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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperierung eines in einem Abgasstrang von einer Verbrennungskraftmaschine zu einem Katalysator geführten Abgasstroms mittels mindestens eines abgezweigten Ladeluftteilstroms eines der Verbrennungskraftmaschine zugeordneten Abgasturboladers, wobei der abgezweigte Ladeluftteilstrom wenigstens teilweise – derart mittels eines Wärmetauschelements auf eine vorgebbare Betriebstemperatur eingestellt wird, dass der Katalysator innerhalb eines vorgebbaren Temperaturbereichs betreibbar ist, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Abgastemperiersystem mit einem Abgasturbolader und einem Katalysator, welche jeweils mit einer Verbrennungskraftmaschine wirkverbunden sind, und einem Ladeluftabzweigsystem, mittels welchem eine Temperierung eines Abgasstroms mittels eines Ladeluftteilstroms erzielbar ist, wobei mindestens ein Wärmetauschelement zur Einstellung einer vorgebbaren Betriebstemperatur des abgezweigten Ladeluftteilstroms vorgesehen ist, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 14.
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Abgaskühlverfahren und entsprechende Vorrichtungen der eingangs genannten Art sind bereits beispielsweise aus der
EP 0 415 128 A1 bekannt.
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Die
DE 197 46 658 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung des Temperaturbereiches eines als NOx-Speicherkatalysator ausgeführten Katalysators in einer Abgasanlage eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Diesel- oder Mager-Otto-Motors. Aus dem Abgasstrom wird in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors vor dem im Abgasstrang vorgesehenen NOx-Speicher ein solcher Wärmestrom abgeführt, dass eine maximale Temperatur des NOx-Speichers nicht überschritten und insbesondere ein vorgebbarer Temperaturbereich eingehalten wird.
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Dies ist notwendig, da NOx-Speicher, beziehungsweise NOx-Speicherkatalysatoren, welche in Fahrzeugen mit magerlauffähigen Verbrennungsmotoren eingesetzt werden, lediglich in einem eingeschränkten, Arbeits-Temperaturfenster von circa 220°C bis circa 500°C zur Erzielung einer erwünschten Mager-NOx-Einlagerung betrieben werden können. Bei NOx-Speicherkatalysator-Betriebstemperaturen außerhalb dieses Temperaturfensters wird. nachteilhafterweise lediglich eine geringe NOx-Einlagerungsrate erhalten. Es besteht zwar die Möglichkeit, bei direkt magerlauffähigen Otto-Motoren in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Ausführung der Verbrennungskraftmaschine und der Katalysatoranlage einen Magerbetrieb der Verbrennungskraftmaschine bei einer vorliegenden, zu hohen NOx-Speicherkatalysator-Betriebstemperatur zu unterdrücken, obwohl ein grundsätzlich anzustrebender Magerbetrieb der Verbrennungskraftmaschine hinsichtlich des Brennverlaufs durchführbar wäre, jedoch wird nachteilhafterweise ein mittels eines Magerbetriebs vermeidbarer Kraftstoff-Mehrverbrauch erhalten. Um den Kraftstoffverbrauch so gering wie möglich zu halten, wird deshalb in bekannter Weise eine Umströmung der Abgasanlage mit Frischluft zur Erzielung einer Abgaskühlung herbeigeführt, um geeignete Betriebsbedingungen zu schaffen, welche einen Magerbetrieb der Verbrennungskraftmaschine zulassen. Im Falle einer mittels eines Abgasturboladers in an sich bekannter Weise mit Ladeluft aufgeladenen Verbrennungskraftmaschine kann ferner gemäß
DE 197 46 658 A1 überschüssige, aus dem Abgasturbolader abgeblasene Luft zur Zwangskühlung des Abgasstrangs eingesetzt werden.
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Aus der
DE 44 10 022 A1 ist es bekannt, die Temperatur eines Katalysators durch einen Abgaswärmetauscher vordem Katalysator einzustellen. Gemäß der
DE 100 09 541 A1 ist bei einer Brennkraftmaschine mit defekter Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum in einem Abgasstrang stormaufwärts eines NOx-Speicherkatalysators ein Abgaskühler vorgesehen.
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Nachteilhafterweise sind die bekannten Abgaskühlverfahren und die entsprechenden Abgaskühlsysteme nicht geeignet, in zuverlässiger Weise eine betriebsoptimale Abgastemperierung zu gewährleisten, um eine möglichst hohe Zulässigkeit eines Magerbetriebs der entsprechenden Verbrennungskraftmaschine zu erhalten.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und ein Abgastemperiersystem der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welchem eine zuverlässige und betriebsgünstige Abgastemperierung möglich ist.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen, das sich dadurch auszeichnet, dass das Wärmetauschelement in einer zu einem Abgasstrang führenden Abzweigungsleitung angeordnet ist. Mittels des Wärmetauschelements kann somit der abgezweigte Ladeluftteilstrom wenigstens teilweise derart abgekühlt beziehungsweise erwärmt (temperiert) werden, dass die Betriebstemperatur des NOx-Speichers möglichst lange innerhalb eines vorgebbaren Temperaturbereichs (Arbeits-Temperaturfenster) gehalten werden kann. Es ist somit möglich, eine kontrollierte und betriebsoptimierende Wärmeübertragung zwischen dem abgezweigten Ladeluftteilstrom und dem Abgasstrom – in Abgasströmungsrichtung – vor dem NOx-Speicher zu erhalten, um einen grundsätzlich anzustrebenden Magerbetrieb der Verbrennungskraftmaschine zuzulassen und gleichzeitig eine möglichst hohe und somit effektive NOx-Einlagerungsrate mittels des NOx-Speichers zu erzielen.
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Mit Vorteil wird die Betriebstemperatur des abgezweigten Ladelufteilstroms mittels mindestens eines Ladeluftkühlers eingestellt. Dabei ist ein Ladeluftkühler verhältnismäßig einfach steuerbar, so dass eine geregelte Abgaskühlung mittels des abgezweigten Ladeluftteilstroms ermöglicht wird. Es ist somit in zuverlässiger Weise möglich, mittels geeigneter Steuerung des Ladeluftkühlers ein Überschreiten der NOx-Speicher-Betriebstemperatur über eine vorgebbare, maximal zulässige Arbeitstemperatur zu verhindern. Zur Erhöhung der Effektivität einer angestrebten Abgaskühlung können auch mehrere, gegebenenfalls verschiedenartig ausgebildete beziehungsweise arbeitende Ladeluftkühler im Ladeluftstrang vorgesehen sein.
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Alternativ oder ergänzend wird die Betriebstemperatur eines in einem Ladeluftstrang vom Abgasturbolader zur Verbrennungskraftmaschine geführten Ladelufthauptstroms mittels eines Ladeluftkühlers eingestellt. Im Falle eines gekühlten Ladelufthauptstroms und eines zusätzlich separat gekühlten Ladeluftteilstroms ergibt sich die Möglichkeit einer besonders flexiblen und schnellen Abgaskühlung, da die entsprechenden Ladeluftkühler separat aktivierbar und/oder steuerbar sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante wird der abgezweigte Ladeluftteilstrom in Abgasströmungsrichtung vor dem NOx-Speicher in den Abgasstrom eingeblasen. Mittels Einblasen eines vorgekühlten, abgezweigten Ladeluftteilstroms in den Abgasstrom stromaufwärts des NOx-Speichers beziehungsweise von weiteren Katalysatoren (Vorkatalysatoren) ist es möglich, den Abgasstrom im Querschnitt nahezu gleichförmig abzukühlen, so dass ein korrektes und störungsfreies Betreiben des NOx-Speichers beziehungsweise der Katalysatoren möglich ist. Dabei kann die Einblaserichtung und/oder Einblasestelle des Ladeluftteilstroms in den Abgasstrom an die jeweils vorliegenden Betriebsbedingungen angepasst werden.
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Gemäß einer zusätzlichen beziehungsweise alternativen Ausführungsvariante wird der abgezweigte Ladelufteilstrom vom Abgasstrang vor dem NOx-Speicher unter Ausbildung eines Abgaswärmetauschers vorbeigeführt. In dieser Weise erfolgt eine Abgastemperierung vor dem NOx-Speicher beziehungsweise vor weiteren Katalysatoren, ohne dass es zu einer Vergrößerung des Volumenstroms im Abgasstrang (wie beispielsweise mittels Einblasen von Ladeluft) kommt. Der Ladeluftteilstrom kann somit unabhängig vom Abgasstrom druck- und volumenstrommäßig ausgelegt werden.
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Vorzugsweise werden die Betriebstemperatur des Ladelufthauptstroms, des Ladeluftteilstroms, des Abgasstroms im Abgasstrang und/oder des NOx-Speichers mittels eines Sensormittels gemessen und das Wärmetauschelement unter Ausbildung eines Regelkreises mittels einer Steuereinheit betrieben. Hierdurch wird eine automatisierte, präzise und in zuverlässiger Weise reproduzierbare Abgastemperierung und insbesondere Abgaskühlung gewährleistet. Dabei können mittels der Steuereinheit gegebenenfalls auch weitere Betriebsdaten beziehungsweise Informationen zur Durchführung einer optimierten Abgastemperierung herangezogen werden.
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Mit Vorteil erfolgt die Abzweigung des Ladeluftteilstroms vom Ladelufthauptstrom und/oder einer Unterteilung des Ladeluftteilstroms mittels eines insbesondere zentral steuerbaren Ladeluftabzweigsystems. Mittels eines derartigen Abzweigsystems besteht zusätzlich die Möglichkeit, die Volumenstromgröße des Ladeluftteilstroms zu steuern und somit eine flexibel anpassbare Abgastemperierung und insbesondere Abgaskühlung mittels eines Ladeluftteilstroms zu erhalten. Dabei kann das Ladeluftabzweigsystem beispielsweise eine Mehrzahl an einstellbaren Verteilerventilen aufweisen.
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Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Abgastemperiersystem vorgeschlagen, das die Merkmale des Anspruchs 14 aufweist. Das erfindungsgemäße Abgastemperiersystem ist dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauschelement in einer zu einem Abgasstrang führenden Abzweigungsleitung angeordnet ist. Mittels eines derartigen Abgastemperiersystems lassen sich die bereits im Bezug auf das Verfahren vorgenannten Vorteile erzielen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Wärmetauschelement als Ladeluftkühler ausgebildet, wobei in einem zur Verbrennungskraftmaschine führenden Ladeluftstrang und in einer zu einem Abgasstrang führenden Abzweigungsleitung ein jeweiliges Wärmetauschelement angeordnet sein kann. Ein derartiges Abgastemperiersystem ist vorteilhafterweise kompakt ausbildbar und kann flexibel an die jeweils vorliegenden Abgasbetriebsbedingungen und an das entsprechende Katalysatoraggregat angepasst werden.
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Mit Vorteil ist das Ladeluftabzweigsystem insbesondere zentral mittels einer Steuereinheit steuerbar zur Abzweigung und/oder Unterteilung des Ladeluftteilstroms. Ein mit einer zentralen Steuereinheit operativ wirkverbundenes Abgastemperiersystem eignet sich besonders zur kontrollierten, flexiblen und schnellen Abgastemperierung und insbesondere Abgaskühlung mittels eines oder mehrerer Ladeluftteilströme.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen und aus der Beschreibung.
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Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert. In einer einzigen Figur ist ein erfindungsgemäßes Abgastemperiersystem anhand eines Blockschaltbildes dargestellt.
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Die Figur zeigt in schematischer Darstellung ein allgemein mit 10 bezeichnetes Abgastemperiersystem, welches insbesondere in einem Fahrzeug (nicht dargestellt) mit aufgeladener, magerlauffähiger Verbrennungskraftmaschine 11 eingesetzt werden kann. Die Verbrennungskraftmaschine 11 (Verbrennungsmotor) steht mit einem Abgasturbolader 12 und mit einem beispielsweise als NOx-Speicher ausgeführten Katalysator 13 in an sich bekannter Weise in Wirkverbindung. Vom Abgasturbolader 12 führt ein Ladeluftstrang 15 in Form eines Saugrohrs 23 zur Ladeluftbeaufschlagung zur Verbrennungskraftmaschine 11, welche austrittsseitig mittels eines Abgasstrangs 16 mit dem NOx-Speicher 13 in Wirkverbindung steht. Der Ladeluftstrang 15 ist mittels eines Ladeluftabzweigsystems 14 mit dem Abgasstrang 16 zur Abgastemperierung und insbesondere zur Abgaskühlung verbunden.
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Mittels des Abgasturboladers 12 wird die Verbrennungskraftmaschine 11 in an sich bekannter Weise gemäß Pfeile 24 durch den Ladeluftstrang 15 mit Ladeluft beaufschlagt, während austrittsseitig von der Verbrennungskraftmaschine 11 Abgas durch den Abgasturbolader 12 und den Abgasstrang 16 gemäß Pfeile 25 zum NOx-Speicher 13 geleitet und von diesem in ebenfalls bekannter Weise weitergeleitet wird. Zwischen Abgasturbolader 12 und NOx-Speicher 13 ist im Abgasstrang 16 ein Vorkatalysator 26 integriert, welcher im Betrieb vom Abgasstrom durchsetzt wird (Pfeil 25).
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Ladelufteintrittsseitig zur Verbrennungskraftmaschine 11 ist der Ladeluftstrang 15 mit dem Ladeluftabzweigsystem 14 wirkverbunden. Hierzu sind zwei voneinander in Ladeluftströmungsrichtung (Pfeile 24) beabstandet angeordnete Ventilmittel 28, 29 innerhalb des Ladeluftstrangs 15 vorgesehen, von welchen Abzweigungsleitungen 18 zu einem gemeinsamen Wärmetauschelement 17 führen. Ferner ist auch zwischen den Ventilmitteln 28, 29 ein im Ladeluftstrang 15 integriertes Wärmetauschelement 17 vorgesehen. Die Abzweigungsleitungen 18 führen durch das gemeinsame Wärmetauschelement 17 zu einem Ventilmittel 32, welches austrittsseitig mittels einer Ladeluftzuführleitung 19 mit dem Abgasstrang 16 sowie mittels einer weiteren, separaten Ladeluftzuführleitung 20 mit einem weiteren Ventilmittel 35 wirkverbunden ist. Das Ventilmittel 35 ist austrittsseitig mittels zwei voneinander getrennter Ladeluftzuführleitungen 21, 22 ebenfalls mit dem Abgasstrang 16 wirkverbunden. Die Wirkverbindung zwischen den Ladeluftzuführleitungen 19 und 22 mit dem Abgasstrang 16 ist derart ausgebildet, dass ein direktes Einblasen von Ladeluft in den Abgasstrang 16 möglich ist. Dabei ist die Ladeluftzuführleitung 19 in Bezug auf den Vorkatalysator 26 stromaufwärts mit dem Abgasstrang 16 wirkverbunden, während die Ladeluftzuführleitung 22 zwischen Vorkatalysator 26 und NOx-Speicher 13 mit dem Abgasstrang 16 in Wirkverbindung steht. Die Ladeluftzuführleitung 21 bildet dagegen im Bereich des Abgasstrangs 16 einen Abgaswärmetauscher, welcher in der Figur mit 27 bezeichnet ist. Der Abgaswärmetauscher 27 befindet sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwischen Vorkatalysator 26 und NOx-Speicher 13.
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Von dem Ladelufthauptstrom, welcher gemäß Pfeile 24 durch den Ladeluftstrang 15 gefördert wird, wird mittels des Ventilmittels 28 und/oder des Ventilmittels 29 ein Ladeluftteilstrom abgezweigt und durch die Abzweigungsleitungen 18 gemäß Pfeile 30, 31 zum Ventilmittel 32 geleitet. Dabei wird der abgezweigte Ladeluftteilstrom mittels wenigstens eines der zwei Wärmetauschelemente 17 auf eine vorgebbare Betriebstemperatur temperiert. Das Ventilmittel 32 ist geeignet, den abgezweigten und temperierten und insbesondere gekühlten Ladeluftteilstrom aufzuteilen und mittels der Ladeluftzuführleitung 19 gemäß Pfeil 33 in den Abgasstrang 16 einzublasen, während die restliche Ladeluft des abgezweigten Ladeluftteilstroms durch die Ladeluftzuführleitung 20 gemäß Pfeil 34 zum Ventilmittel 35 geleitet wird. Das Ventilmittel 35 ist ebenfalls geeignet, den restlichen Ladeluftteilstrom aufzuteilen und mittels der Ladeluftzuführleitung 21 gemäß Pfeil 36 dem Abgaswärmetauscher 27 zuzuführen sowie mittels der Ladeluftzuführleitung 22 gemäß Pfeil 37 in den Abgasstrang 16 einzublasen.
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Die Ventilmittel 28, 29, 32, 35 sind vorzugsweise als steuerbare Regelventile ausgebildet und jeweils mittels entsprechender, als Doppelpfeile dargestellte Steuerleitungen 39, 40, 41, 42 mit einer zentralen Steuereinheit 38 operativ wirkverbunden. Die zentrale Steuereinheit 38 kann zusätzlich mit weiteren Funktionselementen (nicht dargestellt) mittels einer als Doppelpfeil 43 dargestellten Steuerleitung wirkverbunden sein, wobei die Funktionselemente beispielsweise Sensoren zur Ermittlung der Betriebstemperatur des Ladelufthauptstroms im Ladeluftstrang 15, des Ladeluftteilstroms in den Abzweigungsleitungen 18, des Abgasstroms im Abgasstrang 16 und/oder des NOx-Speichers 13 sein können. Das Abgastemperiersystem 10 eignet sich somit besonders zur kontrollierten und flexiblen Abgastemperierung und insbesondere Abgaskühlung im Abgasstrang 16 stromaufwärts des Vorkatalysators 26 und/oder des NOx-Speichers 13.
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Es sind bei der aufgeladenen Verbrennungskraftmaschine 11 verschiedene Betriebsstrategien möglich:
- – In einem geschichtet-mageren oder homogen-mageren Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 11 wird bei einer erforderlichen Abgaskühlung zunächst ein oberhalb eines von der Motorsteuerung vorgegebenen Soll-Ladedrucks, idealerweise ein vom Turbolader abhängiger maximaler Ladedruck mittels des Abgasturboladers 12 aufgebaut. Die Beaufschlagung der Verbrennungskraftmaschine 11 mit Ladeluft erfolgt dabei mittels Steuerung der Ventilmittel 28, 29. Der mittels des Ladeluftabzweigsystems 14 abgezweigte Ladeluftteilstrom wird dabei zur Abgaskühlung herangezogen. Dabei ergänzen sich zwei voneinander getrennte Kühlungsmechanismen, da aufgrund der verhältnismäßig hohen Aufladung der aus der Verbrennungskraftmaschine 11 austretende Abgasstrom relativ stark entspannt und somit gekühlt wird und anschließend mittels des abgezweigten Ladeluftteilstroms zusätzlich abgekühlt wird.
- – Bei einem Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 11 mit einem Lambda-Wert von 1,0 ist zur Abgaskühlung ebenfalls ein Ladedruck-Aufbau mittels des Abgasturboladers 12 möglich. In diesem Betriebsfall kann allerdings der Kühlungsanteil der Ladeluft üblicherweise lediglich zur äußeren Kühlung der Abgasanlage mittels des Abgaswärmetauschers 27 herangezogen werden. Eine direkte Einblasung von Ladeluft in den Abgasstrang 16 ist lediglich stromabwärts des Vorkatalysators 26 möglich, sofern mittels dieses Vorkatalysators 26 eine 3-Wege-Funktion der Abgasreinigung weitgehend gewährleistet ist. In einem solchen Betriebsfall ist ein Magerbetrieb des NOx-Speichers 13 insbesondere dann möglich, wenn mittels einer Ladelufteinblasung mittels der Ladeluftzuführleitung 22 der NOx-Speicher 13 auf eine innerhalb eines Mager-NOx-Arbeitstemperaturfensters liegende Betriebstemperatur gekühlt wird.
- – Bei einem Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 11 unter hohen Lasten ist eine Nutzung eventuell überschüssiger Ladeluftanteile lediglich bei einem Lambda-Wert von 1,0 in vorstehend beschriebener Weise möglich. Wird allerdings beispielsweise zum Bauteilschutz eine Abgasanfettung vorgenommen, darf keine Ladelufteinblasung in den Abgasstrang 16 erfolgen, da die zusätzlich eingeblasene Luft mit den Abgasschadstoffen so reagieren würde, dass in den Katalysatoren eine schädigende Temperaturüberhöhung auftreten würde. Eine Temperierung beziehungsweise Kühlung mittels des Abgaswärmetauschers 27 ist allerdings weiterhin möglich. Mit einer derartigen Maßnahme kann die Einleitung einer Volllastanreicherung zumindest verzögert werden. Im Volllastbetrieb und im volllastnahen Betrieb mit entsprechend hoher Motor- und Turboladerbelastung kann eine zeitlich variable, kurzfristige Überlastung des Turboladers toleriert werden (”Overboost”), so lange die Betriebsfähigkeit der Verbrennungskraftmaschine und des Turboladers hierdurch nicht wesentlich beeinträchtigt wird.
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Es ist vorteilhafterweise möglich, die einzelnen Funktionselemente des Ladeluftabzweigsystems 14 beziehungsweise des Abgastemperiersystems 10 (Abzweigungsleitungen 18, Wärmetauschelemente 17; Ventilmittel 28, 29, 32, 35; Ladeluftzuführleitungen 19, 20, 21, 22; Abgaswärmetauscher 27) in sinnvoller Kopplung beliebig miteinander zu kombinieren. Ferner können für die Wärmetauschelemente 17 unterschiedliche Kühlmedien vorgesehen sein.
