DE102020126714A1

DE102020126714A1 - Abgasnachbehandlungssystem sowie Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102020126714A1
Application number: DE102020126714.2A
Authority: DE
Inventors: Stefan PAUKNER; Falk-Christian Ceumern-Lindenstjerna; Michael Kaack; Ekkehard Pott; Asmus CARSTENSEN
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2020-10-12
Filing date: 2020-10-12
Publication date: 2022-04-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem (20) für einen Verbrennungsmotor (10). Das Abgasnachbehandlungssystem umfasst eine Abgasanlage (22) mit einem Abgaskanal (24), in welchem in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors (10) durch die Abgasanlage (22) eine Turbine (28) eines Abgasturboladers (26), stromabwärts der Turbine (28) eine erste Abgasnachbehandlungskomponente (30) und stromabwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente (30) mindestens eine weitere Abgasnachbehandlungskomponente (32, 34) angeordnet sind. Es ist vorgesehen, dass stromabwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente (30) und stromaufwärts mindestens einer weiteren Abgasnachbehandlungskomponente (32, 34) eine erste Abgasrückführungsleitung (52) einer Niederdruckabgasrückführung (50) aus dem Abgaskanal (24) abzweigt. In dieser ersten Abgasrückführungsleitung (52) sind in Strömungsrichtung eines zurückgeführten Abgasstroms des Verbrennungsmotors (10) ein Abgasbrenner (60) und stromabwärts des Abgasbrenners (60) ein Wärmetauscher (58, 82) angeordnet. Dabei ist ein Kühlmittelkreislauf (80) des Verbrennungsmotors (10) mit dem Wärmetauscher (58, 82) fluidisch verbunden.Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10) mit einem solchen Abgasnachbehandlungssystem (20).

Description

Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor sowie ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
Die aktuelle und eine zukünftig immer schärfer werdende Abgasgesetzgebung stellen hohe Anforderungen an die motorischen Rohemissionen und die Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren. Bei Ottomotoren erfolgt die Abgasreinigung in bekannter Weise über einen Drei-Wege-Katalysator, sowie dem Drei-Wege-Katalysator vor- und nachgeschaltete weitere Katalysatoren und einen Partikelfilter. Jede Vorrichtung zur katalytischen Abgasreinigung benötigt zum Erreichen einer Wirksamkeit das Überschreiten einer Mindesttemperatur, der sogenannten Light-off-Temperatur. Bei einem Kaltstart eines Kraftfahrzeugs liegen der Verbrennungsmotor und die Komponenten zur Abgasnachbehandlung im Temperaturniveau etwa auf Umgebungstemperatur. Auch mit einem hohen Energieeintrag in die Abgasanlage müssen zunächst die thermisch träge Masse der Abgasanlage überwunden und die Strahlungs- beziehungsweise Konvektionsverluste kompensiert werden, um zumindest eine Teilwirksamkeit der Abgasnachbehandlungskomponenten zu erreichen. In dieser Zeit werden die Rohemissionen des Verbrennungsmotors weitgehend ungereinigt emittiert. Abhängig vom Energieeintrag in die Abgasanlage kann dieser Zeitraum verkürzt werden, jedoch niemals auf Null abgesenkt werden. Je schneller die Light-Off-Temperaturen der Katalysatoren erreicht sind, desto emissionsärmer kann der Verbrennungsmotor in Kombination mit dem Abgasnachbehandlungssystem betrieben werden. Darüber hinaus hat das aktiv geheizte Katalysatorvolumen einen signifikanten Einfluss auf die Konvertierungsleistung. Zur Erreichung zukünftiger Emissionsvorschriften kann es daher gegebenenfalls notwendig sein, das Erreichen der Bauteiltemperaturen der Abgasnachbehandlungskomponenten durch eine zusätzliche externe Heizmaßnahme unterstützen zu müssen.
Ferner sind aus dem Stand der Technik Standheizungen für Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotor bekannt, welche vor einem Start des Verbrennungsmotors das Kühlmittel des Verbrennungsmotors sowie den Innenraum des Kraftfahrzeuges erwärmen. Auch für solche Standheizungen sind mit der weiteren Verschärfung der Emissionsnormen strengere Grenzwerte zu erwarten.
Aus der DE 10 2004 061 809 A1 ist ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor bekannt. Das Abgasnachbehandlungssystem umfasst einen Katalysator mit einem nachgeschalteten Wärmetauscher, über welchen des Kühlmittel des Verbrennungsmotors beheizt werden kann. Dazu ist stromabwärts eines Auslasses des Verbrennungsmotors und stromaufwärts des Katalysators ein Abgasbrenner vorgesehen, über welchen ein entsprechender Energieeintrag in die Abgasanlage unabhängig vom Betrieb des Verbrennungsmotors erfolgen kann.
Die DE 10 2010 052 102 A1 offenbart einen Verbrennungsmotor, welcher auslassseitig mit einer Abgasanlage verbunden ist. In der Abgasanlage ist eine Abgasnachbehandlungseinrichtung angeordnet, welche mittels eines Abgasbrenners beheizbar ist. Dabei ist zwischen dem Abgasbrenner und der Abgasnachbehandlungskomponente ein Wärmetauscher angeordnet, welcher vom Abgas des Abgasbrenners durchströmt wird, wobei die vom Abgasbrenner erzeugte Wärme entweder unmittelbar der Abgasnachbehandlungskomponente oder dem Wärmetauscher und anschließend der Abgasnachbehandlungskomponente zugeführt werden kann.
DE 101 36 888 A1 beschreibt eine Standheizung für ein Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor. Die Standheizung umfasst einen Brenner sowie einen Wärmetauscher, der mittels eines Heizmediums einen dem Innenraum zuzuführenden Luftstrom erwärmt. Dabei sind dem Wärmetauscher mindestens zwei miteinander verbundene, von dem Heizmedium durchströmbare Kreisläufe zugeordnet. Ein erster Kreislauf steht mit einem Kreislauf der Motorkühlung des Verbrennungsmotors in Kontakt, während ein zweiter Kreislauf mit einer in der Abgasanlage stromaufwärts der Abgasnachbehandlungskomponente angeordneten Heizvorrichtung in unmittelbarem oder mittelbarem thermischen Kontakt steht.
In der DE 43 40 463 A1 wird eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine mit einer in einem Abgasrohr angeordneten Abgasaufbereitungsanlage beschrieben. Mittels eines Brenners werden heiße Abgase erzeugt, und stromaufwärts der Abgasaufbereitungsanlage zur Gewährleistung der Betriebswirtschaft derselben in das Abgasrohr eingeleitet. Hierbei ist ein Wärmetauscher zur Entnahme von Energie aus dem Abgasstrom zwischen Brenner und Abgasaufbereitungsanlage angeordnet, welcher in Form eines Wärmerohrs (heat pipes) ausgebildet ist.
Nachteilig an den bekannten Lösungen ist jedoch, dass sie vergleichsweise teuer sind und viel Bauraum sowie eine große Anzahl an Zusatzkomponenten benötigten.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine besonders emissionsarme Konditionierung des Kühlmittels des Verbrennungsmotors sowie der Abgasnachbehandlungskomponenten zu erreichen und die Emissionen des Verbrennungsmotors weiter zu verringern sowie die aus dem Stand der Technik resultierenden Nachteile zu überwinden.
Diese Aufgabe wird durch ein vorgeschlagenes Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor gelöst. Das Abgasnachbehandlungssystem umfasst eine Abgasanlage mit einem Abgaskanal, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors durch die Abgasanlage eine Turbine eines Abgasturboladers, stromabwärts der Turbine eine erste Abgasnachbehandlungskomponente und stromabwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente mindestens eine weitere Abgasnachbehandlungskomponente angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass stromabwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente und stromaufwärts mindestens einer weiteren Abgasnachbehandlungskomponente eine erste Abgasrückführungsleitung einer Niederdruckabgasrückführung aus dem Abgaskanal abzweigt. In dieser ersten Abgasrückführungsleitung sind in Strömungsrichtung eines zurückgeführten Abgasstroms des Verbrennungsmotors ein Abgasbrenner und stromabwärts des Abgasbrenners ein Wärmetauscher, insbesondere ein Abgasrückführungskühler der Niederdruckabgasrückführung, angeordnet. Dabei ist ein Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors fluidisch mit dem Wärmetauscher verbunden. Durch ein solches Abgasnachbehandlungssystem ist es möglich, gleichzeitig das Kühlmittel des Verbrennungsmotors und die Abgasnachbehandlungskomponente des Verbrennungsmotors zu erwärmen, wobei der Aufheizvorgang unabhängig vom Betrieb des Verbrennungsmotors und somit insbesondere schon vor dem Start des Verbrennungsmotors gestartet werden kann. Dadurch kann die Aufheizphase der Abgasnachbehandlungskomponenten nach dem Start des Verbrennungsmotors verkürzt und somit die Emissionen verringert werden. Gleichzeitig wird durch die Erwärmung des Kühlmittels des Verbrennungsmotors die Reibung reduziert, wodurch der Verbrauch des Verbrennungsmotors und die Rohemissionen verringert werden können. Ferner werden die Abgase das Abgasbrenners zumindest mittelbar durch die Abgasnachbehandlungskomponenten geleitet, wodurch die Emissionen durch den Betrieb des Abgasbrenners verringert werden können.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten zusätzlichen Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterentwicklungen des im unabhängigen Patentanspruch angegebenen Abgasnachbehandlungssystems möglich.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass stromabwärts der Turbine und stromaufwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente eine zweite Abgasrückführungsleitung der Niederdruckabgasrückführung aus dem Abgaskanal abzweigt, wobei die zweite Abgasrückführungsleitung an einer Zusammenführung mit der ersten Abgasrückführungsleitung zu einer gemeinsamen Abgasrückführungsleitung zusammengeführt wird. Dadurch kann auf besonders einfache und kostengünstige Art und Weise mit einer geringen Anzahl an zusätzlichen Bauteilen ein Kreislauf geschaffen werden, über welchen die heißen Abgase des Abgasbrenners dem Abgaskanal zugeführt werden können, um die Abgasnachbehandlungskomponenten zu erwärmen.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn in der ersten Abgasrückführungsleitung ein erstes Steuerelement, in der zweiten Abgasrückführungsleitung ein zweites Steuerelement und in der gemeinsamen Abgasrückführungsleitung ein drittes Steuerelement angeordnet ist. Durch die entsprechenden Steuerelemente können die Abgasströme des Abgasbrenners und des Verbrennungsmotors gesteuert werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass die erste Abgasnachbehandlungskomponente als ein erster Drei-Wege-Katalysator oder ein Vier-Wege-Katalysator und die zweite Abgasnachbehandlungskomponente als ein weiterer Drei-Wege-Katalysator ausgeführt sind. Dadurch ist es möglich, zeitnah nach einem Start des Verbrennungsmotors zumindest eine Abgasnachbehandlungskomponente auf ihre Light-Off-Temperatur aufzuheizen und somit effizient und effektiv die im Abgasstrom des Verbrennungsmotors enthaltenen Schadstoffe zu konvertieren. Die Verwendung eines Vier-Wege-Katalysators als erste Abgasnachbehandlungskomponente hat zusätzlich den Vorteil, dass die im Abgas des Verbrennungsmotors enthaltenen Partikel aus dem Abgasstrom herausgefiltert werden, bevor dieser in die erste Abgasrückführungsleitung der Niederdruckabgasrückführung eingeleitet wird. Auf diese Art und Weise kann verhindert werden, dass sich die Niederdruckabgasrückführung, insbesondere der Wärmetauscher oder die Steuerelemente mit Rußpartikeln zusetzen und somit in ihrer Funktion gestört werden.
Alternativ ist in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Abgasnachbehandlungssystems vorgesehen, dass die erste Abgasnachbehandlungskomponente als ein erster Drei-Wege-Katalysator und die zweite Abgasnachbehandlungskomponente als ein zweiter Drei-Wege-Katalysator ausgeführt sind, wobei stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators und stromaufwärts des zweiten Drei-Wege-Katalysators ein Partikelfilter, insbesondere ein beschichtungsfreier Partikelfilter, angeordnet ist. Durch die Verwendung eines Drei-Wege-Katalysators mit nachgeschaltetem Partikelfilter können ähnliche Vorteile wie durch einen Vier-Wege-Katalysator erzielt werden. Zusätzlich ergibt sich ein Vorteil in der Dauerhaltbarkeit, da ein Drei-Wege-Katalysator geringere thermische Alterungserscheinungen als ein Vier-Wege-Katalysator aufweist. Durch einen unbeschichteten Partikelfilter kann zudem der Abgasgegendruck abgesenkt werden, wodurch der Verbrauch des Verbrennungsmotors reduziert werden kann.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die ersten Abgasrückführungsleitung stromabwärts des Partikelfilters und stromaufwärts des zweiten Drei-Wege-Katalysators aus dem Abgaskanal abzweigt. Durch ein Abzweigen stromabwärts des Partikelfilters ergibt sich der Vorteil, dass die im Abgas des Verbrennungsmotors enthaltenen Partikel aus dem Abgasstrom herausgefiltert werden, bevor dieser in die erste Abgasrückführungsleitung der Niederdruckabgasrückführung eingeleitet wird. Auf diese Art und Weise kann verhindert werden, dass sich die Niederdruckabgasrückführung, insbesondere der Wärmetauscher oder die Steuerelemente mit Rußpartikeln zusetzen und somit in ihrer Funktion gestört werden.
Ein weiterer Teilaspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit einem solchen Abgasnachbehandlungssystem, welches folgende Schritte umfasst:

- Aktivieren des Abgasbrenners
- Einleiten der Abgase des Abgasbrenners in die Niederdruckabgasrückführung, und
- Erwärmen des Kühlmittels des Verbrennungsmotors durch den Wärmetauscher in der Niederdruckabgasrückführung.

Durch ein solches Verfahren zur Abgasnachbehandlung können die Emissionen des Verbrennungsmotors in der Kaltstartphase verringert werden. Dabei ergeben sich sowohl geringere Rohemissionen durch das bereits erwärmte Kühlmittel des Verbrennungsmotors und die damit verbundene geringere Reibung als auch eine verbesserte Abgasnachbehandlung durch die schnellere Betriebsbereitschaft der Abgasnachbehandlungskomponente nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Abgasstrom des Abgasbrenners in die Abgasanlage stromaufwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente eingeleitet wird. Dadurch kann der Wärmeeintrag in die Abgasanlage gegenüber einer Einleitung des Abgasstroms in eine Ansaugleitung des Luftversorgungssystems verbessert werden und die Abgasnachbehandlungskomponente schneller auf ihre Betriebstemperatur aufgeheizt werden.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Niederdruckabgasrückführung eine erste und eine zweite Abgasrückführungsleitung umfasst, wobei die erste Niederdruckabgasrückführungsleitung stromabwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente, insbesondere stromabwärts eines Partikelfilters oder eines Vier-Wege-Katalysators und stromaufwärts einer zweiten Abgasnachbehandlungskomponente aus dem Abgaskanal der Abgasanlage abzweigt und die zweite Abgasrückführungsleitung stromabwärts der Turbine des Abgasturboladers und stromaufwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente aus dem Abgaskanal abzweigt, wobei in der ersten Abgasrückführungsleitung ein Wärmetauscher, insbesondere ein Abgasrückführungskühler, angeordnet ist und wobei die zweite Abgasrückführungsleitung stromabwärts des Abgasrückführungskühlers in die erste Abgasrückführungsleitung einmündet und zu einer gemeinsamen Abgasrückführungsleitung zusammengeführt wird, wobei in der ersten Abgasrückführungsleitung ein erstes Steuerelement, in der zweiten Abgasrückführungsleitung ein zweites Steuerelement und in der gemeinsamen Abgasrückführungsleitung ein drittes Steuerelement angeordnet sind, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst.

- Aktivieren des Abgasbrenners,
- Schließen des ersten Steuerelements in der ersten Abgasrückführungsleitung, des dritten Steuerelements in der gemeinsamen Abgasrückführungsleitung sowie Öffnen des zweiten Steuerelements in der zweiten Abgasrückführungsleitung,
- Einleiten der Abgase des Abgasbrenners in die erste Abgasrückführungsleitung der Niederdruckabgasrückführung,
- Erwärmen des Kühlmittels des Verbrennungsmotors durch den Wärmetauscher in der ersten Abgasrückführungsleitung der Niederdruckabgasrückführung,
- Ermitteln einer Abgastemperatur oder der Temperatur einer Abgasnachbehandlungskomponente, wobei
- die ermittelte Temperatur mit einer Schwellentemperatur verglichen wird, wobei
- bei einem Überschreiten der Schwellentemperatur der Abgasbrenner abgeschaltet wird, das erste Steuerelement und das dritte Steuerelement geöffnet werden sowie das zweite Steuerelement geschlossen wird.

Durch das vorgeschlagene Verfahren ist ein besonders effizientes und effektives gleichzeitiges Aufheizen des Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors und der Abgasnachbehandlungskomponenten bei gleichzeitig minimalen Schadstoffemissionen möglich.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Verfahren vor einem Start des Verbrennungsmotors gestartet wird. Dies kann beispielsweise durch eine Zeitsteuereinheit erfolgen, welche zu einem definierten Zeitpunkt einen Start des Verfahrens auslöst. Durch einen Start des Verfahrens vor dem Start des Verbrennungsmotors können die Emissionen in der Startphase des Verbrennungsmotors besonders effizient verringert werden, da der Verbrennungsmotor bereits bei seinem Start durch den Abgasbrenner vorgewärmt ist und weniger Rohemissionen erzeugt.
Alternativ kann das Verfahren durch eine typische Handlung vor dem Start des Verbrennungsmotors, insbesondere durch eine Annäherung des Fahrers an das Fahrzeug, ein Entriegeln der Fahrertür, eine Belegen des Fahrersitzes oder ein Schließen des Gurtschlosses ausgelöst werden.
Alternativ kann das Verfahren auch über den Start des Verbrennungsmotors hinweg durchgeführt werden oder mit dem Start des Verbrennungsmotors gestartet werden.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Gleiche Bauteile sind dabei in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet. Es zeigen:

1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems für einen Verbrennungsmotor;
2 ein alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems für einen Verbrennungsmotor; und
3 ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit einem solchen Abgasnachbehandlungssystem.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors 10, welcher mit seinem Auslass 18 mit einer Abgasanlage 22 verbunden ist. Der Verbrennungsmotor 10 ist vorzugsweise als Ottomotor mit Benzin-Direkteinspritzung ausgeführt und weist eine Mehrzahl von Brennräumen 12 auf, an denen jeweils ein Kraftstoffinjektor 14 zur Einspritzung eines Kraftstoffs in den jeweiligen Brennraum 12 angeordnet ist. Ferner ist jedem Brennraum 12 eine Zündkerze 16 zugeordnet, um ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch in dem jeweiligen Brennraum 12 des Verbrennungsmotors 10 zu entzünden.
Der Verbrennungsmotor 10 weist ein Abgasnachbehandlungssystem 20 mit einer Abgasanlage 22 auf. Die Abgasanlage 22 umfasst einen Abgaskanal 24, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors 10 eine Turbine 28 eines Abgasturboladers 26, stromabwärts der Turbine 28 eine erste Abgasnachbehandlungskomponente 30, insbesondere ein erster Drei-Wege-Katalysator 36, stromabwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente 30 eine dritte Abgasnachbehandlungskomponente 34, insbesondere ein Partikelfilter 40, besonders bevorzugt ein unbeschichteter Ottopartikelfilter, und weiter stromabwärts, vorzugsweise in einer Unterbodenlage eines Kraftfahrzeuges, eine zweite Abgasnachbehandlungskomponente 32, insbesondere ein zweiter Drei-Wege-Katalysator 38 angeordnet sind. Stromabwärts des Partikelfilters 40 und stromaufwärts des zweiten Drei-Wege-Katalysators 38 zweigt an einer ersten Verzweigung 44 eine erste Abgasrückführungsleitung 52 einer Niederdruckabgasrückführung 50 aus dem Abgaskanal 24 ab. Stromabwärts der ersten Verzweigung 44 ist eine Abgasklappe 78 angeordnet, mit welcher der Abgaskanal 24 zumindest teilweise versperrt werden kann, um den über die Niederdruckabgasrückführung 50 zurückgeführten Abgasstrom zu steuern. In der Abgasanlage 22 ist mindestens ein Temperatursensor 70, 72, 74, vorzugsweise mehrere Temperatursensoren 70, 72, 74 angeordnet, um eine Abgastemperatur T_EG oder eine Bauteiltemperatur T_AK1, T_AK2, T_AK3 einer Abgasnachbehandlungskomponente 30, 32, 34 zu erfassen.
Die Niederdruckabgasrückführung 50 umfasst eine erste Abgasrückführungsleitung 52, welche stromabwärts des Partikelfilters 40 und stromaufwärts des zweiten Drei-Wege-Katalysators 38 aus dem Abgaskanal 24 abzweigt. Die Niederdruckabgasrückführung 50 umfasst ferner eine zweite Abgasrückführungsleitung 54, welche stromabwärts der Turbine 28 des Abgasturboladers 26 und stromaufwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente 30 an einer zweiten Verzweigung 46 aus dem Abgaskanal 24 abzweigt. In der ersten Abgasrückführungsleitung 52 ist ein Wärmetauscher 82, insbesondere ein Abgasrückführungskühler 58 angeordnet. Stromabwärts der ersten Verzweigung 44 und stromaufwärts des Abgasrückführungskühlers 58 ist eine Einleitstelle 76 ausgebildet, an welcher das heiße Abgas eines Abgasbrenners 60 in die erste Abgasrückführungsleitung 52 eingeleitet werden kann. Ferner ist in der ersten Abgasrückführungsleitung 52 ein erstes Steuerelement 62 angeordnet, mit welchem die erste Abgasrückführungsleitung 52 geöffnet oder versperrt werden kann. Die Steuerelemente 62, 64, 66 sind vorzugsweise als Steuerklappen 68 oder Abgasrückführungsventile ausgebildet.
In der zweiten Abgasrückführungsleitung 54 ist ein zweites Steuerelement 64 angeordnet, mit welchem die zweite Abgasrückführungsleitung 54 geöffnet oder versperrt werden kann. Die erste Abgasrückführungsleitung 52 und die zweite Abgasrückführungsleitung 54 werden an einer Zusammenführung 48 zu einer gemeinsamen Abgasrückführungsleitung 56 vereint, welche die Abgasanlage 22 mit einem Luftversorgungssystem des Verbrennungsmotors 10 verbindet. Durch die Niederdruckabgasrückführung 50 kann die Luftversorgung entdrosselt werden, wodurch die Strömungsverluste minimiert werden können. Ferner kann die Klopfneigung des Verbrennungsmotors 10, insbesondere bei höheren Lasten des Verbrennungsmotors 10 reduziert werden, wodurch die Verbrennung in den Brennräumen 12 des Verbrennungsmotors 10 optimiert werden und der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors 10 erhöht werden kann. Darüber hinaus lassen sich durch die Niederdruckabgasrückführung 50 Be. In der gemeinsamen Abgasrückführungsleitung 56 ist ein drittes Steuerelement 66 angeordnet, mit welchem die gemeinsame Abgasrückführungsleitung 56 geöffnet oder verschlossen werden kann.
Der Verbrennungsmotor 10 weist einen Kühlmittelkreislauf 80 auf, welcher eine Kühlmittelleitung 84, eine Kühlmittelpumpe 86 und einen Kühlmittelvorratsbehälter 88 umfasst. Der Kühlmittelkreislauf 80 ist über eine Kühlmittelleitung 84 mit dem Wärmetauscher 82 in der Niederdruckabgasrückführung 50 fluidisch verbunden. Bevorzugt ist der Wärmetauscher 82 in einem Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf angeordnet, welches separat von einem Hochtemperatur-Kühlmittelkreislauf ausgeführt ist, welcher den Motorblock des Verbrennungsmotors 10 durchströmt. Alternativ ist der Wärmetauscher 82 in einem Hochtemperatur-Kühlmittelkreislauf angeordnet, wobei der Wärmetauscher 82 stromabwärts einer Kühlvorrichtung und stromaufwärts des Motorblocks des Verbrennungsmotors 10 angeordnet ist, um den Wärmetauscher 82 mit möglichst kühlem Kühlmittel zu durchströmen.
Der Verbrennungsmotor 10 ist mit einem Steuergerät 90 verbunden, welches den Einspritzzeitpunkt sowie die Einspritzmenge des Kraftstoffs durch die Kraftstoffinjektoren 14, den Zündzeitpunkt durch die Zündkerzen 16, sowie die Stellung der Steuerelemente 62, 64, 66 sowie der Abgasklappe 78 steuert.
In 2 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Abgasnachbehandlungssystems 20 für einen Verbrennungsmotor 10 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 ausgeführt, entfällt in diesem Ausführungsbeispiels die dritte Abgasnachbehandlungskomponente 34. Dafür ist anstelle eines ersten Drei-Wege-Katalysators 36 mit nachgeschaltetem Partikelfilter 40 als erste Abgasnachbehandlungskomponente 30 ein Vier-Wege-Katalysator 42 vorgesehen.
In einer vereinfachten Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems 20 kann die zweite Abgasrückführungsleitung 54 auch entfallen, wobei in diesem Fall die Abgase des Abgasbrenners 60 nach Durchströmen des Wärmetauschers 82 über die gemeinsame Abgasrückführungsleitung 56 in das Luftversorgungssystem eingeleitet und den Brennräumen des Verbrennungsmotors 10 zugeführt werden.
Das Abgasnachbehandlungssystem 20 kann unabhängig vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors 10 dazu verwendet werden, um mit Hilfe des Abgasbrenners 60 Wärme in den an den Wärmetauscher 82 angeschlossenen Kühlmittelkreislauf 80 des Verbrennungsmotors 10 einzubringen.
In 3 ist ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors 10 dargestellt. In einem ersten Verfahrensschritt <100> empfängt das Steuergerät 90 ein Signal zum Start des Verfahrens. In einem zweiten Verfahrensschritt <110> wird der Abgasbrenner 60 aktiviert. Parallel werden in einem Verfahrensschritt <120> das erste Steuerelement 62 sowie das dritte Steuerelement 66 geschlossen und das zweite Steuerelement 64 geöffnet. In einem Verfahrensschritt <130> werden die heißen Brennerabgase des Abgasbrenners 60 in die erste Abgasrückführungsleitung 52 der Niederdruckabgasrückführung 50 eingeleitet. Die heißen Brennerabgase werden durch den Wärmetauscher 82 in die Niederdruckabgasrückführung 50 geleitet. In einem Verfahrensschritt <140> wird im Wärmetauscher 82 ein Teil der im Brennerabgas enthaltenen Energie auf das Kühlmedium im Kühlmittelkreislauf 80 des Verbrennungsmotors 10 übertragen. Das durch den Wärmetauscher 82 abgekühlte Brennerabgas wird in einem Verfahrensschritt <150> über die zweite Abgasrückführungsleitung durch das geöffnete zweite Steuerelement 64 in den Abgaskanal 24 stromaufwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente 30 eingeleitet und kann die erste Abgasnachbehandlungskomponente 30 erwärmen. Auf diese Art und Weise können gleichzeitig die in den Brennerabgasen des Abgasbrenners 60 enthaltenen Schadstoffe konvertiert werden. Im Falle einer Aktivierung des Abgasbrenners 60 bei Stillstand des Verbrennungsmotors 10 werden die erste Abgasnachbehandlungskomponente 30 und gleichzeitig das Kühlmittel des Verbrennungsmotors 10 erwärmt. Über einen weiteren Wärmetauscher kann gegebenenfalls auch noch der Fahrzeuginnenraum mittels des erwärmten Kühlmittels des Verbrennungsmotors 10 erwärmt werden.
Die Verfahrensschritte <110> und <120> können anstelle in einer parallelen Reihenfolge auch in beliebiger Reihenfolge nacheinander ausgeführt werden.
Das Abgasnachbehandlungssystem 20 kann auch über den Start des Verbrennungsmotors 10 hinweg betrieben werden oder erst mit oder nach dem Start des Verbrennungsmotors 10 gestartet werden. Auf diese Weise kann der Verbrennungsmotor 10 und gegebenenfalls der Fahrgastraum des Kraftfahrzeuges schneller erwärmt werden, was einen Komfortvorteil im Innenraum oder einen Verbrauchsvorteil oder Emissionsvorteil durch die geringere Reibung bei warmem Verbrennungsmotor 10 zur Folge hat. In einem Verfahrensschritt <160> wird eine Abgastemperatur T_EG oder die Temperatur T_AK1, T_AK2, T_AK3 zumindest einer Abgasnachbehandlungskomponente 30, 32, 34 ermittelt. Haben die Abgasnachbehandlungskomponenten 30, 32, 34 ihre jeweilige Betriebstemperatur erreicht, so kann der Abgasbrenner 60 in einem Verfahrensschritt <170> deaktiviert und die Steuerelements 62 und 66 geöffnet sowie das Steuerelement 64 geschlossen werden. Auf diese Art und Weise können die erste Abgasrückführungsleitung 52 und die gemeinsame Abgasrückführungsleitung 56 zur Rückführung von Abgasen aus dem Abgaskanal 24 über die Niederdruckabgasrückführung 50 in das Luftversorgungssystem des Verbrennungsmotors 10 genutzt werden.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungsmotor
12: Brennraum
14: Kraftstoffinjektor
16: Zündkerze
18: Auslass
20: Abgasnachbehandlungssystem
22: Abgasanlage
24: Abgaskanal
26: Abgasturbolader
28: Turbine
30: erste Abgasnachbehandlungskomponente
32: zweite Abgasnachbehandlungskomponente
34: dritte Abgasnachbehandlungskomponente
36: erster Drei-Wege-Katalysator
38: zweiter Drei-Wege-Katalysator
40: Partikelfilter
42: Vier-Wege-Katalysator
44: erste Verzweigung
46: zweite Verzweigung
48: Zusammenführung
50: Niederdruckabgasrückführung
52: erste Abgasrückführungsleitung
54: zweite Abgasrückführungsleitung
56: gemeinsame Abgasrückführungsleitung
58: Abgasrückführungskühler
60: Abgasbrenner
62: erstes Steuerelement
64: zweites Steuerelement
66: drittes Steuerelement
68: Steuerklappe
70: erster Temperatursensor
72: zweiter Temperatursensor
74: dritter Temperatursensor
76: Einleitstelle
78: Abgasklappe
80: Kühlmittelkreislauf
82: Wärmetauscher
84: Kühlmittelleitung
86: Kühlmittelpumpe
88: Kühlmittelvorratsbehälter
90: 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 102004061809 A1 [0004]
DE 102010052102 A1 [0005]
DE 10136888 A1 [0006]
DE 4340463 A1 [0007]

Claims

Abgasnachbehandlungssystem (20) für einen Verbrennungsmotor (10), umfassend eine Abgasanlage (22) mit einem Abgaskanal (24), in welchem in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors (10) durch die Abgasanlage (22) eine Turbine (28) eines Abgasturboladers (26), stromabwärts der Turbine (28) eine erste Abgasnachbehandlungskomponente (30) und stromabwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente (30) mindestens eine weitere Abgasnachbehandlungskomponente (32, 34) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente (30) und stromaufwärts mindestens einer weiteren Abgasnachbehandlungskomponente (32, 34) eine erste Abgasrückführungsleitung (52) einer Niederdruckabgasrückführung (50) aus dem Abgaskanal (24) abzweigt, wobei in der ersten Abgasrückführungsleitung (52) in Strömungsrichtung eines zurückgeführten Abgasstroms des Verbrennungsmotors (10) ein Abgasbrenner (60) und stromabwärts des Abgasbrenners (60) ein Wärmetauscher (58, 82) angeordnet ist, wobei ein Kühlmittelkreislauf (80) des Verbrennungsmotors (10) mit dem Wärmetauscher (58, 82) verbunden ist.
Abgasnachbehandlungssystem (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts der Turbine (28) und stromaufwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente (30) eine zweite Abgasrückführungsleitung (54) der Niederdruckabgasrückführung (50) aus dem Abgaskanal (24) abzweigt, wobei die zweite Abgasrückführungsleitung (54) an einer Zusammenführung (48) mit der ersten Abgasrückführungsleitung (52) zu einer gemeinsamen Abgasrückführungsleitung (56) zusammengeführt wird.
Abgasnachbehandlungssystem (20) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Abgasrückführungsleitung (52) ein erstes Steuerelement (62), in der zweiten Abgasrückführungsleitung (54) ein zweites Steuerelement (64) und in der gemeinsamen Abgasrückführungsleitung (56) ein drittes Steuerelement (66) angeordnet ist.
Abgasnachbehandlungssystem (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Abgasnachbehandlungskomponente (30) als ein erster Drei-Wege-Katalysator (36) oder ein Vier-Wege-Katalysator (42) und die zweite Abgasnachbehandlungskomponente (32) als ein weiterer Drei-Wege-Katalysator (38) ausgeführt sind.
Abgasnachbehandlungssystem (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Abgasnachbehandlungskomponente (30) als ein erster Drei-Wege-Katalysator (36) und die zweite Abgasnachbehandlungskomponente (32) als ein zweiter Drei-Wege-Katalysator (38) ausgeführt sind, wobei stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators (36) und stromaufwärts des zweiten Drei-Wege-Katalysators (38) ein Partikelfilter (40) angeordnet ist.
Abgasnachbehandlungssystem (20) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Abgasrückführungsleitung (52) stromabwärts des Partikelfilters (40) und stromaufwärts des zweiten Drei-Wege-Katalysators (38) aus dem Abgaskanal (24) abzweigt.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10) mit einem Abgasnachbehandlungssystem (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend folgende Schritte: - Aktivieren des Abgasbrenners (60), - Einleiten der Abgase des Abgasbrenners (60) in die Niederdruckabgasrückführung (50), und - Erwärmen des Kühlmittels des Verbrennungsmotors (10) durch den Wärmetauscher (58, 82) in der Niederdruckabgasrückführung.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasstrom des Abgasbrenners (60) in die Abgasanlage (22) stromaufwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente (30) eingeleitet wird.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotor (10) mit einem Abgasnachbehandlungssystem (20) nach Anspruch 3, umfassend folgende Schritte: - Aktivieren des Abgasbrenners (60) - Schließen des erste Steuerelements (62) in der ersten Abgasrückführungsleitung (52), des dritten Steuerelements (66) in der gemeinsamen Abgasrückführungsleitung (56) sowie Öffnen des zweiten Steuerelements (64) in der zweiten Abgasrückführungsleitung (54), - Einleiten der Abgase des Abgasbrenners (60) in die erste Abgasrückführungsleitung (52) der Niederdruckabgasrückführung (50), - Erwärmen des Kühlmittels des Verbrennungsmotors (10) durch den Wärmetauscher (58, 82) in der Niederdruckabgasrückführung (50), - Ermitteln einer Abgastemperatur (T_EG) oder der Temperatur (T_AK1, T_AK2, T_Ak3) einer Abgasnachbehandlungskomponente (30, 32, 34), wobei - die ermittelte Temperatur (T_EG) mit einer Schwellentemperatur (T_s) verglichen wird, wobei - bei einem Überschreiten der Schwellentemperatur (T_s) der Abgasbrenner (60) abgeschaltet wird, das erste Steuerelement (62) und das dritte Steuerelement (66) geöffnet werden sowie das zweite Steuerelement (64) geschlossen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren vor einem Start des Verbrennungsmotors (10) gestartet wird.