WO2016097197A1 - Agr-system mit partikelfilter für ottomotor - Google Patents

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Michael Fischer
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    • F02P5/15—Digital data processing
    • F02P5/1502—Digital data processing using one central computing unit
    • F02P5/1516—Digital data processing using one central computing unit with means relating to exhaust gas recirculation, e.g. turbo

Definitions

  • the invention relates to an exhaust gas recirculation (EGR) system for a gasoline engine with an exhaust pipe connectable to an exhaust manifold, with an inlet pipe connectable to an intake manifold of the gasoline engine, wherein optionally an exhaust gas turbocharger (ATL) is provided so that in at least one compressor is arranged in the inlet line, wherein in the case of the presence of an ATL at least one exhaust gas recirculation line J is provided, which branches off upstream of the turbine at the exhaust line and ends downstream of the compressor in the inlet line, thus as high-pressure EGR line is formed, and / or at least one Abgasschirungs effetJ I is provided, which branches off downstream of the turbine on the exhaust pipe and flows upstream of the compressor in the inlet line, thus formed as a low pressure EGR line, wherein provided in the exhaust pipe, a main exhaust catalyst is.
  • EGR exhaust gas recirculation
  • the invention also relates to an EGR system of the latter type with the exhaust gas recirculation line JI, wherein no ATL is provided. In this case, it is a pure suction motor.
  • the connection of an exhaust gas recirculation line JI therefore, in the absence of an ATL, corresponds to the architecture of a low-pressure exhaust gas recirculation line which branches off downstream of the compressor.
  • the gasoline engine includes all non-diesel engines, including all spark-ignited engines, Spark Ignited spark-ignited engines and self-igniting engines, CAI engines (Controlled Auto Ignition) fueled by petrol such as gasoline. Alcohol or gas operated. Diesel engines, in contrast, are self-igniting engines, Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) engines that run on diesel or oils or other fuels.
  • HCCI Homogeneous Charge Compression Ignition
  • an exhaust gas recirculation system for diesel engines is known. At the exhaust outlet or on the exhaust pipe, a particulate filter is provided, followed by an exhaust gas recirculation line.
  • the exhaust gas recirculation line opens upstream of a charge air compressor in the inlet line.
  • a valve for changing the exhaust gas mass flow is provided within the exhaust gas recirculation line.
  • the particle filter serves to protect the charge air compressor or intercooler from contamination.
  • DE 10 2011 015 629 A1 describes the use of a three-way catalytic converter within an exhaust gas recirculation line of a gasoline engine for improving pollutant emission, and thus a reduction of HC, NOx and CO.
  • EP 2 194 351 B1 discloses a charge air cooler with integrated diesel particle filter for protecting the charge air compressor.
  • DE 10 2012 107 649 B4 describes a particulate filter in the exhaust pipe upstream of an exhaust gas recirculation line for supplying a pressure wave supercharger, as used to the knowledge of the applicant for diesel engines.
  • the US 2014/0165560 A1 describes according to Figure 1 an exhaust gas recirculation line of a diesel engine, in which a particulate filter and an AMOX catalyst are integrated. According to paragraph [0025], this embodiment is also to be used for a gasoline engine. In the absence of ammonia as a reducing agent for the reduction of NOx in an always stoichiometric or rich gasoline engine, the use of an AMOX catalyst in the exhaust gas recirculation line for the oxidation of excess ammonia, however, the embodiment of FIG. 1 is not for a gasoline engine in costume.
  • US 4,356,806 A describes an exhaust gas recirculation line for a gasoline engine with an air cooler and two downstream coarse dirt filters.
  • DE 10 2010 046 900 A1 describes two variants of an exhaust gas recirculation line for a gasoline engine, wherein a catalyst and a downstream particle filter are provided in the main exhaust gas line downstream of the turbine.
  • An exhaust gas recirculation line J branches off upstream of the turbine and discharges downstream of the compressor. Within this exhaust gas recirculation line J, only one radiator is placed.
  • An exhaust gas recirculation line JI branches downstream of the Particle filter and opens upstream of the compressor. Within this exhaust gas recirculation line J1, only one radiator is also placed.
  • GB 2 484 495 A describes an exhaust gas recirculation line for a gasoline engine in which a catalytic converter, downstream of a cooler and further downstream of an oxidation catalyst are contained.
  • the oxidation catalyst is used for the oxidation of upstream additionally supplied hydrocarbons for the purpose of combustion of particles.
  • the object of the invention is to design and arrange an EGR system for a gasoline engine in such a way that less contamination of components in the intake system and improved combustion are achieved, thereby enabling increased operational safety and, in addition to reduced pollutant emissions, improved efficiency of the engine ,
  • An external EGR system typically consists of at least one exhaust gas recirculation (EGR) line, one exhaust gas recirculation (EGR) cooler, and one exhaust gas recirculation (EGR) valve. This is to be distinguished from an internal EGR, which is realized by overlapping the control times.
  • EGR exhaust gas recirculation
  • EGR exhaust gas recirculation
  • An exhaust gas catalytic converter for a gasoline engine generally has a 3-way coating.
  • a 3-way coating is a catalytic coating that causes a conversion of CO, HC and / or NOx.
  • CO and HC are oxidized to CO2 and H2O while NOx is reduced to N2 and 02.
  • This 3-way coating differs significantly from a pure oxidation coating, since with a pure oxidation coating no reduction of NOx is catalytically effected.
  • oxidation coatings In the case of the oxidation coatings, at least a distinction must be made at least between oxidation coatings for the oxidation of NOx and oxidation coatings for the oxidation of HC and, if appropriate, CO, hereinafter referred to as HC-oxide coating.
  • HC-oxide coating In the context of this invention, the 3-way coating and the HC-Oxi coatings are summarized under the name 3 / Ox coating.
  • a particulate filter is specified in particular in that particles which are greater than 25-15 nm and in particular greater than 0 nm are retained. Ideally, the retained particle size could become even smaller.
  • Particulate filters of the aforementioned type are also referred to as particulate matter particulate filters.
  • the object is achieved according to the invention in that at least one PumblefilterJ is provided, which is placed in the exhaust gas recirculation line J or placed in the exhaust pipe upstream of the exhaust gas recirculation line J, wherein the particulate filter J has a 3 / Ox-coating, and / or that at least one particulate filterJ I provided in the exhaust gas recirculation line ji or in the exhaust pipe upstream of the exhaust gas recirculation line ji, the exhaust recirculation line ji branching upstream or downstream of the exhaust gas catalyst, at the branch upstream of the exhaust gas catalyst the particulate filter J l has a 3 / ox coating or at the branch downstream of the exhaust gas catalyst an additional particulate filter is placed in the exhaust gas recirculation line ji, and that at least one radiator within the exhaust gas recirculation line I or exhaust gas recirculation line ji upstream of the at least one particulate filter J or particulate filter JI is seen.
  • the solution also includes the combination of a HD EGR with particulate filter and a LP EGR with particulate filter.
  • a quasi LP-EGR without ATL in which the inlet line is designed without a compressor and the exhaust gas line is turbine-free, can also be regarded as a solution.
  • the exhaust gas recirculation line J is a high-pressure EGR line, which is used in particular in the full load range. The amount of recirculated exhaust gas can be increased, regardless of the condensed water contained therein, since damage to the compressor is ruled out.
  • the exhaust gas recirculation line J1 is a low-pressure EGR line, which is used in particular at low speeds. tion finds. The amount of traceable exhaust gas by means of the low-pressure EGR line is limited against the background of the volume flow of condensed water that must be passed through the compressor.
  • cooling the recirculated exhaust gas to optimize combustion is advantageous because recirculation of unabridged exhaust gases, especially at higher loads and at full load, leads to higher intake temperatures due to the hot exhaust gases supplied. This in turn has filling losses and an increase in the tendency to knock the gasoline engine result. This is accompanied by undesirable power losses of the engine and high exhaust gas temperatures.
  • the particles entrained in the Otto exhaust gas are wet soot, which have a very high tendency to condense and stick together.
  • the cooling therefore has the formation of an increased amount of condensates - consisting of water and / or hydrocarbons or hydrocarbon compounds and incompletely burned combustion back - resulting in an increased degree of sooting in the form of "wet soot", thus wet, sticky or adhesive deposits in the EGR and in the intake air system.
  • a cooling of the recirculated exhaust gas is therefore disadvantageous, especially in stoichiometrically operated gasoline engines, the water content in the recirculated exhaust gas is higher than in the diesel engine and thus the resulting condensate is therefore considerably larger.
  • a combination of the particulate filter with a cooler such as the intercooler, as described for a diesel particulate filter according to EP 2 194 351 B1 therefore does not come into consideration for gasoline engines. Because by the immediate or simultaneous cooling of the exhaust gases in the particulate filter independent regeneration of the filter and the required high exhaust gas temperatures is prevented. This can lead to clogging of the filter.
  • Particle filters for gasoline engines as well as diesel particulate filter particles so-called fine dust back.
  • To regenerate the particulate filter, ie to burn off filtered particles sufficiently high exhaust gas temperatures and excess oxygen are required. After a heating phase, these conditions are generally available for the temperature in EGR systems of gasoline engines.
  • the exhaust gas flow therefore only supplies particles to the particulate filter, which are burned there to some extent with the available residual oxygen and, on the other hand, retained there until sufficiently good burn-off conditions are available for the complete burn-off.
  • a regeneration thus a combustion of the particles can be done only in those operating conditions of the engine, in which enough oxygen in the exhaust gas for combustion of the particles in the GPF (Gasoline Particle Filter) is available, eg. B. in coasting phases of the engine when the injection is switched off.
  • GPF Gas Particle Filter
  • oxygen enters the EGR system when the EGR valve is open and flows through the particulate filter integrated there.
  • the particles are then burned to CO 2 . It may also be CO, HC and NOx.
  • the nitrogen oxides contained in the exhaust gas moreover justify a low pH of the water entrained in the exhaust gas and condensing in the radiator. This is accompanied by increased corrosion of the cooler and other downstream components of the EGR line and the fresh air system.
  • the 3-way coating in addition to the oxidation of the HCs, especially the NOx is reduced.
  • the pH value of the condensed water can be sustainably raised to a neutral or slightly basic value, so that this massive corrosion is easily counteracted.
  • the tendency of the engine to knock is improved by the reduction of the NOx in the recirculated exhaust gas.
  • the EGR rate can be increased increasingly over the previous level.
  • a better knocking property is achieved, which makes it possible to further adjust the ignition angle to early. This ensures a much more stable combustion.
  • a higher compression ratio could also be used. The efficiency of the engine is thus drastically increased, whereby not only the fuel consumption is reduced accordingly, but also the combustion temperature decreases.
  • the external EGR system according to the invention in the Otto engine ensures a reduction of the particles in the recirculated exhaust gas, whereby the possibility of greater cooling of the recirculated exhaust gas, especially at higher engine load and engine speeds, and thus a reduced fuel consumption go hand in hand.
  • an EGR system is used for a diesel engine to reduce NOx emissions, especially in wide part-load ranges or at low engine speeds.
  • an EGR system due to the combustion process in the diesel engine inevitably leads to an increase in soot particle emissions and increased fuel consumption. This disadvantage is to be met but in the case of the gasoline engine.
  • an additional 3-way catalyst may be integrated in the exhaust gas recirculation line.
  • these catalysts represent another component component which is alternatively avoidable with a particulate filter having a 3 / Ox coating.
  • the 3 / Ox-coating of the particulate filter works with fired engine operation. The same applies to the filter effect of the particulate filter. In overrun operation, the regeneration of the particulate filter can take place. A catalytic reduction is not possible due to the excess air and not necessary for lack of fuel supply in the overrun phase.
  • the exhaust gas recirculated to the engine has a high degree of purity both in terms of combustion products and particulates. This has a positive effect on the formation of deposits in the intake, cooling, combustion and pollutant emissions from the gasoline engine.
  • the particulate filter therefore restrains soot and other combustion residues in the EGR line.
  • the 3 / Ox coating causes substances (HC, NOx, CO) that would lead to fouling (cooling) on cooling to become harmless when hot Substances (CO2, H20.N2) converted, whereby additional inert gas is produced, which is returned to the engine.
  • the optimal cleaning of the exhaust gas allows the use of a cascaded cooling of the returned and supplied gases or the charge mass.
  • the formation of condensation in the intake system of the engine can be performed so that its formation allows increased benefits. This is the case in particular in the intake tract of the engine.
  • precipitating water in a cooler located there is heated downstream in the intake and evaporated again. This leads to a further decrease in temperature of the charge mass sucked into the cylinder. This has an advantageous effect on the possible filling of the engine and allows lower boost pressures.
  • An HD EGR ensures higher exhaust gas temperatures, which have an overall positive effect on particulate filter regeneration and pollutant reduction.
  • the mouth downstream of the compressor has the advantage that the controlled system is shorter.
  • This combination of branching upstream of the turbine and downstream of the compressor is referred to as high pressure EGR (HD EGR).
  • HD EGR high pressure EGR
  • a sufficiently high pressure gradient between the exhaust system and the intake system may not be available for supplying the desired amount of recirculated exhaust gas in all desired operating states.
  • the purified exhaust gas can also after the compressor and before the Intercooler be fed to the intake system.
  • the exhaust gas is cooled not only in the EGR cooler, but also in the intercooler. Also conceivable is an arrangement in which the intercooler is designed so effectively that no EGR cooler in the EGR line is required for the recirculated exhaust gas.
  • the branch upstream of the turbine in combination with the upstream orifice of the compressor is referred to as maximum pressure EGR (MD-EGR) and ensures a large pressure differential within the EGR line even for larger required EGR rates.
  • MD-EGR maximum pressure EGR
  • the branch downstream of the turbine in combination with the upstream orifice of the compressor is referred to as low pressure EGR (ND-EGR).
  • ND-EGR low pressure EGR
  • This arrangement has the advantage that, even in such operating conditions, it can recirculate exhaust gas into the intake system in which the pressure gradient is insufficient for an HD EGR.
  • the LP EGR is characterized by a lower exhaust gas temperature, since the exhaust gas is removed after the turbine, whereby the necessary cooling capacity of the EGR cooler is reduced.
  • the compressor in the intake section must be designed for the higher mass flow rate.
  • the particulate filter J placed in the exhaust gas recirculation line is free of a 3 / Ox coating and an additional exhaust gas catalyst is placed inside the exhaust gas recirculation line j upstream of the particulate filter and / or the particulate filter J 1 is placed downstream of the exhaust gas catalyst in the exhaust gas recirculation line JI, has a 3Ox coating or is free of a 30X coating.
  • the additional catalytic converter performs the task of 3 / Ox coating.
  • additional pressure losses accompany the additional catalytic converter.
  • the at least one particulate filter may nevertheless have a 3 / Ox coating. This is in addition to the performance of the main catalytic converter, so that as many HC and NOx compounds as possible are converted in the EGR line.
  • the radiator is configured within the EGR line J, II and / or the intercooler as an exhaust gas engine cooling water or as an exhaust gas low-temperature cooling water cooler and is at least thermally separated from the particle filter.
  • a plurality of coolers which may also be switchable, may be arranged in the exhaust gas recirculation in series or also in parallel.
  • the cooler is spatially or at least thermally separated from the particulate filter, so that the particulate filter has high temperatures as possible in wide engine operating conditions, so that it regenerates at excess oxygen in the exhaust gas by oxidation of the filtered components. This achieves the largest possible working range of the particle filter for regeneration.
  • an exhaust gas low-temperature cooling water cooler is a cooler with a separate cooling circuit, which is separate from the engine cooling water. Its achievable cooling temperature is lower than that of the engine cooling water radiator.
  • the exhaust gas recirculation line JI only has a technical effect deviating from the exhaust gas recirculation line J if a turbine is provided in the exhaust gas line.
  • the exhaust gas recirculation line JI will then branch off downstream of the turbine, while the first EGR line branches off upstream of the turbine, so that with the first or exhaust gas recirculation line JI additionally or alternatively different of the exhaust gas recirculation architectures defined below, such as a high-pressure EGR (HD-EGR) or a Never - pressure EGR (LP-EGR) are possible.
  • HD-EGR high-pressure EGR
  • LP-EGR never - pressure EGR
  • At least one particulate filter may be placed in the exhaust pipe between the exhaust gas recirculation line J and the exhaust gas recirculation line JI.
  • Exhaust gas recirculation line J may also connect to the exhaust manifold and / or open at the intake manifold.
  • the exhaust gas recirculation line JI typically opens in front of the compressor in the event of the presence of a compressor.
  • a second EGR line is provided which branches off at the exhaust pipe and opens into the inlet pipe, wherein at least one particulate filter is provided, which is placed in the second EGR pipe and / or in the exhaust pipe upstream of the second EGR pipe is placed;
  • the feature group i) + j) + z) corresponds for lack of turbine of the feature group i) + j) + x).
  • Claimed is an exhaust gas recirculation system for a gasoline engine with an exhaust manifold connectable to an exhaust manifold of the gasoline engine with a turbine and with an inlet manifold of the gasoline engine connectable inlet pipe with a compressor, wherein in the exhaust pipe, a main exhaust gas catalyst is provided
  • At least one exhaust gas recirculation line J is provided which branches off at the exhaust gas line upstream of the turbine and opens into the inlet line downstream of the compressor and / or
  • At least one exhaust gas recirculation line JI is provided, which branches off at the exhaust pipe downstream of the turbine and opens in the inlet pipe upstream of the compressor, wherein a2) at least one particulate filter J is provided, which is placed in the exhaust gas recirculation line j or placed in the exhaust pipe upstream of the exhaust gas recirculation line j, the particulate filter J having a 3 / Ox coating;
  • At least one particulate filter J 1 is provided, which is placed in the exhaust gas recirculation line JI or placed in the exhaust gas line upstream of the exhaust gas recirculation line JI, the exhaust gas recirculation line JI branches off upstream or downstream of the exhaust gas catalyst, wherein at the branch upstream of the exhaust gas catalyst of the particulate filter J I a 3 / Ox Having coating or placed at the branch downstream of the catalytic converter of the P
  • At least one radiator is provided within the exhaust gas recirculation line downstream of the at least one particulate filter.
  • At least one further exhaust gas recirculation line is provided, which branches off at the exhaust gas recirculation line J and opens into the inlet line, wherein at least one further cooler is optionally provided in at least one of the further exhaust gas recirculation lines.
  • the further exhaust gas recirculation line branches off downstream of the particle filter of the exhaust gas recirculation line J.
  • the further exhaust gas recirculation line is thus subjected to purified exhaust gas.
  • the main catalytic converter is provided downstream of the branch of the exhaust gas recirculation line J or upstream of the branch of the exhaust gas recirculation line JI or downstream of the branch of the exhaust gas recirculation line JI.
  • a catalytic purification of the exhaust gas flow is ensured.
  • a comprehensive catalytic purification of the entire exhaust gas flow can take place.
  • the exhaust gas target temperature Ta is chosen so high that a condensation of the substances contained in the exhaust gas as well as water is prevented as possible. Condensation of water would have the disadvantage that it accumulates in any sinks of the EGR line and possibly would be charged to the combustion. Cooling to below 100 ° C takes place only in the second cooling stage after mixing of exhaust gas and fresh air in the intake or in the charge air line shortly before the engine enters.
  • the at least one further exhaust gas recirculation line opens in the inlet line in front of the compressor or after the compressor. With the additional exhaust gas recirculation line, a maximum pressure EGR and a high pressure EGR can be realized.
  • two compressors are arranged in the inlet line, wherein the at least one further exhaust gas recirculation line opens between the two compressors. By using two compressors, intermediate solutions of the maximum pressure EGR, the high pressure EGR and / or the low pressure EGR can be realized.
  • two compressors are arranged in the inlet line and at least two further exhaust gas recirculation lines are provided which are connected in parallel via a common distribution line branching off at the exhaust gas recirculation line j, at least one further exhaust gas recirculation line being at least upstream of one the compressor opens and / or at least one further exhaust gas recirculation line opens to at least one of the compressor.
  • Every compressor is preferably associated with a turbine.
  • At least one exhaust gas recirculation line can also be part of the distribution line if it is designed as a continuation of the distribution line.
  • a charge air cooler and / or a charge air throttle may be provided in the intake pipe, wherein the mouth of the exhaust gas recirculation line J is placed downstream of a position for the intercooler and / or downstream of a position for the charge air throttle.
  • the intercooler could also be called a fresh air cooler in this case.
  • an intercooler and / or a charge air throttle in the intake line with the exhaust recirculation line J orifice positioned upstream of a charge air cooler position and downstream of a charge air throttle position.
  • the cleaning of the recirculated exhaust gas through the particulate filter ensures the effective use of the intercooler for the fresh air-exhaust mixture. A sputtering of the intercooler is prevented due to the use of the particulate filter.
  • a fresh air cooler is placed in the inlet line, wherein the fresh air cooler is positioned upstream of the mouth of the exhaust gas recirculation line.
  • the fresh air cooler can be carried out in a first stage, a separate cooling of the fresh air before mixing with the exhaust gas. Because the temperature level of the compressed fresh air at 150 ° C to 160 ° C but not so high, the separate cooling of the fresh air can also be omitted, in which case the fresh air exhaust gas mixture as described above can be cooled together in the intercooler.
  • Tf fresh air target temperature
  • the charge air cooler on the output side a charge air temperature of 30 ° C to 40 ° C or 45 ° C to 50 ° C.
  • the intercooler is provided in the inlet line, wherein the mouth of at least one further exhaust gas recirculation line is placed upstream of a position for the intercooler.
  • a throttle valve is provided in the exhaust gas recirculation line J and / or in the exhaust gas recirculation line JI, via which operating point a exhaust gas mass flow within the exhaust gas recirculation line can be set, the throttle valve being downstream of the exhaust gas recirculation line Particle filter is placed or the throttle valve is located downstream or upstream of the radiator.
  • the regeneration of the particulate filter can be influenced by means of the regulating flap via the amount of the recirculated fresh air quantity.
  • the throttle flap can also be arranged immediately after the particle filter. For this purpose, a construction arranged in a common housing is also possible. Downstream of the radiator, the temperature load on the throttle is the lowest.
  • the exhaust pipe has two parallel-guided exhaust pipe sections, which are switchable via a controllable valve, wherein in an exhaust pipe section of the catalytic converter is placed and provided in the parallel exhaust pipe section of the particulate filter and the subsequent branch for the exhaust gas recirculation line JI.
  • the further exhaust gas recirculation line can be bypassed, whereby the catalytic purification of the exhaust gas is ensured in each case.
  • the exhaust gas recirculation line JI and the further exhaust gas recirculation line are coupled via a controllable valve, wherein a radiator is provided downstream of the valve and / or a throttle valve is provided downstream of the radiator.
  • the additional exhaust gas recirculation line can be connected to the radiator and the inlet line and a maximum pressure EGR can be realized.
  • the exhaust gas recirculation line JI may be connected to the radiator and the inlet pipe, and a low-pressure EGR may be realized.
  • a throttle valve is provided in the respective further exhaust gas recirculation line, wherein the throttle flap selectively or preferably downstream of the respective further radiator vorge see is.
  • the various other exhaust gas recirculation lines can thus be activated according to the time and the amount of exhaust gas according to any.
  • the throttle valve can be protected from excessive temperature load.
  • a main particle filter is provided downstream of the main exhaust catalyst which is free of a catalytically active coating for the conversion of CO, HC and / or NO x.
  • a comprehensive cleaning of the exhaust gas is guaranteed by particles.
  • Both a main particle filter in the exhaust gas line and, in addition, a particle filter in the exhaust gas recirculation line can be placed.
  • the recirculated exhaust gas should be as free of particles as possible because of the soiling effect.
  • the EGR line is assigned to a single cylinder outlet of the gasoline engine.
  • the EGR line thus only leads the quantity of exhaust gas of this one cylinder outlet.
  • the amount of exhaust gas can be varied via a change in the timing of the valves and / or via the throttle valve of the EGR line.
  • VTG turbine is a turbine with variable turbine blade geometry and ideally steplessly adjustable. Only the use of EGR systems with a particulate filter makes it possible to reduce the Otto engine exhaust gas temperature upstream of the VTG turbine to a temperature level which corresponds to the current thermal and economic load limit of conventional VTG turbines from diesel engines. The lower exhaust gas temperature opens up a wider area of application for VTG turbines and, for the first time, this is an interesting alternative to two-stage supercharging systems for gasoline engines.
  • VTG extended exhaust backpressure control range prior to turbine entry allows EGR systems according to the HD or MD design to extend the range of operation to higher exhaust gas recirculation (EGR) rates, especially at low engine speeds and high loads (LET low end) torque).
  • EGR exhaust gas recirculation
  • LET low end high loads
  • HD or MD versions can now cover map areas that were previously achievable only with an ND version, and can thereby retain their advantage in the dynamic response due to the short controlled system and possibly improve. What's more, this advantage is enhanced by the use of VTG turbines because the advanced and flexible control of exhaust backpressure allows for extended and flexible EGR rate adjustment. Setting or adjusting the EGR rate or exhaust back pressure is increasingly important at higher EGR rates because the gasoline engine is much more sensitive to changing EGR rates compared to the diesel engine.
  • VTG turbines in gasoline engines attractive and offer a cost-effective alternative to two-stage systems.
  • the use of VTG turbines in HP and MP versions ensures high EGR rates over wide operating ranges. More expensive, thus highly alloyed VTG turbines, as they are known for gasoline engines without separate or two-stage exhaust gas recirculation cooling, and their cost can be avoided.
  • the compression ratio should be set as high as possible and is preferably 1: 1 1, 1: 12 1: 13, 1: 14 or 1:15.
  • the sum of Displacement Vh and compression volume Vk gives the total combustion chamber volume.
  • another filter or strainer may be placed downstream of the particulate filter in the EGR.
  • the total volume Vf refers to the geometric volume of the particulate filter, and thus the volume, which has the housing for receiving the particulate filter.
  • volume proportions of the housing which are necessary for storage means such as storage mats, are disregarded in determining the geometric volume of the particulate filter.
  • the various particulate filters may be placed in the various exhaust pipes or exhaust gas recirculation lines and connected in series or in parallel. Also advantageous is a method for operating a gasoline engine, in which
  • the exhaust gas recirculation rate of the external EGR is raised to a value of up to 20%, up to 30%, up to 40% or up to 50% during operation, at least for the HD EGR and at least in the high load range and in full load, and / or
  • the exhaust gas temperature is significantly reduced and the combustion stability significantly increased. This results in the possibility of further increasing the exhaust gas recirculation rate, whereby the tendency to knock the gasoline engine is further reduced and the center of gravity position can be further optimized.
  • Full load enrichment may also be reduced in stages by at least 5% to 0% or at least 10% to 30% or at least 40% to 70%. As a result, the full-load enrichment should be avoided, thus finding a stoichiometric ratio application. This makes it possible to use gasoline engines, which have a significantly increased compression ratio, so that the associated consumption advantage in the entire map range of the gasoline engine comes into play.
  • Figure 1 is a schematic diagram of a combinable HD and LP EGR
  • Figure 2 is a schematic diagram of an MD-AGR
  • 3a, 3b are schematic diagrams of a combined HD and MD EGR with different radiator arrangement and discharges into the inlet line;
  • 5a, 5b are schematic diagrams of a partial HD or MD-AGR, in which the entire exhaust gas of a cylinder is returned;
  • FIG. 6a-6c partial representation of the various architectures of Figure 1;
  • FIG. 7 is a schematic diagram of the HD-EGR of Figure 1 with charge air and
  • an exhaust gas recirculation system 1 (EGR system) is shown, which is integrated in the exhaust gas and charge air system of a gasoline engine 2 having a displacement 2.4 with exhaust manifold 2.1 and intake manifold 2.2 and exhaust gas turbine 3 and charge air compressor 4 is.
  • the exhaust gas and charge air system has an exhaust pipe 1.1 connected to the exhaust manifold 2.1 of the gasoline engine 2, into which the turbine 3 is integrated.
  • exhaust gas 8 leaves the exhaust gas recirculation system 1 and flows into the further, not shown, exhaust gas line.
  • an intake line connected to the intake manifold 2.2 of the gasoline engine 2 provided device 1.2, in which the compressor 4 is integrated.
  • the inlet line 1.2 is supplied with fresh air 7 via an air supply system (not shown).
  • at least one exhaust gas recirculation line 1.3, 1.3a, 1.3b (AGR line) is provided, which branches off at the exhaust gas line 1.1 and opens into the inlet line 1.2.
  • the respective particle filter 1.4x, 1.4ax, 1.4x ' is provided with a 3-way catalyst coating for the oxidation of HC and CO or reduction of NOx, in order to fulfill the 3-way catalyst function.
  • At least one HC oxidation coating is provided for the oxidation of HC and CO. This also applies to all particle filters mentioned below. Both variants of the coating are summarized below also referred to as 3 / Ox coating.
  • At least one EGR cooler 1.7, 1.7 * , 1.7a is provided in the respective EGR line 1.3, 1.3a downstream of the particle filter 1.4x, 1.4ax. Downstream of the respective EGR cooler 1.7, 1.7a, 1.7b or before the mouth into the inlet line 1.2 is an EGR throttle 1.8, 1.8a, 1.8b placed to control the mass flow within the EGR line 1.3, 1.3a.
  • HD EGR high-pressure EGR
  • the combination of branching of the EGR line J 1.3 upstream of the turbine 3 and opening of the EGR line J 1.3 upstream of the compressor 4 is referred to as maximum pressure EGR (MD-EGR).
  • MD-EGR maximum pressure EGR
  • LP-EGR low pressure EGR
  • the three previously identified AGR architectures can be used individually or combined with each other.
  • a throttle valve upstream of the point of introduction of the exhaust gas recirculation line 1.3 into the inlet line 1.2 can be installed in the inlet line 1.2.
  • AGR architectures are illustrated additionally or alternatively.
  • a charge air cooler 5 and a charge air throttle valve 6 are provided within the inlet pipe 1.2 downstream of the compressor 4 and upstream of the mouth of the EGR line J 1.3 .
  • the EGR line J 1.3 which branches off upstream of the turbine 3 and which opens downstream of the compressor 4 in the inlet line 1.2.
  • the mouth is downstream of the charge air throttle valve 6.
  • the charge air throttle 6 * may also be placed upstream of the mouth of the EGR line J 1.3 * .
  • In the inlet line 1.2 is usually up to the mouth of the EGR line J 1.3 fresh air 7 out.
  • the charge air is then composed of the fresh air 7 and the recirculated exhaust 8.
  • the particulate filter may alternatively be placed as the main particle filter 1.4x 'of Figure 1 (dashed lines) in the exhaust pipe 1.1 upstream of the EGR line J 1.3, so that he Main exhaust line 1.1 supplied.
  • a main exhaust catalyst 1.6 ' is provided in the exhaust pipe 1.1, which is designed as a 3-way catalyst. Regardless of the embodiments described below, the particular catalyst 1.6 'used may basically be a 3-way catalyst act.
  • a pure oxidation catalyst 1.6 is particularly suitable if it is a lean-burn gasoline engine 2.
  • the EGR line_ll can branch off 1.3a * upstream of the catalyst 1.6 '.
  • the particle filter JI 1.4ax with the 3 / Ox coating thus a 3-way or HC oxidation catalyst coating, to compensate for the circumvention of the catalyst 1.6 '.
  • the respectively applied coating of the particle filter III 1.4x, 1.4ax can basically be a 3 / Ox coating.
  • FIG. 1 In addition (dashed line) can be placed in the exhaust pipe 1.1 downstream of the EGR line_ll 1.3a a main particle filter 1.4 '.
  • the porosity of the main particle filter 1.4 ' may be greater than that of the particle filter JI 1.4ax in the EGR conduit III.
  • the filter performance of the particle filter JI 1.4ax is greater than that of the main particle filter 1.4 '.
  • the catalyst 1.6 'and downstream of the main particle filter J 1.4' are provided in the main exhaust line 1.1, the EGR line JI 1.3a only branching off downstream of the main particle filter 1.4 '.
  • the EGR line JI 1.3a in addition to the EGR cooler JI 1.7a and the EGR throttle 1.8a, an additional particulate filter 1.4ax * is arranged. This ensures as complete a cleaning of the recirculated exhaust gas as possible to protect the radiator JI 1.7a.
  • the porosity of the main particle filter 1.4 ' may be greater than that of the Particulate filter JI 1.4ax in the EGR line_ll 1.3a.
  • the filter performance of the particulate filter JI 1.4ax is greater than that of the main particulate filter 1.4 '.
  • the exhaust pipe 1.1 is equipped with two parallel exhaust pipe sections 1.1a, 1.1b, which can be switched via a controllable valve 1.9.
  • a main exhaust catalyst 1.6 ' is placed in the exhaust pipe section 1.1a.
  • the coated particle filter JI 1.4ax and the branch for the EGR line_ll 1.3a are arranged in the parallel exhaust pipe section 1.1b.
  • a switchable bypass is available for the EGR line IIIa, wherein in both cases the three-way or at least the HC oxidation catalytic converter in the exhaust lines 1.1a, 1.1b is achieved.
  • the controllable valve 1.9 can also be designed so that different sized amounts of partial exhaust gas flow simultaneously through the parallel exhaust pipe sections 1.1a, 1.1b.
  • an uncoated particle filter JI 1.4a may alternatively be used in the exhaust gas line section 1.1b (not shown).
  • the main exhaust catalyst 1.6 * (dashed line) would be placed in the exhaust pipe 1.1 upstream of the division into the two exhaust pipe sections 1.1a, 1.1b to ensure a catalytic purification of the exhaust gas 8 in each position of the valve 1.9.
  • a coated particle filter JI 1.4ax * should also be provided in the EGR line JI 1.3a to ensure the cleaning of the exhaust gas in the EGR line JI 1.3a.
  • the HD-EGR described in FIG. 1, on the one hand, and the various ND-AGR architectures, which can be used individually or in combination, are shown separately again in FIGS. 6a, 6b, 6c after HD and ND.
  • the alternative embodiment of the EGR line JI 1.3 * contained in the LP EGR, which branches off upstream of the catalytic converter 1.6 ', is shown separately in FIG. 6c.
  • the variant of the downstream main particle filter 1.4 'in the main exhaust line 1.1 is also included therein.
  • an MD-EGR is formed.
  • the particle filter J 1.4x placed in the EGR line 1.3 has a catalyst coating.
  • a main exhaust catalyst 1.6 ' preferably provided a 3-way catalyst.
  • the throttle flap 1.8 is placed downstream of the radiator J 1.7.
  • the throttle flap 1.8 * may alternatively be provided downstream of the particulate filter J 1.4x.
  • an uncoated main particle filter 1.4 ' is provided in the exhaust pipe 1.1 downstream of the main exhaust catalyst .6'.
  • the exhaust gas recirculation is forwarded via further parallel EGR lines 1.3b - 1.3d.
  • the particle filter J 1.4x with the catalyst coating and the condenser J 1.7 are arranged in the EGR line J 1.3.
  • the EGR lines 1.3b-1.3d each branch off at a distribution line 13, which in turn branches off at the EGR line 1.3 downstream of the radiator 1.7. All EGR lines 1.3 - 1.3d open at the inlet line 1.2.
  • Each of these EGR lines 1.3 - 1.3d has downstream of the distribution line 13, a throttle 1.8 - 1.8d, all throttle 1.8 - 1.8d via a control line 9.1 with a control unit 9 for controlling or regulating the position of the respective throttle 1.8 - 1.8 d are connected and can be controlled individually. Downstream of the respective throttle 1.8 - 1.8d, an additional or further cooler 1.7 *, 1.7b - 1.7d is provided in the respective EGR line 1.3 - 1.3d.
  • the inlet line 1.2 has two compressors 4a, 4b which are each coupled to a turbine 3a, 3b of the exhaust line 1.1.
  • the EGR lines 1.3, 1.3b open both downstream of the compressor 4a and form an HD EGR.
  • the EGR line 1.3b opens upstream of the intercooler 5, while the EGR line J 1.3 opens downstream of the charge air cooler 5.
  • the EGR line 1.3d opens upstream of the compressor 4b and forms an MD EGR.
  • the EGR line 1.3c flows between both compressors 4a, 4b and therefore forms a reduced MD EGR.
  • one of the two EGR coolers 1.7, 1.7 * in the EGR line J 1.3 can optionally be omitted.
  • a 3-way catalyst (main exhaust catalyst) is placed 1.6 ', starting from which the exhaust gas 8 and the main exhaust gas flow is passed into the further exhaust system.
  • an uncoated main particle filter 1.4 ' is placed in the exhaust pipe 1.1 downstream of the main exhaust catalyst 1.6'.
  • FIG. 3b The embodiment of Figure 3b is similar.
  • a cooler J 1.7 is provided in the EGR line J 1.3, upstream of the branch of the distribution line 13 and three further cooler 1.7 b - 1.7 d are placed in the distribution line 13, respectively upstream of the branch of the respective EGR line 1.3 b - 1.3 d.
  • the additional cooler 1.7 * is no longer necessary, as is the case in the embodiment of Figure 3a.
  • Both exemplary embodiments according to FIGS. 3 a and 3 b ensure an extremely flexible EGR guidance so that there is always far-reaching particulate filtering and regeneration of the particulate filter J 1.4x on the one hand and the need-based supply of cooled exhaust gas 8 into the intake line 1.2 for a comprehensive operating range of the engine on the other hand are guaranteed.
  • FIGS. 4a, 4b include an HD EGR, an MD EGR, and an LP EGR.
  • the inlet line 1.2 sits the intercooler 5 and the charge air throttle valve 6, while the exhaust pipe 1.1 downstream of the turbine 3 is equipped with a 3-way catalyst 1.6 'and a downstream particulate filter .4a.
  • a coated particle filter J 1.4x is initially provided in the EGR line J 1.3. Thereafter, another EGR line 1.3b branches off. While the EGR line J 1.3 opens as HP-EGR downstream of the charge air throttle valve 6 at the exhaust line 1.1, the other EGR line 1.3b opens as MD-EGR upstream of the compressor 4. In the EGR line J 1.3 are downstream of the other EGR -Leitung 1.3b of thedeerJ 1.7 and a downstream throttle 1.8 is provided. In the further AGR Line 1.3b, another cooler 1.7b and a downstream throttle 1.8b are also provided.
  • a second EGR line IIIa is provided, which branches off downstream of the main exhaust gas catalyst 1.6 'and downstream of the main particle filter 1.4', thus downstream of the turbine 3 at the exhaust gas line 1.1. It also has a radiator JI 1.7a and a downstream throttle 1.8a, before it opens on the inlet line 1.2 upstream of the compressor 4 and thus represents a LP-EGR.
  • the particle filter JI 1.4a can be placed in the EGR line III. Both the HD-AGR and the MD-AGR and the ND-AGR can be realized in any combination.
  • the further EGR line 1.3b and the EGR line IIIa are coupled via a controllable valve 1.9.
  • This has the advantage that a cooler 1.7a / b and a throttle 1.8a / b are needed less.
  • the MD-EGR or the ND-EGR may be realized.
  • the PrismfilterJ 1.4 in the EGR line_l 1.3 uncoated, so that upstream of an additional catalytic converter 1.6 is provided. This option always exists as an alternative to the coated particle filter.
  • the EGR line J 1.3 is assigned to a single cylinder outlet 2. 3 of the gasoline engine 2 and guides the exhaust gas quantity of this cylinder outlet 2. 3.
  • the intake line 1.2 sit the intercooler 5 and the charge air throttle valve 6, while the exhaust pipe 1.1 downstream of the turbine 3 with a 3-way catalyst 1.6 'and a downstream main particle filter 1.4' is equipped.
  • an HD EGR is formed.
  • the EGR line J 1.3 has a coated particle filter J 1.4x and a downstream cooler J 1.7 and a throttle flap 1.8 placed downstream of the cooler J 1.7.
  • an uncoated particulate filter J 1.4 may be provided in combination with a 3 / Ox catalyst in the EGR line 1.3.
  • an MD-AGR is supplemented.
  • a further EGR line 1.3b branches off between the coated particle filter J 1.4x and the condenser J 1.7, which flows upstream of the compressor 4.
  • this further EGR line 1.3b another cooler 1.7b and a downstream throttle flap 1.8b are also placed.
  • an uncoated particulate filter 1.4 may be provided in combination with a 3 / Ox catalyst in the EGR line 1.3.
  • FIG. 7, except for the position of the charge air throttle valve 6, essentially corresponds to the HD-AGR architecture according to FIG. 1 alone. However, two radiators are provided in the inlet pipe 1.2.
  • An intercooler 5.1 is positioned downstream of the mouth of the EGR line 1.3 and a second, so-called fresh air cooler 5.2 is positioned upstream of the mouth of the EGR line J 1.3.
  • the compressed and optionally pre-cooled fresh air 7 is lowered together with the recirculated and pre-cooled exhaust gas 8 to the desired charge air temperature of preferably 30 ° C to 40 ° C.
  • the turbine 3 is a VTG turbine in a design and with a material nature as are common in diesel engines.
  • the particle filterJ 1.4x is coated.
  • Particulate filter coated, additional or alternative

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Abgasrückführungssystem 1 für einen Ottomotor 2 mit einer an einen Auslasskrümmer 2.1 des Ottomotors 2 anschließbaren Abgasleitung 1.1 mit einer Turbine 3 und mit einer an einen Einlasskrümmer 2.2 des Ottomotors 2 anschließbaren Einlassleitung 1.2 mit einem Verdichter 4, 4a, 4b, wobei in der Abgasleitung 1.1 ein Hauptabgaskatalysator 1.6' vorgesehen ist, wobei mindestens eine Abgasrückführungsleitung_I 1.3 vorgesehen ist, die an der Abgasleitung 1.1 stromauf der Turbine 3 abzweigt und in der Einlassleitung 1.2 stromab des Verdichters mündet, wobei mindestens ein Partikelfilter_I 1.4x vorgesehen ist, der in der Abgasrückführungsleitung_I 1.3 platziert ist oder der in der Abgasleitung 1.1 stromauf der Abgasrückführungsleitung_I 1.3 platziert ist, wobei der Partikelfilter_I 1.4x eine 3/Ox-Beschichtung aufweist und wobei stromab des mindestens einen Partikelfilters 1.4x mindestens ein Kühler_I 1.7, 1.7* innerhalb der Abgasrückführungsleitung_I 1.3 vorgesehen ist.

Description

AGR-System mit Partikelfilter für Ottomotor
Die Erfindung bezieht sich auf ein Abgasrückführungssystem (AGR-System) für einen Ottomotor mit einer an einen Auslasskrümmer anschließbaren Abgaslei- tung, mit einer an einen Einlasskrümmer des Ottomotors anschließbaren Ein- lassleitung, wobei wahlweise ein Abgasturbolader (ATL) vorgesehen ist, so dass in der Abgasleitung eine Turbine platziert ist und in der Einlassleitung mindestens ein Verdichter angeordnet ist, wobei im Fall des Vorliegens eines ATL mindestens eine AbgasrückfülirungsleitungJ vorgesehen ist, die stromauf der Turbine an der Abgasleitung abzweigt und stromab des Verdichters in der Einlassleitung mündet, mithin als Hochdruck-AGR-Leitung ausgebildet ist, und/oder mindestens eine AbgasrückfülirungsleitungJ I vorgesehen ist, die stromab der Turbine an der Abgasleitung abzweigt und stromauf des Verdichters in der Einlassleitung mündet, mithin als Niederdruck-AGR-Leitung ausgebildet ist, wobei in der Abgasleitung ein Hauptabgaskatalysator vorgesehen ist. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein AGR-System der zuletzt genannten Art mit der AbgasrückführungsleitungJI, wobei kein ATL vorgesehen ist. In diesem Fall handelt es sich um einen reinen Saugmotor. Die Anbindung einer AbgasrückführungsleitungJI entspricht daher mangels eines ATL der Architektur einer Niederdruck-Abgasrückführungsleitung, die stromab des Verdichters abzweigt. Zum Ottomotor (Gasoline engine) zählen alle Nicht-Diesel-Motoren, mithin alle fremdgezündeten Motoren, Sl-Motoren (Spark Ignited) mit Zündkerze sowie auch zumindest bereichsweise selbstzündende Motoren, CAI-Motoren (Controlled Auto Ignition), die mit Ottokraftstoff wie Benzin, Alkohol oder Gas betrieben werden. Diesel-Motoren sind im Unterschied dazu selbstzündende Motoren, HCCI-Motoren (Homogeneous Charge Compression Ignition), die mit Diesel oder Ölen oder anderen Kraftstoffen betrieben werden.
Aus der US 5,671 ,600 A ist ein Abgasrückführungssystem für Dieselmotoren bekannt. Am Abgasauslass bzw. an der Abgasleitung ist ein Partikelfilter vorgesehen, an den eine Abgasrückführungsleitung anschließt. Die Abgasrückfüh- rungsleitung mündet stromauf eines Ladeluftverdichters in der Einlassleitung. Innerhalb der Abgasrückführungsleitung ist ein Ventil zur Veränderung des Abgasmassestroms vorgesehen. Der Partikelfilter dient dem Schutz des Ladeluftverdichters bzw. des Ladeluftkühlers vor Verschmutzung.
Die DE 10 2011 015 629 A1 beschreibt den Einsatz eines Dreiwegekatalysators innerhalb einer Abgasrückführungsleitung eines Ottomotors zur Verbesserung der Schadstoffemission, mithin eine Reduzierung von HC, NOx und CO.
Aus der EP 2 194 351 B1 ist ein Ladeluftkühler mit integriertem Diesel- Partikelfilter zum Schutz des Ladeluftverdichters bekannt.
Die DE 10 2012 107 649 B4 beschreibt einen Partikelfilter in der Abgasleitung stromauf einer Abgasrückführungsleitung zur Versorgung eines Druckwellenladers, wie er nach Kenntnis der Anmelderin für Dieselmotoren eingesetzt wird.
Die US 2014/0165560 A1 beschreibt nach Figur 1 eine Abgasrückführungsleitung eines Dieselmotors, in die ein Partikelfilter und ein AMOX-Katalysator integriert sind. Nach Absatz [0025] soll dieses Ausführungsbeispiel auch für einen Ottomotor Anwendung finden. Mangels Notwendigkeit von Ammoniak als Reduktionsmittel für die Reduktion von NOx bei einem stets stöchiometrisch oder fett betriebenen Ottomotor kommt die Anwendung eines AMOX-Katalysators in der Abgasrückführungsleitung zur Oxidation von überschüssigem Ammoniak, mithin die Ausführungsform nach Fig. 1 jedoch nicht für einen Ottomotor in Be- tracht.
Die US 4,356,806 A beschreibt eine Abgasrückführungsleitung für einen Ottomotor mit einem Luftkühler und zwei nachgeschalteten Filtern für Grobschmutz.
Die DE 10 2010 046 900 A1 beschreibt zwei Varianten einer Abgasrückführungsleitung für einen Ottomotor, wobei in der Hauptabgasleitung stromab der Turbine ein Katalysator und ein nachgeschalteter Partikelfilter vorgesehen sind. Eine AbgasrückführungsleitungJ zweigt stromauf der Turbine ab und mündet stromab des Verdichters. Innerhalb dieser AbgasrückführungsleitungJ ist lediglich ein Kühler platziert. Eine AbgasrückführungsieitungJI zweigt stromab des Partikelfilters ab und mündet stromauf des Verdichters. Innerhalb dieser Abgas- rückführungsleitungjl ist ebenfalls lediglich ein Kühler platziert.
Die GB 2 484 495 A beschreibt eine Abgasrückführungsleitung für einen Ottomotor, in der ein Katalysator, stromab ein Kühler und weiter stromab ein Oxida- tionskatalysator enthalten sind. Der Oxidationskatalysator dient der Oxidation von stromauf zusätzlich zugeführten Kohlenwasserstoffen zwecks Verbrennung von Partikeln.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein AGR-System für einen Ottomotor derart auszubilden und anzuordnen, dass eine geringere Verschmutzung von Komponenten im Ansaugsystem und eine verbesserte Verbrennung erreicht werden, die hierdurch eine erhöhte Betriebssicherheit und neben verringerten Schadstoffemissionen eine zugleich verbesserte Effizienz des Motors ermöglichen.
Ein externes AGR-System, wie auch nachstehend beansprucht, besteht in der Regel zumindest aus einer Abgasrückführungsleitung (AGR-Leitung), einem Abgasrückführungskühler (AGR-Kühler) und einer Abgasrückführungsklappe (AGR-Klappe). Dies ist zu unterscheiden von einer internen AGR, die durch Überschneidung der Steuerzeiten realisiert wird.
Ein Abgaskatalysator für einen Ottomotor weist in der Regel eine 3-Wege- Beschichtung auf. Eine 3-Wege-Beschichtung ist eine katalytisch wirkende Be- schichtung, die eine Umwandlung von CO, HC und/oder NOx bewirkt. CO und HC werden oxidiert zu CO2 und H2O während NOx reduziert wird zu N2 und 02. Diese 3-Wege-Beschichtung unterscheidet sich maßgeblich von einer reinen Oxidationsbeschichtung, da mit einer reinen Oxidationsbeschichtung keine Reduktion von NOx katalytisch bewirkt wird.
Bei den Oxidationsbeschichtungen ist wiederum zumindest zu unterscheiden zwischen Oxidationsbeschichtungen zur Oxidation von NOx und Oxidationsbeschichtungen zur Oxidation von HC und ggf. CO, nachstehend HC-Oxi- Beschichtung genannt. Im Rahmen dieser Erfindung werden die 3-Wege-Beschichtung und die HC- Oxi-Beschichtungen zusammengefasst unter der Bezeichnung 3/Ox- Beschichtung.
Ein Partikelfilter ist spezifiziert insbesondere dadurch, dass Partikel, die größer als 25-15 nm und insbesondere größer als 0 nm sind, zurückgehalten werden. Idealerweise könnte die zurückgehaltene Partikelgröße sogar noch kleiner werden. Partikelfilter der vorstehend genannten Art werden auch als Feinstaubpartikelfilter bezeichnet.
Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass mindestens ein PartikelfilterJ vorgesehen ist, der in der AbgasrückführungsleitungJ platziert ist oder der in der Abgasleitung stromauf der AbgasrückführungsleitungJ platziert ist, wobei der PartikelfilterJ eine 3/Ox-Beschichtung aufweist, und/oder dass mindestens ein PartikelfilterJ I vorgesehen ist, der in der Abgasrückführungsleitungji oder der in der Abgasleitung stromauf der Abgasrückführungsleitungji platziert ist, wobei die Abgasrückführungsleitungji stromauf oder stromab des Abgaskatalysators abzweigt, wobei beim Abzweig stromauf des Abgaskatalysators der PartikelfilterJ I eine 3/Ox-Beschichtung aufweist oder beim Abzweig stromab des Abgaskatalysators ein zusätzlicher Partikelfilter in der Abgasrückführungsleitungji platziert ist, und dass stromab des mindestens einen PartikelfiltersJ bzw. PartikelfiltersJI mindestens ein Kühler innerhalb der Abgasrückführungsleitung I bzw. Abgasrückführungsleitungji vorgesehen ist. Die Lösung umfasst auch die Kombination aus einer HD-AGR mit Partikelfilter und einer ND-AGR mit Partikelfilter. Zudem ist als Lösung auch anzusehen eine quasi ND-AGR ohne ATL, bei der die Einlassleitung verdichterfrei und die Ab- gasleitung turbinenfrei ausgebildet sind.
Bei der AbgasrückführungsleitungJ handelt es sich um eine Hochdruck-AGR- Leitung, die insbesondere im Volllastbereich Anwendung findet. Die Menge an zurückgeführtem Abgas kann unabhängig von dem darin enthaltenen kondensierten Wasser erhöht werden, da eine Beschädigung des Verdichters ausge- schlössen ist. Bei der Abgasrückführungsleitungji handelt es sich um eine Niederdruck-AGR-Leitung, die insbesondere bei geringen Drehzahlen Anwen- dung findet. Die Menge an rückführbarem Abgas mittels der Niederdruck-AGR- Leitung ist beschränkt vor dem Hintergrund des Volumenstroms an kondensiertem Wasser, das über den Verdichter geführt werden muss.
Im AGR-System und im Ansaugsystem von Ottomotoren sind Ablagerungen zu beobachten, die man als„wet soot" oder„fouling" bezeichnet, die gravierende Auswirkungen wie verringerte Kühlleistung, Verstopfung, fehlerhafte Sensoren oder Aktuatoren, schlechte Gleichverteilung sowie unregelmäßige Verbrennung im Zylinder zur Folge haben. Aus diesen Gründen und weil niedrige Ansaugtemperaturen beim Hochlastbetrieb von Ottomotoren von Vorteil sind, kommen AGR-Systeme bei Ottomotoren bislang nur selten und mit Einschränkungen zur Anwendung. Anders ist das beim Dieselmotor. Bei Dieselpartikeln handelt es sich um trockenere Bestandteile, die im Gegensatz zu "wet soot" eine geringere Kondensations- und Verklebungsneigung aufweisen. Dieselmotoren können zudem mit höheren AGR-Temperaturen betrieben werden, wobei geringe Ver- brauchsnachteile für eine deutliche NOx-Reduzierung in Kauf genommen werden.
Bei AGR-Systemen für Ottomotoren ist eine Kühlung des rückgeführten Abgases zur Optimierung der Verbrennung vorteilhaft, da eine Rückführung ungekürzter Abgase, insbesondere bei höheren Lasten und bei Volllast, zu höheren Ansaugtemperaturen aufgrund der zugeführten heißen Abgase führt. Dies wiederum hat Füllungsverluste und eine Erhöhung der Klopfneigung des Ottomotors zur Folge. Damit einher gehen unerwünschte Leistungsverluste des Motors und hohe Abgastemperaturen.
Im Gegensatz zu den im Diesel-Abgas mitgeführten trockenen Bestandteilen handelt es sich bei den im Otto-Abgas mitgeführten Partikeln um nasse Bestandteile ("wet soot"), die eine sehr hohe Kondensations- und Verklebungsneigung aufweisen.
Das Abkühlen hat demnach die Entstehung einer erhöhten Menge an Kondensaten - bestehend aus Wasser und/oder Kohlenwasserstoffen bzw. Kohlen- wasserstoffverbindungen und unvollständig verbrannten Verbrennungsrück- ständen - im zurückgeführten Abgas zur Folge, was zu einem erhöhten Grad an Versottung in Form von "wet soot", mithin nasser, klebender bzw. adhäsiver Ablagerungen im AGR- sowie im Ansaugluftsystem führt. Eine Abkühlung des zurückgeführten Abgases ist daher nachteilig, zumal bei stöchiometrisch betrie- benen Ottomotoren der Wassergehalt im rückgeführten Abgas höher als beim Dieselmotor ist und damit die anfallende Kondensatmenge daher erheblich größer ist. Eine Kombination des Partikelfilters mit einem Kühler wie beispielsweise dem Ladeluftkühler, wie es nach EP 2 194 351 B1 für einen Dieselpartikelfilter beschrieben ist, kommt demnach für Ottomotoren nicht in Betracht. Denn durch das unmittelbare bzw. gleichzeitige Abkühlen der Abgase im Partikelfilter wird eine selbstständige Regeneration des Filters und die dazu erforderlichen hohen Abgastemperaturen verhindert. Dies kann zum Verstopfen des Filters führen.
Ergänzend zu der vorstehend beschriebenen Verschmutzung und Verstopfungsgefahr besteht die Schwierigkeit, dass die für die Selbstregeneration des Partikelfilters erforderlichen Bedingungen, insbesondere ein Luftüberschuss im Partikelfilter nur in einem deutlich eingeschränkten Betriebsbereich vorherrschen. Es sind in diesem Fall zusätzliche aktive Regenerationsmaßnahmen erforderlich, die betriebs- und kostenbedingt von Nachteil sind. Im Gegensatz dazu sind aktive Regenerierungsmaßnahmen für den Partikelfilter beim Dieselmo- tor üblich und zwingend, weil schon in sehr weiten motorischen Betriebsbereichen die dort herrschenden Abgastemperaturen niedrig und aktive Regenerationsmaßnahmen notwendig sind.
Eine kombinierte Verwendung eines Partikelfilters für Feinstaub mit einem Kühler innerhalb eines AGR-Systems bzw. einer AGR-Leitung kam demnach für Ot- tomotoren in der Praxis nicht ohne Weiteres in Betracht.
Partikelfilter für Ottomotoren halten wie auch Dieselpartikelfilter Partikel, sogenannten Feinstaub, zurück. Zur Regenerierung des Partikelfilters, d. h. zum Ab- brand von gefilterten Partikeln, sind ausreichend hohe Abgastemperaturen und Sauerstoffüberschuss erforderlich. Nach einer Erwärmungsphase stehen diese Voraussetzungen an die Temperatur in AGR-Systemen von Ottomotoren in der Regel zur Verfügung. In weiten Betriebsbereichen des Ottomotors, also im ge- feuerten Zustand (Lambda = 1 bei stöchiometrisch betriebenen Ottomotoren), mangelt es aber an einem Sauerstoffüberschuss als Grundlage für eine Verbrennung der Partikel im Partikelfilter. Es werden durch den Abgasstrom also lediglich Partikel dem Partikelfilter zugeführt, die dort zu einem Teil mit dem ver- fügbaren Restsauerstoff verbrannt und zum anderen Teil dort zurückgehalten werden, bis ausreichend gute Abbrandbedingungen für den vollständigen Ab- brand zur Verfügung stehen. Eine Regeneration, mithin eine Verbrennung der Partikel kann nur in solchen Betriebszuständen des Motors erfolgen, in denen genug Sauerstoff im Abgas zur Verbrennung der Partikel im GPF (Gasoline Particle Filter) zur Verfügung steht, z. B. in Schubphasen des Motors, wenn die Einspritzung abgeschaltet ist. In dieser Schubphase, also bei weiterhin drehendem Motor sowie Ein- und Auslassventilbetätigung, gelangt Sauerstoff bei geöffnetem AGR-Ventil in das AGR-System und durchströmt den dort integrierten Partikelfilter. Bei ausreichender Temperatur im Partikelfilter werden die Partikel dann zu CO2 verbrannt. Unter Umständen entsteht auch CO, HC und NOx.
Ungeachtet des genannten Reinigungsschrittes des Partikelfilters und der damit einhergehenden Schwierigkeiten wurde festgestellt, dass erst mit zunehmender und gleichbleibender Kühlung des Abgases nahe an das Niveau der angesaugten und ggf. verdichteten und rückgekühlten Frischluft die genannten Vorteile einer Verwendung von rückgeführtem Abgas beim Ottomotor mit größerer Wirkung zum Tragen kommen. Eine solche Kühlung erfordert aber auch eine entsprechende dauerhafte Kühlleistung des Kühlers, welche jedoch angesichts der beschriebenen Verschmutzung nicht realisierbar war.
Wendet man nun doch einen Partikelfilter für Feinstaub in der AGR-Leitung an, so führt dies nicht nur zum Schutz des Ansaugluftsystems vor Versottung durch die im Abgas mitgeführten Partikel und weitere Substanzen, sondern gewährleistet auch - und vor allem - den weitreichenden und nachhaltigen Einsatz eines Abgaskühlers innerhalb der AGR-Leitung. Eine gesonderte Kühlung des zurückgeführten Abgases erlaubt eine Reduzierung der Kühlleistung in der An- saugleitung bzw. noch geringere Temperaturen in der Ansaugleitung. Dies führt letztlich zu einer dauerhaften Vermeidung von Füllungsverlusten, einer dauer- haften Verringerung der Klopfneigung sowie einer dauerhaften Vermeidung der damit einhergehenden Leistungsverluste.
Mit der Verwendung eines Partikelfilters geht aber unweigerlich auch die Verschmutzung desselben mit„wet soot" einher. Dieser Verschmutzung wird erfin- dungsgemäß durch Einsatz des vorangeschalteten 3-Wege-Katalysators oder eines HC-Oxi-Katalysators begegnet. Der Katalysator kann innerhalb des Partikelfilters als Beschichtung integriert sein oder als separater Katalysator, der stromauf in der Abgasrückführungsleitung oder innerhalb der Abgasleitung stromauf der Abzweigung der Abgasrückführungsleitung platziert ist. Durch die- sen Katalysator werden Kohlenwasserstoffe, sogenannte HC's oxidiert, so dass der„wet soot" seine Haft- und Klebeeigenschaften verliert. Damit sind sowohl eine bessere Regeneration des Partikelfilters als auch eine gleichmäßige Beladung desselben möglich.
Die im Abgas enthaltenen Stickoxide begründen darüber hinaus einen niedrigen PH-Wert des im Abgas mitgeführten und im Kühler kondensierenden Wassers. Damit einher geht eine erhöhte Korrosion des Kühlers sowie weiterer nachgeschalteter Komponenten der AGR-Leitung und des Frischluftsystems. Durch den Einsatz der 3-Wege-Beschichtung wird zusätzlich zu der Oxidation der HCs vor allem das NOx reduziert. Dadurch kann der PH-Wert des kondensierten Wassers nachhaltig auf einen neutralen oder leicht basischen Wert angehoben werden, so dass dieser massiven Korrosion auf einfache Art begegnet wird. Zudem wird durch die Reduktion des NOx im zurückgeführten Abgas die Klopfneigung des Motors verbessert.
Die Kombination aus 3-Wege- bzw. Oxi-Katalysator mit integriertem oder nach- geschaltetem Partikelfilter innerhalb der AGR-Leitung sowie eines nachgeschalteten Kühlers führt nicht nur zu einer verringerten Verschmutzung der AGR- Komponenten sowie der nachgeschalteten Komponenten der Frischluftleitung, mithin zur Anwendbarkeit eines Kühlers und zu einer Regenerierbarkeit des Partikelfilters und damit zu brauchbaren Inspektionsintervallen in der Praxis. Darüber hinaus können im Fall der 3-Wege-Beschichtung die Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit der genannten Komponenten verringert werden. Vor allem kann in allen Fällen die Klopffestigkeit verbessert werden. Dies als Voraussetzung für eine Erhöhung des Volumenstroms von zurückgeführtem Abgas (AGR-Rate) einerseits sowie für eine Verstellung des Zündwinkels nach früh andererseits. Denn im Rahmen der Erprobung des erfindungsgemäßen Abgasrückführungssystems wurde zudem festgestellt, dass im laufenden Betrieb des Ottomotors bei Gewährleistung einer ausreichenden und gleichbleibenden Kühlung und gleichzeitiger Reduktion des NOx die AGR-Rate zunehmend über das bisherige Maß erhöht werden kann. Zudem wird eine bessere Klopfeigenschaft erreicht, die es erlaubt, den Zündwinkel weiter nach früh zu verstellen. Damit ist eine wesentlich stabilere Verbrennung gewährleistet. Vor diesem Hintergrund könnte zudem auch ein höheres Verdichtungsverhältnis Anwendung finden. Der Wirkungsgrad des Motors wird somit drastisch erhöht, womit nicht nur der Kraftstoffverbrauch entsprechend reduziert wird, sondern auch die Verbrennungs- temperatur sinkt.
Das erfindungsgemäße externe AGR-System beim Ottomotor gewährleistet eine Reduktion der Partikel im rückgeführten Abgas, womit die Möglichkeit einer stärkeren Abkühlung des rückgeführten Abgases, insbesondere bei höherer Motorlast und Motordrehzahlen, und somit ein reduzierter Kraftstoffverbrauch einhergehen.
Im Gegensatz dazu wird ein AGR-System für einen Dieselmotor eingesetzt, um insbesondere in weiten Teillastbereichen bzw. bei niedrigen Motordrehzahlen den NOx-Ausstoß zu reduzieren. Bei Anwendung eines AGR-Systems kommt es aber aufgrund des Brennverfahrens beim Dieselmotor zwangsläufig zu einer Erhöhung des Rußpartikelausstoßes sowie zu erhöhtem Kraftstoffverbrauch. Diesem Nachteil soll aber im Fall des Ottomotors begegnet werden.
Daher liegt es auf der Hand, dass die für den Dieselmotor bekannten Vor- und Nachteile und die zu berücksichtigenden Funktionsweisen beim Einsatz eines AGR-Systems auf den Ottomotor nicht übertragbar sind. Durch gereinigtes, zurückgeführtes Abgas wird eine geringere Verschmutzung von Komponenten im Abgasrückführungs- und Ansaugsystem, eine verbesserte Kühlung sowie eine verbesserte Verbrennung erreicht, die eine erhöhte Betriebssicherheit und neben verringerten Schadstoffemissionen eine zugleich verbesserte Effizienz des Ottomotors ermöglicht.
Durch den 3-Wege-Katalysator bzw. den Oxidationskatalysator werden die vorstehend genannten Vorteile verringerter Mengen an HC und NOx erreicht. Es kann zusätzlich oder alternativ ein unbeschichteter Partikelfilter separat vor oder vorzugsweise nach dem Katalysator in der Abgasrückführungsleitung plat- ziert werden. Damit wird ein zusätzlicher Druckanstieg in der Abgasleitung und somit ein höherer Kraftstoffverbrauch des Ottomotors vermieden.
Falls das rückzuführende Abgas vor dem Katalysator des Abgassystems entnommen wird, kann ein zusätzlicher 3-Wege-Katalysator in der Abgasrückführungsleitung integriert werden. Diese Katalysatoren stellen jedoch eine weitere Bauteilkomponente dar, die alternativ mit einem Partikelfilter mit einer 3/Ox- Beschichtung vermeidbar ist.
In jedem Fall führt die Oxidation von Schadstoffkomponenten zur Wärmeentwicklung und damit zur Aufheizung des stromab liegenden Partikelfilters. Dies erweitert den Einsatz der eigenständigen Regeneration des Partikelfilters im Schubbetrieb auf weitere Betriebszustände des Motors.
Die 3/Ox-Beschichtung des Partikelfilters wirkt bei gefeuertem Motorbetrieb. Gleiches gilt für die Filterwirkung des Partikelfilters. Im Schubbetrieb kann die Regeneration des Partikelfilters erfolgen. Eine katalytische Reduktion ist aufgrund des Luftüberschusses nicht möglich und mangels Kraftstoffzufuhr in der Schubphase nicht zwingend notwendig. Durch die Kombination von Partikelfilterung und katalytischer Umwandlung weiterer unvollständiger Verbrennungsprodukte weist das dem Motor wieder zugeführte Abgas einen hohen Reinheitsgrad sowohl bezüglich der Verbrennungsprodukte als auch bezüglich der Partikel auf. Dies wirkt sich positiv auf die Bildung von Ablagerungen im An- saugsystem, die Kühlung sowie auf die Verbrennung und die Schadstoffemission des Ottomotors aus.
Der Partikelfilter hält demnach Ruß und andere Verbrennungsrückstände in der AGR-Strecke zurück Durch die 3/Ox-Beschichtung werden Substanzen (HC, NOx, CO), die beim Abkühlen zu Fouling-Bildung (wet soot) führen würden, im heißen Zustand zu unschädlichen Substanzen (CO2, H20.N2) umgewandelt, wodurch zusätzliches Inertgas entsteht, was dem Motor wieder zugeführt wird.
Die Reduzierung der NOx führt zu geringerer Korrosionsgefahr und begünstigt vor allem aber die Klopfneigung des Motors und einen früheren Zündzeitpunkt, wodurch die Schwerpunktlage weiter optimiert und die Abgastemperatur deutlich reduziert wird.
Die optimale Reinigung des Abgases erlaubt die Nutzung einer kaskadierten Kühlung der zurück- und zugeführten Gase bzw. der Ladungsmasse. Damit kann die Kondensatbildung im Ansaugsystem des Motors so geführt werden, dass seine Entstehung vermehrt Vorteile ermöglicht. Dies ist insbesondere im Ansaugtrakt des Motors der Fall. Hier ausfallendes Wasser in einem dort befindlichen Kühler wird stromab im Ansaugtrakt erwärmt und wieder verdampft. Dies führt zu einer weiteren Temperaturabsenkung der in den Zylinder angesaugten Ladungsmasse. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die mögliche Füllung des Motors aus und ermöglicht niedrigere Ladedrücke.
Eine HD-AGR gewährleistet höhere Abgastemperaturen, die sich insgesamt positiv auf die Partikelfilterregeneration und die Schadstoffreduktion auswirken. Die Mündung stromab des Verdichters hat den Vorteil, dass die Regelstrecke kürzer ist. Diese Kombination aus Abzweigung stromauf der Turbine und Mün- dung stromab des Verdichters wird als Hochdruck-AGR (HD-AGR) bezeichnet. Allerdings steht möglicherweise nicht in allen gewünschten Betriebszuständen ein ausreichend hohes Druckgefälle zwischen Abgassystem und Ansaugsystem für die Zuführung der gewünschten rückgeführten Abgasmenge zur Verfügung. Für den Fall, dass eine zusätzliche Kühlung des zurückgeführten Abgases ge- fordert ist, kann das gereinigte Abgas auch nach dem Verdichter und vor dem Ladeluftkühler dem Ansaugsystem zugeführt werden. Damit wird das Abgas nicht nur im AGR-Kühler, sondern zusätzlich auch im Ladeluftkühler gekühlt. Denkbar ist auch eine Anordnung, in der der Ladeluftkühler so effektiv ausgelegt ist, dass für das rückgeführte Abgas kein AGR-Kühler in der AGR-Leitung erforderlich ist.
Die Abzweigung stromauf der Turbine in Kombination mit der Mündung stromauf des Verdichters wird als Maximaldruck-AGR (MD-AGR) bezeichnet und gewährleistet eine große Druckdifferenz innerhalb der AGR-Leitung auch für größere geforderte Abgasrückführungsmengen. Allerdings wird dadurch die Regel- strecke länger als bei der HD-AGR und der Verdichter und die Turbine müssen an die veränderten Massendurchsätze ggf. angepasst werden.
Die Abzweigung stromab der Turbine in Kombination mit der Mündung stromauf des Verdichters wird als Niederdruck-AGR (ND-AGR) bezeichnet. Diese Anordnung hat zum Vorteil, dass sie auch in solchen Betriebszuständen Abgas in das Ansaugsystem zurückführen kann, in denen für eine HD-AGR das Druckgefälle nicht ausreicht. Weiterhin zeichnet sich die ND-AGR durch eine niedrigere Abgastemperatur aus, da das Abgas nach der Turbine entnommen wird, wodurch die notwendige Kühlleistung des AGR-Kühlers vermindert wird. Zudem muss der Verdichter in der Ansaugstrecke auf den größeren Massendurchsatz ausge- legt sein.
Vorteilhaft kann es hierzu sein, wenn der PartikelfilterJ, der in der Abgasrück- führungsleitungj platziert ist, frei von einer 3/Ox-Beschichtung ist und stromauf des Partikelfilters ein zusätzlicher Abgaskatalysator innerhalb der Abgasrück- führungsleitungj platziert ist und/oder der PartikelfilterJ I, der stromab des Ab- gaskatalysators in der AbgasrückführungsleitungJI platziert ist, eine 3Ox- Beschichtung aufweist oder frei von einer 30x-Beschichtung ist. Der zusätzliche Abgaskatalysator übernimmt die Aufgabe der 3/Ox-Beschichtung. Jedoch gehen mit dem zusätzlichen Abgaskatalysator weitere Druckverluste einher. Beim Abzweig der AbgasrückführungsleitungJI stromab des Abgaskatalysators kann der mindestens eine Partikelfilter trotzdem eine 3/Ox-Beschichtung aufweisen. Dies ergänzend zu der Leistung des Hauptabgaskatalysators, damit in der AGR-Leitung möglichst viele HC- und NOx- Verbindungen umgesetzt sind.
Ergänzend kann es vorteilhaft sein, wenn der KühlerJ, _ll innerhalb der AGR- LeitungJ, _ll und/oder der Ladeluftkühler als Abgas-Motorkühlwasser- oder als Abgas-Niedertemperaturkühlwasser-Kühler ausgebildet ist und zumindest thermisch vom Partikelfilter getrennt ist. Somit kann die notwendige Kühlleistung für die jeweilige AGR-Leitung erreicht werden. In besonderen Ausführungsformen können mehrere Kühler, die auch zuschaltbar ausgebildet sein können, in der Abgasrückführung in Reihe oder auch parallel angeordnet sein. Der Kühler ist räumlich bzw. zumindest thermisch vom Partikelfilter getrennt, damit der Partikelfilter möglichst in weiten motorischen Betriebszuständen hohe Temperaturen aufweist, so dass er bei Sauerstoffüberschuss im Abgas durch Oxidation der gefilterten Bestandteile regeneriert. Damit wird ein möglichst großer Arbeitsbereich des Partikelfilters zur Regenerierung erzielt. Im Unterschied zu einem Abgas-Motorkühlwasser-Kühler handelt es sich bei einem Abgas- Niedertemperaturkühlwasser-Kühler um einen Kühler mit einem separaten, mithin vom Motorkühlwasser getrennten Kühlkreislauf. Seine erreichbare Kühltemperatur ist niedriger als die des Motorkühlwasser-Kühlers.
Der AbgasrückführungsleitungJI kommt ein von der Abgasrückführungslei- tungj abweichender technischer Effekt nur dann zu, wenn in der Abgasleitung eine Turbine vorgesehen ist. Die AbgasrückführungsleitungJI wird hierzu dann stromab der Turbine abzweigen, während die erste AGR-Leitung stromauf der Turbine abzweigt, so dass mit der ersten bzw. AbgasrückführungsleitungJI ergänzend oder alternativ verschiedene der unten definierten Abgasrückführarchitekturen wie eine Hochdruck-AGR (HD-AGR) oder eine Nie- derdruck-AGR (ND-AGR) möglich sind.
Im Fall des Vorliegens der AbgasrückführungsleitungJI kann zumindest ein Partikelfilter in der Abgasleitung zwischen der AbgasrückführungsleitungJ und der AbgasrückführungsleitungJI platziert sein. Die AbgasrückführungsleitungJ kann auch am Auslasskrümmer anschließen und/oder am Einlasskrümmer münden. Die AbgasrückführungsleitungJI mündet im Fall des Vorhandenseins eines Verdichters typischerweise vor dem Verdichter. Es kommen erfindungsgemäße die nachstehenden Kombinationen von Merkmalen in Betracht, nämlich
x) mindestens eine erste AGR-Leitung, die von der Abgasleitung abzweigt und in der Einlassleitung mündet, wobei in der AGR-Leitung oder in der Abgasleitung stromauf der AGR-Leitung ein Partikelfilter angeordnet ist;
y) in der Abgasleitung ist eine Turbine vorgesehen;
z) eine zweite AGR-Leitung ist vorgesehen, die an der Abgasleitung abzweigt und in der Einlassleitung mündet, wobei mindestens ein Partikelfilter vorgesehen ist, der in der zweiten AGR-Leitung platziert ist und/oder der in der Abgasleitung stromauf der zweiten AGR-Leitung platziert ist;
i) eine 3/Ox-Beschichtung des Partikelfilters oder ein 3-Wege-Katalysator stromauf des Partikelfilters;
j) ein Kühler innerhalb der AGR-Leitung stromab des Partikelfilters, wobei die Merkmale i) + j) + x) oder eine der Merkmalskombinationen
i) + j) + x) + y) oder i) + j) + y) + z) oder i) + j) + x) + y) + z) anzuwenden sind. Die Merkmalsgruppe i) + j) + z) entspricht mangels Turbine der Merkmalsgruppe i) + j) + x).
Beansprucht wird ein Abgasrückführungssystem für einen Ottomotor mit einer an einen Auslasskrümmer des Ottomotors anschließbaren Abgasleitung mit einer Turbine und mit einer an einen Einlasskrümmer des Ottomotors anschließ- baren Einlassleitung mit einem Verdichter, wobei in der Abgasleitung ein Hauptabgaskatalysator vorgesehen ist, wobei
a1) mindestens eine AbgasrückführungsleitungJ vorgesehen ist, die an der Abgasleitung stromauf der Turbine abzweigt und in der Einlassleitung stromab des Verdichters mündet und/oder
b1) mindestens eine AbgasrückführungsleitungJI vorgesehen ist, die an der Abgasleitung stromab der Turbine abzweigt und in der Einlassleitung stromauf des Verdichters mündet, wobei a2) mindestens ein PartikelfilterJ vorgesehen ist, der in der Abgasrückfüh- rungsleitungj platziert ist oder der in der Abgasleitung stromauf der Abgasrück- führungsleitungj platziert ist, wobei der PartikelfilterJ eine 3/Ox-Beschichtung aufweist;
b2) mindestens ein PartikelfilterJ I vorgesehen ist, der in der Abgasrückführungsleitung Jl platziert ist oder der in der Abgasleitung stromauf der AbgasrückführungsleitungJI platziert ist, wobei die AbgasrückführungsleitungJI stromauf oder stromab des Abgaskatalysators abzweigt, wobei beim Abzweig stromauf des Abgaskatalysators der PartikelfilterJ I eine 3/Ox-Beschichtung aufweist oder beim Abzweig stromab des Abgaskatalysators der PartikelfilterJ I in der AbgasrückführungsleitungJI platziert ist;
und dass stromab des mindestens einen Partikelfilters mindestens ein Kühler innerhalb der Abgasrückführungsleitung vorgesehen ist.
Zudem kann es vorteilhaft sein, wenn mindestens eine weitere Abgasrückfüh- rungsleitung vorgesehen ist, die an der Abgasrückführungsleitung J abzweigt und in der Einlassleitung mündet, wobei in mindestens einer der weiteren Abgasrückführungsleitungen optional mindestens ein weiterer Kühler vorgesehen ist. Mit der weiteren Abgasrückführungsleitung lassen sich verschiedenste Architekturen der Abgasrückführung, insbesondere eine Maximaldruck-AGR reali- sieren.
Hierzu kann es vorteilhaft sein, wenn die weitere Abgasrückführungsleitung stromab des Partikelfilters der Abgasrückführungsleitung J abzweigt. Die weitere Abgasrückführungsleitung wird somit mit gereinigtem Abgas beaufschlagt.
Hierzu kann es auch vorteilhaft sein, wenn der Hauptabgaskatalysator stromab der Abzweigung der AbgasrückführungsleitungJ oder stromauf der Abzweigung der AbgasrückführungsleitungJI oder stromab der Abzweigung der AbgasrückführungsleitungJI vorgesehen ist. Je nach Positionierung ist eine katalytische Reinigung des Abgasstroms gewährleistet. Durch eine Kombination mit beschichteten Partikelfiltern kann eine umfassende katalytische Reinigung des gesamten Abgasstroms erfolgen. Hierzu kann es beispielsweise bei einer HD-EGR vorteilhaft sein, wenn der Kühler ausgangsseitig eine Abgassolltemperatur Ta aufweist, die oberhalb des Taupunktes der im Abgas enthaltenen Substanzen liegt, bspw. 250° >= Ta >= 100° oder 200° >= Ta >= 105°. Die Abgassolltemperatur Ta ist dabei so hoch gewählt, dass ein Kondensieren der im Abgas enthaltenen Substanzen wie auch Wasser möglichst verhindert wird. Ein Kondensieren von Wasser hätte den Nachteil, dass sich dieses in etwaigen Senken der AGR-Leitung ansammelt und möglicherweise stoßartig der Verbrennung zugeführt würde. Eine Kühlung auf unter 100 °C erfolgt erst in der zweiten Kühlstufe nach Mischung von Abgas und Frischluft in der Einlass- bzw. in der Ladeluftleitung kurz vor Motoreintritt. Hierdurch kann kondensierendes Wasser direkt in den Motorbrennraum gelangen und durch Verdunstung positive Wirkung auf die motorische Verbrennung entfalten. Dadurch, dass das Abgas durch den Partikelfilter gereinigt ist, besteht, wie unten ausgeführt, trotz der weiteren Abkühlung keine Versottungsge- fahr für einen motornahen Ladeluftkühler.
Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn die mindestens eine weitere Abgasrückführungsleitung in der Einlassleitung vor dem Verdichter oder nach dem Verdichter mündet. Mit der weiteren Abgasrückführungsleitung lassen sich eine Maximaldruck-AGR sowie eine Hochdruck-AGR realisieren. Zudem kann es vorteilhaft sein, wenn in der Einlassleitung zwei Verdichter angeordnet sind, wobei die mindestens eine weitere Abgasrückführungsleitung zwischen beiden Verdichtern mündet. Durch Anwendung zweier Verdichter können Zwischenlösungen der Maximaldruck-AGR, der Hochdruck-AGR und/oder der Niederdruck-AGR realisiert werden. In diesem Zusammenhang kann es vorteilhaft sein, wenn in der Einlassleitung zwei Verdichter angeordnet sind und mindestens zwei weitere Abgasrückführungsleitungen vorgesehen sind, die über eine gemeinsame, an der Abgasrück- führungsleitungj abzweigende Verteilungsleitung parallel angeschlossen sind, wobei mindestens eine weitere Abgasrückführungsleitung vor mindestens ei- nem der Verdichter mündet und/oder mindestens eine weitere Abgasrückführungsleitung nach mindestens einem der Verdichter mündet. Jedem Verdichter ist dabei vorzugsweise eine Turbine zugeordnet. Zumindest eine Abgasrückführungsleitung kann auch Teil der Verteilungsleitung sein, wenn sie als Fortführung der Verteilungsleitung ausgebildet ist.
Dabei kann vorteilhafterweise ein Ladeluftkühler und/oder eine Ladeluft- Drosselklappe in der Einlassleitung vorgesehen sein, wobei die Mündung der AbgasrückführungsleitungJ stromab einer Position für den Ladeluftkühler und/oder stromab einer Position für die Ladeluft-Drosselklappe platziert ist. In der Einlassleitung wird bis zur Mündung der AGR-Leitung in der Regel nur Frischluft geführt. Der Ladeluftkühler könnte in diesem Fall auch als Frischluft- kühler bezeichnet werden.
Alternativ kann es vorteilhaft sein, wenn ein Ladeluftkühler und/oder eine Ladeluft-Drosselklappe in der Einlassleitung vorgesehen sind, wobei die Mündung der AbgasrückführungsleitungJ stromauf einer Position für den Ladeluftkühler und stromab einer Position für die Ladeluft-Drosselklappe platziert ist. Die Reinigung des zurückgeführten Abgases durch den Partikelfilter gewährleistet den effektiven Einsatz des Ladeluftkühlers für das Frischluft-Abgas- Gemisch. Ein Versotten des Ladeluftkühlers wird aufgrund des Einsatzes des Partikelfilters verhindert. Durch den Einsatz einer AGR-Leitung beim Otto-Motor können Rußpartikel und die Abgastemperatur im Hochlastbetrieb deutlich redu- ziert werden. Dadurch kann bei Verwendung eines Partikelfilters in der AGR- Leitung und/oder bei intensiver Kühlung des zurückgeführten Abgases (AGR- Kühlung) und die Ladeluft-Kühlung soweit verstärkt werden, dass die Abgastemperatur auf das Niveau von Dieselmotoren bzw. die Ansaugtemperatur vor Zylindereintritt auf das Niveau von Ottomotoren ohne AGR sinken kann. Hier- durch sinkt die Klopfneigung des Ottomotors deutlich und es sind signifikante Verbrauchsverbesserungen erzielbar.
Vorteilhaft kann es sein, wenn der Ladeluftkühler ausgangsseitig eine Ladeluftsolltemperatur Tu aufweist, mit Tu <= 50°C. Durch die intensive Kühlung der Ladeluft kann die Abgastemperatur des Ottomotors auf das Niveau von Diesel- motoren (etwa 850 °C) gesenkt werden. Dies wirkt sich sehr positiv auf die Klopfneigung des Ottomotors aus und es sind signifikante Verbesserungen im Kraftstoffverbrauch möglich.
Zudem kann es vorteilhaft sein, wenn ergänzend zum Ladeluftkühler ein Frischluftkühler in der Einlassleitung platziert ist, wobei der Frischluftkühler stromauf der Mündung der Abgasrückführungsleitung positioniert ist. Mittels des Frischluftkühlers kann in einer ersten Stufe eine gesonderte Kühlung der Frischluft vor dem Mischen mit dem Abgas erfolgen. Weil das Temperaturniveau der verdichteten Frischluft mit 150 °C bis 160 °C aber nicht so sehr hoch ist, kann die gesonderte Kühlung der Frischluft auch entfallen, wobei dann das Frischluft- Abgasgemisch wie vorstehend beschrieben zusammen im Ladeluftkühler gekühlt werden kann.
In diesem Zusammenhang kann es vorteilhaft sein, wenn der Frischluftkühler ausgangsseitig eine Frischluftsolltemperatur Tf aufweist mit 150° >= Tf >= 90° und der Ladeluftkühler ausgangsseitig eine Ladelufttemperatur von maximal 30 °C bis 40 °C oder 45 °C bis 50 °C. Die im Frischluftsystem erfolgte Kühlleistung ist zwar relativ niedrig, aber in jedem Fall vorteilhaft im Hinblick auf ein möglichst kühles Frischluft-Abgasgemisch. Die Leistung des Ladeluftkühlers kann bei Einsatz des Frischluftkühlers entsprechend reduziert werden. Zudem sind noch tiefere Temperaturen realisierbar. Die reduzierte Klopfneigung des Ottomotors und signifikante Verbrauchsverbesserungen werden durch die zwei- bzw. dreistufige Kühlung der angesaugten Ladeluft durch den AGR-Kühler, den Ladeluftkühler und ggf. den Frischluftkühler unter Anwendung der unterschiedlichen Temperaturniveaus erreicht.
Hierzu kann es vorteilhaft sein, wenn der Ladeluftkühler in der Einlassleitung vorgesehen ist, wobei die Mündung zumindest einer weiteren Abgasrückführungsleitung stromauf einer Position für den Ladeluftkühler platziert ist.
Vorteilhaft kann es ferner sein, wenn eine Drosselklappe in der Abgasrückfüh- rungsleitungj und/oder in der AbgasrückführungsleitungJI vorgesehen ist, über die betriebspunktabhängig ein Abgasmassenstrom innerhalb der Abgas- rückführungsleitung einstellbar ist, wobei die Drosselklappe stromab des Partikelfilters platziert ist oder die Drosselklappe stromab oder stromauf des Kühlers platziert ist. In Schubphasen des Motors kann mit der Regelklappe die Regeneration des Partikelfilters über die Menge der rückgeführten Frischluftmenge beeinflusst werden. In besonderen Ausführungen kann die Drosselklap- pe auch unmittelbar nach dem Partikelfilter angeordnet sein. Hierzu ist auch eine in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnete Konstruktion möglich. Stromab des Kühlers ist die Temperaturbelastung der Drosselklappe am geringsten.
Vorteilhaft kann es darüber hinaus auch sein, wenn je ein weiterer Kühler innerhalb der jeweiligen weiteren Abgasrückführungsleitung vorgesehen ist oder wenn je ein weiterer Kühler in der Verteilungsleitung stromauf der jeweiligen weiteren Abgasrückführungsleitung platziert ist. Somit wird die Kühlleistung in den einzelnen Pfaden gewährleistet und entsprechend verteilt.
Außerdem kann es vorteilhaft sein, wenn die Abgasleitung zwei parallel geführte Abgasleitungsabschnitte aufweist, die über ein regelbares Ventil schaltbar sind, wobei in einem Abgasleitungsabschnitt der Abgaskatalysator platziert ist und im parallelen Abgasleitungsabschnitt der Partikelfilter sowie der nachfolgende Abzweig für die AbgasrückführungsleitungJI vorgesehen sind. Somit lässt sich die weitere Abgasrückführungsleitung umgehen, wobei die katalyti- sche Reinigung des Abgases in jedem Fall gewährleistet ist. Zudem kann es vorteilhaft sein, wenn die AbgasrückführungsleitungJI und die weitere Abgasrückführungsleitung über ein regelbares Ventil gekoppelt sind, wobei stromab des Ventils ein Kühler vorgesehen ist und/oder stromab des Kühlers eine Drosselklappe vorgesehen ist. Durch diese Architektur kann die weitere Abgasrückführungsleitung an den Kühler und die Einlassleitung ange- schlössen werden und eine Maximaldruck-AGR realisiert werden. Alternativ kann die AbgasrückführungsleitungJI an den Kühler und die Einlassleitung angeschlossen werden und eine Niederdruck-AGR realisiert werden.
Ergänzend kann es vorteilhaft sein, wenn in der jeweiligen weiteren Abgasrückführungsleitung eine Drosselklappe vorgesehen ist, wobei die Drosselklappe wahlweise bzw. vorzugsweise stromab des jeweiligen weiteren Kühlers vorge- sehen ist. Die verschiedenen weiteren Abgasrückführungsleitungen können somit dem Zeitpunkt und der Abgasmenge nach beliebig aktiviert werden. Zudem kann die Drosselklappe vor übermäßiger Temperaturbelastung geschützt werden. Vorteilhaft kann es auch sein, wenn stromab des Hauptabgaskatalysators ein Hauptpartikelfilter vorgesehen ist, der frei von einer katalytisch wirkenden Be- schichtung zur Umwandlung von CO, HC und/oder NOx ist. Somit ist eine umfassende Reinigung des Abgases von Partikeln gewährleistet. Es können sowohl ein Hauptpartikelfilter in der Abgasleitung als auch ergänzend ein Partikelfilter in der Abgasrückführungsleitung platziert sein. Dies ungeachtet, ob die Abgasrückführungsleitung stromauf oder stromab des Hauptpartikelfilters abzweigt. Dabei kann die Porosität des Hauptpartikelfilters größer sein als die des Partikelfilters in der Abgasrückführungsleitung. Damit ist die Filterleistung des Partikelfilters in der Abgasrückführungsleitung größer als die des Hauptpartikelfilters. Ungeachtet der Filterkriterien, die an das an die Umgebung abzugebende Abgas gestellt werden, soll das zurückgeführte Abgas wegen des Verschmutzungseffekts möglichst frei von Partikeln sein.
Zudem kann es vorteilhaft sein, wenn die AGR-Leitung einem einzelnen Zylin- derauslass des Ottomotors zugeordnet ist. Die AGR-Leitung führt somit ledig- lieh die Abgasmenge dieses einen Zylinderauslasses. Die Abgasmenge kann über eine Veränderung der Steuerzeiten der Ventile und/oder über die Drosselklappe der AGR-Leitung variiert werden.
Vorteilhaft kann es zudem sein, wenn die Turbine als VTG-Turbine ausgebildet ist. Eine VTG-Turbine ist eine Turbine mit variabler Turbinenschaufelgeometrie und im Idealfall stufenlos verstellbar. Erst der Einsatz von AGR-Systemen mit Partikelfilter ermöglicht es, die ottomotorische Abgastemperatur vor der VTG- Turbine auf ein Temperaturniveau abzusenken, die der heutigen thermischen und ökonomischen Belastungsgrenze von herkömmlichen VTG-Turbinen aus Dieselmotoren entspricht. Die niedrigere Abgastemperatur eröffnet einen größeren Anwendungsbereich von VTG-Turbinen und diese treten damit erstmalig als interessante Alternative zu zweistufigen Aufladesystemen für den Ottomotor in den Fokus. Der durch die VTG-Funktion erweiterte Steuerungsbereich des Abgasgegendruckes vor dem Turbineneintritt erlaubt AGR-Systemen gemäß der HD- oder MD- Ausführung eine Ausweitung des Funktionsbereiches zu höheren Abgasrückführraten (AGR-Raten), insbesondere bei niedrigen Motordrehzahlen und hohen Lasten (LET- low end torque). Hierdurch können HD- oder MD- Ausführungen nun Kennfeldbereiche abdecken, die bislang nur mit einer ND- Ausführung erreichbar waren, und können dabei ihren Vorteil im dynamischen Ansprechverhalten aufgrund der kurzen Regelstrecke beibehalten und gegebenenfalls verbessern. Mehr noch wird dieser Vorteil durch die Verwendung von VTG-Turbinen gesteigert, da die erweiterte und flexible Steuerung des Abgasgegendruckes eine erweiterte und flexible Einstellung der AGR-Rate erlaubt. Die Einstellung bzw. Anpassung der AGR-Rate bzw. des Abgasgegendrucks ist bei höheren AGR-Raten zunehmend wichtig, da der Ottomotor im Vergleich zum Dieselmotor viel sensibler auf sich ändernde AGR-Raten reagiert.
AGR-Systeme mit Partikelfilter machen somit die Anwendung von VTG- Turbinen in Ottomotoren attraktiv und bieten eine kostengünstige Alternative zu zweistufigen Systemen. Umgekehrt gewährleistet der Einsatz von VTG- Turbinen bei HP- und MP-Ausführungen in weiten Betriebsbereichen hohe AGR-Raten. Teurere, mithin hochlegierte VTG-Turbinen, wie sie für Ottomotoren ohne gesonderte bzw. zweistufige Abgasrückführkühlung bekannt sind, und deren Kosten können vermieden werden. Das erfindungsgemäße Abgasrückführungssystem gewährleistet die Ausbildung eines Ottomotors mit einem ein Volumen Vh aufweisenden Hubraum und mit einem Kompressionsvolumen Vk, wobei ein Verdichtungsverhältnis Vv = (Vh + Vk)/ Vk angewendet wird, mit 15:1 <= Vv <= 10:1. Das Verdichtungsverhältnis sollte möglichst hoch angesetzt werden und beträgt vorzugsweise 1 :1 1 , 1 :12 1 :13, 1 :14 oder 1 :15. Durch massive Reduktion der Klopfneigung und durch entsprechende Vergrößerung des Zündwinkels können wesentlich höhere Verdichtungsverhältnisse beim Ottomotor realisiert werden. Die Summe aus Hubraum Vh und Kompressionsvolumen Vk ergibt das Brennraumvolumen insgesamt.
Zur Vermeidung von Einbringung von Abrieben in den Ansaugtrakt durch die AGR bei Verwendung eines Filters kann ein weiterer Filter oder Sieb stromab des Partikelfilters in der AGR platziert werden.
Vorteilhaft ist zudem eine Abgasanlage und/oder ein Ottomotor mit einem Abgasrückführungssystem bzw. ein Ottomotor mit mindestens einem ein Volumen Vh aufweisenden Hubraum und mit mindestens einem Abgasrückführungssystem und/oder einer Abgasanlage wie vorgehend beschrieben, wobei der Partikelfilter ein Gesamtvolumen Vf aufweist, wobei für das Gesamtvolumen Vf gilt: 0,1 Vh <= Vf <= 1 Vh oder insbesondere 0,1 Vh <= Vf <= 0,5 Vh oder wenn mehrere Partikelfilter vorgesehen sind, die zusammen das Gesamtvolumen Vf aufweisen. Das Gesamtvolumen Vf bezieht sich auf das geometrische Volumen des Partikelfilters, mithin das Volumen, das das Gehäuse zur Aufnahme des Partikelfilters aufweist. Volumenanteile des Gehäuses, die für Lagermittel wie Lagermatten notwendig sind, bleiben bei der Bestimmung des geometrischen Volumens des Partikelfilters unberücksichtigt. Die verschiedenen Partikelfilter können in den verschiedenen Abgasleitungen bzw. Abgasrück- führ-leitungen platziert sein und in Reihe oder parallel geschaltet sein. Vorteilhaft ist zudem ein Verfahren zum Betrieb eines Ottomotors, bei dem
- die Abgasrückführrate der externen AGR während des Betriebs zumindest für die HD-AGR und zumindest im Hochlastbereich und in der Volllast auf einen Wert bis 20 %, bis 30 %, bis 40 % oder bis 50 % angehoben wird und/oder
- durch Zündwinkelfrühverstellung die Schwerpunktlage der Verbrennung näher an den thermodynamisch optimalen Wert von 8° Kurbelwinkel geführt wird und/oder
- die dem Ottomotor zuzuführende Kraftstoffmenge reduziert und eine Volllastanreicherung vermieden wird, wobei wahlweise einer der Verfahrensschritte mindestens einmal wiederholt wird. Eine Anhebung der Abgasrückführrate ist auch im Teillastbereich schon möglich, wenn auch etwas geringfügiger. Vor dem Hintergrund des gereinigten und optimal gekühlten Zustandes der zurückzuführenden Abgase ist es möglich, die Abgasrückführrate während des Betriebs zumindest für die HD-AGR und zumindest im Hochlastbetrieb bis zur Volllast des Motors auf Werte von bis zu 20 %, 30 %, 40 % oder bis zu 50 % anzuheben. Dadurch wird die Klopfneigung des Ottomotors soweit reduziert, dass durch Zündwinkelfrühverstellung die Schwerpunktlage der Verbrennung nahe an den thermodynamisch optimalen Wert geführt werden kann. Somit können übliche Abstände der Schwerpunktlage vom genannten Optimum (8° Kurbelwinkel nach dem oberen Totpunkt) von derzeit beispielsweise 10° bis 15° Kurbelwinkel auf Abstände von 3° bis 7°, 5° bis 10° oder 7° bis 12° verringert werden. Die Verringerung erfolgt dabei stufenweise in kleinen Schritten durch kontinuierliche Optimierung des Zündwinkels.
Durch die zuvor beschriebenen Maßnahmen wird die Abgastemperatur deutlich reduziert und die Verbrennungsstabilität deutlich gesteigert. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, die Abgasrückführrate weiter zu steigern, wodurch die Klopfneigung des Ottomotors weiter reduziert wird und die Schwerpunktlage weiter optimiert werden kann.
Durch Verringerung der Klopfneigung, Optimierung der Schwerpunktlage und Steigerung der Verbrennungsstabilität kann schließlich auf eine Volllastanrei- cherung als Bauteilschutz verzichtet werden, da die Abgastemperatur deutlich reduziert wurde. Die Volllastanreicherung kann ebenfalls stufenweise um mindestens 5 % bis 0 % oder mindestens 10 % bis 30 % oder mindestens 40 % bis 70 % verringert werden. Im Ergebnis soll die Volllastanreicherung ausbleiben, mithin ein stöchiometrisches Verhältnis Anwendung finden. Damit ist es möglich, Ottomotoren anzuwenden, die ein deutlich angehobenes Verdichtungsverhältnis haben, so dass der damit einhergehende Verbrauchsvorteil im gesamten Kennfeldbereich des Ottomotors zum Tragen kommt.
Hierdurch wird die AGR-Verträglichkeit des Motors erneut gesteigert, so dass erneut eine Erhöhung der Abgasrückführrate möglich wird, die wiederum die beschriebenen vorteilhaften Effekte mit sich bringt. Dieser vorgehend beschriebene Selbstverstärkungseffekt kann dadurch beendet werden, dass entweder eine neuen Klopfgrenze erreicht wird, die Verbrennung zu langsam wird oder es zu Verbrennungsaussetzen kommt.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt. Es zeigen:
Figur 1 eine Prinzipskizze einer kombinierbaren HD- und ND-AGR;
Figur 2 eine Prinzipskizze einer MD-AGR;
Figur 3a, 3b Prinzipskizzen einer kombinierten HD- und MD-AGR mit unterschiedlicher Kühleranordnung und Einleitungen in die Einlasslei- tung;
Figur 4a, 4b Prinzipskizzen einer kombinierten HD-, MD- und ND-AGR mit unterschiedlicher Kühleranordnung und Einleitungen in die Einlassleitung;
Figur 5a, 5b Prinzipskizzen einer partiellen HD- bzw. MD -AGR, bei der das gesamte Abgas eines Zylinders zurückgeführt wird;
Figur 6a-6c Teildarstellung der verschiedenen Architekturen aus Figur 1 ;
Figur 7 eine Prinzipskizze der HD-AGR nach Figur 1 mit Ladeluft- und
Frischluftkühler.
In allen Prinzipskizzen nach den Fig. 1 - 6 ist dargestellt ein Abgasrückfüh- rungssystem 1 (AGR-System), das in das Abgas- und Ladeluftsystem eines einen Hubraum 2.4 aufweisenden Ottomotors 2 mit Auslasskrümmer 2.1 und Einlasskrümmer 2.2 sowie Abgasturbine 3 und Ladeluftverdichter 4 integriert ist. Das Abgas- und Ladeluftsystem weist eine an den Auslasskrümmer 2.1 des Ottomotors 2 angeschlossene Abgasleitung 1.1 auf, in die die Turbine 3 integriert ist. Am Ende der Abgasleitung 1 .1 verlässt Abgas 8 das Abgasrückführungssystem 1 und strömt in die weitere, nicht dargestellte Abgasstrecke. Zudem ist eine an den Einlasskrümmer 2.2 des Ottomotors 2 angeschlossene Einlasslei- tung 1.2 vorgesehen, in die der Verdichter 4 integriert ist. Die Einlassleitung 1.2 wird über ein nicht dargestelltes Luftzuführsystem mit Frischluft 7 versorgt. Ergänzend ist mindestens eine Abgasrückführungsleitung 1.3, 1.3a, 1.3b (AGR- Leitung) vorgesehen, die an der Abgasleitung 1.1 abzweigt und in der Einlass- leitung 1.2 mündet.
Entweder ist in der AGR-Leitung 1.3, 1.3a, 1.3b ein Partikelfilter 1.4x, 1.4ax oder alternativ (gestrichelt dargestellt) in der Abgasleitung 1.1 stromauf der AGR-Leitung 1.3 ein Hauptpartikelfilter 1.4x' angeordnet, der das rückgeführte bzw. rückzuführende Abgas 8 filtert. Der jeweilige Partikelfilter 1.4x, 1.4ax, 1.4x' ist mit einer 3-Wege-Katalysatorbeschichtung zur Oxidation von HC und CO bzw. Reduktion von NOx versehen, um die 3-Wege-Katalysatorfunktion zu erfüllen. Zumindest ist eine HC-Oxidationsbeschichtung zur Oxidation von HC und CO vorgesehen. Dies gilt auch für alle nachstehend genannten Partikelfilter. Beide Varianten der Beschichtung werden nachstehend zusam- mengefasst auch unter der Bezeichnung 3/Ox-Beschichtung geführt.
Ferner ist in der jeweiligen AGR-Leitung 1.3, 1.3a stromab des Partikelfilters 1.4x, 1.4ax mindestens ein AGR-Kühler 1.7, 1.7*, 1.7a vorgesehen. Stromab des jeweiligen AGR-Kühlers 1.7, 1.7a, 1.7b bzw. vor der Mündung in die Einlassleitung 1.2 ist eine AGR-Drosselklappe 1.8, 1.8a, 1.8b zur Regelung des Massestroms innerhalb der AGR-Leitung 1.3, 1.3a platziert.
Grundsätzlich unterscheidet man zwischen drei Architekturen der Abgasrückführung, in Abhängigkeit der Abzweigung der AGR-Leitung von der Abgasleitung 1.1 und Mündung der AGR-Leitung in der Einlassleitung 1.2.
Die Kombination aus Abzweigung der AGR-Leitung_l 1.3 stromauf der Turbi- ne 3 und Mündung der AGR-LeitungJ 1.3 stromab des Verdichters 4 wird als Hochdruck-AGR (HD-AGR) bezeichnet.
Die Kombination aus Abzweigung der AGR-LeitungJ 1.3 stromauf der Turbine 3 und Mündung der AGR-LeitungJ 1.3 stromauf des Verdichters 4 wird als Maximaldruck-AGR (MD-AGR) bezeichnet. Die Kombination aus Abzweigung der AGR-Leitung_ll 1.3a stromab der Turbine 3 und Mündung stromauf des Verdichters 4 wird als Niederdruck-AGR (ND- AGR) bezeichnet.
Die drei zuvor bezeichneten AGR-Architekturen können einzeln eingesetzt oder miteinander kombiniert werden.
Zur weiteren Beeinflussung der zurückgeführten Abgasmenge kann in der Einlassleitung 1.2 eine Drosselklappe stromauf der Einleitungsstelle der Abgas- rückführungsleitungj 1.3 in die Einlassleitung 1.2 eingebaut sein.
Im Schaubild nach Fig. 1 sind verschiedene AGR-Architekturen ergänzend bzw. alternativ dargestellt. Innerhalb der Einlassleitung 1.2 sind stromab des Verdichters 4 und stromauf der Mündung der AGR-LeitungJ 1.3 ein Ladeluftkühler 5 und eine Ladeluft-Drosselklappe 6 vorgesehen.
Es gibt eine HD-AGR, gebildet durch die AGR-LeitungJ 1.3, die stromauf der Turbine 3 abzweigt und die stromab des Verdichters 4 in der Einlassleitung 1.2 mündet. Die Mündung erfolgt stromab der Ladeluft-Drosselklappe 6. Alternativ kann die AGR-Leitung J 1.3* stromauf der Ladeluft-Drosselklappe 6 und stromauf des Ladeluftkühlers 5 münden. In diesem Fall kann die Ladeluft- Drosselklappe 6* ebenfalls stromauf der Mündung der AGR-LeitungJ 1.3* platziert sein. In der Einlassleitung 1.2 wird in der Regel bis zur Mündung der AGR- LeitungJ 1.3 Frischluft 7 geführt. Die Ladeluft setzt sich dann zusammen aus der Frischluft 7 und dem zurückgeführten Abgas 8. Der Partikelfilter kann alternativ als Hauptpartikelfilter 1.4x' nach Figur 1 (gestrichelt gezeichnet) auch in der Abgasleitung 1.1 stromauf der AGR-LeitungJ 1.3 platziert sein, so dass er die Hauptabgasleitung 1.1 versorgt.
Stromab der Turbine 3 ist in der Abgasleitung 1.1 ein Hauptabgaskatalysator 1.6' vorgesehen, der als 3-Wege-Katalysator ausgebildet ist. Ungeachtet der nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele kann es sich bei dem jeweils angewendeten Katalysator 1.6' grundsätzlich um einen 3-Wege-Katalysator handeln. Ein reiner Oxidationskatalysator 1.6 kommt insbesondere dann in Betracht, wenn es sich um einen mager betriebenen Ottomotor 2 handelt.
Stromab des Katalysators 1.6' zweigt zusätzlich oder alternativ eine AGR- LeitungJI 1.3a ab, die stromauf des Verdichters 4 mündet und eine ND-AGR bildet. Innerhalb dieser sind der PartikelfilterJI 1.4a sowie der AGR- KühlerJI 1.7a und eine AGR-Drosselklappe 1.8a vorgesehen. Grundsätzlich kann die Drosselklappe 1.8a* auch stromauf des KühlersJI 1.7a vorgesehen sein.
Alternativ hierzu kann die AGR-Leitung_ll 1.3a* stromauf des Katalysators 1.6' abzweigen. In diesem Fall handelt es sich um den PartikelfilterJI 1.4ax mit der 3/Ox-Beschichtung, mithin eine 3-Wege- oder HC-Oxidations- Katalysatorbeschichtung, um die Umgehung des Katalysators 1.6' auszugleichen. Auch hier ist anzumerken, dass es sich ungeachtet der nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele bei der jeweils angewendeten Beschichtung des Pa rtike If ilters l I 1.4x, 1.4ax grundsätzlich um eine 3/Ox-Beschichtung handeln kann.
Ergänzend (gestrichelt gezeichnet) kann in der Abgasleitung 1.1 stromab der AGR-Leitung_ll 1.3a ein Hauptpartikelfilter 1.4' platziert sein. Dabei kann die Porosität des Hauptpartikelfilters 1.4' größer sein als die des PartikelfiltersJI 1.4ax in der AGR-Leitung_ll 1.3a. Damit ist die Filterleistung des PartikelfiltersJI 1.4ax größer als die des Hauptpartikelfilters 1.4'.
Als Alternative A1 zu dieser vorstehend beschriebenen ND-AGR sind der Katalysator 1.6' und stromab der HauptpartikelfilterJ 1.4' in der Hauptabgasleitung 1.1 vorgesehen, wobei die AGR-LeitungJI 1.3a erst stromab des Hauptpartikelfilters 1.4' abzweigt. In der AGR-LeitungJI 1.3a ist zusätzlich zu dem AGR-KühlerJI 1.7a und der AGR-Drosselklappe 1.8a ein zusätzlicher Partikelfilter 1.4ax* angeordnet. Dieser gewährleistet eine möglichst vollständige Reinigung des zurückgeführten Abgases zum Schutz des KühlersJI 1.7a. Auch hier kann die Porosität des Hauptpartikelfilters 1.4' größer sein als die des PartikelfiltersJI 1.4ax in der AGR-Leitung_ll 1.3a. Somit ist die Filterleistung des PartikelfiltersJI 1.4ax größer als die des Hauptpartikelfilters 1.4'.
Als weitere Alternative A2 für die ND-AGR ist die Abgasleitung 1.1 mit zwei parallel geführten Abgasleitungsabschnitten 1.1a, 1.1 b ausgestattet, die über ein regelbares Ventil 1.9 geschaltet werden können. Im Abgasleitungsabschnitt 1.1a ist ein Hauptabgaskatalysator 1.6' platziert. Im parallelen Abgasleitungsabschnitt 1.1b sind der beschichtete PartikelfilterJI 1.4ax sowie der Abzweig für die AGR-Leitung_ll 1.3a angeordnet. Somit steht ein schaltbarer Bypass für die AGR-Leitung_ll 1.3a zur Verfügung, wobei in beiden Fällen die 3- Wege- bzw. zumindest die HC-Oxidationskatalysation in den Abgasleitun- gen 1.1a, 1.1 b erreicht wird.
Das regelbare Ventil 1.9 kann auch so ausgeführt sein, dass verschieden große Teilabgasmengen zeitgleich durch die parallelen Abgasleitungsabschnitte 1.1a, 1.1b strömen. Weiterhin kann alternativ im Abgasleitungsabschnitt 1.1b auch ein unbeschichteter PartikelfilterJI 1.4a zum Einsatz kommen (nicht dargestellt). In diesem Fall wäre der Hauptabgaskatalysator 1.6* (gestrichelt gezeichnet) allerdings in der Abgasleitung 1.1 stromauf der Aufteilung in die beiden Abgasleitungsabschnitte 1.1a, 1.1 b platziert, um in jeder Position des Ventils 1.9 eine katalytische Reinigung des Abgases 8 zu gewährleisten. In diesem Fall wäre zudem in der AGR-LeitungJI 1.3a ein beschichteter PartikelfilterJI 1.4ax* vorzusehen (gestrichelt gezeichnet), um die Reinigung des Abgases in der AGR- LeitungJI 1.3a zu gewährleisten.
Die in Figur 1 beschriebene HD-AGR einerseits und die verschiedenen ND- AGR Architekturen, die einzeln oder in Kombination Anwendung finden können, sind in den Fig. 6a, 6b, 6c noch einmal nach HD und ND getrennt dargestellt. Die in der ND-AGR enthaltene alternative Ausführungsform der AGR- LeitungJI 1.3*, die stromauf des Katalysators 1.6' abzweigt, ist in Figur 6c für sich dargestellt. Die Variante des nachgeschalteten Hauptpartikelfilters 1.4' in der Hauptabgasleitung 1.1 ist darin ebenfalls enthalten. Nach Figur 2 ist eine MD-AGR ausgebildet. Der in der AGR-Leitung_l 1.3 platzierte PartikelfilterJ 1.4x weist eine Katalysatorbeschichtung auf. Ergänzend hierzu ist in der Abgasleitung 1.1 stromab der Turbine 3 ein Hauptabgaskatalysator 1.6', vorzugsweise ein 3-Wege-Katalysator vorgesehen. Die Drosselklap- pe 1.8 ist stromab des KühlersJ 1.7 platziert. Die Drosselklappe 1.8* kann alternativ auch stromab des PartikelfiltersJ 1.4x vorgesehen sein. Ergänzend ist in der Abgasleitung 1.1 stromab des Hauptabgaskatalysators .6' ein unbeschichteter Hauptpartikelfilter 1.4' vorgesehen.
Nach Ausführungsform Fig. 3a wird ausgehend von der AGR-Leitung_l 1.3, die an der Abgasleitung 1.1 abzweigt, die Abgasrückführung weitergeleitet über weitere parallel angeordnete AGR-Leitungen 1.3b - 1.3d. In der AGR- LeitungJ 1.3 sind der PartikelfilterJ 1.4x mit der Katalysatorbeschichtung sowie der KühlerJ 1.7 angeordnet. Die AGR-Leitungen 1.3b - 1.3d zweigen jeweils an einer Verteilungsleitung 13 ab, die wiederum an der AGR-Leitung_l 1.3 stromab des KühlersJ 1.7 abzweigt. Alle AGR-Leitungen 1.3 - 1.3d münden an der Einlassleitung 1.2. Jede dieser AGR-Leitungen 1.3 - 1.3d weist stromab der Verteilungsleitung 13 eine Drosselklappe 1.8 - 1.8d auf, wobei alle Drosselklappen 1.8 - 1.8d über eine Steuerleitung 9.1 mit einer Steuereinheit 9 zur Steuerung bzw. Regelung der Stellung der jeweiligen Drosselklappe 1.8 - 1.8d verbunden sind und individuell gesteuert werden können. Stromab der jeweiligen Drosselklappe 1.8 - 1.8d ist in der jeweiligen AGR-Leitung 1.3 - 1.3d ein zusätzlicher bzw. weiterer Kühler 1.7*, 1.7b - 1.7d vorgesehen. Die Einlassleitung 1.2 weist zwei Verdichter 4a, 4b auf, die jeweils mit einer Turbine 3a, 3b der Abgasleitung 1.1 gekoppelt sind. Die AGR-Leitungen 1.3, 1.3b münden bei- de stromab des Verdichters 4a und bilden eine HD-AGR. Die AGR-Leitung 1.3b mündet stromauf des Ladeluftkühlers 5, während die AGR-Leitung J 1.3 stromab des Ladeluftkühlers 5 mündet.
Die AGR-Leitung 1.3d mündet stromauf des Verdichters 4b und bildet eine MD- AGR. Die AGR-Leitung 1.3c mündet jedoch zwischen beiden Verdichtern 4a, 4b und bildet daher eine reduzierte MD-AGR. In Bezug auf die Ausführungsform Fig. 3a kann (nicht dargestellt) einer der beiden AGR-Kühler 1.7, 1.7* in der AGR-LeitungJ 1.3 optional entfallen.
Stromab der Turbinen 3a, 3b ist ein 3-Wege-Katalysator (Hauptabgaskatalysator) 1.6' platziert, von dem ausgehend das Abgas 8 bzw. der Hauptabgasstrom in die weitere Abgasanlage geführt wird. Ergänzend ist in der Abgasleitung 1.1 stromab des Hauptabgaskatalysators 1.6' ein unbeschichteter Hauptpartikelfilter 1.4' platziert.
Das Ausführungsbeispiel nach Figur 3b ist ähnlich aufgebaut. Hierbei ist ein KühlerJ 1.7 in der AGR-LeitungJ 1.3 vorgesehen, stromauf der Abzweigung der Verteilungsleitung 13 und drei weitere Kühler 1.7b - 1.7d sind in der Verteilungsleitung 13, jeweils stromauf der Abzweigung der jeweiligen AGR- Leitung 1.3b - 1.3d platziert. Somit ist der zusätzliche Kühler 1.7* nicht mehr notwendig, wie es im Ausführungsbeispiel nach Figur 3a der Fall ist.
Beide Ausführungsbeispiele nach Figuren 3a und 3b gewährleisten eine äu- ßerst flexible AGR-Führung, so dass stets eine weitreichende Partikelfilterung und eine Regeneration des PartikelfiltersJ 1.4x einerseits sowie die bedarfsgerechte Zuführung von gekühltem Abgas 8 in die Einlassleitung 1.2 für einen umfassenden Betriebsbereich des Motors andererseits gewährleistet sind.
Die Ausführungsbeispiele nach Figuren 4a, 4b umfassen eine HD-AGR, eine MD-AGR und eine ND-AGR. In der Einlassleitung 1.2 sitzt der Ladeluftkühler 5 und die Ladeluft-Drosselklappe 6, während die Abgasleitung 1.1 stromab der Turbine 3 mit einem 3-Wege-Katalysator 1.6' und einem nachgeschalteten Partikelfilter .4a ausgerüstet ist.
Nach Ausführungsbeispiel Figur 4a ist in der AGR-LeitungJ 1.3 zunächst ein beschichteter PartikelfilterJ 1.4x vorgesehen. Danach zweigt eine weitere AGR-Leitung 1.3b ab. Während die AGR-LeitungJ 1.3 als HD-AGR stromab der Ladeluft-Drosselklappe 6 an der Abgasleitung 1.1 mündet, mündet die weitere AGR-Leitung 1.3b als MD-AGR stromauf des Verdichters 4. In der AGR- LeitungJ 1.3 sind stromab der weiteren AGR-Leitung 1.3b der KühlerJ 1.7 und eine nachgeschaltete Drosselklappe 1.8 vorgesehen. In der weiteren AGR- Leitung 1.3b sind ebenfalls ein weiterer Kühler 1.7b und eine nachgeschaltete Drosselklappe 1.8b vorgesehen.
Ergänzend hierzu ist eine zweite AGR-Leitung_ll 1.3a vorgesehen, die stromab des Hauptabgaskatalysator 1.6' und stromab des Hauptpartikelfilters 1.4', mithin stromab der Turbine 3 an der Abgasleitung 1.1 abzweigt. Sie weist ebenfalls einen KühlerJI 1.7a und eine nachgeschaltete Drosselklappe 1.8a auf, bevor sie an der Einlassleitung 1.2 stromauf des Verdichters 4 mündet und damit eine ND-AGR darstellt. Ergänzend oder alternativ (gestrichelt gezeichnet) kann in der AGR-Leitung_ll 1.3a der PartikelfilterJI 1.4a platziert sein. Sowohl die HD-AGR als auch die MD-AGR und die ND-AGR sind in jeder Kombination realisierbar.
Im Unterschied zu Ausführungsbeispiel nach Figur 4a sind im Ausführungsbeispiel nach Figur 4b die weitere AGR-Leitung 1.3b und die AGR-Leitung_ll 1.3a über ein regelbares Ventil 1.9 gekoppelt. Das hat den Vorteil, dass ein Küh- ler 1.7a/b und eine Drosselklappe 1.8a/b weniger benötigt werden. Jedoch kann zusätzlich oder alternativ zur HD-AGR nur die MD-AGR oder die ND-AGR realisiert werden. Zudem ist der PartikelfilterJ 1.4 in der AGR-Leitung_l 1.3 unbeschichtet, so dass stromauf ein zusätzlicher Abgaskatalysator 1.6 vorgesehen ist. Diese Möglichkeit besteht als Alternative zum beschichteten Partikelfilter immer.
Bei den Ausführungsbeispielen nach den Figuren 5a und 5b ist die AGR- LeitungJ 1.3 einem einzelnen Zylinderauslass 2.3 des Ottomotors 2 zugeordnet und führt die Abgasmenge dieses Zylinderauslasses 2.3. In der Einlassleitung 1.2 sitzen der Ladeluftkühler 5 und die Ladeluft-Drosselklappe 6, während die Abgasleitung 1.1 stromab der Turbine 3 mit einem 3-Wege-Katalysator 1.6' und einem nachgeschalteten Hauptpartikelfilter 1.4' ausgerüstet ist.
Nach Ausführungsbeispiel Figur 5a ist eine HD-AGR ausgebildet. Die AGR- LeitungJ 1.3 weist einen beschichteten PartikelfilterJ 1.4x und einen nachgeschalteten KühlerJ 1.7 sowie eine stromab des KühlersJ 1.7 platzierte Dros- selklappe 1.8 auf. In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann auch ein unbeschichteter PartikelfilterJ 1.4 in Kombination mit einem 3/Ox- Katalysator in der AGR-Leitung_l 1.3 vorgesehen sein.
Nach Ausführungsbeispiel Figur 5b ist eine MD-AGR ergänzt. Hierzu zweigt zwischen dem beschichteten PartikelfilterJ 1.4x und dem KühlerJ 1.7 eine wei- tere AGR-Leitung 1.3b ab, die stromauf des Verdichters 4 mündet. In dieser weiteren AGR-Leitung 1.3b sind ebenfalls ein weiterer Kühler 1.7b und eine nachgeschaltete Drosselklappe 1.8b platziert. In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann auch ein unbeschichteter Partikelfilter 1.4 in Kombination mit einem 3/Ox-Katalysator in der AGR-Leitung_l 1.3 vorgesehen sein. Das Ausführungsbeispiel Figur 7 entspricht bis auf die Position der Ladeluft- Drosselklappe 6 im Wesentlichen der HD-AGR Architektur nach Figur 1 alleine. Jedoch sind in der Einlassleitung 1.2 zwei Kühler vorgesehen. Ein Ladeluftkühler 5.1 ist stromab der Mündung der AGR-Leitung_l 1.3 positioniert und ein zweiter, sogenannter Frischluftkühler 5.2 ist stromauf der Mündung der AGR- LeitungJ 1.3 positioniert. In dem nachgeschalteten Ladeluftkühler 5.1 wird die verdichtete und gegebenenfalls vorgekühlte Frischluft 7 zusammen mit dem zurückgeführten und vorgekühlten Abgas 8 auf die gewünschte Ladelufttemperatur von vorzugsweise 30 °C bis 40 °C abgesenkt. Bei der Turbine 3 handelt es sich um eine VTG-Turbine in einer Bauart und mit einer Materialbeschaffenheit wie sie bei Dieselmotoren üblich sind. Der PartikelfilterJ 1.4x ist beschichtet ausgeführt.
Bezugszeichenliste
Abgassystem / Abgasrückführungssystem
Abgasleitung, Hauptabgasleitung
Abgasleitungsabschnitt
Abgasleitungsabschnitt
Einlassleitung, Ladeluftleitung, Frischluftleitung
AbgasrückführungsleitungJ, AGR-Leitung
AbgasrückführungsleitungJ, AGR-Leitung, alternativ
AbgasrückführungsleitungJ!, AGR-Leitung
AbgasrückführungsleitungJI, AGR-Leitung, alternativ
weitere Abgasrückführungsleitung, AGR-Leitung
weitere Abgasrückführungsleitung, AGR-Leitung
weitere Abgasrückführungsleitung, AGR-Leitung
Partikelfilter J
PartikelfilterJI
Hauptpartikelfilter
PartikelfilterJ, beschichtet
Hauptpartikelfilter, beschichtet
PartikelfilterJI, beschichtet
Partikelfilter, beschichtet, zusätzlich oder alternativ
zusätzlicher Abgas-, 3-Wege- bzw. Oxidationskatalysator Hauptabgaskatalysator bzw. 3-Wege- oder Oxidationskatalysator Abgas-, 3-Wege- bzw. Oxidationskatalysator, alternativ
KühlerJ
zusätzlicher Kühler
KühlerJI
weiterer Kühler
weiterer Kühler
weiterer Kühler
Drosselklappe
Drosselklappe alternativ vor 1.7
Drosselklappe 1.8a* Drosselklappe
1.8a/b Drosselklappe
1.8b Drosselklappe
1.8c Drosselklappe
1.8d Drosselklappe
1.9 Ventil, Abgasklappe
2 Ottomotor
2.1 Auslasskrümmer
.2 Einlasskrümmer
2.3 Zylinderauslass
2.4 Hubraum
3 Turbine, VTG Turbine
3a Turbine
3b Turbine
4 Verdichter
4a Verdichter
4b Verdichter
5 Ladeluftkühler, Frischluftkühler
5.1 Ladeluftkühler
5.2 Frischluftkühler
6 Ladeluft-Drosselklappe
7 Frischluft
8 Abgas
9 Steuereinheit
9.1 Steuerleitung
13 Verteilungsleitung
A1 Alternative
A2 Alternative
Vf Gesamtvolumen
Vk Kompressionsvolumen
Vm Volumen von Hubraum
Vv Verdichtungsverhältnis

Claims

Patentansprüche
1. Abgasrückführungssystem (1 ) für einen Ottomotor (2) mit einer an einen Auslasskrümmer (2.1) des Ottomotors (2) anschließbaren Abgaslei- tung (1.1) mit einer Turbine (3) und mit einer an einen Einlasskrümmer (2.2) des Ottomotors (2) anschließbaren Einlassleitung (1.2) mit einem Verdichter (4, 4a, 4b), wobei mindestens eine AbgasrückführungsleitungJ (1.3) vorgesehen ist, die an der Abgasleitung (1.1) stromauf der Turbine (3) abzweigt und in der Einlassleitung (1.2) stromab des Verdichters mündet, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass mindestens ein PartikelfilterJ (1.4x) vorgesehen ist, der in der AbgasrückführungsleitungJ (1.3) platziert ist oder der in der Abgasleitung (1.1) stromauf der AbgasrückführungsleitungJ (1.3) platziert ist, wobei der PartikelfilterJ (1.4x) eine 3/Ox-Beschichtung aufweist, und dass stromab des mindestens einen Partikelfilters (1.4x) mindestens ein KühlerJ (1.7, 1.7*) innerhalb der Abgasrückführungsleitung J (1.3) vorgesehen ist.
2. Abgasrückführungssystem (1) für einen Ottomotor (2) mit einer an einen Auslasskrümmer (2.1) des Ottomotors (2) anschließbaren Abgasleitung (1.1) und mit einer an einen Einlasskrümmer (2.2) des Ottomotors (2) anschließbaren Einlassleitung (1.2), wobei in der Abgasleitung (1.1) ein Hauptabgaskatalysator (1.6') platziert ist und mindestens eine Abgasrück- führungsleitungjl (1.3a) vorgesehen ist, die an der Abgasleitung (1.1) abzweigt und in der Einlassleitung (1.2) mündet,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens ein PartikelfilterJI (1.4a, 1.4ax) vorgesehen ist, der in der AbgasrückführungsleitungJI (1.3a) platziert ist, oder dass mindestens ein PartikelfilterJI (1.4a, 1.4ax) vorgesehen ist, der in der Abgasleitung (1.1) stromauf der AbgasrückführungsleitungJI (1.3a) platziert ist, wobei die AbgasrückführungsleitungJI (1.3a) stromauf oder stromab des Abgaskatalysators (1.6') abzweigt, wobei beim Abzweig stromauf des Abgaskatalysators (1.6') der PartikelfilterJI (1.4ax) eine 3/Ox-Beschichtung aufweist oder beim Abzweig stromab des Abgaskatalysators (1.6') ein zusätzlicher Partikelfilter (1.4ax*) in der AbgasrückführungsleitungJI (1.3a) platziert ist, und dass stromab des Partikelfilters (1.4a, 1.4ax) mindestens ein Küh- lerjl (1.7a) innerhalb der AbgasrückführungsleitungJI (1.3a) vorgesehen ist.
3. Abgasrückführungssystem (1) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass in der Abgasleitung (1.1) eine Turbine (3) und in der Einlassleitung (1.2) ein Verdichter (4, 4a, 4b) vorgesehen ist, wobei die AbgasrückführungsleitungJI (1.3a) an der Abgasleitung (1.1) stromab der Turbine (3) abzweigt und in der Einlassleitung (1.2) stromauf des Verdichters (4, 4a, 4b) mündet.
4. Abgasrückführungssystem (1) mit einer HD-AGR nach Anspruch 1 und mit einer ND-AGR nach Patentanspruch 3.
5. Abgasrückführungssystem (1) nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet,
dass der PartikelfilterJ (1.4), der in der AbgasrückführungsleitungJ (1.3) platziert ist, frei von einer 3/Ox-Beschichtung ist und stromauf des ersten Partikelfilters (1.4) ein zusätzlicher Abgaskatalysator (1.6) innerhalb der AbgasrückführungsleitungJ (1.3) platziert ist.
6. Abgasrückführungssystem (1) nach Anspruch 2, 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass der PartikelfilterJ I (1.4a, 1.4ax), der stromab des Abgaskatalysators in der AbgasrückführungsleitungJ I (1.3a) platziert ist, eine 3/Ox- Beschichtung aufweist oder frei von einer 3/Ox-Beschichtung ist.
7. Abgasrückführungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der Kühler (1.7, 1.7a, 1.7*) innerhalb der Abgasrückführungsleitung (1.3) und/oder der Ladeluftkühler (5, 5.1) als Abgas- Motorkühlwasser- oder als Abgas-Niedertemperaturkühlwasser-Kühler ausgebildet ist und zumindest thermisch vom Partikelfilter (1.4, 1.4x, 1.4a, 1.4ax) getrennt ist.
8. Abgasrückführungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens eine weitere Abgasrückführungsleitung (1.3b, 1.3c, 1.3d) vorgesehen ist, die an der Abgasrückführungsleitung J (1.3) abzweigt und in der Einlassleitung (1.2) mündet, wobei in mindestens einer der weiteren Abgasrückführungsleitungen (1.3b, 1.3c, 1.3d) mindestens ein weiterer Kühler (1.7b, 1.7c, 1.7d) vorgesehen ist.
9. Abgasrückführungssystem (1) nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die weitere Abgasrückführungsleitung (1.3b, 1.3c, 1.3d) stromab des ersten Partikelfilters (1.4, 1.4x) der AbgasrückführungsleitungJ (1.3) abzweigt.
10. Abgasrückführungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der Kühler (1.7, 1.7a, 1.7*) ausgangsseitig eine Abgassolltemperatur Ta aufweist, die oberhalb des Taupunktes der im Abgas enthaltenen Substanzen liegt.
11. Abgasrückführungssystem (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die mindestens eine weitere Abgasrückführungsleitung (1.3b, 1.3c, 1.3d) in der Einlassleitung (1.2) vor dem Verdichter (4, 4a, 4b) oder nach dem Verdichter (4, 4a, 4b) mündet.
12. Abgasrückführungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass in der Einlassleitung (1.2) zwei Verdichter (4a, 4b) angeordnet sind, wobei die mindestens eine weitere Abgasrückführungsleitung (1.3b) zwischen beiden Verdichtern (4a, 4b) mündet.
13. Abgasrückführungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass in der Einlassleitung (1.2) zwei Verdichter (4a, 4b) angeordnet sind und mindestens zwei weitere Abgasrückführungsleitungen (1.3b, 1.3c, 1.3d) vorgesehen sind, die über eine gemeinsame, an der Abgasrückfüh- rungsleitungj (1.3) abzweigende Verteilungsleitung (13) parallel angeschlossen sind, wobei mindestens eine weitere Abgasrückführungsleitung ( .3c, 1.3d) vor mindestens einem der Verdichter (4a, 4b) mündet und/oder mindestens eine weitere Abgasrückführungsleitung (1.3b, 1.3c) nach mindestens einem der Verdichter (4a, 4b) mündet.
14. Abgasrückführungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass ein Ladeluftkühler (5) und/oder eine Ladeluft-Drosselklappe (6) in der Einlassleitung (1.2) vorgesehen sind, wobei die Mündung der Abgasrück- führungsleitungj (1.3)
a) stromab einer Position für den Ladeluftkühler (5) und/oder stromab einer Position für die Ladeluft-Drosselklappe (6) platziert ist oder
b) stromauf einer Position für den Ladeluftkühler (5.1) und stromab einer Position für die Ladeluft-Drosselklappe (6) platziert ist .
15. Abgasrückführungssystem (1) nach Patentanspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass ergänzend zum Ladeluftkühler (5.1) ein Frischluftkühler (5.2) in der Einlassleitung (1.2) platziert ist, wobei der Frischluftkühler (5.2) stromauf der Mündung der Abgasrückführungsleitung (1.3) positioniert ist.
16. Abgasrückführungssystem (1) nach Patentanspruch 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Frischluftkühler (5.2) ausgangsseitig eine Frischluftsolltempera- tur Tf aufweist mit 150° >= Tf >= 90° und der Ladeluftkühler (5.1 ) ausgangsseitig eine Ladeluftsolltemperatur Tu aufweist, mit 30 °C <= Tu <= 40 °C.
17. Abgasrückführungssystem (1) nach einem der Patentansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet,
dass ein Ladeluftkühler (5) in der Einlassleitung (1.2) vorgesehen ist, wobei die Mündung zumindest einerweiteren Abgasrückführungsleitung (1.3b, 1.3c, 1.3d) stromauf einer Position für den Ladeluftkühler (5) platziert ist.
18. Abgasrückführungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass eine Drosselklappe (1.8, 1.8*, 1.8a, 1.8a*) in der Abgasrückführungs- leitungj (1.3) und/oder in der AbgasrückführungsleitungJI (1.3a) vorgesehen ist, über die betriebspunktabhängig ein Abgasmassenstrom innerhalb der Abgasrückführungsleitung (1.3, 1.3a) einstellbar ist, wobei die Drosselklappe (1.8, 1.8*, 1.8a, 1.8a*)
a) stromab des Partikelfilters (1.4, 1.4x, 1.4a, 1.4ax) platziert ist oder b) stromab oder stromauf des Kühlers (1.7, 1.7*, 1.7a) platziert ist.
19. Abgasrückführungssystem (1) nach einem der Patentansprüche 7 bis 17, dadurch gekennzeichnet,
dass je ein weiterer Kühler (1.7b, 1.7c, 1.7d) innerhalb der jeweiligen weiteren Abgasrückführungsleitung (1.3b, 1.3c, 1.3d) vorgesehen ist oder dass je ein weiterer Kühler (1.7b, 1.7c, 1.7d) in der Verteilungsleitung (13) stromauf der jeweiligen weiteren Abgasrückführungsleitung (1.3b, 1.3c, 1.3d) platziert ist.
20. Abgasrückführungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Abgasleitung (1.1) zwei parallel geführte Abgasleitungsabschnitte (1.1a, 1.1b) aufweist, die über ein regelbares Ventil (1.9) schaltbar sind, wobei im Abgasleitungsabschnitt (1.1a) der Abgaskatalysator (1.6') platziert ist und im parallelen Abgasleitungsabschnitt (1.1b) der
Partikelfilter (1.4ax) sowie der Abzweig für die AbgasrückführungsleitungJI (1.3a) vorgesehen sind.
21. Abgasrückführungssystem (1) nach einem der Patentansprüche 7 bis 19, dadurch gekennzeichnet,
dass die AbgasrückführungsleitungJI (1.3a) und die weitere Abgasrückführungsleitung (1.3b) über ein regelbares Ventil (1.9) gekoppelt sind, wobei stromab des Ventils (1.9) ein Kühler (1.7a/b) vorgesehen ist und/oder stromab des Kühlers (1.7a/b) eine Drosselklappe (1.8a/b) vorgesehen ist.
22. Abgasrückführungssystem (1) nach einem der Patentansprüche 7 bis 20, dadurch gekennzeichnet,
dass in der jeweiligen weiteren Abgasrückführungsleitung (1.3b, 1.3c, 1.3d) eine Drosselklappe (1.8b, 1.8c, 1.8d) vorgesehen ist, wobei die Drosselklappe (1.8b, 1.8c, 1.8d) wahlweise stromab des weiteren Kühlers (1.7b, 1.7c, 1.7d) platziert ist.
23. Abgasrückführungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass stromab des Hauptabgaskatalysators (1.6') ein
Hauptpartikelfilter (1.4', 1.4a) vorgesehen ist, der frei von einer katalytisch wirkenden Beschichtung zur Umwandlung von CO, HC und/oder NOx ist.
24. Abgasrückführungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die AGR-Leitung (1.3) einem einzelnen Zylinderauslass (2.3) des Ottomotors (2) zugeordnet ist.
25. Abgasrückführungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Turbine (3) als VTG-Turbine ausgebildet ist.
26. Ottomotor (2) oder Abgasanlage für einen Ottomotor (2) mit einem Abgasrückführungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche.
27. Ottomotor nach Anspruch 26 mit einem ein Volumen Vh aufweisenden Hubraum (2.4) und mit einem Kompressionsvolumen Vk,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Verdichtungsverhältnis Vv = (Vh+ Vk)/ Vk angewendet wird, mit 15:1 <= Vv<= 10:1.
28. Ottomotor (2) nach einem der Ansprüche 26 bis 27,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Partikelfilter (1.4, 1.4x, 1.4a, 1.4ax) ein Gesamtvolumen Vf aufweist, wobei für das Gesamtvolumen Vf gilt: 0,1 Vh<= Vf <= 1 Vh oder 0,1 Vh <= Vf <= 0,5 Vh oder dass mehrere Partikelfilter (1.4, 1.4x, 1.4a, 1.4ax) vorgesehen sind, die zusammen das Gesamtvolumen Vf aufweisen.
29. Verfahren zum Betrieb eines Ottomotors nach einem der Ansprüche 26 bis 28,
dadurch gekennzeichnet, dass
- die Abgasrückführrate während des Betriebs zumindest für die HD-AGR und zumindest im Hochlastbereich und in der Volllast auf einen Wert bis 20 %, bis 30 %, bis 40 % oder bis 50 % angehoben wird und/oder
- durch Zündwinkelfrühverstellung die Schwerpunktlage der Verbrennung näher an den thermodynamisch optimalen Wert von 8° Kurbelwinkel geführt wird und/oder
- die dem Ottomotor zuzuführende Kraftstoffmenge reduziert und eine Volllastanreicherung vermieden wird.
30. Verfahren nach Patentanspruch 29,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens einer der Verfahrensschritte mindestens einmal wiederholt wird.
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