DE202013100716U1

DE202013100716U1 - Brennkraftmaschine mit Abgasnachbehandlung

Info

Publication number: DE202013100716U1
Application number: DE202013100716U
Authority: DE
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2013-02-15
Filing date: 2013-02-18
Publication date: 2013-03-07
Anticipated expiration: 2023-02-19

Abstract

Brennkraftmaschine (1), die ein Ansaugsystem (2) zum Zuführen von Ladeluft und ein Abgasabführsystem (3) zum Abführen der Abgase und mindestens einen in dem Abgasabführsystem (3) angeordneten selektiven Katalysator (6, 7) zur Reduzierung der Stickoxide aufweist, wobei stromaufwärts des mindestens einen selektiven Katalysators (6, 7) mindestens ein weiteres Abgasnachbehandlungssystem (5, 5a) im Abgasabführsystem (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bypassleitung (8) aus dem Ansaugsystem (2) abzweigt und zwischen dem mindestens einen weiteren Abgasnachbehandlungssystem (5, 5a) und dem mindestens einen selektiven Katalysator (6, 7) in das Abgasabführsystem (3) einmündet, wobei eine Dosiervorrichtung (9) zum Einbringen von flüssigem Harnstoff in die Bypassleitung (8) als Reduktionsmittel für den mindestens einen selektiven Katalysator (6, 7) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, die ein Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft und ein Abgasabführsystem zum Abführen der Abgase und mindestens einen in dem Abgasabführsystem angeordneten selektiven Katalysator zur Reduzierung der Stickoxide aufweist, wobei stromaufwärts des mindestens einen selektiven Katalysators ein Oxidationskatalysator als weiteres Abgasnachbehandlungssystem im Abgasabführsystem angeordnet ist.
Nach dem Stand der Technik werden Brennkraftmaschinen zur Reduzierung der Schadstoffemissionen mit verschiedenen Abgasnachbehandlungssystemen ausgestattet.
Bei Ottomotoren kommen katalytische Reaktoren zum Einsatz, die unter Verwendung katalytischer Materialien, welche die Geschwindigkeit bestimmter Reaktionen erhöhen, eine Oxidation von HC und CO auch bei niedrigen Temperaturen sicherstellen. Sollen zusätzlich Stickoxide NO_x reduziert werden, kann dies durch den Einsatz eines Dreiwegekatalysators erreicht werden, der dazu aber einen in engen Grenzen ablaufenden stöchiometrischen Betrieb (λ ≈ 1) des Ottomotors erfordert. Dabei werden die Stickoxide NO_x mittels der vorhandenen nicht oxidierten Abgaskomponenten, nämlich den Kohlenmonoxiden CO und den unverbrannten Kohlenwasserstoffen HC, reduziert, wobei gleichzeitig diese Abgaskomponenten oxidiert werden.
Bei Brennkraftmaschinen, die mit einem Luftüberschuss betrieben werden, beispielsweise direkteinspritzende Dieselmotoren oder mager betriebene Ottomotoren, können die im Abgas befindlichen Stickoxide NO_x prinzipbedingt, d. h. aufgrund der fehlenden Reduktionsmittel nicht reduziert werden.
Infolgedessen muss ein Abgasnachbehandlungssystem zur Reduzierung der Stickoxide vorgesehen werden, beispielsweise ein selektiver Katalysator, der auch als SCR-Katalysator bezeichnet wird und bei dem gezielt Reduktionsmittel in das Abgas eingebracht wird, um die Stickoxide selektiv zu vermindern. Als Reduktionsmittel kommen neben Ammoniak NH₃ und Harnstoff auch unverbrannte Kohlenwasserstoffe zum Einsatz. Letzteres wird auch als HC-Anreicherung bezeichnet, wobei die unverbrannten Kohlenwasserstoffe direkt in das Abgasabführsystem eingebracht werden oder aber durch innermotorische Maßnahmen, beispielsweise durch eine Nacheinspritzung von zusätzlichem Kraftstoff in den Brennraum. Dabei soll der nacheingespritzte Kraftstoff nicht im Brennraum durch die noch ablaufende Hauptverbrennung oder aber durch die – auch nach Beendigung der Hauptverbrennung – hohen Verbrennungsgastemperaturen gezündet werden, sondern während des Ladungswechsels in das Abgasabführsystem stromaufwärts des selektiven Katalysators eingeleitet werden.
Brennkraftmaschinen, die von einer Nacheinspritzung Gebrauch machen, sind von Hause aus anfällig für eine Verdünnung bzw. Kontaminierung des Öls durch unverbrannte Kohlenwasserstoffe. In Abhängigkeit von der Quantität des nacheingespritzten Kraftstoffes und dem Einspritzzeitpunkt, gelangt ein mehr oder weniger großer Anteil des nacheingespritzten Kraftstoffes auf die Zylinderinnenwand, mischt sich dort mit dem anhaftenden Ölfilm und trägt so zur Ölverdünnung bei. Zudem erhöht der Einsatz von zusätzlichem Kraftstoff als Reduktionsmittel prinzipbedingt den Gesamtkraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine.
Daher kommen zur Reduktion von Stickoxiden zunehmend selektive Katalysatoren zum Einsatz, bei denen Ammoniak bzw. Harnstoff als Reduktionsmittel bereitgestellt wird.
Aufgrund der Toxizität von Ammoniak NH₃ wird Ammoniak in der Regel nicht in Reinform in Kraftfahrzeugen bevorratet und als Reduktionsmittel bereitgestellt. Vielmehr wird häufig Harnstoff als Ausgangsprodukt zur Herstellung von Ammoniak verwendet, denn Harnstoff kann unter Energieeintrag im Rahmen einer thermolytischen Reaktion in Ammoniak und Isocyansäure aufgespalten werden, wobei aus der Isocyansäure in Anwesenheit von Wasser wieder Ammoniak NH₃ gewonnen werden kann.
Bei der Bereitstellung des Harnstoffs zur Herstellung von Ammoniak können zwei grundsätzlich voneinander verschiedene Konzepte unterschieden werden. Zum einen kann der Harnstoff in flüssiger Form, d. h. als wässrige Lösung, bevorratet und bereitgestellt werden, wobei der Harnstoff als wässrige Lösung in das Abgas stromaufwärts des selektiven Katalysators eingebracht wird. Zum anderen besteht die Möglichkeit, den Harnstoff in fester Form zur Verfügung zu stellen. Harnstoff in fester Form ist weniger voluminös und durch einen – im Vergleich zur wässrigen Lösung – höheren Ammoniakgehalt gekennzeichnet. Der Bevorratungsspeicher kann daher mit einem geringeren Speichervolumen ausgeführt werden, was insbesondere im Hinblick auf den Einsatz bei Kraftfahrzeugen einen wesentlichen Vorteil darstellt, bei denen ein möglichst dichtes und effektives Packaging angestrebt wird.
Beide Konzepte erfordern den Eintrag von Wärme in den Harnstoff, um Ammoniak herzustellen. In bestimmten Betriebsmodi kann dies Probleme bereiten. Wird beispielsweise eine wässrige Harnstofflösung stromaufwärts eines selektiven Katalysators in das Abgas eingebracht, sind Abgastemperaturen von etwa 150°C bis 170°C erforderlich, um die Harnstofflösung zu verdampfen, Ammoniak NH₃ zu erzeugen und dieses als Reduktionsmittel dienende Ammoniak in ausreichender Weise mit dem Abgas zu vermischen, so dass eine möglichst homogene Abgas-Ammoniak-Mischung entsteht und den Katalysator durchströmt.
Bei Dieselmotoren kann es Schwierigkeiten bereiten, im innerstädtischen Verkehr Abgastemperaturen in der erforderlichen, vorstehend genannten Höhe zu generieren bzw. zu erreichen. Zu berücksichtigen ist dabei, dass im Leerlauf üblicherweise Abgastemperaturen von nur 100°C erreicht werden und Brennkraftmaschinen nach einem Kaltstart eine gewisse Warmlaufphase benötigen, damit die einzelnen Abgasnachbehandlungssysteme ihre Betriebstemperatur erreichen und Schadstoffe konvertieren.
Selektive Katalysatoren können nicht nur Stickoxide unter Anwesenheit eines Reduktionsmittels, beispielweise Ammoniak, reduzieren, sondern auch bei Vorliegen geeigneter Temperaturen Ammoniak einlagern, speichern und bei Bedarf zur Reduzierung von Stickoxiden wieder freigeben. Um Ammoniak einlagern zu können, sind bestimmte Mindesttemperaturen des Katalysators erforderlich. In der Regel werden Katalysatortemperaturen zwischen 180°C und 300°C angestrebt, um eine zufriedenstellende Abgasnachbehandlung mittels SCR-Katalysator sicher zustellen.
Die vorstehend gemachten Ausführungen vermitteln den Eindruck, dass es vorteilhaft ist, selektive Katalysatoren möglichst nahe am Auslass der Brennkraftmaschine, d. h. motornah, zu platzieren, um den Abgasen wenig Zeit und Gelegenheit zur Abkühlung einzuräumen und sicherzustellen, dass der Katalysator möglichst schnell seine Betriebstemperatur erreicht, insbesondere nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine.
Dabei ist aber zu bedenken, dass eine Brennkraftmaschine in der Regel noch weitere Abgasnachbehandlungssysteme aufweist, deren motornahe Anordnung von noch höherer Relevanz sein kann. So wird häufig als erstes Abgasnachbehandlungssystem ein Oxidationskatalysator im Abgasabführsystem angeordnet, um die unvollständig verbrannten Verbrennungsprodukte, nämlich die Kohlenmonoxide CO und die unverbrannten Kohlenwasserstoffe HC, zu oxidieren. Dabei ist eine motornahe Anordnung des Oxidationskatalysators unverzichtbar, um insbesondere die nach einem Kaltstart hohen Rohemissionen an Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen effektiv zu senken und eine schnelle Aufheizung des Oxidationskatalysators nach einem Kaltstart zu gewährleisten.
Wird zur Verringerung der Rußpartikelemissionen ein regenerativer Partikelfilter eingesetzt, sind zur Regeneration des Partikelfilters hohe Temperaturen von etwa 550°C bei nicht vorhandener katalytischer Unterstützung erforderlich, die im Betrieb nur bei hohen Lasten und hohen Drehzahlen erreicht werden. Eine möglichst motornahe Anordnung ist also auch hinsichtlich eines Partikelfilters sinnvoll.
Zu berücksichtigen ist auch, dass ein selektiver Katalysator bei sehr hohen Katalysatortemperaturen oberhalb von etwa 400°C eingelagertes Ammoniak freisetzt, ohne dass Stickoxide reduziert werden. Sowohl das freigesetzte Ammoniak als auch das unbehandelte stickoxidhaltige Abgas werden dann via Abgasabführsystem in die Umgebung abgeführt.
Obwohl die derzeitigen Verordnungen eine On-Board-Diagnose (OBD) nicht zwingend erfordern, könnten zukünftige vom Gesetzgeber vorgegebene Grenzwerte für Stickoxidemissionen dies erforderlich machen. So schreibt die Verordnung EURO VI die Überwachung der Stickoxid-Rohemission vor. Insbesondere die sichere Vermeidung der Einleitung von Ammoniak in die Umgebung könnte eine On-Board-Diagnose (OBD), nämlich die Überwachung der Ammoniak-Konzentration im nachbehandelten Abgas, unentbehrlich machen.
Die vorstehend beschriebenen technischen Zusammenhänge machen deutlich, dass Konzepte erforderlich sind, mit denen selektive Katalysatoren im Hinblick auf eine möglichst effektive Abgasnachbehandlung einer Brennkraftmaschine optimal betrieben werden können. Derartige Konzepte sollten insbesondere Einfluss nehmen können auf die Abgastemperatur des zu behandelnden Abgases und damit auf die Temperatur des Katalysators, um eine Abgasnachbehandlung hoher Qualität, d. h. eine effektive Reduzierung der Stickoxide zu gewährleisten.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich des Betriebs des mindestens einen selektiven Katalysators optimiert ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Brennkraftmaschine, die ein Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft und ein Abgasabführsystem zum Abführen der Abgase und mindestens einen in dem Abgasabführsystem angeordneten selektiven Katalysator zur Reduzierung der Stickoxide aufweist, wobei stromaufwärts des mindestens einen selektiven Katalysators ein Oxidationskatalysator als weiteres Abgasnachbehandlungssystem im Abgasabführsystem angeordnet ist, und die dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Bypassleitung aus dem Ansaugsystem abzweigt und zwischen dem Oxidationskatalysator und dem mindestens einen selektiven Katalysator in das Abgasabführsystem einmündet, wobei eine Dosiervorrichtung zum Einbringen von flüssigem Harnstoff in die Bypassleitung als Reduktionsmittel für den mindestens einen selektiven Katalysator vorgesehen ist.
Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann der selektive Katalysator bei Umgehung weiterer stromaufwärts des Katalysators gelegener Abgasnachbehandlungssysteme direkt mit einem Trägergasstrom für das Reduktionsmittel, nämlich einem Luftstrom, beaufschlagt werden. Dabei wird Luft im Bedarfsfall via Bypassleitung an den weiteren Abgasnachbehandlungssystemen vorbei direkt zum selektiven Katalysator geleitet.
Durch diese Maßnahme, dem Öffnen der Bypassleitung für die Luftdurchführung, wird das Teilstück des Abgasabführsystems zwischen dem Auslass der Brennkraftmaschine, d. h. den Auslassöffnungen der Zylinder, und dem selektiven Katalysator eliminiert, und zwar durch Umgehung dieses Teilstückes via Bypassleitung. Die beim Durchströmen des Abgasabführsystems infolge thermischer Trägheit ablaufende Abkühlung des üblicherweise als Trägergasstrom verwendeten Abgasstroms entfällt. Ebenso entfällt die Abkühlung des erfindungsgemäß verwendeten Trägerstroms in diesem Teilstück, da der erfindungsgemäß eingesetzte Luftstrom erst stromabwärts der weiteren Abgasnachbehandlungssysteme und stromaufwärts des mindestens einen selektiven Katalysators in das Abgasabführsystem eingeleitet wird. Dies unterscheidet den erfindungsgemäßen Trägerluftstrom von einem nach dem Stand der Technik unmittelbar hinter den Zylinderauslassöffnungen eingespeisten Sekundärluftstrom.
Bei einer mittels Abgasturboaufladung aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei der der Verdichter mindestens eines Abgasturboladers im Ansaugsystem angeordnet ist und die Bypassleitung stromabwärts dieses Verdichters aus dem Ansaugsystem abzweigt, ist die durch die Bypassleitung geleitete Ladeluft infolge Kompression erhitzt bzw. stark erwärmt, wodurch die Verdampfung des flüssigen Harnstoffs und die Aufbereitung zu Ammoniak als Reduktionsmittel für den mindestens einen selektiven Katalysator in vorteilhafter Weise unterstützt wird.
Auf diese Weise kann die Temperatur des Trägerstroms und die Temperatur des Katalysators gezielt angehoben werden, beispielsweise im innerstädtischen Verkehr, wenn die vergleichsweise niedrigen Abgastemperaturen eine effektive Abgasnachbehandlung mittels Abgasstrom als Trägergasstrom erschweren bzw. verhindern.
Auch Temperaturen von etwa 150°C bis 170°C, die erforderlich sind, um die erfindungsgemäß wässrig in die Luft eingebrachte Harnstofflösung zu verdampfen und Ammoniak zu erzeugen, können realisiert werden, beispielsweise mittels in der Bypassleitung vorgesehener Heizeinrichtung.
Dass die Dosiervorrichtung zum Einbringen der Harnstofflösung erfindungsgemäß in der Bypassleitung vorgesehen ist, führt auch bei der konstruktiven Auslegung des Abgasabführsystems zu Vorteilen, denn die Anordnung der Dosiervorrichtung in der Bypassleitung gestattet eine motornahe bzw. motornähere Anordnung des selektiven Katalysators und gegebenenfalls der weiteren Abgasnachbehandlungssysteme.
Nehmen die Abgastemperaturen bedingt durch den momentanen Betrieb der Brennkraftmaschine in kritischer Weise zu, beispielsweise so stark, dass im Katalysator eingelagertes und als Reduktionsmittel dienendes Ammoniak infolge einer zu hohen Katalysatortemperatur unkontrolliert freigesetzt werden und via Abgasabführsystem in die Umgebung gelangen könnte, kann das Abgas durch Öffnen der Bypassleitung und Zumischen von Luft gekühlt werden, wodurch die Abgastemperatur bzw. die Katalysatortemperatur gesenkt wird.
Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich des Betriebs des mindestens einen selektiven Katalysators optimiert ist.
Für eine effektive Abgasnachhandlung sind in der Regel mehrere Abgasnachbehandlungssysteme erforderlich, weshalb erfindungsgemäß ein Oxidationskatalysator zur Nachbehandlung der Kohlenmonoxide und der unverbrannten Kohlenwasserstoffe vorgesehen ist. Dieses mindestens eine weitere Abgasnachbehandlungssystem ist stromaufwärts des mindestens einen selektiven Katalysators im Abgasabführsystem angeordnet.
Eine motornahe Anordnung des Oxidationskatalysators gewährleistet die schnelle Aufheizung des Oxidationskatalysators bzw. grundsätzlich das Erreichen und Aufrechterhalten der erforderlichen Betriebstemperatur. Die im Oxidationskatalysator ablaufenden Oxidationsvorgänge können dazu genutzt werden, die Abgastemperaturen stromaufwärts des mindestens einen SCR-Katalysators anzuheben.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Brennkraftmaschine gemäß den Unteransprüchen werden im Folgenden erläutert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen stromabwärts der Dosiervorrichtung ein Mischer in der Bypassleitung vorgesehen ist.
Das mittels wässriger Harnstofflösung erzeugte und als Reduktionsmittel dienende Ammoniak sollte für eine effektive Abgasnachbehandlung in ausreichender Weise mit dem Trägerstrom, d. h. der Luft, vermischt werden. Vorteilhafterweise sollte eine möglichst homogene Luft-Ammoniak-Mischung gebildet werden und den mindestens einen selektiven Katalysator durchströmen.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen stromaufwärts der Dosiervorrichtung eine Heizung in der Bypassleitung vorgesehen ist.
Mittels Heizung können die Temperaturen der als Trägergas dienenden Luft angehoben werden und damit die zum Verdampfen der wässrigen Harnstofflösung erforderlichen Lufttemperaturen sichergestellt bzw. im Bedarfsfall generiert werden. Vorteilhafterweise umfasst die Heizung ein beheizbares Gitter bzw. Netz, welches vom der Luft durchströmt wird. Das Gitter bzw. Netz dient der Erwärmung der Luft und kann gleichzeitig Turbulenzen erzeugen, welche die Durchmischung von Luft und Reduktionsmittel stromabwärts in der Bypassleitung unterstützen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen stromaufwärts der Dosiervorrichtung eine Pumpe vorgesehen ist, welche Umgebungsluft ansaugt und in die Bypassleitung fördert. Zu berücksichtigen ist dabei, dass via Bypassleitung Ladeluft aus dem Ansaugsystem entnommen wird, wobei die entnommene Ladeluft beim Ladungswechsel gewissermaßen fehlt, d. h. keinen Teil der vom Ansaugsystem bereitzustellenden Zylinderfrischladung bzw. Ladeluft mehr bilden kann. Dies muss nicht unter allen Umständen zu Problemen führen, insbesondere nicht zu einem verschlechterten Ladungswechsel bzw. einem verschlechterten Wirkungsgrad. Beispielsweise könnte die entnommene Ladeluft bei einem im Teillastbereich betriebenen Ottomotor mittels verminderter Drosselung der angesaugten Luft ohne weiteres als überschüssig angesaugte Luft bereitgestellt werden. Wird derselbe Ottomotor aber bei höheren Lasten oder bei Volllast betrieben, d. h. vollständig entdrosselt bzw. nahezu entdrosselt, kann keine überschüssige Luft angesaugt werden und die dem Ansaugsystem für die Bypassleitung entnommene Luft fehlt im Rahmen des Ladungswechsels tatsächlich. Die Pumpe soll dann das Ansaugsystem als Luftlieferanten für die Bypassleitung entlasten und dient der Einspeisung von Umgebungsluft in die Bypassleitung.
Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere für Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt. Eine elektrisch betriebene Pumpe kann dann von der Elektromaschine bzw. der dazugehörigen Batterie mit Strom versorgt werden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen stromabwärts der Dosiervorrichtung ein Katalysator zur katalytischen Unterstützung der Hydrolyse von Isocyansäure vorgesehen ist.
Während die Harnstofflösung unter Energieeintrag im Rahmen einer thermolytischen Reaktion in Ammoniak (NH₃) und Isocyansäure (HNCO) aufgespalten wird, kann die Isocyansäure (HNCO) in Anwesenheit von Wasser (H₂O) zu Ammoniak (NH₃) und Kohlendioxid (CO₂) hydrolysiert werden.
Zur katalytischen Unterstützung der Hydrolyse von Isocyansäure ist gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein Katalysator stromabwärts der Dosiervorrichtung vorgesehen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der dem Oxidationskatalysator im Abgasabführsystem nachfolgend angeordnete selektive Katalysator integral mit einem Partikelfilter als kombiniertes Abgasnachbehandlungssystem ausgebildet ist.
Kombinierte Abgasnachbehandlungssysteme haben Vorteile hinsichtlich des Raumbedarfs. Der selektive Katalysator und der Partikelfilter können sich ein gemeinsames Trägersubstrat teilen. Der Oxidationskatalysator ist stromaufwärts des kombinierten Abgasnachbehandlungssystems und zu diesem beabstandet angeordnet. Dadurch kann eine übermäßige unvorteilhafte Erwärmung des selektiven Katalysators infolge zu hoher Temperaturen des Oxidationskatalysators verhindert werden.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen stromaufwärts des mindestens einen selektiven Katalysators ein Partikelfilter als weiteres Abgasnachbehandlungssystem im Abgasabführsystem angeordnet ist, wobei der Oxidationskatalysator stromaufwärts des Partikelfilters angeordnet ist und die Bypassleitung zwischen dem Partikelfilter und dem mindestens einen selektiven Katalysator in das Abgasabführsystem einmündet.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen ein Steuerelement vorgesehen ist, mit welchem die durch die Bypassleitung geführte Luftmenge einstellbar ist.
Das Steuerelement kann ein Ventil, ein Schieber, eine Klappe oder dergleichen sein. Es kann elektrisch, hydraulisch, pneumatisch, mechanisch oder magnetisch zu betätigen sein, vorzugsweise mittels Motorsteuerung, und dabei zweistufig, mehrstufig oder stufenlos schaltbar, d. h. verstellbar ausgeführt werden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist, wobei der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers im Ansaugsystem und die Turbine des mindestens einen Abgasturboladers im Abgasabführsystem angeordnet sind.
Die Vorteile eines Abgasturboladers beispielsweise im Vergleich zu einem mechanischen Lader bestehen darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine besteht bzw. erforderlich ist. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie vollständig von der Brennkraftmaschine bezieht, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase.
Die vom Abgasstrom an die Turbine abgegebene Energie wird für den Antrieb eines Verdichters genutzt, der die ihm zugeführte Ladeluft fördert und komprimiert, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird. Gegebenenfalls ist eine Ladeluftkühlung vorgesehen, mit der die komprimierte Verbrennungsluft vor Eintritt in die Zylinder gekühlt wird.
Die Aufladung dient in erster Linie der Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine. Die Aufladung ist aber auch ein geeignetes Mittel, bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin zu verschieben, wodurch der spezifische Kraftstoffverbrauch gesenkt werden kann.
Häufig wird bei Unterschreiten einer bestimmten Motordrehzahl ein Drehmomentabfall beobachtet. Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine wird durch unterschiedliche Maßnahmen zu verbessern versucht. Beispielsweise durch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnittes und gleichzeitiger Abgasabblasung. Eine derartige Turbine wird auch als Waste-Gate-Turbine bezeichnet. Überschreitet der Abgasmassenstrom eine kritische Größe wird durch Öffnen eines Absperrelementes ein Teil des Abgasstromes im Rahmen der sogenannten Abgasabblasung mittels einer Bypassleitung an der Turbine bzw. dem Turbinenlaufrad vorbei geführt.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann des Weiteren durch mehrere parallel oder in Reihe angeordnete Turbolader, d. h. durch mehrere parallel oder in Reihe angeordnete Turbinen, verbessert werden.
Die Turbine kann darüber hinaus mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestattet werden, die eine weitergehende Anpassung an den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine durch Verstellen der Turbinengeometrie bzw. des wirksamen Turbinenquerschnittes gestattet. Dabei sind im Eintrittsbereich der Turbine verstellbare Leitschaufeln zur Beeinflussung der Strömungsrichtung angeordnet. Im Gegensatz zu den Laufschaufeln des umlaufenden Laufrades rotieren die Leitschaufeln nicht mit der Welle der Turbine.
Verfügt die Turbine über eine feste unveränderliche Geometrie, sind die Leitschaufeln nicht nur stationär, sondern zudem völlig unbeweglich im Eintrittsbereich angeordnet, d. h. starr fixiert. Bei einer variablen Geometrie hingegen sind die Leitschaufeln zwar stationär angeordnet, aber nicht völlig unbeweglich, sondern drehbar, so dass auf die Anströmung der Laufschaufeln Einfluss genommen werden kann.
Man ist bemüht, die Turbine eines Abgasturboladers möglichst nahe am Auslass der Brennkraftmaschine anzuordnen, um auf diese Weise die Abgasenthalpie der heißen Abgase, die maßgeblich von der Abgastemperatur und dem Abgasdruck bestimmt wird, optimal nutzen zu können und ein schnelles Ansprechverhalten des Turboladers zu gewährleisten.
In diesem Zusammenhang ist man daher auch bemüht, die thermische Trägheit des Abgasabführsystems zwischen Auslass und Turbine zu minimieren, was durch Reduzierung der Masse und der Länge dieses Teilstückes erreicht werden kann.
Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Turbine stromaufwärts des mindestens einen weiteren Abgasnachbehandlungssystems im Abgasabführsystem angeordnet ist.
Bei Brennkraftmaschinen mit Abgasturboaufladung sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen die Bypassleitung stromabwärts des Verdichters des mindestens einen Abgasturboladers aus dem Ansaugsystem abzweigt.
Bei einer mittels Abgasturboaufladung aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei der der Verdichter mindestens eines Abgasturboladers im Ansaugsystem angeordnet ist und die Bypassleitung stromabwärts dieses Verdichters aus dem Ansaugsystem abzweigt, ist die durch die Bypassleitung geleitete Ladeluft infolge Kompression erhitzt bzw. stark erwärmt, wodurch die Verdampfung des flüssigen Harnstoffs und die Aufbereitung zu Ammoniak als Reduktionsmittel für den mindestens einen selektiven Katalysator in vorteilhafter Weise unterstützt wird.
Auf diese Weise kann die Temperatur des Trägerstroms und die Temperatur des Katalysators gezielt angehoben werden, beispielsweise im innerstädtischen Verkehr, wenn die vergleichsweise niedrigen Abgastemperaturen eine effektive Abgasnachbehandlung mittels Abgasstrom als Trägergasstrom erschweren bzw. verhindern.
Bei Brennkraftmaschinen, bei denen eine Ladeluftkühlung stromabwärts des Verdichters vorgesehen wird, um die mittels Verdichter komprimierte Ladeluft vor Eintritt in die Zylinder zu kühlen, sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen die Bypassleitung stromaufwärts dieses Ladeluftkühlers aus dem Ansaugsystem abzweigt.
Im Zusammenhang mit einer Abgasturboaufladung sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen in die Bypassleitung stromabwärts des Verdichters des mindestens einen Abgasturboladers eine zusätzliche Zuführleitung mündet, in der eine Pumpe angeordnet ist, welche Umgebungsluft ansaugt und in die Bypassleitung fördert.
Das bereits hinsichtlich der Verwendung einer Pumpe Gesagte gilt in analoger Weise. Die Pumpe dient dazu, zusätzliche Luft, vorzugsweise aus der Umgebung, bereitzustellen und damit der zumindest teilweisen Kompensation der dem Ansaugsystem entnommenen Ladeluft.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die zusätzliche Zuführleitung unter Ausbildung eines Knotenpunktes in die Bypassleitung mündet, wobei an dem Knotenpunkt ein Steuerelement vorgesehen ist, mit welchem die durch den Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers geführte Ladeluftmenge und die durch die zusätzliche Zuführleitung angesaugte Menge an Umgebungsluft einstellbar sind. Es gilt das bereits im Zusammenhang mit einem Steuerelement Gesagte.
Mittels Steuerelement kann der via Bypassleitung geführte Gesamtluftstrom durch Mischen der zwei Teilluftströme generiert werden. Die Temperatur und der Druck der beiden Teilluftströme sind unterschiedlich, so dass ein Mischen der beiden Teilluftströme beispielsweise auch dazu genutzt werden kann, die Temperatur des die Bypassleitung durchströmenden Gesamtluftstroms bedarfsgerecht einzustellen.
Im Rahmen des Betriebs einer Brennkraftmaschine einer vorstehend genannten Art, die mit einem Steuerelement zum Einstellen der durch die Bypassleitung geführten Luftmenge ausgestattet ist, wird die Bypassleitung vorzugsweise geöffnet, um den mindestens einen selektiven Katalysator mit Ammoniak als Reduktionsmittel zu versorgen.
Vorteilhaft ist es, die Bypassleitung zu öffnen, falls die Abgastemperatur T_Abgas kleiner ist als eine vorgebbare Abgasmindesttemperatur T_Abgas,min.
Als Referenzabgastemperatur T_Abgas,min kann die Abgastemperatur im Katalysator, am Eintritt in den Katalysator oder an jeder anderen Stelle im Abgasabführsystem dienen.
Vorteilhaft kann es sein, die Abgastemperatur T_Abgas rechnerisch zu bestimmen. Die rechnerische Bestimmung der Abgastemperatur erfolgt mittels Simulation, bei der aus dem Stand der Technik bekannte Modelle, beispielsweise dynamische Wärmemodelle und kinetische Modelle zur Bestimmung der während der Verbrennung generierten Reaktionswärme, verwendet werden. Als Eingangssignale für die Simulation werden vorzugsweise Betriebsparameter der Brennkraftmaschine verwendet, die schon vorliegen, d. h. in anderem Zusammenhang ermittelt werden.
Die Simulationsrechnung zeichnet sich dadurch aus, dass keine weiteren Bauteile, insbesondere keine Sensoren, vorgesehen werden müssen, um die Abgastemperatur zu bestimmen, was hinsichtlich der Kosten günstig ist. Nachteilig hingegen ist, dass es sich bei der auf diese Weise ermittelten Abgastemperatur lediglich um einen Schätzwert handelt, was die Qualität der Steuerung bzw. Regelung mindern kann.
Zur Abschätzung einer Abgastemperatur T_Abgas an einer Stelle im Abgasabführsystem kann die Abgastemperatur an einer anderen Stelle im Abgasabführsystem herangezogen werden, welche beispielsweise auch messtechnisch mittels Sensor erfasst wird.
Vorteilhaft kann es daher auch sein, die Abgastemperatur T_Abgas messtechnisch mittels Sensor direkt zu erfassen.
Die messtechnische Erfassung einer Temperatur liefert genauere Temperaturwerte, kann aber schwierig sein. Das trifft beispielsweise auf die messtechnische Erfassung der Temperatur eines Abgasnachbehandlungssystems zu, bei der die fehlende Möglichkeit zur Anordnung eines Temperaturfühlers im Abgasnachbehandlungssystem Probleme bereiten kann.
Die messtechnische Erfassung der Abgastemperatur in einer Abgasleitung hingegen bereitet keine Schwierigkeiten.
Vorteilhaft können dennoch Varianten sein, bei denen die Bypassleitung geöffnet wird, falls die Abgastemperatur T_Abgas an dem mindestens einen selektiven Katalysator kleiner ist als eine vorgebbare Abgasmindesttemperatur T_Abgas,min. Dabei kann die Abgastemperatur am Katalysator der Katalysatortemperatur T_SCR, d. h. der Bauteiltemperatur, gleichgesetzt werden und umgekehrt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der 1 und 2 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1 schematisch in Gestalt einer Prinzipskizze eine erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine, und
2 schematisch in Gestalt einer Prinzipskizze eine zweite Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
1 zeigt schematisch in Gestalt einer Prinzipskizze eine erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine 1.
Die Brennkraftmaschine 1 weist ein Ansaugsystem 2 zum Zuführen von Ladeluft und ein Abgasabführsystem 3 zum Abführen der Abgase auf. Zwecks Aufladung ist ein Abgasturbolader 4 vorgesehen. Der Verdichter 4a des Abgasturboladers 4 ist in einer Ansaugleitung 2a des Ansaugsystems 2 angeordnet und die Turbine 4b des Abgasturboladers 4 in einer Abgasleitung 3a des Abgasabführsystems 3.
Stromabwärts der Turbine 4b sind verschiedene Systeme 5, 5a, 6, 6a, 7 zur Abgasnachbehandlung vorgesehen.
Zur Reduzierung der Stickoxide sind zwei selektive Katalysatoren 6, 7 vorgesehen, wobei stromaufwärts dieser beiden selektiven Katalysatoren 6, 7 ein weiteres Abgasnachbehandlungssystem 5 angeordnet ist. Vorliegend ist das weitere Abgasnachbehandlungssystem 5 ein Oxidationskatalysator 5a, wobei der dem Oxidationskatalysator 5a in der Abgasleitung 3a nachfolgend angeordnete selektive Katalysator 6 integral mit einem Partikelfilter 6a als kombiniertes Abgasnachbehandlungssystem ausgebildet ist. Stromabwärts des mit dem Partikelfilter 6a integral ausgebildeten ersten selektiven Katalysators 6 ist ein zweiter selektiver Katalysator 7 im Abgasabführsystem 3 angeordnet.
Eine Bypassleitung 8 zweigt stromabwärts des Verdichters 4a aus dem Ansaugsystem 2 ab und mündet zwischen dem Oxidationskatalysator 5a und dem kombinierten Abgasnachbehandlungssystem umfassend den ersten selektiven Katalysator 6 und den Partikelfilter 6a in das Abgasabführsystem 3.
Eine Dosiervorrichtung 9 zum Einbringen von flüssigem Harnstoff in die Bypassleitung 8 ist vorgesehen, um als Reduktionsmittel dienendes Ammoniak für die selektiven Katalysatoren 6, 7 erzeugen zu können, d. h. bereitzustellen. Stromabwärts der Dosiervorrichtung 9 ist ein Mischer 10 in der Bypassleitung 8 vorgesehen, der das als Reduktionsmittel dienende Ammoniak mit der Ladeluft vermischt, um eine möglichst homogene Luft-Ammoniak-Mischung zu bilden, welche die Katalysatoren 6, 7 durchströmt.
Ebenfalls in der Bypassleitung 8 ist ein Steuerelement 11 angeordnet, das der Einstellung der durch die Bypassleitung 8 geführten Luftmenge dient. Als Steuerelement 11 dient eine verschwenkbare Klappe 11a.
2 zeigt schematisch in Gestalt einer Prinzipskizze eine zweite Ausführungsform der Brennkraftmaschine 1. Es sollen nur die Unterschiede zu der in 1 dargestellten Ausführungsform erörtert werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf 1. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
Im Unterschied zu der in 1 dargestellten Ausführungsform ist bei der in 2 dargestellten Brennkraftmaschine 1 kein kombiniertes Abgasnachbehandlungssystem umfassend einen selektiven Katalysator und einen Partikelfilter vorgesehen. Vielmehr sind stromaufwärts eines einzelnen selektiven Katalysators 6 ein Oxidationskatalysator 5a und ein Partikelfilter 6a als weitere Abgasnachbehandlungssysteme 5 im Abgasabführsystem 3 angeordnet. Der Oxidationskatalysator 5a ist stromaufwärts des Partikelfilters 6a angeordnet, wobei die Bypassleitung 8 zwischen dem Partikelfilter 6a und dem selektiven Katalysator 6 in das Abgasabführsystem 3 einmündet.
Bezugszeichenliste

1: Brennkraftmaschine
2: Ansaugsystem
2a: Ansaugleitung
3: Abgasabführsystem
3a: Abgasleitung
4: Abgasturbolader
4a: Verdichter
4b: Turbine
5: weiteres Abgasnachbehandlungssystem
5a: Oxidationskatalysator
6: selektiver Katalysator
6a: Partikelfilter
7: selektiver Katalysator
8: Bypassleitung
9: Dosiervorrichtung
10: Mischer
11: Steuerelement
11a: Klappe
CO: Kohlenmonoxid
HC: unverbrannte Kohlenwasserstoffe
NH₃: Ammoniak
NO_x: Stickoxide
T_Abgas: Abgastemperatur
T_Abgas,min: Abgasmindesttemperatur
T_SCR: Katalysatortemperatur

Claims

Brennkraftmaschine (1), die ein Ansaugsystem (2) zum Zuführen von Ladeluft und ein Abgasabführsystem (3) zum Abführen der Abgase und mindestens einen in dem Abgasabführsystem (3) angeordneten selektiven Katalysator (6, 7) zur Reduzierung der Stickoxide aufweist, wobei stromaufwärts des mindestens einen selektiven Katalysators (6, 7) mindestens ein weiteres Abgasnachbehandlungssystem (5, 5a) im Abgasabführsystem (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bypassleitung (8) aus dem Ansaugsystem (2) abzweigt und zwischen dem mindestens einen weiteren Abgasnachbehandlungssystem (5, 5a) und dem mindestens einen selektiven Katalysator (6, 7) in das Abgasabführsystem (3) einmündet, wobei eine Dosiervorrichtung (9) zum Einbringen von flüssigem Harnstoff in die Bypassleitung (8) als Reduktionsmittel für den mindestens einen selektiven Katalysator (6, 7) vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts der Dosiervorrichtung (9) ein Mischer (10) in der Bypassleitung (8) vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts der Dosiervorrichtung (9) eine Heizung in der Bypassleitung (8) vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts der Dosiervorrichtung (9) eine Pumpe vorgesehen ist, welche Umgebungsluft ansaugt und in die Bypassleitung (8) fördert.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts der Dosiervorrichtung (9) ein Katalysator zur katalytischen Unterstützung der Hydrolyse von Isocyansäure vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts des mindestens einen selektiven Katalysators (6, 7) ein Oxidationskatalysator (5a) als weiteres Abgasnachbehandlungssystem (5) im Abgasabführsystem (3) angeordnet ist, wobei die Bypassleitung (8) zwischen dem Oxidationskatalysator (5a) und dem mindestens einen selektiven Katalysator (6, 7) in das Abgasabführsystem (3) einmündet.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Oxidationskatalysator (5a) im Abgasabführsystem (3) nachfolgend angeordnete selektive Katalysator (6) integral mit einem Partikelfilter (6a) als kombiniertes Abgasnachbehandlungssystem ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts des mindestens einen selektiven Katalysators (6, 7) ein Oxidationskatalysator (5a) und ein Partikelfilter (6a) als weitere Abgasnachbehandlungssysteme (5) im Abgasabführsystem (3) angeordnet sind, wobei der Oxidationskatalysator (5a) stromaufwärts des Partikelfilters (6a) angeordnet ist und die Bypassleitung (8) zwischen dem Partikelfilter (6a) und dem mindestens einen selektiven Katalysator (6, 7) in das Abgasabführsystem (3) einmündet.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuerelement (11) vorgesehen ist, mit welchem die durch die Bypassleitung (8) geführte Luftmenge einstellbar ist.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Abgasturbolader (4) vorgesehen ist, wobei der Verdichter (4a) des mindestens einen Abgasturboladers (4) im Ansaugsystem (2) und die Turbine (4b) des mindestens einen Abgasturboladers (4) im Abgasabführsystem (3) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (4b) stromaufwärts des mindestens einen weiteren Abgasnachbehandlungssystems (5) im Abgasabführsystem (3) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (8) stromabwärts des Verdichters (4a) des mindestens einen Abgasturboladers (4) aus dem Ansaugsystem (2) abzweigt.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in die Bypassleitung (8) stromabwärts des Verdichters (4a) des mindestens einen Abgasturboladers (4) eine zusätzliche Zuführleitung mündet, in der eine Pumpe angeordnet ist, welche Umgebungsluft ansaugt und in die Bypassleitung (8) fördert.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Zuführleitung unter Ausbildung eines Knotenpunktes in die Bypassleitung (8) mündet, wobei an dem Knotenpunkt ein Steuerelement (11) vorgesehen ist, mit welchem die durch den Verdichter (4a) des mindestens einen Abgasturboladers (4) geführte Ladeluftmenge und die durch die zusätzliche Zuführleitung (8a) angesaugte Menge an Umgebungsluft einstellbar sind.