DE102019124775A1

DE102019124775A1 - Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage

Info

Publication number: DE102019124775A1
Application number: DE102019124775.6A
Authority: DE
Inventors: Christian Schwarz
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2019-09-16
Filing date: 2019-09-16
Publication date: 2021-03-18

Abstract

Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage in der eine Abgasreinigungsanlage angeordnet ist, wobei die Abgasanlage stromab der Abgasreinigungsanlage von einer Absperrvorrichtung absperrbar ist und das Abgas zwischen der Abgasreinigungsanlage und der Absperrvorrichtung von einer Pumpe in einen Druckspeicher förderbar ist und ausgehend von dem Druckspeicher über ein Ventil in die Abgasanlage stromauf der Abgasreinigungsanlage wieder in die Abgasanlage rückführbar ist, wobei stromauf der Abgasreinigungsanlage ein Zusatzbrenner angeordnet ist.Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage und dem Verfahren wird die Abgasreinigungsanlage sehr schnell auf ihre Betriebstemperatur gebracht und es muss nur eine geringe Abgasmenge in dem Druckspeicher zwischengespeichert werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Zum technischen Umfeld wird beispielsweise auf die deutsche Offenlegungsschrift DE 37 34 197 A1 hingewiesen. Aus dieser ist eine Einrichtung zum Entfernen von Festkörperpartikeln, insbesondere Rußteilchen, aus dem Abgas einer Brennkraftmaschine bekannt. Die Einrichtung weist eine Trennvorrichtung zur Auftrennung des Abgasstromes in einen weitgehend partikelfreien Abgashauptstrom und einem partikelangereicherten Abgasnebenstrom auf. Der Abgasnebenstrom wird einer Entsorgungsvorrichtung zugeführt, die eine Brennkammer und einen Zündbrenner zum Erzeugen einer die Festkörperpartikel abbrennenden Flamme aufweist. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades der Einrichtung durch Reduzierung der erforderlichen Heizleistung ist in der Brennkammer ein Filter angeordnet, der die Brennkammer in einen Filtervor- und einen Filternachraum unterteilt. Die Abbrandflamme des Zündbrenners brennt in den Filterraum hinein und die Abbrandgase werden über eine in dem Filternachraum angeordnete Auslassöffnung abgeführt. Die Zuführung des Abgasnebenstroms erfolgt in dem Filtervorraum in tangentialer Zuströmrichtung.
Weiter wird auf die deutsche Offenlegungsschrift DE 42 08 609 A1 hingewiesen. In dieser Offenlegungsschrift ist ein Verfahren zur Reduzierung der Zeitdauer bis zum Erreichen der Betriebstemperatur einer im Abgassystem einer Brennkraftmaschine angeordneten Abgasreinigungsvorrichtung beschrieben, bei welchem während dieser Zeitdauer stromauf der Abgasreinigungsvorrichtung die Temperatur des Abgases durch Verbrennen eines Energieträgers zusätzlich erhöht wird. Um eine Reduzierung der Zeitdauer ohne eine nennenswerte Erhöhung der Schadstoffemission erreichen zu können, wird vorgeschlagen, als Energieträger Wasserstoff zu verwenden.
Weiter sind aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2012 005 987 A1 eine Abgasanlage für ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben der Abgasanlage bekannt. Es wird eine Abgasanlage für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, welche wenigstens eine Abgasnachbehandlungseinrichtung aufweist, welche stromabwärts einer Verbrennungskraftmaschine des Kraftfahrzeuges angeordnet ist. Mittels einer Verstelleinrichtung ist das Abgas einem Auslass der Abgasanlage oder einer Speichereinrichtung zuführbar. Das in die Speichereinrichtung einzuspeichernde Abgas ist über zumindest eine Auslassleitung stromaufwärts wenigstens der einen Abgasnachbehandlungseinrichtung in die Abgasanlage einbringbar. Hierbei ist die Verstelleinrichtung in Abhängigkeit von einem Signal wenigstens eines Schadstoffsensors ansteuerbar, mittels welchem eine Wirksamkeit der wenigstens einen Abgasnachbehandlungseinrichtung erfassbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Abgasanlage.
Nachteilig an dem bekannten, letztgenannten Verfahren ist, dass eine relativ große Abgasmenge zwischengespeichert werden muss, bevor der Katalysator seine Light-off-Temperatur, d. h. seine Betriebstemperatur erreicht hat.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Maßnahme und ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem die Menge des zwischengespeicherten Abgases deutlich reduziert werden kann.
Diese Aufgabe wird vorrichtungsmäßig durch das Merkmal im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 und verfahrensmäßig durch die Merkmale im Patentanspruch 4 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den zwei Unteransprüchen beschrieben.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Abgasanlage wird die Light-off-Temperatur der Abgasreinigungsanlage, wie beispielsweise einem 3-Wege-Katalysator, einem SCR-Katalysator oder einem NO_x-Speicherkatalysator etc. sehr schnell erzielt, wodurch die Menge an zwischenzuspeicherndem nicht gereinigtem Abgas deutlich reduziert wird.
Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 ist eine bevorzugte Ausführungsvariante, bei der ein Rückströmen des Abgases in Richtung der Pumpe verhindert wird.
In vorteilhafter Weise wird der Zusatzbrenner gemäß Patentanspruch 3 mit demselben Brennstoff wie die Brennkraftmaschine betrieben, sodass ein zusätzlicher Brennstofftank entfallen kann. In einer weiteren Ausführungsvariante kann auch ein elektrischer Heizer mit einem Gebläse verwendet werden.
Mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 4 wird die Menge des ungereinigten zwischenzuspeichernden Abgases drastisch reduziert.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand einer einzigen Figur näher erläutert.

1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine.

1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Abgasanlage 2 für eine Brennkraftmaschine 1. Die Abgasanlage 2 ist über einen Abgaskrümmer 11 mit der Brennkraftmaschine 1 Abgas führend verbunden, wobei in Strömungsrichtung eines Abgases der Brennkraftmaschine 1 eine Abgasreinigungsanlage 3 in der Abgasanlage 2 angeordnet ist. Bei der Abgasreinigungsvorrichtung 3 kann es sich beispielsweise um einen 3-Wege-Katalysator oder einen SCR-Katalysator (selective catalytic reduction) oder einen NO_x-Speicherkatalysator oder eine sonstige Abgasreinigungsanlage handeln.
In 1 sind zwei erfindungsgemäße Varianten der Abgasanlage 2 dargestellt.
In einer ersten Variante durchströmt das Abgas die Abgasreinigungsanlage 3 bis zu einer Absperrvorrichtung 4, wobei die Absperrrichtung 4 in Strömungsrichtung des Abgases vor einem Schalldämpfer 10 angeordnet ist.
In einer zweiten Variante ist die Absperrvorrichtung 4 in Strömungsrichtung des Abgases hinter dem Schalldämpfer 10 angeordnet. Diese zwei unterschiedlichen Varianten sind jeweils durch einen Doppelpfeil und mit dem Wort „oder“ dargestellt. Funktionell sind beide Varianten gleich zu betrachten.
Wenn die Absperrvorrichtung 4 geöffnet ist, wird das Abgas aus der Abgasanlage 2 in die Umgebung ausgeblasen.
Ist die Absperrvorrichtung 4 geschlossen, wird das Abgas von einer Pumpe 5 (vor oder nach dem Schalldämpfer 10) abgesaugt und in einen Druckspeicher 6 gefördert. Damit ein Zurückströmen des Abgases in Richtung Pumpe 5 verhindert ist, ist in diesem Ausführungsbeispiel zwischen der Pumpe 5 und dem Druckspeicher 6 vorzugsweise ein Rückschlagventil 9 angeordnet. In diesem Druckspeicher 6 ist Abgas nach einem Start der Brennkraftmaschine 1 in verdichteter oder komprimierter Form speicherbar, bis die Abgasreinigungsanlage 3 ihre Betriebstemperatur, die Light-off-Temperatur, erreicht hat.
Hat die Abgasreinigungsanlage 3 ihre Light-off-Temperatur (Abgasreinigung ist nun möglich) erreicht, wird über eine weitere, nicht bezifferte Rückführungsleitung der Abgasanlage 2 das komprimiert gespeicherte ungereinigte Abgas aus dem Druckspeicher 6 wieder in die Abgasanlage 2 vor der Abgasreinigungsanlage 3 eingeblasen, wobei das Abgas nun von der Abgasreinigungsanlage 3 von Schadstoffen gereinigt wird. Um diese Abgasrückführung in die Abgasanlage 2 vor der Abgasreinigungsanlage 3 richtig zu dosieren, ist in der Rückführungsleitung der Abgasanlage 2 vorzugsweise ein Ventil 7 vorzusehen. Dieses kann mechanisch, elektrisch pneumatisch oder elektrohydraulisch angesteuert werden.
Um ein schnelles Erreichen der Light-off-Temperatur der Abgasreinigungsanlage 3 in der Abgasanlage 2 zu erzielen, ist erfindungsgemäß in der Abgasanlage 2 ein Zusatzbrenner 8 in Strömungsrichtung des Abgases vor der Abgasreinigungsanlage 3 vorgesehen. Vorzugsweise ist der Zusatzbrenner 8 mit dem gleichen Brennstoff betreibbar wie die Brennkraftmaschine 1. Hierbei kann es sich beispielsweise um Benzin oder Diesel oder Erdgas oder Wasserstoff handeln.
Mit dieser erfindungsgemäßen Abgasanlage 2 für eine Brennkraftmaschine 1 ist nun folgendes Verfahren nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine 1 darstellbar:

- Starten der Brennkraftmaschine 1 und des Zusatzbrenners 8 und Aufheizen der Abgasreinigungsanlage 3,
- Schließen der Absperrvorrichtung 4 und des Ventils 7,
- Anschalten der Pumpe 5 und Absaugen der Abgase von der Brennkraftmaschine 1 und des Zusatzbrenners 8 und Fördern der Abgase in den Druckspeicher 6 bis die Abgasreinigungsanlage 3 ihre Betriebstemperatur erreicht hat,
- Öffnen der Absperrvorrichtung 4 und Ausschalten der Pumpe 5,
- Öffnen des Ventils 7 und Rückführen der Abgase aus dem Druckspeicher 6 in die Abgasanlage 2 stromauf der Abgasreinigungsanlage 3 bis der Druckspeicher 6 weitgehend drucklos ist.

Somit ist ein neuer, erfindungsgemäßer Ansatz dargestellt, unabhängig von der Brennkraftmaschine 1 einen Zusatzbrenner 8 (beispielsweise eine Brennkammer mit vorverdichteter Luft, Brennstoffbetrieb und vorzugsweise externer Zündung, auch eine elektrische Heizung mit Gebläse ist denkbar) zur Erreichung der Light-off-Temperatur der Abgasreinigungsanlage 3 zu verwenden. Durch die beschleunigte Erreichung der Light-off-Temperatur der Abgasreinigungsanlage 3 fällt die Menge des zu komprimierenden, ungereinigten Abgases im Gegensatz zum zitierten Stand der Technik deutlich geringer aus. Somit ist die Zwischenspeicherung des Abgases deutlich einfacher und packagefreundlicher. Auch muss die Brennkraftmaschine 1 nicht gestartet werden, was eventuell auch ein regulatorischer Vorteil für eine PHEV-Zertifizierung (Plug in Hybrid Electric Vehicle) sein kann. Zudem kann mit der Pumpe 5 auch Frischgas durch die Abgasreinigungsanlage 3 gefördert werden, was die Zeit bis zum Erreichen der Light-off-Temperatur nochmals verkürzt.
Somit kann nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine 1 in vorteilhafter Weise die Light off-Temperatur der Abgasreinigungsanlage 3 schnellstmöglich erreicht werden, bei einer schnellstmöglichen und einfachen Zwischenspeicherung des Abgases.
Bezugszeichenliste

1.: Brennkraftmaschine
2.: Abgasanlage
3.: Abgasreinigungsanlage
4.: Absperrvorrichtung
5.: Pumpe
6.: Druckspeicher
7.: Ventil
8.: Zusatzbrenner
9.: Rückschlagventil
10.: Schalldämpfer
11.: Abgaskrümmer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3734197 A1 [0002]
DE 4208609 A1 [0003]
DE 102012005987 A1 [0004]

Claims

Brennkraftmaschine (1) mit einer Abgasanlage (2) in der eine Abgasreinigungsanlage (3) angeordnet ist, wobei die Abgasanlage (2) stromab der Abgasreinigungsanlage (3) von einer Absperrvorrichtung (4) absperrbar ist und das Abgas zwischen der Abgasreinigungsanlage (3) und der Absperrvorrichtung (4) von einer Pumpe (5) in einen Druckspeicher (6) förderbar ist und ausgehend von dem Druckspeicher (6) über ein Ventil (7) in die Abgasanlage (2) stromauf der Abgasreinigungsanlage (3) wieder in die Abgasanlage (2) rückführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass stromauf der Abgasreinigungsanlage (3) ein Zusatzbrenner (8) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Pumpe (5) und dem Druckspeicher (6) ein Rückschlagventil (9) in der Abgasanlage (2) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzbrenner (8) mit demselben Brennstoff wie die Brennkraftmaschine (1) betreibbar ist.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 mit folgenden Verfahrensschritten: - Starten der Brennkraftmaschine (1) und des Zusatzbrenners (8) und Aufheizen der Abgasreinigungsanlage (2), - Schließen der Absperrvorrichtung (4) und des Ventils (7), - Anschalten der Pumpe (5) und Absaugen der Abgase von der Brennkraftmaschine (1) und des Zusatzbrenners (8) und Fördern der Abgase in den Druckspeicher (6) bis die Abgasreinigungsanlage (3) ihre Betriebstemperatur erreicht hat, - Öffnen der Absperrvorrichtung (4) und Ausschalten der Pumpe (5), - Öffnen des Ventils (7) und Rückführen der Abgase aus dem Druckspeicher (6) in die Abgasanlage (2) stromauf der Abgasreinigungsanlage (3) bis der Druckspeicher (6) weitgehend drucklos ist.