DE102020126135A1 - Verbrennungsmotor sowie Verfahren zur innermotorischen Reduzierung der Stickoxidemissionen eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Verbrennungsmotor sowie Verfahren zur innermotorischen Reduzierung der Stickoxidemissionen eines Verbrennungsmotors Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor (10), insbesondere einen Dieselmotor, mit mindestens einem Brennraum (12). Der Verbrennungsmotor (10) ist mit seinem Einlass (16) mit einem Luftversorgungssystem (20) und mit seinem Auslass (18) mit einer Abgasanlage (40) des Verbrennungsmotors (10) verbunden. Die Abgasanlage (40) ist über mindestens eine Abgasrückführung (30, 70) mit dem Luftversorgungsystem des Verbrennungsmotors (10) verbunden. Es ist vorgesehen, dass in der Abgasrückführung (30, 70) ein Abgasbrenner (36, 74) angeordnet ist, um den Sauerstoffgehalt des zurückgeführten Abgases zu verringern.Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungs-motors (10) mit mindestens einem Brennraum (12), wobei der Verbrennungsmotor (10) mit seinem Einlass (16) mit einem Luftversorgungssystem (20) und mit seinem Auslass (18) mit einer Abgasanlage (40) verbunden ist. Dabei ist die Abgasanlage (40) über mindestens eine Abgasrückführung (30, 70) mit dem Luftversorgungsystem des Verbrennungsmotors (10) verbunden. Der Sauerstoffgehalt in dem zurückgeführten Abgas wird reduziert, indem das zurückgeführte Abgas durch eine Abgasbrenner (36, 49, 74) erhitzt wird, wobei sich der über die Abgasrückführung (30, 70) zurückgeführte Abgasstrom mit dem Abgas des Abgasbrenners (36, 49, 74) vermischt.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit einem Luftversorgungssystem und einer Abgasanlage sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Verbrennungsmotors, insbesondere zur innermotorischen Reduzierung der Stickoxidemissionen.
  • 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 Herausforderungen für die Motorenentwickler dar. Bei Ottomotoren erfolgt die Abgasreinigung in bekannter Art und 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 oder einen NOx-Speicherkatalysator, einen Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Katalysator) sowie einen Partikelfilter zur Abscheidung von Rußpartikeln und gegebenenfalls weitere Katalysatoren aufweisen. Um die hohen Anforderungen an minimale Stickoxidemissionen zu erfüllen, sind Abgasnachbehandlungssysteme bekannt, welche zwei in Reihe geschaltete SCR-Katalysatoren aufweisen, wobei jedem der SCR-Katalysatoren ein Dosierelement zur Eindosierung eines Reduktionsmittels vorgeschaltet ist. Als Reduktionsmittel wird dabei bevorzugt 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, wodurch Ammoniak im Abgaskanal freigesetzt wird. Eine handelsübliche, wässrige Harnstofflösung setzt sich im Allgemeinen aus 32,5 % Harnstoff und 67,5 % Wasser zusammen.
  • Bei einem kalten, noch inaktiven Abgasnachbehandlungssystem können bei hochdynamischer Fahrweise bereits vor Erreichen der Light-Off-Temperatur der Katalysatoren des Abgasnachbehandlungssystems so viele Schadstoffe emittiert werden, dass selbst bei anschließend vollständiger Konvertierung aller Schadstoffe ein auf eine vorgebbare Mindeststrecke bezogener Emissionsgrenzwert überschritten wird.
  • Um in der Aufheizphase des Abgasnachbehandlungssystems einen entsprechend hohen Ausstoß von Emissionen, insbesondere von Stickoxiden, zu vermeiden, werden innermotorische Maßnahmen zur Verringerung der Motor-Rohemissionen ergriffen, um das Emissionsniveau möglichst gering zu halten. Eine effiziente Möglichkeit zur Emissionsreduktion stellt eine Abgasrückführung dar, bei der Abgas mit der Ansaugluft vermischt und wieder dem Brennräumen des Verbrennungsmotors zugeführt wird. Dadurch sinkt der Sauerstoffgehalt der Frischluft und der Inertgasanteil steigt entsprechend an, was zu einer verminderten Entstehung von Stickoxiden (NOx-Emissionen) führt. Der maximal rückführbare Abgasmassenstrom ist jedoch nicht beliebig wählbar, sondern wird u.a. durch das Spülgefälle sowie die Freigabe der jeweiligen Abgasrückführungsart begrenzt. Dadurch ist das Potenzial zur Verringerung der Stickoxid-Rohemissionen durch die Abgasrückführung begrenzt.
  • Aus der DE 199 259 15 B4 ist ein Verbrennungsmotor mit einem Ansaugtrakt und einer Abgasanlage sowie einem Abgasrückführungssystem bekannt, wobei der Abgasstrom oder die Ansaugluft mittels eines Brenners beheizt werden kann. Dabei erfolgt das Beheizen des Abgasstroms oder der Ansaugluft durch ein Heizgerät zum Heizen der Fahrgastzelle eines Kraftfahrzeuges. Das Heizgerät weist dabei einen Wärmetauscher zum Aufheizen des Fahrzeuginnenraums und einen Brenner mit einer Brennkammer zum Verbrennen von Kraftstoff auf, wobei der Brenner dazu ausgelegt ist, die dem Wärmetauscher zugeführte Kühlflüssigkeit durch Verbrennen von Kraftstoff im Brenner zu erwärmen.
  • Die US 2009 / 0 271 094 A1 offenbart einen Verbrennungsmotor mit einem Ansaugtrakt und einer Abgasanlage, einem Verdichter und einer Verbindung zwischen dem Auslass des Verdichters und dem Einlass des Verbrennungsmotors. Dabei ist an dem Verdichter ein Rückführungssystem vorgesehen, welches den Auslass des Verdichters mit dem Einlass des Verdichters verbindet, wobei der Durchfluss durch dieses Rückführungssystem durch ein Kontrollventil steuerbar ist.
  • EP 0 826 868 A1 beschreibt ein Verfahren zur Abgasreinigung eines Verbrennungsmotors. Dabei ist in einer Abgasanlage des Verbrennungsmotors ein Partikelfilter angeordnet. Dem Partikelfilter ist eine Zuheizeinrichtung zugeordnet, dem die Partikel zugeführt und in der die Partikel verbrannt werden, wobei die Abgase der Zuheizvorrichtung über eine Abgasrückführungsleitung dem Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors zugeführt werden. Dadurch ist es möglich, die im Partikelfilter gefilterten Partikel in der Zuheizeinrichtung nachzuverbrennen, ohne dass die bei der Verbrennung entstehenden Abgase in die Umgebung abgegeben werden.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Emissionen in der Kaltstartphase eines Verbrennungsmotors weiter zu verringern und die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu überwinden.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Dieselmotor, mit mindestens einem Brennraum, gelöst. Der Verbrennungsmotor ist mit seinem Einlass mit einem Luftversorgungssystem und mit seinem Auslass mit einer Abgasanlage des Verbrennungsmotors verbunden. Die Abgasanlage ist über mindestens eine Abgasrückführung mit dem Luftversorgungsystem des Verbrennungsmotors verbunden. Es ist vorgesehen, dass in der Abgasrückführung ein Abgasbrenner angeordnet ist, um den Sauerstoffgehalt des zurückgeführten Abgases zu verringern. Durch den Abgasbrenner kann der Sauerstoffgehalt des zurückgeführten Abgasstroms signifikant verringert werden, wodurch ein Inertgas entsteht, welches bei einer Vermischung des zurückgeführten Abgasstroms mit der Frischluft aus dem Luftversorgungssystem die Neubildung von Stickoxiden in den Brennräumen des Verbrennungsmotors verringert. Somit können insbesondere in einer Kaltstartphase des Verbrennungsmotors, bei der die Abgasnachbehandlungskomponenten noch keine effiziente Konvertierung der Schadstoffe im Abgas ermöglichen, die Rohemissionen des Verbrennungsmotors verringert werden.
  • Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und nicht-triviale Weiterentwicklungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verbrennungsmotors möglich.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verbrennungsmotors ist vorgesehen, dass die Abgasrückführung einen Abgasrückführungskanal und einen Bypass zum Abgasrückführungskanal aufweist, wobei der Abgasbrenner in dem Bypass angeordnet ist. Durch eine Anordnung des Abgasbrenners in einem Bypass der jeweiligen Abgasrückführung kann der Strömungswiderstand bei abgeschaltetem/deaktiviertem Abgasbrenner verringert werden. Dabei kann der Abgasbrenner durch eine entsprechende Öffnung des Bypasses bedarfsgerecht zugeschaltet beziehungsweise aus dem zurückgeführten Abgasstrom entkoppelt werden.
  • Besonders bevorzugt ist dabei, wenn an dem Abgasrückführungskanal eine Abgasklappe angeordnet ist, um den zurückgeführten Abgasstrom wahlweise durch den Abgasrückführungskanal, durch den Bypass oder anteilig durch den Abgasrückführungskanal und den Bypass zu leiten. Durch eine Abgasklappe kann der zurückgeführte Abgasstrom auf einfache Art und Weise zwischen dem Abgasrückführungskanal und dem Bypass umgeschaltet beziehungsweise zwischen Abgasrückführungskanal und Bypass aufgeteilt werden.
  • In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor eine Hochdruckabgasrückführung aufweist, welche die Abgasanlage stromabwärts eines Auslasses des Verbrennungsmotors und stromaufwärts einer Turbine eines Abgasturboladers mit dem Luftversorgungssystem stromabwärts eines Verdichters des Abgasturboladers und stromaufwärts eines Einlasses des Verbrennungsmotors verbindet und eine Niederdruckabgasrückführung aufweist, welche die Abgasanlage stromabwärts der Turbine des Abgasturboladers mit dem Luftversorgungssystem stromabwärts eines Luftfilters und stromaufwärts des Verdichters verbinden, wobei zumindest in einer der Abgasrückführungen ein Brenner angeordnet ist.
  • Durch eine Hochdruckabgasrückführung können insbesondere beim Kaltstart und niedrigen Umgebungstemperaturen die Rohemissionen der Verbrennungsmotors reduziert werden. Durch eine Niederdruckabgasrückführung können insbesondere bei betriebswarmem Verbrennungsmotor die Rohemissionen verringert werden, wobei die Niederdruckabgasrückführung einen besseren Wirkungsgrad als die Hochdruckabgasrückführung aufweist. Dabei wird die Niederdruckabgasrückführung erst ab gewissen Temperaturschwellen zum Schutz des Verdichters freigegeben, um dort einen Tropfenschlag zu verhindern, der die Lebensdauer des Verdichters bzw. Turboladers deutlich verringern würde. Je nach Motortemperatur werden also beide Arten der Abgasrückführung ausschließlich beziehungsweise nicht in Kombination miteinander eingesetzt.
  • Ein weiterer Vorteil ergibt sich beim Beschleunigen aus geringer Motorlast. Da das Abgas des Verbrennungsmotors bei geringer Motorlast aufgrund der kleinen Einspritzmenge nur einen geringen Inertgasanteil aufweist, kann über die Abgasrückführung nur eine geringe Minderung der Rohemissionen erreicht werden. Erfolgt aus einem Schwachlastbetrieb eine (starke) Lastanhebung, so enthält das zurückgeführte Abgas, welches sich durch den vorausgegangenen Schwachlastbetrieb des Verbrennungsmotors in der Abgasrückführungsstrecke befindet, zu wenig Inertgas für eine effektive Minderung der Stickoxidrohemissionen des Verbrennungsmotors.
  • Es vergeht also ein bestimmter Zeitraum, in dem zu wenig Inertgas zur Verfügung steht, was wiederum eine unerwünschte Spitze bei den Stickoxidrohemissionen zur Folge haben kann. Durch den Abgasbrenner in der Niederdruckabgasrückführung kann der Inertgasanteil im Abgas dagegen schnell angehoben werden, sodass eine effektive Minderung der Stickoxidrohemissionen möglich ist.
  • Bevorzugt ist dabei, wenn sowohl in der Hochdruckabgasrückführung als auch in der Niederdruckabgasrückführung jeweils ein Brenner zur Reduzierung des Sauerstoffgehalts des zurückgeführten Abgasstroms angeordnet ist.
  • Besonders bevorzugt ist dabei, wenn zumindest eine der Abgasrückführungen, vorzugsweise beide Abgasrückführungen, einen Abgasrückführungskanal und jeweils einen parallel zum Abgasrückführungskanal verlaufenden, schaltbaren Bypass aufweisen, wobei der Brenner in dem schaltbaren Bypass angeordnet ist. Durch einen schaltbaren Bypass ist eine besonders einfache Ein- und Auskopplung des Abgasbrenners in den zurückgeführten Abgasstrom möglich.
  • In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Brenner ein Kraftstoffeinspritzventil zur Eindosierung eines Kraftstoffs und eine Zündeinrichtung zur Zündung des mittels des Kraftstoffeinspritzventils eindosierten Kraftstoffs aufweist. Durch ein Kraftstoffeinspritzventil kann auf einfache Art und Weise die in die Abgasrückführungsleitung eingebrachte Kraftstoffmenge gesteuert werden. In Kenntnis des Sauerstoffgehalts des zurückgeführten Abgases können dabei innerhalb der Zündgrenzen quasi beliebige Verhältnisse von Kraftstoff zu zurückgeführtem Abgas gewählt werden. Durch eine in den Abgasbrenner integrierte Zündeinrichtung ist eine einfache Entzündung des durch das Kraftstoffeinspritzventil eindosierten Kraftstoffs möglich.
  • In einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung ist vorgesehen, dass in der Abgasrückführung, insbesondere in der Niederdruckabgasrückführung, stromabwärts des Abgasbrenners ein Abgasrückführungskühler zur Reduzierung der Abgastemperatur des zurückgeführten Abgases angeordnet ist. Durch einen Abgasrückführungskühler kann die Temperatur des zurückgeführten Abgases verringert werden. Da ein Abgasbrenner neben dem erwünschten Effekt des reduzierten Sauerstoffanteils in dem zurückgeführten Abgas auch zu einem Anstieg der Temperatur des zurückgeführten Abgases und somit zu einem Temperaturanstieg in den Brennräumen des Verbrennungsmotors führen würde, kann dem Abgasbrenner in der Abgasrückführung ein Abgasrückführungskühler nachgeschaltet werden.
  • Ein Absenken der Abgastemperatur des zurückgeführten Abgases bewirkt, dass die Temperatur in den Brennräumen weniger stark ansteigt und somit die Neigung zur Bildung von Stickoxiden reduziert wird. Trotzdem ist durch den Einsatz des Abgasbrenners eine schnelle Freigabe der Abgasrückführung nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors möglich.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit mindestens einem Brennraum, wobei der Verbrennungsmotor mit seinem Einlass mit einem Luftversorgungssystem und mit seinem Auslass mit einer Abgasanlage verbunden ist. Dabei ist die Abgasanlage über mindestens eine Abgasrückführung mit dem Luftversorgungsystem des Verbrennungsmotors verbunden. Der Sauerstoffgehalt in dem zurückgeführten Abgas wird reduziert, indem das zurückgeführte Abgas durch einen Abgasbrenner erhitzt wird, wobei sich der über die Abgasrückführung zurückgeführte Abgasstrom mit dem Abgas des Abgasbrenners vermischt. Durch ein solches Verfahren können die Emissionen des Verbrennungsmotors, insbesondere die Stickoxidemissionen, in einer Kaltstartphase verringert werden, ohne dass innermotorische Heizmaßnahmen eingeleitet werden müssen, welche den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors herabsetzen und somit zu einem Mehrverbrauch in der Kaltstartphase führen.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der zurückgeführte Abgasstrom stromabwärts des Abgasbrenners durch einen Abgasrückführungskühler geleitet wird, um die Temperatur des zurückgeführten Abgases abzusenken und somit die Neigung des Verbrennungsmotors zur Bildung von Stickoxiden bei der Verbrennung des Kraftstoffs in den Brennräumen zu verringern.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
    • 1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors mit einem Luftversorgungssystem und einer Abgasanlage;
    • 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors mit einem Luftversorgungssystem und einer Abgasanlage;
    • 3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors mit einem Luftversorgungssystem und einer Abgasanlage; und
    • 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors mit einem Luftversorgungssystem, einer Abgasanlage und einer Abgasrückführung.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors 10 mit einem Luftversorgungssystem 20 und einer Abgasanlage 40. Der Verbrennungsmotor 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein direkteinspritzender Dieselmotor mit mehreren Brennräumen 12. 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 Hochdruckabgasrückführung 30 mit einem Abgasrückführungskanal 32 und einem Abgasrückführungsventil 38, über welches ein Abgasteilstrom des Verbrennungsmotors 10 von dem Auslass 18 zum Einlass 16 zurückgeführt werden kann. An dem Abgasrückführungskanal 32 ist ein schaltbarer Bypass 34 vorgesehen, welcher an einer Verzweigung 33 aus dem Abgasrückführungskanal 32 abzweigt und an einer Einmündung 35 wieder in den Abgasrückführungskanal 32 mündet. Der Abgasstrom durch den Abgasrückführungskanal 32 und/oder durch den Bypass 34 kann durch eine Abgasklappe 37 in dem Abgasrückführungskanal 32 gesteuert werden. In dem Bypass 34 ist ein Abgasbrenner 36 angeordnet, welcher ein Kraftstoffeinspritzventil 62 zur Einbringung eines Kraftstoffs sowie eine Zündeinrichtung 64 umfasst. 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.
  • Das Luftversorgungssystem 20 umfasst einen Ansaugkanal 22, in welchem in Strömungsrichtung von Frischluft durch den Ansaugkanal 22 ein Luftfilter 24, stromabwärts des Luftfilters 24 ein Luftmassenmesser, insbesondere ein Heißfilmluftmassenmesser, stromabwärts des Luftmassenmessers ein Verdichter 26 eines Abgasturboladers 42, stromabwärts des Verdichters 26 eine Drosselklappe 28 und weiter stromabwärts ein Ladeluftkühler 29 angeordnet sind. Dabei kann der Luftmassenmesser auch in einem Filtergehäuse des Luftfilters 24 angeordnet sein, sodass der Luftfilter 24 und der Luftmassenmesser eine Baugruppe ausbildet. Stromabwärts des Luftfilters 24 und stromaufwärts des Verdichters 26 ist eine Einmündung 25 vorgesehen, an welcher eine Abgasrückführungsleitung 71 einer Niederdruckabgasrückführung 70 in den Ansaugkanal 22 mündet.
  • Die Abgasanlage 40 umfasst einen Abgaskanal, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors 10 durch den Abgaskanal eine Turbine 44 des Abgasturboladers 42 angeordnet ist, welche den Verdichter 26 im Luftversorgungssystem 20 über eine Welle antreibt. Der Abgasturbolader 42 ist vorzugsweise als Abgasturbolader 42 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 vorgesehen. Dabei ist unmittelbar stromabwärts der Turbine 44 als erste Komponente der Abgasnachbehandlung ein Oxidationskatalysator 46 angeordnet. Stromabwärts des Oxidationskatalysators 46 ist ein Partikelfilter 48 mit einer Beschichtung 50 zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet. Stromabwärts des Partikelfilters 48 können ein weiterer SCR-Katalysator 52 und/oder ein Ammoniaksperrkatalysator 54 angeordnet. Stromabwärts des Partikelfilters 48, 50 und stromaufwärts des weiteren SCR-Katalysators 52 ist in dem Abgaskanal eine Abgasklappe 66 vorgesehen, mit welcher der Querschnitt des Abgaskanals zumindest teilweise versperrt werden kann, um den Abgasgegendruck in dem Abgaskanal zu erhöhen, wenn die Abgasklappe 66 geschlossen ist. Stromabwärts des Partikelfilters 48 und stromaufwärts der Abgasklappe 66 ist an dem Abgaskanal eine Verzweigung 60 vorgesehen, an welcher eine Abgasrückführungsleitung 71 einer Niederdruckabgasrückführung 70 aus dem Abgaskanal abzweigt. Alternativ zu einem Oxidationskatalysator 46 kann der erste Katalysator auch als NOx-Speicherkatalysator ausgeführt sein. Ferner können anstelle des Partikelfilters 48 mit der SCR-Beschichtung 50 ein SCR-Katalysator und ein unbeschichteter Partikelfilter oder ein Partikelfilter mit einer katalytisch wirksamen Beschichtung vorgesehen sein. In der Abgasanlage 40 ist stromabwärts des Oxidationskatalysators 46 und stromaufwärts des Partikelfilters 48 mit der SCR-Beschichtung 50 ein erstes Dosierelement 56 zur Eindosierung eines Reduktionsmittels, insbesondere wässriger Harnstofflösung, angeordnet. Stromabwärts der Verzweigung 60 aufwärts des SCR-Katalysators 52 kann ein weiteres Dosierelement 58 angeordnet sein, um das Reduktionsmittel in die Abgasanlage stromaufwärts des SCR-Katalysators 52 einzudosieren. Den Dosierelementen 56, 58 kann jeweils ein Abgasmischer nachgeschaltet sein, um eine bessere Durchmischung des Reduktionsmittels mit dem Abgasstrom des Verbrennungsmotors vor Eintritt in die jeweilige Abgasnachbehandlungskomponente 48, 50, 52 zur selektiven, katalytischen Reduktion zu erreichen. Ferner können in der Abgasanlage ein oder mehrere Sensoren, insbesondere Temperatursensoren 68, Drucksensoren oder Abgassensoren vorgesehen sein.
  • Die Abgasrückführung 70 umfasst neben der Abgasrückführungsleitung 71 einen Abgasrückführungskühler 79 und ein Abgasrückführungsventil 76, über welches die Abgasrückführungsrate durch die Abgasrückführungsleitung 71 der Niederdruckabgasrückführung 70 steuerbar ist. An der Abgasrückführungsleitung 71 ist ein schaltbarer Bypass 72 vorgesehen, welcher an einer Verzweigung 73 aus der Abgasrückführungsleitung 71 abzweigt und an einer Einmündung 75 wieder in die Abgasrückführungsleitung 71 einmündet. In dem Bypass 72 ist ein Abgasbrenner 74 vorgesehen, um den zurückgeführten Abgasstrom zu erwärmen und den Sauerstoffgehalt des zurückgeführten Abgasstroms zu reduzieren. Der Abgasbrenner 74 weist ein Kraftstoffeinspritzventil 62 und eine Zündeinrichtung 64 auf, mit welcher der Kraftstoff gezündet werden kann. Ferner kann in der Niederdruckabgasrückführung 70 ein weiterer Temperatursensor 68 vorgesehen sein, über welchen eine Abgastemperatur TEG in der Niederdruckabgasrückführung 70 ermittelt werden kann, um die Abgasrückführung 70 oder den Abgasbrenner 74 zu aktivieren, sobald die Abgastemperatur TEG in der Abgasrückführung 70 einen definierten Schwellenwert überschritten hat. Somit kann verhindert werden, dass Wasserdampf oder im Abgas enthaltenes Reduktionsmittel zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden, insbesondere flüssige Harnstofflösung, auskondensiert und in der Niederdruckabgasrückführung 70 oder im Luftversorgungssystem 20 zu Beschädigungen oder Ablagerungen führt.
  • Stromabwärts der Verzweigung 60 und stromaufwärts des Abgasrückführungskühlers 79 kann ein Filter vorgesehen werden, um den Eintrag von Partikeln in die Niederdruckabgasrückführung 70 zu minimieren.
  • In der Abgasanlage 40 ist ein Temperatursensor 68 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 vorgesehen, um eine Druckdifferenz über dem Partikelfilter 48 zu bestimmen. Auf diese Weise kann der Beladungszustand des Partikelfilters 48 ermittelt und bei Überschreiten eines definierten Beladungsniveaus eine Regeneration des Partikelfilters 48 eingeleitet werden.
  • Der Verbrennungsmotor 10 ist mit einem Motorsteuergerät 80 verbunden, welches über nicht dargestellte Signalleitungen mit den Temperatursensoren 68, den Kraftstoffinjektoren 14 des Verbrennungsmotors 10 und den Dosierventilen 56, 58, den Abgasklappen 37, 66, 78, den Abgasrückführungsventilen 38, 76 sowie den Abgasbrennern 36, 74 verbunden ist.
  • In 2 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors 10 mit einem Luftversorgungssystem 20, einer Abgasanlage 40 sowie ein Hochdruckabgasrückführung 30 und einer Niederdruckabgasrückführung 70 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichen Aufbau wie zu 1 ausgeführt, ist in diesem Ausführungsbeispiel lediglich in der Niederdruckabgasrückführung 70 ein Bypass 72 vorgesehen, in welchem ein Abgasbrenner 74 angeordnet ist. Der Bypass 34 zum Abgasrückführungskanal 32 der Hochdruckabgasrückführung 30 entfällt. Ferner entfällt ein Abgasbrenner 36 in der Hochdruckabgasrückführung. Die Abgasklappe 66 im Abgaskanal der Abgasanlage 40 kann auch stromabwärts des weiteren SCR-Katalysator 52 und/oder stromabwärts des Ammoniaksperrkatalysators 54 angeordnet sein. Diese Anordnung kann auch bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel gewählt werden.
  • In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors 10 dargestellt, welcher mit seinem Einlass 16 mit einem Luftversorgungssystem 20 und mit seinem Auslass 18 mit einer Abgasanlage 40 verbunden ist. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 ausgeführt, weist in diesem Ausführungsbeispiel ausschließlich die Hochdruckabgasrückführung 30 einen Bypass 34 zum Abgasrückführungskanal 32 auf, in welchem ein Abgasbrenner 36 angeordnet ist.
  • In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Verbrennungsmotor 10 dargestellt, welcher mit seinem Einlass 16 mit einem Luftversorgungssystem 20 und mit seinem Auslass 18 mit einer Abgasanlage 40 verbunden ist. In dieser Ausgestaltung des Verbrennungsmotors 10 ist ein Abgasbrenner 49 stromabwärts des Oxidationskatalysator 46 und stromaufwärts des Partikelfilters 48 angeordnet, sodass der Abgasbrenner 49 zusätzlich zur Funktion des Aufheizens des zurückgeführten Abgasstroms auch dazu genutzt werden kann, um den Partikelfilter 48 auf seine Regenerationstemperatur aufzuheizen. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Niederdruckabgasrückführung 70 eine Abgasrückführungsleitung 71 auf, in welcher ein Abgasrückführungskühler 79 angeordnet ist, wobei ein Bypass 72 stromaufwärts des Abgasrückführungskühlers 79 aus dem Abgasrückführungskanal 71 abzweigt und stromabwärts des Abgasrückführungskühlers 79 wieder in die Abgasrückführungsleitung 71 einmündet. Somit kann der Abgasrückführungskühler 79 überbrückt werden, um die Niederdruckabgasrückführung 70 früher nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 freigeben zu können und ein Auskondensieren von Wasserdampf oder anderen Abgaskomponenten in der Niederdruckabgasrückführung 70 oder im Ansaugkanal 22 zu vermeiden.
  • In einer vereinfachten Ausführungsform der in 1 bis 4 dargestellten Verbrennungsmotoren 10 kann auch eine der Abgasrückführungen 30, 70 entfallen. Ferner kann in einer vereinfachten Ausgestaltung des Verbrennungsmotors 10 der Abgasrückführungskühler 79 in der Niederdruckabgasrückführung 70 entfallen.
  • Alternativ zu den dargestellten Ausführungsformen kann ein Abgasbrenner 36, 74 in der Hochdruckabgasrückführung oder in der Niederdruckabgasrückführung auch im Abgasrückführungskanal 32, 71 angeordnet sein, sodass bei dieser Abgasrückführung der schaltbare Bypass 34, 72 entfällt. Ferner kann in einer alternativen Ausführungsform in dem Abgasrückführungskanal 32 der Hochdruckabgasrückführung ein weiterer Abgasrückführungskühler angeordnet sein.
  • Der maximal darstellbaren Abgasrückführungsrate sind in bestimmten Betriebspunkten des Verbrennungsmotors 10 Grenzen gesetzt. So kann es vorkommen, dass das Spüldruckgefälle zwischen Abgasanlage 40 und Ansaugkanal 22 nicht ausreichend ist, um höhere Abgasrückführungsraten darzustellen. Zudem enthält das zurückgeführte Abgas, insbesondere bei einem Schwachlastbetrieb des Verbrennungsmotors 10 nur einen geringen Anteil an Inertgaskomponenten wie Kohlenstoffdioxid (CO2) oder Wasserdampf (H2O), die wiederum bei der Abgasrückführung die Entstehung von Stickoxiden (NOx) während der Verbrennung des Kraftstoffs in den Brennräumen 12 des Verbrennungsmotors 10 verringern.
  • Bei der Rückführung des Abgases wird das Abgas durch einen der Abgasbrenner 36, 74 geleitet. In dem Abgasbrenner 36, 74 wird dem zurückgeführten Abgas zusätzlich durch die Kraftstoffeinspritzventile 62 Kraftstoff, insbesondere Dieselkraftstoff zum Betreiben des Verbrennungsmotors 10, beigemischt, welcher durch die Zündeinrichtung 64 des Abgasbrenners 36, 74, insbesondere eine Zündkerze oder eine Glühkerze, entzündet wird. Die dem zurückgeführten Abgasstrom beigefügte Kraftstoffmenge ist dabei variabel, jedoch begrenzt durch den Restsauerstoff im zurückgeführten Abgas. Vorzugsweise wird dem zurückgeführten Abgasstrom so viel Kraftstoff beigemischt und verbrannt, dass das Abgas keinen Restsauerstoff, jedoch einen erhöhten Anteil an Inertgasen enthält. Auf diese Weise wird der Sauerstoffanteil im zurückgeführten Abgasstrom reduziert. Durch diese Art der Abgasrückführung kann das den Brennräumen zugeführte Gemisch aus Frischluft und zurückgeführtem Abgas im Sauerstoffgehalt reduziert werden. Somit können durch den Betrieb eines oder mehrerer Abgasbrenner 36, 74 in den Abgasrückführungen 30, 70 die Emissionen, insbesondere die Stickoxidemissionen in der Kaltstartphase des Verbrennungsmotors 10, in welcher noch keine hinreichend effiziente Abgasnachbehandlung durch die Abgasnachbehandlungskomponenten möglich ist, verringert werden.
  • Da durch dieses Verfahren die Temperatur des zurückgeführten Abgases steigt, ist auch des Temperaturniveau in den Brennräumen 12 des Verbrennungsmotors 10 höher. Dies führt jedoch wiederum zu einem Anstieg der Stickoxidemissionen, da hohe Temperaturen die Entstehung von Stickoxiden begünstigen. Daher kann es sinnvoll sein, in der Abgasrückführung 30, 70, insbesondere in der Niederdruckabgasrückführung 70, stromabwärts des Abgasbrenners 36, 74 einen Abgasrückführungskühler 79 anzuordnen, um nach der Reduzierung des Sauerstoffanteils in dem zurückgeführten Abgas durch den Abgasbrenner 36, 74 die Temperatur des zurückgeführten Abgas wieder zu reduzieren.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Verbrennungsmotor
    12
    Brennraum
    14
    Kraftstoffinjektor
    16
    Einlass
    18
    Auslass
    20
    Luftversorgungssystem
    22
    Ansaugkanal
    24
    Luftfilter
    25
    Einmündung
    26
    Verdichter
    28
    Drosselklappe
    29
    Ladeluftkühler
    30
    Hochdruckabgasrückführung
    32
    Abgasrückführungskanal
    33
    Verzweigung
    34
    Bypass
    35
    Einmündung
    36
    Brenner
    37
    Abgasklappe
    38
    Abgasrückführungsventil
    40
    Abgasanlage
    42
    Abgasturbolader
    44
    Turbine
    46
    Oxidationskatalysator
    48
    Partikelfilter
    49
    Brenner
    50
    SCR-Beschichtung
    52
    zweiter SCR-Katalysator
    54
    Ammoniaksperrkatalysator
    56
    erstes Dosierelement
    58
    zweites Dosierelement
    60
    Verzweigung
    62
    Kraftstoffeinspritzventil
    64
    Zündeinrichtung
    66
    Abgasklappe
    68
    Temperatursensor
    70
    Niederdruckabgasrückführung
    71
    Abgasrückführungskanal
    72
    Bypass
    73
    Verzweigung
    74
    Brenner
    75
    Einmündung
    76
    Abgasrückführungsventil
    78
    Abgasklappe
    79
    Abgasrückführungskühler
    80
    Steuergerät
  • 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 19925915 B4 [0005]
    • EP 0826868 A1 [0007]

Claims (10)

  1. Verbrennungsmotor (10) mit mindestens einem Brennraum (12), wobei der Verbrennungsmotor (10) mit seinem Einlass (16) mit einem Luftversorgungssystem (20) und mit seinem Auslass (18) mit einer Abgasanlage (40) verbunden ist, wobei die Abgasanlage (40) über mindestens eine Abgasrückführung (30, 70) mit dem Luftversorgungsystem des Verbrennungsmotors (10) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasrückführung (30, 70) ein Abgasbrenner (36, 74) angeordnet ist, um den Sauerstoffgehalt des zurückgeführten Abgases zu verringern.
  2. Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführung (30, 70) einen Abgasrückführungskanal (32, 71) und einen Bypass (34, 72) zum Abgasrückführungskanal (32, 71) aufweist, wobei der Abgasbrenner (36, 74) in dem Bypass (34, 72) angeordnet ist.
  3. Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Abgasrückführungskanal (32, 71) eine Abgasklappe (37, 78) angeordnet ist, um den zurückgeführten Abgasstrom wahlweise durch den Abgasrückführungskanal (32, 71), durch den Bypass (34, 72) oder anteilig durch den Abgasrückführungskanal (32, 71) und den Bypass (34, 72) zu leiten.
  4. Verbrennungsmotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (10) eine Hochdruckabgasrückführung (30) aufweist, welche die Abgasanlage (40) stromabwärts eines Auslasses (18) des Verbrennungsmotors (10) und stromaufwärts einer Turbine (44) eines Abgasturboladers (42) mit dem Luftversorgungssystem (20) stromabwärts eines Verdichters (26) des Abgasturboladers (42) und stromaufwärts eines Einlasses (16) des Verbrennungsmotors (10) verbindet und eine Niederdruckabgasrückführung (70) aufweist, welche die Abgasanlage (40) stromabwärts der Turbine (44) des Abgasturboladers (42) mit dem Luftversorgungssystem (20) stromabwärts eines Luftfilters (24) und stromaufwärts des Verdichters (26) verbinden, wobei zumindest in einer der Abgasrückführungen (30, 70) ein Brenner (36, 74) angeordnet ist.
  5. Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl in der Hochdruckabgasrückführung (30) als auch in der Niederdruckabgasrückführung (70) jeweils ein Brenner (36, 74) zur Reduzierung des Sauerstoffgehalts des zurückgeführten Abgasstroms angeordnet ist.
  6. Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Abgasrückführungen (30, 70) einen Abgasrückführungskanal (32, 71) und einen parallel zum Abgasrückführungskanal (32, 71) verlaufenden, schaltbaren Bypass (34, 72) aufweist, wobei der Brenner (36, 74) in dem schaltbaren Bypass (34, 72) angeordnet ist.
  7. Verbrennungsmotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (36, 74) ein Kraftstoffeinspritzventil (62) und eine Zündeinrichtung (64) zur Zündung des mittels des Kraftstoffeinspritzventils (62) eindosierten Kraftstoffs aufweist.
  8. Verbrennungsmotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasrückführung (30, 70) stromabwärts des Abgasbrenners (36, 74) ein Abgasrückführungskühler (79) angeordnet ist.
  9. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (10) mit mindestens einem Brennraum (12), wobei der Verbrennungsmotor (10) mit seinem Einlass (16) mit einem Luftversorgungssystem (20) und mit seinem Auslass (18) mit einer Abgasanlage (40) verbunden ist, wobei die Abgasanlage (40) über mindestens eine Abgasrückführung (30, 70) mit dem Luftversorgungsystem des Verbrennungsmotors (10) verbunden ist, wobei der Sauerstoffgehalt in dem zurückgeführten Abgas reduziert wird, indem das zurückgeführte Abgas durch eine Abgasbrenner (36, 49, 74) erhitzt wird, wobei sich der über die Abgasrückführung (30, 70) zurückgeführte Abgasstrom mit dem Abgas des Abgasbrenners (36, 49, 74) vermischt.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasstrom stromabwärts des Abgasbrenners (36, 49, 74) durch einen Abgasrückführungskühler (79) geleitet wird, um die Temperatur des zurückgeführte Abgases abzusenken und somit die Neigung des Verbrennungsmotors (10) zur Stickoxidbildung zu verringern.
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