brenner.
  • Somit ist es bei der erfindungsgemäßen Abgasanlage möglich, das Maschinenabgas und somit den SCR-Katalysator effektiv und effizient zu erwärmen, insbesondere während eine übermäßige unterwünschte Erwärmung des Partikelfilters vermieden werden kann. Etwaig im Brennerabgas enthaltene Partikel können mittels des Filterelements aus dem Brennerabgas herausgefiltert werden, wobei das Filterelement im Vergleich zum Partikelfilter wesentlich kleiner, leichter und kostengünstiger sein kann. Vorzugsweise sind das Filterelement und der Partikelfilter separat voneinander ausgebildete und beispielsweise zumindest mittelbar miteinander verbundene und insbesondere voneinander beabstandete Bauelemente. Das Filterelement kann relativ klein ausfallen, da der Brennerabgas- und Partikelmassestrom im Vergleich zum Massestrom des Maschinenabgases gering ist, und auch eine Menge an im Brennerabgas enthaltener Asche ist sehr gering, insbesondere im Vergleich zu einer Menge an im Maschinenabgas enthaltener Asche und Öl.
  • Insbesondere können durch die Erfindung die folgenden Vorteile realisiert werden:
    • - erheblich geringere Kaltstartemissionen bei Einsatz klassischer und bewährter Abgasnachbehandlungskonzepte, um Emissionen, insbesondere Stickoxid-Emissionen, besonders gering halten zu können
    • - Reduzierung der Stickoxid-Emissionen in kritischen Anwendungen und in einem tatsächlichen Fahrbetrieb (RDE - real driving emissions)
    • - Entkopplung von motorischen Heizmaßnahmen von einer Regelung oder Steuerung zum Regeln beziehungsweise Steuern einer Temperatur des SCR-Katalysators, wodurch Emissionen, insbesondere Kohlendioxid-Emissionen, besonders gering gehalten werden können
    • - Desulfatisierung, das heißt Entschwefelung von SCR-Katalysatoren, welche beispielsweise Kupfer (Cu) aufweisen
    • - Im Vergleich zu elektrischen Heizkatalysatoren beziehungsweise Heizeinrichtungen kann mittels des Brenners eine besonders hohe Heizleistung unabhängig von einer Spannung eines Bordnetzes des Kraftfahrzeugs realisiert werden, wodurch eine Kaltstartzeit bis zum Erreichen einer Temperatur des SCR-Katalysators von mehr als 200 Grad Celsius stark reduziert beziehungsweise besonders geringe gehalten werden kann.
    • - Ablagerungsvermeidung in einer Hydrolysestrecke, entlang welcher beispielsweise das Reduktionsmittel einer Hydrolyse unterworfen wird, in deren Rahmen das Reduktionsmittel Ammoniak bereitstellt beziehungsweise Ammoniak aus dem Reduktionsmittel entsteht.
  • Als das Reduktionsmittel wird beispielsweise eine, insbesondere wässrige, Harnstofflösung verwendet, welche beispielsweise entlang der Hydrolysestrecke einer Hydrolyse unterworfen wird. Im Rahmen der Hydrolyse entsteht aus dem Reduktionsmittel Ammoniak (NH3), welche mit im Abgas enthaltenen Stickoxid im Rahmen der SCR zu Stickstoff und Wasser reagieren kann.
  • Weitere, der Erfindung zugrunde liegende Erkenntnisse sind, dass für eine effiziente Abgasreinigung ausreichend hohe Abgastemperaturen erforderlich sind. Gerade bei überstöchiometrischen Anwendungen wie beispielsweise bei Dieselmotoren sind die Abgastemperatur durch einen mageren Betrieb in der unteren Teillast, wodurch es zu einer starken Interaktion zwischen der auch als Verbrennungsmotor oder Motor bezeichneten Verbrennungskraftmaschine und der Abgasanlage beziehungsweise einer durch die Abgasanlage zu bewirkenden Abgasnachbehandlung kommen kann. Moderne Dieselmotoren haben mindestens einen oder mehrere Abgasturbolader und/oder kombinierte Aufladesysteme (zum Beispiel elektrisch, mechanisch) und wenigstens einen Ladeluftkühler. Je nach Anwendung ist die Turbine als Festgeometrie-Turbine, als Wastegate-Turbine oder als variable Turbine ausgeführt. Die Wastegate-Turbine wird auch als Abblaseturbine bezeichnet und umfasst üblicherweise eine auch als Wastegate bezeichnete Umgehungsleistung, über welche ein Turbinenrad der Turbine von zumindest einem Teil des Abgases der Verbrennungskraftmaschine umgangen werden kann. Zur Stickoxid-Rohemissionsabsenkung haben viele moderne Motoren eine gekühlte und beispielsweise geregelte Abgasrückführung, welche eine Hochdruck-Abgasrückführung und/oder eine Niederdruck-Abgasrückführung beziehungsweise einem Kombination aus Hochdruck-Abgasrückführung und Niederdruck-Abgasrückführung umfassen kann.
  • Das zur Stickoxidreduktion erforderliche Reduktionsmittel wird beispielsweise in eine Mischstrecke vor dem SCR-Katalysator eindosiert, das heißt in das Abgas eingebracht. Der vorzugsweise geschlossene Partikelfilter sammelt Partikel beziehungsweise Ruß von dem Motor, wodurch der Abgasgegendruck mit zunehmender Beladung des Partikelfilters steigen kann. Um einen übermäßig hohen Abgasgegendruck, welcher durch den beladenen Partikelfilter bewirkbar ist beziehungsweise bewirkt wird, zu vermeiden, werden beispielsweise die in dem Partikelfilter aufgenommenen Partikel entweder passiv bei circa 300 bis 450 Grad Celsius durch von dem Motor und einem gegebenenfalls vorgesehenen und beispielsweise stromauf des Partikelfilters angeordneten Oxidationskatalysator, insbesondere Dieseloxidationskatalysator (DOC) bereitgestellten Stickstoffdioxid (NO2) oder aktiv bei circa 600 Grad Celsius mit Sauerstoff oxidiert, das heißt abgebrannt und somit zumindest teilweise aus dem Partikelfilter entfernt. Hierzu wird beispielsweise der dem Partikelfilter vorgeschaltete Oxidationskatalysator über seine auch als Light-off-Temperatur bezeichnete Anspringtemperatur von circa 220 Grad Celsius bis 300 Grad Celsius gebracht. Die Anspringtemperatur des Oxidationskatalysators hängt von dessen Edelmetallgehalt, Alter, Raumgeschwindigkeit und/oder von Eingangskonzentrationen ab.
  • Danach wird beispielsweise zusätzlicher Kraftstoff in das Abgas eingebracht, sodass im Abgas und dabei beispielsweise stromauf des Oxidationskatalysators unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) enthalten sind. Die in dem Abgas enthaltenen unverbrannten Kohlenwasserstoffe werden in dem Oxidationskatalysator verbrannt, wobei die Verbrennung der unverbrannten Kohlenwasserstoffe durch den Oxidationskatalysator katalytisch unterstützt beziehungsweise bewirkt wird. Somit wird beispielsweise der Oxidationskatalysator als ein katalytischer Brenner genutzt, um die Temperatur des Maschinenabgases zu erhöhen.
  • Auf diese Weise wird beispielsweise bei einem Partikelfilter eine Temperatur von circa 550 Grad Celsius bis 600 Grad Celsius eingestellt beziehungsweise eingeregelt, wodurch im Partikelfilter enthaltene Partikel mit Sauerstoff oxidiert und somit abgebrannt beziehungsweise verbrannt werden. Für die übrige Zeit wird eine hinreichend hohe Temperatur des SCR-Katalysators angestrebt, um die im Abgas enthaltenen Stickoxide im Rahmen der SCR zumindest teilweise aus dem Abgas zu entfernen.
  • Die minimale Freigabetemperatur für das Reduktionsmittel liegt üblicherweise bei circa180 Grad Celsius. Mit anderen Worten wird beispielsweise das Reduktionsmittel üblicherweise dann und vorzugsweise erst dann in das Abgas eingebracht, insbesondere eingespritzt, wenn das Abgas eine Temperatur von mindestens 180 Grad Celsius oder mehr aufweist. Um einen hohen Wirkungsgrad der SCR zu realisieren, sind jedoch auch höhere Temperaturen von beispielsweise 200 Grad Celsius bis 220 Grad Celsius vorteilhaft.
  • In Verbindung mit der Regeneration des Partikelfilters haben sich unterschiedliche Wege eines Thermomanagements etabliert, indem beispielsweise das Verbrennungsluftverhältnis, welches auch als Verbrennungs-Lambda bezeichnet wird, durch Eingriff in ein Luftmanagement reduziert wird. Mittels heutiger Technologien wie zum Beispiel mittels einer Drosselklappe, Abgasklappe und/oder Auslassphasenverstellung in Verbindung mit späten Einspritzzeitpunkte kann eine effektive Temperaturanhebung für eine Partikelfiltergeneration erreicht werden. Die Regeneration des Partikelfilters weist beispielsweise eine Dauer von circa 30 bis 40 Minuten auf, wobei diese Dauer auch als Regenerationsdauer bezeichnet wird. Die Regenerationsdauer ist im Vergleich zu einem Normalbetrieb, in welchem beispielsweise eine Regeneration des Partikelfilters unterbleibt und wobei der Normalbetrieb beispielsweise mehrere Stunden dauert, relativ kurz, sodass ein Kraftstoffmehrverbrauch zum Bewirken der Regeneration des Partikelfilters eine untergeordnete Rolle spielt.
  • Wenn nun jedoch mit Hilfe der gleichen Technologien eine Temperaturregelung des SCR-Katalysators für den Normalbetrieb abgestrebt wird, dann spielt der Kraftstoffmehrverbrauch eine entscheidende Rolle. Zudem rücken bei den Anforderungen die Kaltstartemissionen mehr und mehr in den Fokus. Da ist eine verbrauchseffiziente Temperaturmaßnahme beziehungsweise Temperatursteigerungsmaßnahme mit schnellem Aufheizen des SCR-Katalysators wünschenswert. Dies kann durch die erfindungsgemäße Abgasanlage realisiert werden.
  • Um einen besonders emissionsarmen Betrieb realisieren zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Abgasanlage ein von dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbares Rohrelement aufweist. Dabei weist der Brenner die zuvor genannte Brennkammer auf, welche außerhalb des Rohrelements angeordnet ist. Die Brennkammer ist zum Beispiel fluidisch mit dem Rohrelement verbunden, sodass das in der Brennkammer entstehende Brennerabgas aus der Brennkammer in das Rohrelement einströmen kann. In der Brennkammer ist unter Bildung des Abgases des Brenners das zuvor gekannte Brennstoff-Luft-Gemisch zu zünden und verbrennbar. Dabei ist an der Stelle das Brennerabgas aus der Brennkammer in das Rohrelement einleitbar. Das Filterelement ist dabei, insbesondere in Strömungsrichtung des aus der Brennkammer ausströmenden und in das Rohrelement einströmenden Brennerabgases, stromab der Brennkammer und stromauf der Stelle angeordnet und von dem Brennerabgas durchströmbar.
  • Als weiterhin besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die Abgasanlage stromab des SCR-Katalysators frei von einem weiteren Filter zum Filtern des jeweiligen Abgases, insbesondere des Gesamtabgases ist. Dadurch können auf besonders kosten-, gewichts- und bauraumgünstige Weise die Emissionen besonders gering gehalten werden.
  • Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Abgasanlage den zuvor genannten und beispielsweise als Dieseloxidationskatalysator ausgebildeten Oxidationskatalysator umfasst. Der Oxidationskatalysator ist dabei vorzugsweise stromauf des Partikelfilters angeordnet und von dem Maschinenabgas durchströmbar. Alternativ oder zusätzlich weist die Abgasanlage einen von dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren Stickoxid-Speicherkatalysator auf, welcher stromauf des Partikelfilters angeordnet sein kann. Hierdurch kann ein besonders emissionsarmer Betrieb gewährleistet werden.
  • Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Abgasanlage ein Dosierelement, mittels welchem an einer stromab der Stelle und stromauf des SCR-Katalysators angeordneten Einleitstelle das Reduktionsmittel zum Entsticken des Abgases der Verbrennungskraftmaschine in das Maschinenabgas, insbesondere in das Gesamtabgas, einbringbar, insbesondere einspritzbar, ist. Das Reduktionsmittel ist dabei vorzugsweise ein zusätzlich zu dem Brennstoff des Brenners vorgesehenes und von dem Brennstoff unterschiedliches, vorzugsweise flüssiges, Fluid. Durch Verwendung des Dosierelements und des Reduktionsmittels können die Emissionen, insbesondere die Stickoxidemissionen, besonders gering gehalten werden.
  • Um einen besonders emissionsarmen Betrieb realisieren zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der Partikelfilter als ein beschichteter Partikelfilter ausgebildet ist und hierdurch eine für die selektive katalytische Reduktion (SCR) zum Entsticken des Abgases katalytisch wirksame Beschichtung aufweist.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Abgasanlage einen stromab des SCR-Katalysators angeordneten und von dem Maschinenabgas durchströmbaren Ammoniak-Sperrkatalysator (ASC) auf. Dadurch kann ein besonders emissionsarmer Betrieb realisiert werden, da mittels des Ammoniak-Sperrkatalysators überschüssiges, unverbrauchtes Ammoniak aufgefangen und rückgehalten werden kann. Unter dem überschüssigen, unverbrauchten Ammoniak ist Ammoniak zu verstehen, welches aus dem Reduktionsmittel entstanden ist, jedoch nicht an der SCR teilgenommen hat, beziehungsweise nicht im Rahmen der SCR zu Wasser und Stickstoff reagiert hat.
  • Schließlich hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn zumindest der Brenner, der Partikelfilter und der SCR-Katalysator sowie vorzugsweise auch der Oxidationskatalysator und/oder der Ammoniak-Sperrkatalysator in einer gemeinsamen, von dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren und auch als Abgasbox bezeichneten Box angeordnet sind. Dadurch können besonders vorteilhafte Temperaturen zumindest des Partikelfilters und des SCR-Katalysators realisiert werden, sodass ein besonders emissionsarmer Betrieb darstellbar ist.
  • Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen. Die Antriebseinrichtung umfasst die zuvor genannte Verbrennungskraftmaschine, mittels welcher das Kraftfahrzeug antreibbar ist. Außerdem umfasst die Antriebseinrichtung die erfindungsgemäße Abgasanlage gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
  • Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein vorzugsweise als Kraftwagen ausgebildetes Kraftfahrzeug, welches wenigstens eine Abgasanlage gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung und/oder eine Antriebseinrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung aufweist. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten und zweiten Aspekts der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des dritten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
  • Die Zeichnung zeigt in:
    • 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung mit einer erfindungsgemäßen Abgasanlage;
    • 2 eine schematische Darstellung eines Brenners der Abgasanlage;
    • 3 ausschnittsweise eine schematische Darstellung der Abgasanlage;
    • 4 ausschnittsweise eine weitere schematische Darstellung der Abgasanlage;
    • 5 ein Diagramm zum Veranschaulichen eines Betriebs der Abgasanlage; und
    • 6 ein weiteres Diagramm zum weiteren Veranschaulichen des Betriebs der Abgasanlage.
  • In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Antriebseinrichtung 10 eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftwagens. Dies bedeutet, dass das Kraftfahrzeug in seinem vollständig hergestellten Zustand die Antriebseinrichtung 10 aufweist. Die Antriebseinrichtung 10 weist eine auch als Motor oder Verbrennungsmotor bezeichnete und beispielsweise als Hubkolbenmaschine ausgebildete Verbrennungskraftmaschine 12 aufweist, mittels welcher das Kraftfahrzeugs verbrennungsmotorisch angetrieben werden kann. Die Verbrennungskraftmaschine 12 weist ein beispielsweise als Kurbelgehäuse, insbesondere als Zylinderkurbelgehäuse, ausgebildetes Motorgehäuse 14, durch welches mehrere Zylinder 1, 2, 3, 4, 5, 6 der Verbrennungskraftmaschine 12 gebildet beziehungsweise begrenzt sind. Während eines befeuerten Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 12 laufen in den Zylindern 1 bis 6 Verbrennungsvorgänge ab, aus welchen ein auch als Maschinenabgas bezeichnetes Abgas der Verbrennungskraftmaschine 12 resultiert.
  • Die Antriebseinrichtung 10 weist einen von dem Maschinenabgas durchströmbaren Abgastrakt auf, welcher auch als Abgasanlage 16 bezeichnet wird. Mittels der Abgasanlage 16, welche von dem Maschinenabgas durchströmbar ist, wird das Maschinenabgas aus den Zylindern 1 bis 6 abgeführt. Der Verbrennungskraftmaschine 12 ist außerdem ein auch als Ansaugtrakt bezeichneter Einlasstrakt 18 zugeordnet. Der Einlasstrakt 18 ist zumindest von Frischluft durchströmbar, welche auch als Verbrennungsluft bezeichnet und den Zylindern 1 bis 6 zugeführt wird. Dadurch werden die Zylinder 1 bis 6 mit der Frischluft versorgt. Außerdem werden die Zylinder 1 bis 6 mit einem vorzugsweise flüssigen Kraftstoff versorgt, wodurch in dem jeweiligen Zylinder 1 bis 6 ein den Kraftstoff und die Frischluft umfassendes Verbrennungsgemisch gebildet wird. Das Verbrennungsgemisch wird vorzugsweise durch Selbstzündung gezündet und dadurch verbrannt, wodurch das Maschinenabgas entsteht. Dies bedeutet, dass die Verbrennungskraftmaschine 12 insbesondere als selbstzündende Brennkraftmaschine, insbesondere als Dieselmotor, ausgebildet ist. Es ist auch denkbar, dass das Verbrennungsgemisch durch Fremdzündung gezündet und dadurch verbrannt wird, wodurch das Maschinenabgas entsteht. Dies bedeutet, dass im Fall der Fremdzündung die Verbrennungskraftmaschine 12 als fremdgezündete Brennkraftmaschine, insbesondere als Ottomotor, ausgebildet ist. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Verbrennungskraftmaschine 12 vorzugsweise als ein Dieselmotor ausgebildet.
  • Die Antriebseinrichtung 10 weist wenigstens oder genau einen Abgasturbolader 20 auf, welcher eine in der Abgasanlage 16 angeordnete Turbine 22 mit einem Turbinenrad 24 umfasst. Das Turbinenrad 24 ist von dem Maschinenabgas antreibbar. Der Abgasturbolader 20 umfasst darüber hinaus einen in dem Einlasstrakt 18 angeordneten Verdichter 26 mit einem Verdichterrad 28. Das Verdichterrad 28 und das Turbinenrad 24 sind mit einer Welle 30 des Abgasturboladers 20 drehfest verbunden, sodass das Verdichterrad 28 über die Welle 30 von dem Turbinenrad 24 antreibbar ist. Durch Antreiben des Verdichterrads 28 wird die den Einlasstrakt 18 durchströmende Frischluft mittels der Verdichterrads 28 verdichtet. Stromauf des Verdichterrads 28 weist die Frischluft einen ersten Druck p1 auf. Durch das Verdichten der Frischluft wird die Frischluft erwärmt. Um dennoch besonders hohe Aufladegrade zu realisieren, ist in dem Einlasstrakt 18 stromab des Verdichters 26 und stromauf der Zylinder 1 bis 6 ein Ladeluftkühler 32 angeordnet. Mittels des Ladeluftkühlers 32 wird die verdichtete Frischluft gekühlt, insbesondere derart, dass die verdichtete Frischluft stromab des Ladeluftkühlers 32 einen zweiten Druck p2s aufweist und mit dem zweiten Druck p2s in die Zylinder 1 bis 6 einströmt. In dem Einlasstrakt 18 ist, insbesondere stromab des Ladeluftkühlers 32, eine Drosselklappe 34 angeordnet. Mittels der Drosselklappe 34 kann eine den Zylindern 1 bis 6 zuzuführende Menge der, insbesondere verdichteten, Frischluft eingestellt werden.
  • Das Abgas aus den Zylindern 1 bis 3 wird durch einen ersten Abgaskrümmer 36 beziehungsweise in einem ersten Abgaskrümmer 36 zu einer ersten Flut 38 der Abgasanlage 15 zusammengeführt. Demzufolge wird das Maschinenabgas aus den Zylindern 4 bis 6 durch einen zweiten Abgaskrümmer 40 beziehungsweise in einem zweiten Abgaskrümmer 40 zu einer zweiten Flut 42 der Abgasanlage 16 zusammengeführt. In der Flut 38 weist beispielsweise das Abgas stromauf der Turbine 22 einen dritten Druck p31 auf, und in der Flut 42 weist das Abgas stromauf der Turbine 22 einen Druck p32 auf. Das Abas wird mittels der Turbine 22, insbesondere mittels des Turbinenrad 24, entspannt, sodass das Abgas stromab des Turbinenrads 24 einen gegenüber dem Druck p31 beziehungsweise p32 geringeren vierten Druck p4 aufweist.
  • Die Antriebseinrichtung 10 weist eine auch als Abgasrückführung bezeichnete Abgasrückführeinrichtung 44 auf. Die Abgasrückführeinrichtung 44 weist eine Rückführleitung 46 auf, welche an einer ersten Verbindungsstelle V1 fluidisch mit der Abgasanlage 16 und an einer zweiten Verbindungsstelle V2 fluidisch mit dem Einlasstrakt 18 verbunden ist. Insbesondere ist die Rückführleitung 46 an der Verbindungsstelle V1 fluidisch mit der Flut 38 verbunden, wobei vorzugsweise die Rückführleitung 46 bezogen auf die Fluten 38 und 42 ausschließlich mit der Flut 38 fluidisch verbunden ist. Die Verbindungsstelle V1 ist dabei stromab der Zylinder 1 bis 6 und stromauf des Turbinenrads 24 angeordnet. Die Verbindungsstelle V2 ist stromauf der Zylinder 1 bis 6 und stromab des Ladeluftkühlers 32, insbesondere der Drosselklappe 34, angeordnet. Mittels der Rückführleitung 46 kann an der Verbindungsstelle v1 zumindest ein Teil des die Flut 38 durchströmenden Abgases aus der Flut 38 abgezweigt werden. Das aus der Flut 38 abgezweigte Abgas wird in die Rückführleitung 46 eingeleitet beziehungsweise strömt in die Rückführleitung 46 ein und strömt durch die Rückführleitung 46. Das die Rückführleitung 46 durchströmende Abgas wird mittels der Rückführleitung 46 zu der Verbindungsstelle V2 und somit zu dem Einlasstrakt 18 geführt und kann an der Verbindungsstelle V2 aus der Rückführleitung 46 ausströmen und in den Einlasstrakt 18 einströmen. Somit kann das Abgas aus der Rückführleitung 46 in die den Einlasstrakt 18 durchströmende Frischluft einströmen beziehungsweise eingeleitet werden. Die Abgasrückführeinrichtung 44 umfasst dabei einen in der Rückführleitung 46 angeordneten Abgasrückführkühler 48, mittels welchem das die Rückführleitung 46 durchströmende und rückgeführte beziehungsweise rückzuführende Abgas gekühlt wird. Außerdem umfasst die Abgasrückführeinrichtung 44 ein in der Rückführleitung 46 angeordnetes Ventilelement 50, welches beispielsweise stromab des Abgasrückführkühlers 48 angeordnet ist. Mittels des Ventilelements 50 ist beziehungsweise wird eine Menge des die Rückführleitung 46 durchströmenden und aus der Flut 38 abzuzweigenden Abgases einstellbar beziehungsweise eingestellt.
  • Der Turbine 22, insbesondere dem Turbinenrad 24, ist eine Umgehungseinrichtung 52 zugeordnet. Die Umgehungseinrichtung 52 umfasst eine auch als Wastegate bezeichnete Umgehungsleitung 54. Die Umgehungsleitung 54 ist an einer dritten Verbindungsstelle V3 und einer vierten Verbindungsstelle V4 fluidisch mit der Abgasanlage 16 verbunden. Die Verbindungsstelle V3 ist stromab der Zylinder 1 bis 6, insbesondere stromab der Verbindungsstelle V1, und stromauf des Turbinenrads 24 angeordnet. Insbesondere ist die Umgehungsleitung 54 an der Verbindungsstelle V3 fluidisch mit der Flut 42 verbunden. Beispielsweise ist die Umgehungsleitung 54 bezogen auf die Fluten 38 und 42 ausschließlich fluidisch mit der Flut 42 verbunden. Die Verbindungsstelle V4 ist stromab des Turbinenrad 24 angeordnet. Mittels der Umgehungsleitung 54 kann zumindest ein Teil des die Abgasanlage 16, insbesondere die Flut 42, durchströmenden Abgases aus der Abgasanlage 16, insbesondere aus der Flut 42, abgezweigt und um die Umgehungsleitung 54 eingeleitet werden. Das in die Umgehungsleitung 54 eingeleitete Abgas strömt durch die Umgehungsleitung 54 und wird mittels der Umgehungsleitung 54 zu der Verbindungsstelle V4 geführt. An der Verbindungsstelle V4 kann das die Umgehungsleitung 54 durchströmende Abgas aus der Umgehungsleitung 54 ausströmen und in die Abgasanlage 16 einströmen. Das die Umgehungsleitung 54 durchströmende Abgas umgeht das Turbinenrad 24, sodass das Turbinenrad 24 nicht von dem die Umgehungsleitung 54 durchströmenden Abgas angetrieben wird.
  • Die Umgehungsleitung 54 und ein in der Umgehungsleitung 54 angeordnetes Ventilelement 56, mittels welchem eine Menge des die Umgehungsleitung 54 durchströmenden und somit das Turbinenrad 24 umgehenden Abgases einstellbar ist beziehungsweise eingestellt wird. Der zweite Druck p2s wird auch als Ladedruck bezeichnet, auf welchem beispielsweise die Frischluft mittels des Verdichters 26 verdichtet wird. Beispielsweise durch Einstellen der Menge des die Umgehungsleitung 54 durchströmenden und somit das Turbinenrad 24 umgehenden Abgases kann der Ladedruck eingestellt, insbesondere geregelt, werden.
  • Die Abgasanlage 16 weist einen von dem Maschinenabgas durchströmbaren und stromab der Turbine 22 angeordneten Partikelfilter 58 auf, der als Dieselpartikelfilter (DPF) oder katalytisch beschichteter Dieselpartikelfilter (CDPF) ausgeführt sein kann, mittels welchem im Maschinenabgas enthaltene Partikel, insbesondere Rußpartikel, aus dem Maschinenabgas herausgefiltert werden können beziehungsweise werden. Außerdem weist die Abgasanlage 16 einen von dem Maschinenabgas durchströmbaren und stromab des Partikelfilters 58 angeordneten SCR-Katalysator 60 auf, mittels welchem das Maschinenabgas beziehungsweise das den Partikelfilter 58 durchströmende Abgas entstickt werden kann.
  • Um nun einen besonders emissionsarmen Betrieb zu realisieren, weist die Abgasanlage, insbesondere wenigstens oder genau, einen Brenner 62 auf, welcher in Strömungsrichtung des die Abgasanlage 16 durchströmenden Maschinenabgases stromab des Partikelfilters 58 und stromauf des SCR-Katalysators 60 angeordnet ist. Dies bedeute, das mittels des Brenners 62 unter Bereitstellen eines auch als Brennerabgas bezeichneten Abgases des Brenners 62 das Maschinenabgas (Abgas der Verbrennungskraftmaschine) an, insbesondere wenigstens oder genau, einer stromauf des SCR-Katalysators 60 und stromab des Partikelfilters 58 angeordneten Stelle S1 erwärmbar ist beziehungsweise erwärmt wird.
  • In Zusammenschau mit 4 ist erkennbar, dass die Abgasanlage 15 darüber hinaus ein zusätzlich zu dem Partikelfilter 58 vorgesehen und insbesondere von dem Partikelfilter 58 beabstandetes Filterelement 65 aufweist, mittels welchem im Brennerabgas enthaltene Partikel aus dem Brennerabgas (Abgas des Brenners 62) herausgefiltert werden können. Hierdurch können das Maschinenabgas stromab des Partikelfilters 58 und somit des SCR-Katalysators 60 effektiv und effizient erwärmt werden, während beispielsweise ein übermäßiges, mittels des Brenners 62 bewirktes Erwärmen des Partikelfilters 58 vermieden werden kann, und gleichzeitig können übermäßige Partikelemissionen vermieden werden. In der Folge kann ein besonders emissionsgünstiger Betrieb dargestellt werden, insbesondere im Hinblick auf Partikel- und Stickoxidemissionen.
  • 2 zeigt den Brenner 62 in einer besonders schematischen Darstellung. In 2 ist durch einen Pfeil 64 eine Brennstoffzufuhr veranschaulicht, über welche der Brenner 62, insbesondere eine in dem Brenner 62 angeordneten Brennkammer 63 des Brenners 62, mit einem, insbesondere flüssigen oder gasförmigen, Brennstoff versorgbar ist beziehungsweise versorgt wird. In 2 ist durch einen Pfeil 66 eine Luftzufuhr veranschaulicht, über welche der Brenner 62, insbesondere die Brennkammer 63, mit auch als Brennerluft bezeichneter Luft versorgbar ist. In der Brennkammer 63 kann ein den Brennstoff und die Verbrennerluft umfassendes Brennstoff-Luft-Gemisch gebildet werden. Das einfach auch als Gemisch bezeichnete Brennstoff-Luft-Gemisch wird in der Brennkammer 63, beispielsweise mittels einer Fremdzündeinrichtung 68, gezündet und in der Folge verbrannt, woraus das Brennerabgas resultiert. Die Fremdzündeinrichtung 68 ist beispielsweise eine Zünd- und/oder Glühkerze.
  • In 2 ist durch einen Pfeil 70 ein Abgaseinlass, insbesondere des Brenners 62, veranschaulicht. Außerdem ist in 2 durch einen Pfeil 72 ein Abgasauslass, insbesondere des Brenners 62, veranschaulicht. Beispielsweise über den Abgaseinlass (Pfeil 70) kann das Maschinenabgas in den Brenner 62, insbesondere die Brennkammer 63, einströmen. Somit kann sich beispielsweise das Maschinenabgas, welches durch den Abgaseinlass in die Brennkammer 63 eingeströmt ist, mit dem Brennerabgas vermischen. Hierdurch bilden das Maschinenabgas und das damit vermischte Brennerabgas ein Gesamtabgas, welches beispielsweise über den Abgasauslass aus der Brennkammer 63 beziehungsweise aus dem Brenner 62 ausströmen kann. das Gesamtabgas weist gegenüber dem Maschinenabgas alleine eine höhere Temperatur auf, sodass mittels des Brenners 62 unter Verbrennen des Gemisches und somit unter Bereitstellen des Brennerabgases die Temperatur des Maschinenabgases erhöht werden kann.
  • Aus 4 ist erkennbar, dass die Abgasanlage 16 ein von dem Maschinenabgas durchströmbares Rohrelement 74 aufweist. Dabei ist die Brennkammer 63 vorzugsweise außerhalb des Rohrelements 74 angeordnet. In der Brennkammer 63 ist das Brennstoff-Luft-Gemisch unter Bildung des Brennerabgases zu zünden und zu verbrennen. Dabei ist beispielsweise die Brennkammer 63 an der Stelle S1 fluidisch mit dem Rohrelement 74 verbunden. Somit kann an der Stelle S1 das Brennerabgas aus der Brennkammer 63 in das Rohrelement 74 und somit in das das Rohrelement 74 durchströmende Maschinenabgas eingeleitet werden, sodass sich beispielsweise das Brennerabgas mit dem Maschinenabgas in dem Rohrelement 74 vermischt. Das Filterelement 65 ist dabei vorzugsweise stromab der Brennkammer 63 und stromauf der auch als Einleitstelle bezeichneten Stelle S1 angeordnet und von dem Brennerabgas aus der Brennkammer 63 durchströmbar. Hierdurch kann das Filterelement 65 im Brennerabgas enthaltene Partikel aus dem Brennerabgas herausfiltern, insbesondere bevor das Brennerabgas in das Maschinenabgas beziehungsweise in das Rohrelement 74 einströmt. Dadurch können die Partikelemissionen besonders gering gehalten werden.
  • Aus 1 ist erkennbar, das die Abgasanlage 16 stromab des SCR-Katalysators 60 frei von einem weiteren Filter zum Filtern des jeweiligen Abgases ist. Aus 1 und 3 ist erkennbar, dass die Abgasanlage 16 eine Abgasnachbehandlungskomponente 76 aufweist, welche in Strömungsrichtung des die Abgasanlage 16 durchströmenden Abgases stromauf des Partikelfilters 58 und stromab des Turbinenrads 24 angeordnet ist. Vorzugsweise ist die Abgasnachbehandlungskomponente 76 als ein Oxidationskatalysator, insbesondere als ein Dieseloxidationskatalysator (DOC), oder aber als ein Stickoxid-Speicherkatalysator (NSK) ausgebildet. Mit anderen Worten ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die Abgasnachbehandlungskomponente 76 einen Oxidationskatalysator, insbesondere einen Dieseloxidationskatalysator und/oder einen Stickoxid-Speicherkatalysator aufweist.
  • Die Abgasanlage 16 weist außerdem einen Ammoniak-Sperrkatalysator (ASC) 78 auf, welcher stromab des SCR-Katalysators 60 angeordnet ist. Des Weiteren ist aus 1 und 3 erkennbar, dass beispielsweise der Brenner 62, der Partikelfilter 58, der SCR-Katalysator 60 und auch die Abgasnachbehandlungskomponente 76 und der Ammoniak-Sperrkatalysator 78 in einer gemeinsamen Box 80 angeordnet sind. Beispielsweise wird das Abgas auf seinem Weg von dem Partikelfilter 58 zu dem SCR-Katalysator 60 wenigstens zweimal, insbesondere wenigstens dreimal und vorzugsweise wenigstens oder genau viermal um wenigstens oder genau 90 Grad umgelenkt. Dadurch können besonders vorteilhafte Temperaturen insbesondere des SCR-Katalysators 60 realisiert werden.
  • Als weiterhin besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn der Partikelfilter 58, insbesondere dessen Filterstruktur zum Herausfiltern der Partikel aus dem Maschinenabgas, einen katalytisch wirksame Beschichtung aufweist beziehungsweise mit einer katalytisch wirksamen Beschichtung versehen ist. Die katalytisch wirksame Beschichtung ist insbesondere für die selektive katalytische Reduktion katalytisch wirksam und kann somit die SCR katalytisch unterstützen beziehungsweise bewirken.
  • Die Brennstoffzufuhr wird auch als Brennstoffzuleitung bezeichnet, wobei die Brennerluftzufuhr auch als Luftzuleitung bezeichnet wird. Außerdem wird die Fremdzündeinrichtung 68 auch als Zündquelle bezeichnet. Das relativ kalte Abgas der Verbrennungskraftmaschine 12 kann durch den Brenner 62 erhitzt und beispielsweise mit einer Temperaturdifferenz aus dem Brenner 62, insbesondere aus der Brennkammer 63, ausgeleitet werden. Die Leistung des Brenners 62 ist abhängig von der Brennstoffzufuhr und der zum Verbrennen des Brennstoffes notwendigen Menge der Brennerluft. Das Brennstoff-Luft-Gemisch wird beispielsweise an der als Zündkerze oder Glühstift ausgebildeten Fremdzündeinrichtung 68 entzündet beziehungsweise durch als Zündkerze oder Glühstift ausgebildete Fremdzündeinrichtung 68 gezündet. Der Brenner 62 wird beispielsweise betrieben, insbesondere gesteuert oder geregelt. Für die Regelung des Brenners 62 können unterschiedliche Temperatursensoren und/oder Sensoren für eine Lambda-Regelung verwendet werden.
  • Die Abgasanlage 16 weist wenigstens einen ersten Sensor 82 und wenigstens einen zweiten Sensor 84 auf. Der Sensor 82 ist beispielsweise ein Temperatursensor, mittels welchem eine Temperatur des Maschinenabgases stromauf der Abgasnachbehandlungskomponente 76 und stromab des Turbinenrads 24 erfasst werden kann. Alternativ oder zusätzlich ist der Sensor 82 eine Lambda-Sonde, mittels welcher eine Sauerstoffkonzentration des Maschinenabgases beziehungsweise ein Sauerstoffgehalt im Maschinenabgas erfasst werden kann. Der Sensor 84 ist beispielsweise ein Temperatursensor, mittels welchem eine Temperatur des Abgases stromab des Ammoniak-Sperrkatalysators 78 erfasst werden kann. Alternativ oder zusätzlich ist der Sensor 84 eine Lambda-Sonde, mittels welcher Restsauerstoff im Abgas beziehungsweise ein Restsauerstoffgehalt im Abgas erfasst werden kann. Insbesondere kann der Brenner 62 in Abhängigkeit von den mittels der Sensoren 82 und 84 erfassten Temperaturen und/oder Restsauerstoffgehalte betrieben, insbesondere geregelt werden.
  • Der Brennstoff wird beispielsweise mittels einer Düse in die Brennkammer 63 eingebracht, insbesondere eingespritzt. Beispielsweise wird der Brenner 62 stöchiometrisch betrieben, sodass das den Brennstoff und die Brennerluft umfassende Brennstoff-Luft-Gemisch stöchiometrisch ist. Wieder mit anderen Worten ausgedrückt werden beispielsweise die Brennerluft und der Brennstoff stöchiometrisch vermischt und durch die Zündquelle entflammt. In klassischen, herkömmlichen Anordnungen von Brennern werden üblicherweise zuerst der Oxidationskatalysator und der Partikelfilter aufgeheizt, bevor der SCR-Katalysator aufgeheizt wird. Das Blech und die Katalysatoren haben eine nennenswerte Wärmekapazität, sodass die Temperaturerhöhung des SCR-Katalysators stark verzögert wird. Im Gegensatz dazu kann eine deutlich schnellere Temperaturerhöhung des SCR-Katalysators 60 realisiert werden, dass der Brenner 62 stromab des Partikelfilters 58 und stromauf des SCR-Katalysators 60 und dabei beispielsweise unmittelbar nach dem Partikelfilter 58 angeordnet wird.
  • Die Abgasanlage 16 weist dabei ferner ein Dosierelement 86 auf, mittels welchem das Reduktionsmittel an einer Einleitstelle E in das die Abgasanlage 16 durchströmende Abgas einbringbar ist. Die Einleitstelle E ist dabei stromab der Stelle S1 beziehungsweise stromab des Brenners 62 und stromauf des SCR-Katalysators 60 angeordnet. Somit ist der Brenner 62 vorzugsweise stromauf des Dosierelements 86 beziehungsweise stromauf der Einleitstelle E angeordnet. Wieder mit anderen Worten ausgedrückt ist das Dosierelement 86 beziehungsweise die Einleitstelle E nach dem Brenner 62 platziert beziehungsweise der Brenner 62 ist vor dem Dosierelement 86 beziehungsweise von der Einleitstelle E platziert. Das Brennerabgas kann Partikel enthalten, welche mittels des separaten, kleinen Filterelements 65 aus dem Brennerabgas herausgefiltert beziehungsweise aufgefangen werden. Die durch das Verbrennen des Brennstoff-Luft-Gemisch entstehenden Partikel des Brenners 62 werden in dem separaten kleinen Filterelement 65 stromab des Brenners 62 aufgefangen. Das als Filter wirkende Filterelement 65 kann relativ klein ausfallen, da Abgas- und Partikelstrom sehr klein sind im Verhältnis zum Motor-Massestrom und da die Menge der Partikel des Brenners 62 ebenfalls sehr gering ist im Verhältnis zu Asche und Öl und motorischem Abrieb aus der Verbrennungskraftmaschine 12.
  • Aus 4 ist erkennbar, dass das Filterelement 65 mit etwas Abstand direkt nach der Brennkammer 63 angeordnet sein kann. Die im Brennerabgas enthaltenen Partikel, welche beispielsweise Ruß sind, können im Filterelement 65 gesammelt werden. Durch die hohe Temperatur des Brennerabgases beziehungsweise des Brenners 62 selbst, ist mit geringem Sauerstoffgehalt jederzeit ein Rußabbrand darstellbar oder gewährleistet, durch welchen die mittels des Filterelements 65 rückgehaltenen und aufgefangenen und sich somit in dem Filterelement 65 befindenden Partikel abgebrannt, das heißt aus dem Filterelement 65 entfernt werden können. 5 zeigt ein Diagramm, auf dessen Abszisse 88 die Temperatur des Abgases aufgetragen ist. Auf der Ordinate 90 ist eine Effizienz beziehungsweise ein Wirkungsgrad aufgetragen, mit welchem im Abgas enthaltene Stickoxide durch SCR reduziert werden können. In 5 ist mit T1 eine Temperatur des Abgases bezeichnet, wobei beispielsweise dann und erst dann mittels des Dosierelements 86 das Reduktionsmittel in das Abgas eingebracht wird, wenn das Abgas eine Temperatur aufweist, welche größer oder gleich der Temperatur T1 ist. Die Temperatur T1 beträgt beispielsweise circa 180 Grad Celsius und ist somit eine Dosierfreigabe für das Einbringen des Reduktionsmittels in das Abgas. Ein Verlauf 91 veranschaulicht somit den Wirkungsgrad über der Temperatur des Abgases.
  • Mit SCR-Kupferkatalysatoren kann es durch schwefelhaltiges Öl und Kraftstoff zur Schwefelvergiftung und einer Reduzierung der Konvertierungsrate kommen. Für eine auch als Entschwefelung bezeichnete Desulfatisierung ist eine hohe Temperatur notwendig. Dies wird bei konventionellen Abgassysteme durch eine hohe Temperaturregeneration erreicht. Mit einem Brenner vor einem SCR-Katalysator kann die Desulfatisierung unabhängig von der Filterregeneration erfolgen, insbesondere dann, wenn der Brenner stromab des Partikelfilters angeordnet ist. Dies ist bei der Abgasanlage 16 der Fall. Insbesondere ist es bei der Abgasanlage 16 vorgesehen, dass nach dem SCR-Katalysator 60 keine Filtration des Abgases im Hinblick auf ein Herausfiltern von Partikeln aus dem Abgas mehr stattfindet. Weiterhin hat die Anordnung des Brenners 62 stromauf des SCR-Katalysators 60 und stromab des Partikelfilters 58 den Vorteil, dass der Abgasgegendruck besonders gering gehalten werden kann, wodurch Anforderungen an ein Sekundärluftgebläse für den Brenner 62 gering gehalten werden können. Mittels des Sekundärluftgebläses wird beispielsweise die Brennerluft gefördert und insbesondere zu dem Brenner 62 hin gefördert und insbesondere in die Brennkammer 63 hineingefördert. Das wiederum hat den Vorteil, dass besonders einfache und kostengünstige Gebläse als Sekundärluftgebläse zum Einsatz kommen können.
  • Die SCR-Temperatur ist durch die thermische Masse des vorgeschalteten Oxidationskatalysators und Partikelfilters 58 stark gedämpft und verzögert. Dies kann eine exakte Temperaturregelung schwierig machen. Da nun jedoch der Brenner 62 als Wärmequelle direkt vor dem SCR-Katalysator 60 und stromab des Partikelfilters 58 angeordnet ist, kann eine besonders einfache und exakte beziehungsweise präzise Temperaturregelung, insbesondere des SCR-Katalysators 60, realisiert werden, wodurch eine Aktivierung beziehungsweise ein Betrieb des Brenners 62 und ein damit einhergehender Kraft- beziehungsweise Brennstoffverbrauch besonders gering gehalten werden können. Wie aus 3 erkennbar ist, ist es möglich, dass die Abgasanlage 16 ein zweites Dosierelement 110 aufweist. Mittels des Dosierelements 110 kann das Reduktionsmittel an einer insbesondere von der Einleitstelle E beabstandeten zweiten Einleitstelle E2 in das Abgas, insbesondere zumindest in das Maschinenabgas, eingebracht, insbesondere eingespritzt, werden. Die zweite Einleitstelle E2 ist dabei stromauf des Partikelfilters 58 und vorzugsweise stromab der Abgasnachbehandlungskomponente 76 angeordnet.
  • Schließlich zeigt 6 in Diagramm, auf dessen Abszisse 92 die Zeit aufgetragen ist. Ein Verlauf 94 veranschaulicht eine Temperatur der Verbrennungskraftmaschine 12. Ein Verlauf 96 veranschaulicht eine Temperatur der Abgasnachbehandlungskomponente 76 der Abgasanlage 16. Ein Verlauf 98 veranschaulicht die Temperatur der Abgasnachbehandlungskomponente 76, wenn der Brenner 62 vor dem Oxidationskatalysator beziehungsweise vor der Abgasnachbehandlungskomponente 76 angeordnet wäre. Ein Verlauf 100 veranschaulicht eine Temperatur des SCR-Katalysators 60, während ein Betrieb des Brenners 62 unterbleibt. Ein Verlauf 102 veranschaulicht eine Temperatur des SCR-Katalysators 60, wenn der Brenner 62 vor dem Oxidationskatalysator beziehungsweise vor der Abgasnachbehandlungskomponente 76 angeordnet wäre. Außerdem veranschaulicht ein Verlauf 104 die Temperatur des SCR-Katalysators 60 bei der Abgasanlage 16, das heißt wenn der Brenner 62 stromab des Partikelfilters 58 und stromauf des SCR-Katalysators 60 angeordnet ist. Ein Verlauf 106 veranschaulicht die Last der Verbrennungskraftmaschine 12, und ein Verlauf 108 veranschaulicht die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 12.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Zylinder
    2
    Zylinder
    3
    Zylinder
    4
    Zylinder
    5
    Zylinder
    6
    Zylinder
    10
    Antriebseinrichtung
    12
    Verbrennungskraftmaschine
    14
    Motorgehäuse
    16
    Abgasanlage
    18
    Einlasstrakt
    20
    Abgasturbolader
    22
    Turbine
    24
    Turbinenrad
    26
    Verdichter
    28
    Verdichterrad
    30
    Welle
    32
    Ladeluftkühler
    34
    Drosselklappe
    36
    Abgaskrümmer
    38
    Flut
    40
    Abgaskrümmer
    42
    Flut
    44
    Abgasrückführeinrichtung
    46
    Rückführleitung
    48
    Abgasrückführkühler
    50
    Ventilelement
    52
    Umgehungseinrichtung
    54
    Umgehungsleitung
    56
    Ventilelement
    58
    Partikelfilter
    60
    SCR-Katalysator
    62
    Brenner
    63
    Brennkammer
    64
    Pfeil
    65
    Filterelement
    66
    Pfeil
    68
    Fremdzündeinrichtung
    70
    Pfeil
    72
    Pfeil
    74
    Abgasrohr
    76
    Abgasnachbehandlungskomponente
    78
    Ammoniak-Sperrkatalysator
    80
    Box
    82
    Sensor
    84
    Sensor
    86
    Dosierelement
    88
    Abszisse
    90
    Ordinate
    91
    Verlauf
    92
    Abszisse
    94
    Verlauf
    96
    Verlauf
    98
    Verlauf
    100
    Verlauf
    102
    Verlauf
    104
    Verlauf
    106
    Verlauf
    108
    Verlauf
    110
    Dosierelement
    E
    Einleitstelle
    E2
    Einleitstelle
    p1
    Druck
    p2s
    Druck
    p31
    Druck
    p32
    Druck
    p4
    Druck
    S1
    Stelle
    T1
    Temperatur
    V1
    Verbindungsstelle
    V2
    Verbindungsstelle
    V3
    Verbindungsstelle
    V4
    Verbindungsstelle

Claims (10)

  1. Abgasanlage (16) für eine Verbrennungskraftmaschine (12) eines Kraftfahrzeugs, mit einem von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (12) durchströmbaren Partikelfilter (58) zum Herausfiltern von Partikeln aus dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine (12), und mit einem von dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine (12) durchströmbaren und stromab des Partikelfilters (58) angeordneten SCR-Katalysator (60) zum Entsticken des Abgases der Verbrennungskraftmaschine (12), dadurch gekennzeichnet, dass: - die Abgasanlage einen Brenner (62) aufweist, mittels welchem unter Bereitstellen eines Abgases des Brenners (62) das Abgas der Verbrennungskraftmaschine (12) an einer stromauf des SCR-Katalysators (60) und stromab des Partikelfilters (58) angeordneten Stelle (S1) erwärmbar ist, und - die Abgasanlage (16) ein Filterelement (65) zum Herausfiltern von Partikeln aus dem Abgas des Brenners (62) aufweist.
  2. Abgasanlage (16) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasanlage (16) ein von dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine (12) durchströmbares Rohrelement (74) aufweist, wobei der Brenner (62) eine außerhalb des Rohrelements (74) angeordnete Brennkammer (63) aufweist, in welcher unter Bildung des Abgases des Brenners (62) ein Brennstoff-Luft-Gemisch zu zünden und verbrennbar ist, wobei an der Stelle (S1) das Abgas des Brenners (62) aus der Brennkammer (63) in das Rohrelement (74) einleitbar ist, und wobei das Filterelement (65) stromab der Brennkammer (63) und stromauf der Stelle (S1) angeordnet und von dem Abgas des Brenners (62) durchströmbar ist.
  3. Abgasanlage (16) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasanlage (16) stromab des SCR-Katalysators (60) frei von einem weiteren Filter zum Filtern des jeweiligen Abgases ist.
  4. Abgasanlage (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromauf des Partikelfilters (58) ein von dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine (12) durchströmbarer Oxidationskatalysator (76) und/oder ein von dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine (12) durchströmbarer Stickoxid-Speicherkatalysator (76) angeordnet ist.
  5. Abgasanlage (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Dosierelement (86), mittels welchem an einer stromab der Stelle (S1) und stromauf des SCR-Katalysators (60) angeordneten Einleitstelle (E) ein Reduktionsmittel zum Entsticken des Abgases der Verbrennungskraftmaschine (12) in das Abgas der Verbrennungskraftmaschine (12) einbringbar ist.
  6. Abgasanlage (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (58) eine für die selektive katalytische Reduktion zum Entsticken des Abgases katalytisch wirksame Beschichtung aufweist.
  7. Abgasanlage (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasanlage (16) einen stromab des SCR-Katalysators (60) angeordneten und von dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine (12) durchströmbaren Ammoniak-Sperrkatalysator (78) aufweist.
  8. Abgasanlage (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Brenner (62), der Partikelfilter (58) und der SCR-Katalysator (60) in einer gemeinsamen, von dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine (12) durchströmbaren Box (80) angeordnet sind.
  9. Antriebseinrichtung (10) für ein Kraftfahrzeug, mit einer Verbrennungskraftmaschine (12) zum Antreiben des Kraftfahrzeugs, und mit wenigstens einer Abgasanlage (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  10. Kraftfahrzeug, mit wenigstens einer Abgasanlage (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und/oder mit einer Antriebseinrichtung (10) nach Anspruch 9.
DE102019006494.1A 2019-09-13 2019-09-13 Abgasanlage für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug sowie Kraftfahrzeug Active DE102019006494B4 (de)

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