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Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor sowie ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit einem solchen Abgasnachbehandlungssystem gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
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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 StickoxidEmissionen 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. Als Reduktionsmittel wird dabei bevorzugt Ammoniak verwendet. Weil der Umgang mit reinem Ammoniak aufwendig ist, wird bei Fahrzeugen üblicherweise eine synthetische, wässrige Harnstofflösung verwendet, die in einer dem SCR-Katalysator vorgeschalteten Mischeinrichtung mit dem heißen Abgasstrom vermischt wird. Durch diese Vermischung wird die wässrige Harnstofflösung erhitzt, wobei die wässrige Harnstofflösung Ammoniak im Abgaskanal freisetzt. Eine handelsübliche, wässrige Harnstofflösung setzt sich im Allgemeinen aus 32,5 % Harnstoff und 67,5 % Wasser zusammen.
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Zudem ist bekannt, die Rohemissionen eines Verbrennungsmotors zu verringern, indem ein Teil des Abgasstroms in den Ansaugtrakt zurückgeführt und der Frischluft beigemischt wird. Dabei lässt sich bei aufgeladenen Verbrennungsmotoren zwischen einer Hochdruck-Abgasrückführung und einer Niederdruck-Abgasrückführung unterscheiden. Die Hochdruck-Abgasrückführung verbindet den Auslassbereich des Verbrennungsmotors mit dem Einlassbereich des Verbrennungsmotors. Die Niederdruck-Abgasrückführung verbindet einen Bereich in der Abgasanlage stromabwärts einer Turbine des Abgasturboladers mit einem Bereich des Ansaugtraktes stromaufwärts eines Verdichters des Abgasturboladers. Eine Freigabe der Niederdruck-Abgasrückführung kann bei aufgeladenen Diesel- und Ottomotoren erst dann erfolgen, wenn das Risiko der Kondensatbildung stromaufwärts des Verdichters des Abgasturboladers nicht mehr gegeben ist, da die Kondensattröpfchen den Verdichter beschädigen können. Üblicherweise erfolgt die Freigabe der Niederdruck-Abgasrückführung in Abhängigkeit von einer Kühlmitteltemperatur des Verbrennungsmotors, wobei ein Schwellenwert der Kühlmitteltemperatur in Abhängigkeit von der Temperatur der Ansaugluft gewählt wird und mit sinkender Ansauglufttemperatur zunimmt. Somit kann nach einem Start des Verbrennungsmotors ein Zeitraum vergehen, bevor die Niederdruck-Abgasrückführung freigegeben werden kann.
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Mit der Niederdruck-Abgasrückführung kann gegenüber der Hochdruck-Abgasrückführung eine signifikante Minderung der Stickoxid-Rohemissionen erreicht werden. Darüber hinaus kann in weiten Bereichen des Motorkennfelds des Verbrennungsmotors eine höhere Abgasrückführungsrate eingestellt werden, weil für die Niederdruck-Abgasrückführung ein entsprechendes Spülgefälle zwischen dem Abgaskanal und dem Ansaugtrakt nicht erforderlich bzw. stets gegeben ist.
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Aus der
DE 10 2018 209 238 A1 ist ein Verbrennungsmotor mit einem Ansaugsystem und einer Abgasanlage bekannt, wobei an einem Ansaugkanal des Ansaugsystems stromabwärts einer Einmündung einer Abgasrückführungleitung ein Heizelement vorgesehen ist, um Kondensatbildung im Ansaugstrom zu verhindern und zu verhindern, dass Kondensattröpfchen auf das Verdichterrad des Abgasturboladers auftreffen.
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Die
DE 10 2015 219 625 A1 offenbart einen Verbrennungsmotor mit einem Abgasturbolader und einer Niederdruck-Abgasrückführung, wobei die Niederdruck-Abgasrückführung ein Abgasrückführungsventil und einen Abgasrückführungskühler aufweist. Dabei ist an dem Ansaugsystem stromabwärts der Einmündung der Abgasrückführungsleitung eine Heizeinrichtung vorgesehen, mit welcher die Temperatur an der Innenwand des Ansaugrohrs erhöht werden kann, um Kondensat in der Ansaugleitung zu vermeiden.
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Die
DE 10 2008 043 036 B4 offenbart einen Verbrennungsmotor mit einem Abgasnachbehandlungssystem. Dabei zweigt eine Niederdruck-Abgasrückführungsleitung stromabwärts einer Turbine eines Abgasturboladers und stromaufwärts einer ersten Abgasnachbehandlungskomponente aus dem Abgaskanal ab und verbindet diesen mit dem Ansaugtrakt stromaufwärts des Verdichters des Abgasturboladers. Dabei ist in der Abgasrückführungsleitung der Niederdruck-Abgasrückführung ein elektrisch beheizbarer Partikelfilter angeordnet. Dieser Partikelfilter ist wesentlich kleiner als der Partikelfilter in dem Hauptkanal der Abgasanlage.
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Ferner ist aus dem Stand der Technik bekannt, einen Filter in der Niederdruck-Abgasrückführung anzuordnen, um einen Partikeleintrag in die Niederdruck-Abgasrückführungsleitung zu minimieren. Dieser Filter kann sich durch häufigen Kurzstreckenbetrieb und/oder bei leichtem Partikelschlupf durch den Partikelfilter mit Partikeln zusetzen und ist dann nur mit hohem thermischem Aufwand regenerierbar.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Abgasemissionen eines Verbrennungsmotors mit Niederdruck-Abgasrückführung weiter zu verringern und die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile in Bezug auf Freigabe der Niederdruck-Abgasrückführung und Regeneration des Filters in der Niederdruck-Abgasrückführung zu überwinden.
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Diese Aufgabe wird durch ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor, umfassend eine Abgasanlage, in welcher in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors stromabwärts einer Turbine eines Abgasturboladers ein motornaher erster Katalysator und stromabwärts des motornahen ersten Katalysators ein Partikelfilter angeordnet ist, gelöst. Dabei zweigt aus der Abgasanlage stromabwärts des Partikelfilters an einer Verzweigung eine Abgasrückführungsleitung einer Niederdruck-Abgasrückführung ab. Stromabwärts der Verzweigung ist eine Abgasstauklappe vorgesehen ist, mit welcher der Abgasstrom des Verbrennungsmotors wahlweise durch einen Hauptkanal des Abgaskanals oder die Niederdruck-Abgasrückführung geleitet werden kann, wobei in einem ersten Leitungsabschnitt der Abgasrückführungsleitung ein Filter angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in der Niederdruck-Abgasrückführung mindestens ein elektrisches Heizelement angeordnet ist, mit welchem ein über die Niederdruck-Abgasrückführung zurückgeführter Abgasstrom aufheizbar ist.
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Ein erfindungsgemäßes Abgasnachbehandlungssystem ermöglicht eine schnelle Freigabe der Niederdruck-Abgasrückführung. Dies ermöglicht eine Verringerung der Kaltstartemissionen des Verbrennungsmotors. Zudem kann gegebenenfalls die Hochdruck-Abgasrückführung entfallen, da die Niederdruck-Abgasrückführung unmittelbar nach dem Kaltstart des Verbrennungsmotors aktiviert werden kann. Unter einer unmittelbaren Freigabe ist in diesem Zusammenhang eine Freigabe der Niederdruck-Abgasrückführung mit einer Zeitverzögerung von weniger als 10 Sekunden, vorzugsweise von weniger als 5 Sekunden, besonders bevorzugt von weniger als 3 Sekunden ab dem Start des Verbrennungsmotors zu verstehen.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Merkmale sind vorteilhafte Weiterentwicklungen und nicht triviale Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Abgasnachbehandlungssystems möglich.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, der Partikelfilter mit einer Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden versehen ist. Dadurch können die Partikelfilterfunktion und die SCR-Funktion in einem Bauteil vereint werden, sodass bei der Montage des Abgasnachbehandlungssystems weniger Bauteile montiert werden müssen. Zudem lassen sich die Kosten senken, da ein SCR-Beschichtung auf dem Partikelfilter günstiger als ein zusätzlicher Katalysator ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass stromabwärts des Partikelfilters eine zweite Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet ist. Insbesondere sind dabei ein motornaher Partikelfilter mit einer SCR-Beschichtung und ein SCR-Katalysator in Unterbodenlage eines Kraftfahrzeugs vorgesehen. Dadurch kann der Temperaturbereich erweitert werden, in welchem mindestens eine Abgasnachbehandlungskomponenten zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden in einem zur Reduktion der Stickoxidemissionen idealen Temperaturbereich betrieben wird.
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In einer weiteren Verbesserung des Abgasnachbehandlungssystem ist vorgesehen, dass die Abgasrückführungsleitung stromabwärts des Filters eine weitere Verzweigung aufweist, an der eine Bypassleitung abzweigt, welche die Abgasrückführungsleitung mit dem Abgaskanal stromabwärts der Abgasstauklappe verbindet. Dadurch kann der Abgasrückführungskühler in einer Kaltstartphase des Verbrennungsmotors als Abgaswärmerückgewinnungskomponente genutzt werden, wobei der zurückgeführt Abgasstrom das zu diesem Zeitpunkt noch kalte Kühlmittel des Verbrennungsmotors erwärmt. Dadurch kann die innere Reibung im Verbrennungsmotor verringert und der Wirkungsgrad erhöht werden.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das elektrische Heizelement ein elektrisch beheizbarer Filter ist. Durch einen elektrisch beheizbaren Filter können die Filterfunktion und die Heizfunktion in einem Bauteil vereint werden, wodurch sich der Montageaufwand für das Abgasnachbehandlungssystem reduzieren lässt. Das Heizelement kann dabei in Form von Heizdrähten in das Filtersubstrat integriert sein oder durch eine dem Filter vor- oder nachgeschaltete elektrische Heizscheibe ausgebildet sein.
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Bevorzugt ist dabei, wenn dem Filter ein elektrisches Heizelement unmittelbar vorgeschaltet ist. Dadurch wird der Abgasstrom vor dem Eintritt in den Filter erwärmt, wodurch das Heizelement neben der schnelleren Freigabe der Niederdruck-Abgasrückführung auch dazu genutzt werden kann, um eine Regeneration des Filters einzuleiten.
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Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass das elektrische Heizelement dem Filter unmittelbar nachgeschaltet ist. Bei einem elektrischen Heizelement stromabwärts des Filters kann die Wärme vom Heizelement nicht durch Konvektion, sondern ausschließlich durch Wärmestrahlung und Konduktion auf den Filter übertragen werden. Dennoch kann eine solche Anordnung vorteilhaft sein, um den Bauraum ideal zu nutzen und den Filter in einen Einlasstrichter der Niederdruck-Abgasrückführung zu integrieren, wodurch die Druckverluste minimiert werden können.
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Besonders bevorzugt ist dabei eine Ausgestaltung des elektrischen Heizelements als Heizscheibe. Eine Heizscheibe ist ein besonders flaches und damit platzsparendes Heizelement, welches auf einfache Art und Weise in die Niederdruck-Abgasrückführung eingesetzt werden kann. Ferner lässt sich eine Heizscheibe besonders einfach an einem Filter anordnen, um den Filter und den zurückgeführten Abgasstrom gleichzeitig zu erhitzen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in der Niederdruck-Abgasrückführung ein Abgasrückführungskühler angeordnet ist, wobei das elektrische Heizelement ein stromabwärts des Abgasrückführungskühlers angeordnetes Heizelement ist. Durch eine Anordnung des Heizelements stromabwärts eines Abgasrückführungskühlers, insbesondere stromabwärts des Abgasrückführungskühlers und der weiteren Verzweigung, kann das aufzuheizende Abgasvolumen reduziert werden. Dadurch wird eine geringere Heizleistung für das elektrische Heizelement benötigt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass das elektrische Heizelement eine Heizleistung von 1 KW bis 8 KW, vorzugsweise von 2 KW bis 5 KW, besonders bevorzugt zwischen 3 KW und 4 KW aufweist.
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Besonders bevorzugt ist dabei, wenn das elektrische Heizelement aus einem Bordnetz eines Kraftfahrzeuges mit einer Spannung von 32 Volt bis 52 Volt, insbesondere aus einem 48-Volt-Bordnetz, versorgbar ist. Durch ein 48-Volt-Bordnetz lässt sich gegenüber einem 12-Volt-Bordnetz eine höhere Heizleistung für das elektrische Heizelement darstellen. Durch eine Heizleistung von mindestens 3 KW kann eine derart starke Aufheizung des zurückgeführten Abgasstroms erreicht werden, dass die Niederdruck-Abgasrückführung unmittelbar nach dem Kaltstart des Verbrennungsmotors freigegeben werden kann und die Gefahr von Kondensatbildung gebannt ist.
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In einer alternativen Ausgestaltung des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass das elektrische Heizelement eine Heizleistung von 200 Watt bis 1500 Watt aufweist.
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Besonders bevorzugt ist dabei, wenn das elektrische Heizelement mit einer Spannung von 10 Volt bis 25 Volt, insbesondere aus einem 12-Volt-Bordnetz oder einem 24-Volt-Bordnetz eines Kraftfahrzeuges, versorgbar ist. Bei einem elektrischen Heizelement stromabwärts des Abgasrückführungskühlers wird durch das Heizelement nicht die komplette Niederdruck-Abgasrückführung durchwärmt, sondern lediglich die Temperatur des zurückgeführten Abgasstroms vor der Einleitung in den Frischluftstrom erhöht. Dadurch kann ein leistungsschwächeres Heizelement eingesetzt werden, welches auch aus einem 12-Volt-Bordnetz problemlos mit elektrischen Strom versorgbar ist.
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Ein weiterer Teilaspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotor mit einem solchen Abgasnachbehandlungssystem, welches folgende Schritte umfasst:
- - Starten des Verbrennungsmotors, wobei das elektrische Heizelement in der Niederdruck-Abgasrückführung vorzugsweise spätestens ab dem Start, alternativ spätestens 10 Sekunden nach dem Start des Verbrennungsmotors elektrisch beheizt wird,
- - Freigabe der Niederdruck-Abgasrückführung nach Erreichen einer applizierbaren Gastemperatur in der Niederdruck-Abgasrückführung im oder stromab des Heizelementes oder einer Schwellentemperatur das Kühlmittels des Verbrennungsmotors.
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Durch ein solches Verfahren können die Kaltstartemissionen des Verbrennungsmotors verringert und strengere Abgasgesetzgebungen erfüllt werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Ansauglufttemperatur erfasst wird, und die Schwellentemperatur in Abhängigkeit von der Ansauglufttemperatur festgelegt wird. Da bei kälterer Ansaugluft die Gefahr von Kondensatbildung größer ist, wird die Schwellentemperatur bei sinkender Ansauglufttemperatur entsprechend höher gewählt, um die gleiche Sicherheit gegen eine Kondensatbildung im Ansaugtrakt zu erreichen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass über das Heizelement und das zurückgeführte Abgas die Ansaugluft des Verbrennungsmotors erwärmt wird, um die Rohemissionen des Verbrennungsmotors abzusenken. Infolge der dann möglichen Erwärmung der Ladeluft durch wärmeres, zurückgeführtes Abgas kann eine hinsichtlich der Emissionen an Kohlenstoffmonoxid (CO), unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) und Partikeln schadstoffärmere Verbrennung im Schwachlastbetrieb des Verbrennungsmotors erreicht werden. Ferner kann durch das Aufheizen der Ansaugluft die Abgastemperatur gesteigert werden, sodass ein elektrisches Heizelement im Abgaskanal entfallen kann. Optional kann die Kühlmitteldurchströmung des Ladeluftkühlers gedrosselt oder verhindert werden oder ein Bypass für den Ladeluftkühler vorgesehen werden, um die Temperatur der Ansaugluft im Schwachlastbetrieb zu erhöhen.
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Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem;
- 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem mit einem beheizbaren Filter in der Niederdruck-Abgasrückführung;
- 3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem mit einem Heizelement in der Niederdruck-Abgasrückführung, welches stromabwärts einer Verzweigung der Niederdruck-Abgasrückführung aus dem Abgaskanal und stromaufwärts eines Abgasrückführungskühlers angeordnet ist; und
- 4 ein viertes Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem mit einem elektrischen Heizelement in der Niederdruck-Abgasrückführung, wobei das elektrische Heizelement stromabwärts des Abgasrückführungskühlers in der Niederdruck-Abgasrückführung angeordnet ist.
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1 zeigt die schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors 10. Der Verbrennungsmotor 10 ist als direkteinspritzender Dieselmotor ausgeführt. Der Verbrennungsmotor 10 weist mehrere Brennräume 12 auf. An den Brennräumen 12 ist jeweils ein Kraftstoffinjektor 14 zur Einspritzung eines Kraftstoffes in den jeweiligen Brennraum 12 angeordnet. Der Verbrennungsmotor 10 ist mit seinem Einlass 16 mit einem Luftversorgungssystem 20 und mit seinem Auslass 18 mit einer Abgasanlage 40 verbunden. Der Verbrennungsmotor 10 umfasst ferner eine Hochdruck-Abgasrückführung 30 mit einer Abgasrückführungsleitung 36 und einem Hochdruck-Abgasrückführungsventil 38, über welches ein Abgas des Verbrennungsmotors 10 von dem Auslass 18 zum Einlass 16 zurückgeführt werden kann. An den Brennräumen 12 sind Einlassventile und Auslassventile angeordnet, mit welchen eine fluidische Verbindung vom Luftversorgungssystem 20 zu den Brennräumen 12 oder von den Brennräumen 12 zur Abgasanlage 40 geöffnet oder verschlossen werden kann.
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Das Luftversorgungssystem 20 umfasst einen Ansaugkanal 28, in welchem in Strömungsrichtung von Frischluft durch den Ansaugkanal 28 ein Luftfilter 22, stromabwärts des Luftfilters 22 ein Luftmassenmesser 24, insbesondere ein Heißfilmluftmassenmesser, stromabwärts des Luftmassenmessers 24 ein Verdichter 26 eines Abgasturboladers 60, stromabwärts des Verdichters 26 ein Ladeluftkühler 32 angeordnet sind. Dabei kann der Luftmassenmesser 24 auch in einem Filtergehäuse des Luftfilters 22 angeordnet sein, sodass der Luftfilter 22 und der Luftmassenmesser 24 eine Baugruppe ausbilden. Stromabwärts des Luftfilters 22 und stromaufwärts des Verdichters 26 ist eine Einmündung 34 vorgesehen, an welcher eine Abgasrückführungsleitung 86 einer Niederdruck-Abgasrückführung 80 in den Ansaugkanal 28 mündet.
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Die Abgasanlage 40 umfasst einen Abgaskanal 42, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors 10 durch den Abgaskanal 42 eine Turbine 44 des Abgasturboladers 60 angeordnet ist, welche den Verdichter 26 im Luftversorgungssystem 20 über eine Welle antreibt. Der Abgasturbolader 60 ist vorzugsweise als Abgasturbolader 60 mit variabler Turbinengeometrie ausgeführt. Dazu sind einem Turbinenrad der Turbine 44 verstellbare Leitschaufeln vorgeschaltet, über welche die Anströmung des Abgases auf die Schaufeln der Turbine 44 variiert werden kann. Stromabwärts der Turbine 44 sind mehrere Abgasnachbehandlungskomponenten 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58 vorgesehen. Dabei ist unmittelbar stromabwärts der Turbine 44 als erste Komponente der Abgasnachbehandlung ein erster Katalysator 46, insbesondere ein NOx-Speicherkatalysator 48 oder ein Oxidationskatalysator 50 angeordnet. Stromabwärts des ersten Katalysators 46 ist ein Partikelfilter 52 angeordnet, der optional eine Beschichtung 54 zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden aufweisen kann. Stromabwärts des Partikelfilters 52 ist optional ein weiterer SCR-Katalysator 56 angeordnet, welchem ein Sperrkatalysator 58 nachgeschaltet sein kann. Stromabwärts des Partikelfilters 52 kann in dem Abgaskanal 42 eine Abgasstauklappe 78 vorgesehen sein, mit welcher der Querschnitt des Abgaskanals 42 zumindest teilweise versperrt werden kann, um den Abgasgegendruck im Abgaskanal 42 zu erhöhen. Stromabwärts des Partikelfilters 52 und stromaufwärts der Abgasstauklappe 78 ist am Abgaskanal 42 eine erste Verzweigung 74 vorgesehen, an welcher eine Abgasrückführungsleitung 86 einer Niederdruck-Abgasrückführung 80 aus dem Abgaskanal 42 abzweigt.
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Die Niederdruck-Abgasrückführung 80 umfasst neben der Abgasrückführungsleitung 86 einen Niederdruck-Abgasrückführungskühler 82 und ein Abgasrückführungsventil 84, über welches die Abgasrückführung durch die Abgasrückführungsleitung 86 steuerbar ist. Ferner ist in der Niederdruck-Abgasrückführung 80 stromabwärts der ersten Verzweigung 74 und stromaufwärts des Abgasrückführungskühlers 82 ein Filter 88 angeordnet. Der Filter 88 ist vorzugsweise als elektrisch beheizbarer Filter 90 ausgeführt. Dazu kann der elektrisch beheizbare Filter 90 entweder wie in 1 dargestellt ein elektrisch beheizbares Filtersubstrat aufweisen oder durch eine elektrisch beheizbare Scheibe 94 beheizbar sein, welche wie in 2 dargestellt entweder unmittelbar stromaufwärts des Filters 88 oder wie in 3 dargestellt unmittelbar stromabwärts des Filters 88 angeordnet ist. Durch den elektrisch beheizbaren Filter 90 kann der über die Niederdruck-Abgasrückführung 80 zurückgeführte Abgasstrom aufgeheizt werden, um die Niederdruck-Abgasrückführung 80 unmittelbar nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 freizugeben. Unter einer unmittelbaren Freigabe ist in diesem Zusammenhang eine Freigabe der Niederdruck-Abgasrückführung mit einer Zeitverzögerung von weniger als 10 Sekunden, vorzugsweise von weniger als 5 Sekunden, besonders bevorzugt von weniger als 3 Sekunden ab einem Start des Verbrennungsmotors 10 zu verstehen. Somit kann verhindert werden, dass Wasserdampf auskondensiert und in der Niederdruck-Abgasrückführung 80 oder im Luftversorgungssystem 20 zu Beschädigungen führt. Ferner kann der beheizbare Filter 90 nach Freigabe der Reduktionsmitteleindosierung in die Abgasanlage verhindern, dass Reduktionsmittel in der Niederdruck-Abgasrückführung 80 auskondensiert und dort Ablagerungen bildet.
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Optional ist stromabwärts des Abgasrückführungskühlers 82 an der Abgasrückführungsleitung 86 eine weitere Verzweigung 76 ausgebildet, an welcher eine Bypassleitung 62 aus der Abgasrückführungsleitung 86 abzweigt, welcher den Abgasrückführungskanal 86 mit dem Abgaskanal 42 stromabwärts der Abgasstauklappe 78 und stromaufwärts des SCR-Katalysators 56 verbindet. In der Bypassleitung 62 ist ein Steuerelement 64, insbesondere eine Regelungsklappe, angeordnet, mit welchem die Bypassleitung 62 geöffnet und verschlossen werden kann. Der Abgasrückführungskühler 82 kann insbesondere in einer Kaltstartphase des Verbrennungsmotors 10 dazu genutzt werden, einen Teil der Abwärme des Abgases auf das Kühlmittel des Verbrennungsmotors 10 zu übertragen und somit diese Abwärme zumindest teilweise zurückzugewinnen.
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In dem Abgaskanal 42 ist, vorzugsweise an einer der Abgasnachbehandlungskomponenten 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, insbesondere am Partikelfilter 52 oder am SCR-Katalysator 56, ein Temperatursensor 70 vorgesehen, mit welchem eine Abgastemperatur in der Abgasanlage 40 überwacht werden kann, um eine effektive und effiziente Abgasnachbehandlung des Abgases des Verbrennungsmotors 10 zu ermöglichen. Ferner sind Differenzdrucksensoren 72 vorgesehen, um eine Druckdifferenz über den Partikelfilter 52 zu bestimmen. Auf diese Weise kann der Beladungszustand des Partikelfilters 52 ermittelt und bei Überschreiten eines definierten Beladungsniveaus eine Regeneration des Partikelfilters 52 eingeleitet werden. Ferner ist am Abgaskanal 42 mindestens ein Dosierelement 66, 68 vorgesehen, um ein Reduktionsmittel, insbesondere wässrige Harnstofflösung, stromaufwärts des SCR-Katalysators 56 und/oder stromaufwärts des Partikelfilters 52 in den Abgaskanal 42 zu dosieren. Vorzugsweise sind zwei Dosierelemente 66, 68 vorgesehen, wobei das erste Dosierelement 66 stromabwärts des ersten Katalysators 46 und stromaufwärts des Partikelfilters 52 und das zweite Dosierelement 68 stromabwärts der Abgasstauklappe 78 und stromaufwärts des SCR-Katalysators 56 angeordnet ist. Jedem Dosierelement 66, 68 kann ein Abgasmischer nachgeschaltet sein, um eine verbesserte Durchmischung des Abgasstroms mit dem Reduktionsmittel zu erzielen.
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Der Verbrennungsmotor 10 ist mit einem Motorsteuergerät 100 verbunden, welches über nicht dargestellte Signalleitungen mit den Druck- und Temperatursensoren 70, 72 sowie mit den Kraftstoffinjektoren 14 des Verbrennungsmotors 10 und den Steuereinrichtungen 24, 38, 64, 66, 68, 78, 84 des Luftversorgungssystems 20 sowie der Abgasanlage 40 verbunden ist.
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In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors 10 mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 ausgeführt, ist in diesem Ausführungsbeispiel dem Filter 88 in der Niederdruck-Abgasrückführung 80 ein elektrisches Heizelement, insbesondere eine elektrische Heizscheibe 94, vorgeschaltet, um den zurückgeführten Abgasstrom vor dem Eintritt in den Filter zu beheizen. Die elektrische Heizscheibe 94 weist vorzugsweise eine Heizleistung von 1 KW bis 8 KW, bevorzugt von 2 KW bis 5KW, besonders bevorzugt von 3 KW bis 4 KW auf. Vorzugsweise wird die elektrische Heizscheibe 94 aus einem Bordnetz mit einer Spannung von 32V - 52V, besonders bevorzugt aus einem 48V-Bordnetz eines Kraftfahrzeuges mit elektrischem Strom versorgt. Dadurch kann sowohl ein Wärmeeintrag in die Niederdruck-Abgasrückführung 80 nach einem Kaltstart mit dem Ziel einer möglichst frühen Freigabe der Niederdruck-Abgasrückführung erfolgen, als auch die Regeneration des Filters 88 unterstützt werden, indem der Filter 88 durch das elektrische Heizelement auf seine Regenerationstemperatur aufgeheizt wird.
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In 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors 10 mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 ausgeführt, ist in diesem Ausführungsbeispiel dem Filter 88 in der Niederdruck-Abgasrückführung 80 ein elektrisches Heizelement, insbesondere eine elektrische Heizscheibe 94, nachgeschaltet, um den zurückgeführten Abgasstrom zu erhitzen. Durch einen Kontakt mit dem Filter 88 kann dieser konduktiv oder durch Wärmestrahlung durch die elektrische Heizscheibe aufgeheizt werden. Die elektrische Heizscheibe 94 weist vorzugsweise eine Heizleistung von 1 KW bis 8 KW, bevorzugt von 2 KW bis 5KW, besonders bevorzugt von 3 KW bis 4 KW auf. Vorzugsweise wird die elektrische Heizscheibe 94 aus einem Bordnetz mit einer Spannung von 32V - 52V, besonders bevorzugt aus einem 48V-Bordnetz eines Kraftfahrzeuges mit elektrischen Strom versorgt. Dadurch kann sowohl ein Wärmeeintrag in die Niederdruck-Abgasrückführung 80 nach einem Kaltstart mit dem Ziel einer möglichst frühen Freigabe der Niederdruck-Abgasrückführung erfolgen, als auch die Regeneration des Filters 88 unterstützt werden, indem der Filter 88 durch das elektrische Heizelement auf seine Regenerationstemperatur aufgeheizt wird.
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In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors 10 mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 ausgeführt, ist in diesem Ausführungsbeispiel zusätzlich ein elektrisches Heizelement 92 stromabwärts des Abgasrückführungskühlers 82 und stromaufwärts der Einmündung 34 der Abgasrückführungsleitung 86 in die Ansaugleitung 28 angeordnet. Das elektrische Heizelement 92 kann im Vergleich zu den in 1 bis 3 dargestellten Positionen eine deutlich geringere Heizleistung im Bereich von 200W - 1500W, vorzugsweise im Bereich von 600W - 1000W aufweisen und wird vorzugsweise aus einem 12V- oder 24V-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs mit elektrischem Strom versorgt, da nicht die komplette Niederdruck-Abgasrückführung durch das elektrische Heizelement 92 durchwärmt werden muss. Die Durchwärmung der Niederdruck-Abgasrückführung 80 erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel durch die Wärme des zurückgeführten Abgasstroms.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbrennungsmotor
- 12
- Brennraum
- 14
- Kraftstoffinjektor
- 16
- Einlass
- 18
- Auslass
- 20
- Luftversorgungssystem
- 22
- Luftfilter
- 24
- Luftmassenmesser
- 26
- Verdichter
- 28
- Ansaugkanal
- 30
- Hochdruckabgasrückführung
- 32
- Ladeluftkühler
- 34
- Einmündung
- 36
- Abgasrückführungskanal
- 38
- Hochdruck-Abgasrückführungsventil
- 40
- Abgasanlage
- 42
- Abgaskanal
- 44
- Turbine
- 46
- erster Katalysator
- 48
- NOx-Speicherkatalysator
- 50
- Oxidationskatalysator
- 52
- Partikelfilter
- 54
- SCR-Beschichtung
- 56
- SCR-Katalysator
- 58
- Sperrkatalysator
- 60
- Abgasturbolader
- 62
- Bypassleitung
- 64
- Steuerelement
- 66
- erstes Dosierelement
- 68
- zweites Dosierelement
- 70
- Temperatursensor
- 72
- Differenzdrucksensoren
- 74
- erste Verzweigung
- 76
- weitere Verzweigung
- 78
- Abgasstauklappe
- 80
- Niederdruck-Abgasrückführung
- 82
- Niederdruck-Abgasrückführungskühler
- 84
- Abgasrückführungsventil
- 86
- Abgasrückführungsleitung
- 88
- Filter
- 90
- elektrisch beheizbarer Filter
- 92
- elektrisches Heizelement
- 94
- elektrische Heizscheibe
- 96
- Hauptkanal
- 100
- Steuergerät
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018209238 A1 [0005]
- DE 102015219625 A1 [0006]
- DE 102008043036 B4 [0007]
