DE102008032604A1

DE102008032604A1 - Einstellen eines Zustands eines Abgasstroms einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges

Info

Publication number: DE102008032604A1
Application number: DE102008032604A
Authority: DE
Inventors: Asmus Carstensen; Andre Horn; Bernd Hupfeld; Stefan Paukner; Stefan Wessels
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2008-07-11
Filing date: 2008-07-11
Publication date: 2010-01-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen eines Zustands eines Abgasstroms einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, mit einer Druckluftquelle zum Erzeugen eines Luftmassenstroms zum Versorgen der Brennkraftmaschine mit Verbrennungsluft, mittels eines an einer Einmündungsstelle in den Abgasstrom mündenden Brenners. Um ein verbessertes Einstellen des Zustands zu ermöglichen, ist ein - Abzweigen eines Sekundärluftmassenstroms an einer Abzweigstelle stromabwärts der Druckluftquelle in den Brenner zur Versorgung des Brenners mit Verbrennungsluft sowie ein - Anheben oder Einstellen eines Druckgefälles von der Abzweigstelle zu der Einmündungsstelle hin vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Einstellen eines Zustands eines Abgasstroms einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, mit einer Druckluftquelle zum Erzeugen eines Luftmassenstroms zum Versorgen der Brennkraftmaschine mit Verbrennungsluft, mittels eines an einer Einmündungsstelle in den Abgasstrom mündenden Brenners.
Verfahren sowie Vorrichtungen zum Einstellen eines Zustands eines Abgasstroms sind bekannt. Sie können beispielsweise für eine Regeneration eines in den Abgasstrom geschalteten Partikelfilters und/oder für eine Entschwefelung von Katalysatoren eingesetzt werden. Mittels des Brenners kann eine Temperatur des Abgasstroms angehoben werden. Die DE 10 2004 022 186 beschreibt ein Verfahren zum Zuführern sauberer komprimierter Luft zu einem Diesel-Oxidationskatalysator. Hierbei wird komprimierte Luft vor einem Diesel-Oxidationskatalysator eingeleitet. Ein Abgriff der vor dem Diesel-Oxidationskatalysator eingeleiteten Frischluft erfolgt von einem Turbolader. Die DE 44 43 133 A1 betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem eines ladedruckbetriebenen Verbrennungsmotors mit Partikelfilter und vorgeordnetem Brenner. Zur thermischen Regeneration des Partikelfilters wird der Brenner durch den Verdichter des Verbrennungsmotors mit Verbrennungsluft versorgt, welche für einen Regenerationsbetrieb des Partikel- oder Rußfilters benötigt wird.
Aus der DE 38 37 472 A1 ist ein Partikelfiltersystem bekannt, wobei eine Regeneration eines Partikelfilters durch Abbrennen der Partikelbeladung im Vollstrom des Abgases erfolgt. Einem dem Partikelfilter zugeordneten Brenner wird brennstoff- und sauerstoffhaltiges Gas zugeführt, wobei das Verhältnis des dem Brenner zugeführten Brennstoffs zum sauerstoffhaltigen Gas in dem Betriebspunkt des Dieselmotors, bei dem der Leistungsbedarf des Brenners zum Erreichen der Regenerationstemperatur am niedrigsten ist, in etwa stöchiometrisch und allen übrigen Betriebspunkten des Dieselmotors unterstöchiometrisch ist. Der Brenner besteht aus einer Luftdrallzerstäuberdüse, eine Primärbrennkammer und einer Sekundärbrennkammer. Die Primärbrennkammer besitzt eine axiale Austrittsöffnung. Die Sekundärbrennkammer ist wie die Primärbrennkammer zylinderförmig. Der Primärbrennkammer schließt sich der Partikelfilter an, wobei zwischen der Austrittsöffnung der Primärbrennkammer und dem Partikelfilter eine kreisförmige Prallplatte vorgesehen ist. Die der Öffnung der Primärbrennkammer vor gelagerte Prallplatte soll verhindern, dass beim Nichtzünden der Primärkämmer unverbrannter Brennstoff auf den Partikelfilter gelangt und diesen durch Überhitzung gefährdet.
Aus der DE 10 2006 009 943 A1 ist ein Abgasnachbehandlungssystem mit in Strömungsrichtung von Abgas eines Verbrennungsmotors hintereinander angeordneter, abgasdurchströmten ersten Oxidationskatalysator-Einrichtung, einer NOx-Katalysator-Einrichtung zur Entstickung des Abgases, einer Einrichtung zur aktiven Anhebung einer Abgastemperatur mit wenigsten einer zweiten Oxidations-Katalysator-Einrichtung, sowie einer Einrichtung zur Partikelentfernung bekannt. Dabei ist eine jeweilige Betriebstemperatur der NOx-Katalysator-Einrichtung und der Einrichtung zur Partikelentfernung abhängig von einer Abgastemperatur und einem Ausgang des Verbrennungsmotors einstellbar. Zur Generierung einer Wärmetönung zur Temperierung ist stromaufwärts einer oder mehrerer der Katalysator-Einrichtungen eine entsprechende Einheit vorgesehen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Einstellen eines Zustandes eines Abgasstroms einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges zu ermöglichen.
Die Aufgabe ist mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Das Verfahren weist ein Abzweigen eines Sekundärluftmassenstroms an einer Abzweigstelle stromabwärts der Druckluftquelle in den Brenner zum Versorgen des Brenners mit Verbrennungsluft und ein Anheben oder Einstellen eines Druckgefälles von der Abzweigstelle zu der Einmündungsstelle hin auf.
Unter Zustand werden in diesem Text beliebige den Abgasstrom kennzeichnende Parameter verstanden, beispielsweise eine Temperatur, eine Zusammensetzung und/oder ein Abgas-Lambda-Wert.
Je nach Betriebszustand der Brennkraftmaschine würde sich ein für den Betrieb des Brenners zu geringes Druckgefälle zwischen der Abzweigstelle und der Einmündungsstelle einstellen. Vorteilhaft kann durch das Anheben oder Einstellen des Druckgefälles dennoch ein gesicherter Betrieb des Brenners, also eine gesicherte Versorgung des Brenners mit Verbrennungsluft erfolgen. Insbesondere kann der Brenner trotz eines Schwachlastbetriebs, eines Schubbetriebs und/oder eines Betriebs bei niedrigen Drehzahlen des Verbrennungsmotors sicher mit Verbrennungsluft versorgt werden. Vorteilhaft kann ein sonst für diese Betriebszustände notwendiges Brennergebläse entfallen. Das Druckgefälle kann solange erhöht werden, wie für den Betrieb des Brenners notwendig, beispielsweise für einen Regenerationszyklus einer in den Abgasstrom geschalteten Abgasreinigungsvorrichtung. Dabei ist es möglich, für diese Zeit einen Betrieb der der Brennkraftmaschine mit reduziertem Wirkungsgrad hinzunehmen.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens sind ein Anheben des Druckgefälles mittels Drosseln des Luftmassenstroms und/oder ein Anheben des Druckgefälles mittels eines der Druckluftquelle und der Abzweigstelle nachgeschalteten ersten Drosselorgans vorgesehen. Vorteilhaft kann mittels des ersten Drosselorgans ein zur Brennkraftmaschine hin geleiteter Teilstrom des Luftmassenstroms gedrosselt werden, so dass sich der Druck des abgezweigten Sekundärluftmassenstroms im Vergleich zu dem zur Brennkraftmaschine geleiteten Teilstrom erhöht. Bei angenommenem gleichbleibendem Abgasgegendruck kann dadurch vorteilhaft das Druckgefälle erhöht werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens sind ein Anheben des Druckgefälles mittels Drosseln des Abgasstroms und/oder ein Anheben des Druckgefälles mittels Drosseln des Abgasstroms mittels eines der Einmündungsstelle vorgeschalteten zweiten Drosselorgans vorgesehen. Vorteilhaft kann das zweite Drosselorgan in den Abgasstrom geschaltet werden und stromaufwärts den Abgasgegendruck der Brennkraftmaschine erhöhen. Vorteilhaft bewirkt dies stromabwärts eine Verringerung des Drucks des Abgasstroms und damit auch an der Einmündungsstelle einen verringerten Druck, was letztendlich eine Erhöhung des Druckgefälles zum sicheren Betrieb des Brenners bewirkt.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens sind ein Anheben des Druckgefälles mittels Ansteuern einer variablen Turbinengeometrie (VTG) einer Turbine eines Abgasturboladers der Druckluftquelle und/oder ein Anheben des Druckgefälles mittels Ansteuern einer variablen Kompressorgeometrie (VCG) eines Verdichters der Druckluftquelle vorgesehen. Vorteilhaft können mittels der variablen Geometrien eine Entspannungsdruckdifferenz der Turbine beziehungsweise eine Ladedruckerhöhung eingestellt werden. Vorteilhaft kann dies so erfolgen, dass dabei das Druckgefälle für einen sicheren Betrieb des Brenners angehoben wird.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist ein Anheben des Druckgefälles des Abgasturboladers mittels Reduzieren einer Abgasrückführungsrate einer Hochdruckabgasrückführung vorgesehen. Vorteilhaft kann mittels Reduzieren der Abgasrückführungsrate ein Abgasgegendruck stromaufwärts der Turbine des Abgasturboladers erhöht werden, wobei vorteilhaft eine größere Turbinenleistung erzielbar ist, die dem Verdichter des Abgasturboladers zur Verfügung steht. Vorteilhaft kann dadurch der Verdichter einen höheren Ladedruck und damit auch einen höheren Druck des Sekundärluftmassenstroms bereitstellen, was letztendlich eine Erhöhung des Druckgefälles bewirkt.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist ein Zuführen eines Teilstroms des Abgasstroms in den Brenner mittels Abzweigen des Teilstroms vor einer Turbine des Abgasturboladers vorgesehen. Vorteilhaft kann dadurch eine höhere Temperatur der dem Brenner zur Verfügung stehenden Verbrennungsluft bewirkt werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist ein Anheben des Druckgefälles mittels Anheben einer Drehzahl eines mechanischen Laders der Druckluftquelle vorgesehen. Durch Anheben der Drehzahl beziehungsweise einer damit einhergehenden bereitstehenden erhöhten Verdichtungsleistung des Laders der Druckluftquelle kann der Ladedruck und damit das Druckgefälle angehoben werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist ein Anheben des Druckgefälles mittels zumindest einer der folgenden motorischen Maßnahmen der Brennkraftmaschine vorgesehen. Erhöhen einer Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine und/oder Erhöhen einer Temperatur des Abgasstroms vor der Turbine des Abgasturboladers und/oder Erhöhen der Temperatur mittels einer Nacheinspritzung und/oder Verfrühen eines Öffnungszeitpunkts von Auslassventilen der Brennkraftmaschine. Vorteilhaft bewirkt ein Erhöhen der Temperatur des Abgasstroms eine höhere an der Turbine des Abgasturboladers umsetzbare Enthalpie und damit eine Erhöhung des Ladedrucks.
Die Aufgabe ist außerdem mit einem Verfahren zum Einstellen eines Zustands eines Abgasstroms einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, mit einer Druckluftquelle zum Erzeugen eines Luftmassenstroms zum Versorgen der Brennkraftmaschine mit Verbrennungsluft, mittels eines an einer Einmündungsstelle in den Abgasstrom mündenden Brenners, mit einem Abzweigen eines Sekundärluftmassenstrom an einer Abzweigstelle stromabwärts der Druckluftquelle und stromabwärts eines der Druckluftquelle nachgeschalteten Ladeluftkühlers in den Brenner zur Versorgung des Brenners mit Verbrennungsluft gelöst. Vorteilhaft weist der mittels des Ladeluftkühlers gekühlte Luftmassenstrom eine höhere Dichte auf, so dass vorteilhaft mittels des Brenners eine höhere Leistung erzielbar ist. Außerdem können vorteilhaft notwendige Leitungen zum Führen des Sekundärluftmassenstroms kleiner ausgelegt werden.
Die Aufgabe ist ferner mit einer Vorrichtung zum Einstellen eines Zustandes eines Abgasstroms einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, mit einem an einer Einmündungsstelle in den Abgasstrom mündenden Brenner und einer Druckluftquelle zum Erzeugen eines Luftmassenstroms zum Versorgen der Brennkraftmaschine und des Brenners mit Verbrennungsluft gelöst, wobei die Vorrichtung eingerichtet, ausgelegt und/oder konstruiert zum Durchführen eines vorab beschriebenen Verfahrens ist. Es ergeben sich die vorab beschriebenen Vorteile.
Die erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen sind besonders vorteilhaft einzusetzen bei einer Brennkraftmaschine mit zumindest einer im Abgasstrang angeordneten zeitweise zu regenerierenden Abgasreinigungseinrichtung und zumindest einem stromauf der Abgasreinigungseinrichtung angeordneten Brenner, dem Kraftstoff zumindest zeitweise mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnisses (λ) zugeführt wird. Während des Betriebes des Brenners mit unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λ wird ein Teil der dem Brenner zugeführten Kraftstoffmenge in einer ersten zumindest den Brenner umfassenden Reaktionszone umgesetzt, also verbrannt und ein zweiter Teil der besagten Kraftstoffmenge in einer stromab der ersten Reaktionszone liegenden zweiten Reaktionszone umgesetzt. Die Aufteilung des Kraftstoffumsatzes in die Reaktionszonen wird dabei gezielt, beispielsweise durch die Einstellung des Verbrennungsluftverhältnisses λ im Brenner, eingestellt oder gesteuert.
Im Abgashauptstrom erfolgt dann die weitere Umsetzung des teilverbrannten Kraftstoffs mit dort vorhandenem Sauerstoff. Hierfür ist ein sauerstoffreiches, d. h. mageres Abgas besonders vorteilhaft.
Vorzugsweise wird in einem vorgegebenen Zeitintervall höchstens 90%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30% des dem Brenner zugeführten Kraftstoffs in der ersten Reaktionszone Brenner verbrannt. Vorzugsweise hat das Zeitintervall eine Länge in einem Bereich von 10 sec bis 300 sec.
Durch die unterstöchiometrische Betriebsweise des Brenners kann die in den Abgashauptstrom eingebrachte Heizenergie gesteuert werden. Dabei kann auch für eine hohe in das Abgas einzubringende Wärmeleistung ein Brenner kleiner Baugröße verwendet werden, da im Brenner kein vollständiger thermischer Kraftstoffumsatz erfolgen muss, sondern der vollständige Umsatz des Kraftstoffs gezielt stromab im Abgasstrang oder in einer der Abgasreinigungseinrichtungen erfolgt. Die aufgrund des unterstöchiometrischen Betriebs teiloxidierten Kraftstoffanteile sind sehr reaktiv und können im Abgashauptstrom auch unter ungünstigen Randbedingungen, wie z. B. geringe Temperatur, hohe Raumgeschwindigkeit des Abgases, umgesetzt werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezug auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Einstellen eines Zustands eines Abgasstroms einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges; und
2 eine schematische Ansicht einer weiteren Vorrichtung zum Einstellen eines Zustands eines Abgasstroms einer Brennkraftmaschine.
1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum Einstellen eines Zustandes eines Abgasstroms 3 einer teilweise dargestellten Brennkraftmaschine 5 eines ebenfalls nur teilweise dargestellten Kraftfahrzeuges 7. Der Brennkraftmaschine 5 ist ein Abgasstrang 9 mit einem Abgassystem 11 nachgeschaltet. Über ein Saugrohr 13 wird die Brennkraftmaschine 5 mit Luft versorgt, die mittels eines mit einer Turbine 15 angetriebenen Verdichters 17 eines Abgasturboladers 19 verdichtet wird. Mit einer Ladeschaufelverstellung 21 (VTG) kann die Verdichtung der Turbine 15 verändert werden. Die Brennkraftmaschine 5 kann eine Abgasrückführung 23 (AGR) aufweisen, die als Hochdruckabgasrückführung ausgebildet ist, mit einem Abgasrückführungsventil 25 und einer Abgasrückführleitung 27, in der ein Abgasrückführungskühler 29 angeordnet ist. Das Abgas des Abgasstroms 3 gelangt über einen Abgaskrümmer 31 zur Turbine 15 und in den Abgasstrang 9 beziehungsweise wird im Abgaskrümmer 31 in die Abgasrückführung 23 abgezweigt.
Die über einen Ladeluftkühler 33 abgekühlte Luft beziehungsweise Verbrennungsluft gelangt über eine Drosselklappe 35 in einen Einlasssammler 37, in den auch das rückgeführte Abgas beziehungsweise ein Teilstrom des Abgasstroms 3 mündet. Der Ladedruck der Verbrennungsluft wird mit einem Ladeluftsensor 39 detektiert.
Frischluft beziehungsweise die Verbrennungsluft gelangt über einen Luftfilter 41 und einen Frischluftmassensensor 43 zu dem Verdichter 17 und von dort über eine Frischluftleitung 45 zum Führen der Verbrennungsluft beziehungsweise eines Luftmassenstroms der Verbrennungsluft zu dem Ladeluftkühler 33. Ein Steuerventil 47 steuert die Luftzufuhr über die Frischluftleitung 45.
Der Verdichter 17 des Abgasturboladers 19 stellt eine Druckluftquelle 49 zum Erzeugen des Luftmassenstroms zum Versorgen der Brennkraftmaschine 5 mit Verbrennungsluft dar. Dem Verdichter 17 der Druckluftquelle 49 nachgeschaltet, weist das Saugrohr 13 zum Führen des mittels der Druckluftquelle 49 erzeugbaren Luftmassenstroms eine Abzweigstelle 51 auf, an der eine Sekundärluftleitung 53 abzweigt. Die Sekundärluftleitung 53 ist zum Abzweigen eines Sekundärluftmassenstroms 55 zur Versorgung eines an diese angeschlossenen Brenners 57 mit Verbrennungsluft ausgelegt. Es ist ersichtlich, dass sowohl der Brenner 57 als auch die Brennkraftmaschine 5 gleichermaßen mittels des Verdichters 17 der Druckluftquelle 49 mit Verbrennungsluft versorgbar sind. In 1 ist der Brenner 57 mittels eines Dreiecks symbolisiert. Bei dem Brenner 57 handelt es sich um einen dem Abgasstrom 3 des Abgasstrangs 9 des Abgassystems 11 nebengeordneten Brenner, der an einer Einmündungsstelle 59 in den Abgasstrom 3 mündet. An der Einmündungsstelle 59 entlässt der Brenner 57 einen Brennerabgasstrom in den mittels des Abgasstrangs 9 geführten Abgasstrom 3 der Brennkraftmaschine 5. Der Brenner 57 kann mittels einer in 1 nicht näher dargestellten Vorrichtung mit einem Kraftstoff, vorzugsweise mit demselben Kraftstoff der Brennkraftmaschine 5 versorgt werden.
Mittels des Brenners 57 kann der Kraftstoff zusammen mit dem Sekundärluftmassenstrom 55 thermisch umgesetzt werden und zur Erwärmung über die Einmündungsstelle 59 in den Abgasstrom 3 entlassen werden. Vorzugsweise kann der Brenner 57 unterstöcheometrisch, also mit Luftmangel, betrieben werden, so dass der Kraftstoff nur teilweise verbrannt in den Abgasstrom 3 eingeleitet wird. Vorteilhaft kann es sich bei dem Abgasstrom der Brennkraftmaschine 5 um einen mageren Abgasstrom handeln, so dass mittels des im Abgasstrom 3 vorhandenen Restsauerstoffes eine vollständige Umsetzung des dem Brenner 57 zur Verfügung gestellten Kraftstoffes erfolgen kann. Die mittels des Brenners 57 erzielbare Erhöhung einer Temperatur des Abgasstroms 3 kann vorteilhaft zur Regeneration einer dem Brenner nachgeschaltet angeordneten Abgasreinigungseinrichtung 61 des Abgassystems 11 dienen. Bei der Abgasreinigungseinrichtung 61 kann es sich beispielsweise um einen Partikelfilter, vorzugsweise um einen Diesel-Partikelfilter 63, handeln. Zur besseren und/oder vollständigen Umsetzung des nur teilweise verbrannten Kraftstoffs des Brenners 57 kann der Partikelfilter 63 einen Oxidationskatalysator 65, insbesondere einen Diesel-Oxidationskatalysator sowie einen nicht näher dargestellten Mischer aufweisen. Alternativ und/oder zusätzlich ist es möglich, dem Partikelfilter 63 einen separaten Diesel-Oxidationskatalysator vorzuschalten.
Der Partikelfilter 63 ist motorfern im Abgasstrang 9 der Brennkraftmaschine 5 angeordnet. Vorteilhaft kann ohne größere thermische Verluste lediglich mittels des Brenners 57 ein schnelles Aufheizen des Partikelfilters 63 zu dessen Regeneration erfolgen. Vorteilhaft kann die dafür benötigte Kraftstoffmenge minimal gehalten werden. Optional können zusätzlich weitere temperaturerhöhende Maßnahmen erfolgen.
Alternativ, insbesondere für ein Thermomanagement des Abgassystems 11, ist es möglich, mehrere der Brenner 57 im Abgassystem 11 vorzusehen. Außerdem ist es möglich, den Brenner 57 beziehungsweise die Einmündungsstelle 59 des Brenners 57 an einer anderen Stelle des Abgassystems 11 vorzusehen, beispielsweise vor einem SCR-Katalysator 67, vor einem NOX-Speicherkatalysator 69 und/oder vor einem motornah angeordneten, Oxidationskatalysator 71. In 1 sind beispielhaft der Oxidationskatalysator 71 motornah, diesem nachgeschaltet der NOX-Katalysator 69 und diesem nachgeschaltet der SCR-Katalysator 67 des Abgassystems 11 dargestellt.
Bei der Brennkraftmaschine 5 kann es sich um eine einen mageren Abgasstrom 3 produzierende Brennkraftmaschine handeln, beispielsweise einen Dieselmotor oder einen Magermotor mit Fremdzündung.
2 zeigt eine weitere Vorrichtung 1 zum Einstellen eines Zustands eines Abgasstroms 3 einer Brennkraftmaschine 5. Im Folgenden wird lediglich auf die Unterschiede zur Darstellung gemäß 1 eingegangen.
Zur Steuerung und/oder Regelung sind verschiedene Stell- und/oder Messgliedern der Vorrichtung 1 einem Motorsteuergerät 73 zugeordnet. Entsprechende Wirkverbindungen sind mittels gepunkteter Linien in 2 symbolisiert.
Vorteilhaft kann mittels des Motorsteuergerätes 73 ein Druckgefälle zwischen der Abzweigstelle 51 und der Einmündungsstelle 59 eingestellt und/oder angehoben werden. Hierzu kann mittels des Motorsteuergeräts 73 eine variable Kompressorgeometrie 75 (VCG) des Verdichters 17 des Abgasturboladers 19 eingestellt werden. Außerdem kann eine variable Turbinengeometrie 77 (VTG) der Turbine 15 des Abgasturboladers 19 eingestellt werden. Mittels der variablen Kompressorgeometrie 75 kann ein in dem Saugrohr 13 erzeugbarer Ladedruck 79 vergrößert werden, der mittels des Saugrohrs 13 auch an der Abzweigstelle 51 anliegt, so dass sich das Druckgefälle zum Brenner 57 hin erhöht. Analog dazu kann mittels der variablen Turbinengeometrie 77 eine Entspannungsdruckdifferenz der Turbine 15 erhöht werden, wobei sich ein Abgasgegendruck in Richtung der Brennkraftmaschine 5 hin erhöht und stromabwärts sich der Druck des Abgasstroms 3 verringert, der auch an der Einmündungsstelle 59 des Brenners 57 anliegt, so dass sich das Druckgefälle erhöht.
Der Abzweigstelle 51 nachgeschaltet ist in das Saugrohr 13 ein erstes Drosselorgan 81 mit einer Drosselklappe 83 geschaltet. Das erste Drosselorgan 81 kann mittels des Motorsteuergerätes 73 angesteuert werden. Vorteilhaft kann mittels der Drosselklappe 83 der an der Abzweigstelle 51 herrschende Ladedruck 79 im Vergleich zu einem der Brennkraftmaschine 5 zugeführten Ladedruck im Saugrohr 13 erhöht werden, so dass sich in Folge das Druckgefälle zum Brenner 57 hin erhöht.
Der Abgasstrang 9 weist an der Einmündungsstelle 59 des Brenners 57 vorgeschaltet ein zweites Drosselorgan 85 mit einer Abgasklappe 87 auf. Das zweite Drosselorgan 85 kann mittels des Motorsteuergerätes 73 angesteuert werden. Vorteilhaft kann mittels der Abgasklappe 87 ein Abgasgegendruck der Brennkraftmaschine 5 erhöht werden, wobei sich stromabwärts der Abgasklappe 87 ein Druck des Abgasstroms 3 erniedrigt, der auch an der Einmündungsstelle 59 anliegt, so dass sich vorteilhaft das Druckgefälle zwischen der Abzweigstelle 51 und der Einmündungsstelle 59 erhöht.
Die Sekundärluftleitung 53 kann ein Regelorgan 89, beispielsweise ein Ventil 91 aufweisen. Das Ventil 91 kann mittels des Motorsteuergerätes 73 angesteuert werden und dient zum Einstellen des Sekundärluftmassenstroms 55. Vorteilhaft kann das Regelorgan 89 den Sekundärluftmassenstrom 55 begrenzen, falls das sich ergebende Druckgefälle zwischen der Abzweigstelle 51 und der Einmündungsstelle 59 höher ist als zu einem gewünschten Betrieb des Brenners 57 erforderlich, insbesondere auch um einen Brennerlambdawert einzustellen. Außerdem kann das Ventil 91 des Regelorgans 89 der Sekundärluftleitung 53 verschlossen werden, falls ein Betrieb des Brenners 57 nicht erwünscht ist.
Die Abgasrückführung 23, die vorliegend als Hochdruckabgasrückführung ausgebildet ist, weist das Abgasrückführungsventil 25 auf. Das Abgasrückführungsventil 25 ist mittels des Motorsteuergerätes 73 ansteuerbar. Vorteilhaft kann zum Erhöhen des Abgasgegendrucks stromaufwärts der Turbine 15 des Abgasturboladers 19 das Abgasrückführungsventil 25 geschlossen werden, wobei vorteilhaft eine dem Verdichter 17 zur Verfügung stehende Leistung erhöht wird, was eine Erhöhung des Ladedrucks 79 bewirken kann. Zur Messung des Ladedrucks und/oder einer Ladelufttemperatur nach der Ladeluftkühlung 33 kann dem Saugrohr 13 eine Messeinrichtung 93 (2) zugeordnet sein, die mit dem Motorsteuergerät 73 in Verbindung steht.
Optional ist es möglich, im Hochdruckbereich des Abgasstroms 3, also vor der Turbine 15 des Abgasturboladers 19 eine Abgasnebenstromleitung 95 zum Führen eines Abgasnebenstroms 97 abzuzweigen. Der Abgasnebenstrom 97 beziehungsweise die Abgasnebenstromleitung 95, die in 2 gepunktet dargestellt ist, kann vor dem Brenner 57 in die Sekundärluftleitung 53 einmünden. Vorteilhaft kann dadurch eine Temperatur des Sekundärluftmassenstroms 55 angehoben werden. Ferner können Parameter einer Gemischbildung des Brenners 57 beeinflusst werden. Zur Steuerung und/oder Regelung des Abgasnebenstroms 97 weist die Abgasnebenstromleitung 95 ein weiteres Regelorgan 99 mit einem Ventil 101 auf. Das Ventil 101 kann mittels des Motorsteuergerätes 73 angesteuert werden.
Optional ist es möglich, der Sekundärluftleitung 53 einen Luftmassenmesser 103 beziehungsweise Massenstrommesser zum Messen des Sekundärluftmassenstroms 55 zuzuordnen. Der Luftmassenmesser 103 kann dem Motorsteuergerät 73 zugeordnet werden. Ein Luftmassenmesser der Messeinrichtung 93 sowie der Luftmassenmesser 103 können beispielsweise als Hitzdrahtanemometer und/oder als Ultraschall-Doppler-Anemometer ausgelegt sein.
Vorteilhaft kann trotz einer motorfernen Anordnung des Partikelfilters 63 dieser regeneriert werden. Eine sonst nachteilige motorische Nacheinspritzung kann auf ein tolerierbares Maß reduziert werden oder ist gänzlich verzichtbar. Vorteilhaft kann ein nicht erwünschter Eintrag von Kraftstoff in ein Motoröl der Brennkraftmaschine 5 verhindert werden. Vorteilhaft ist dadurch auch die Brennkraftmaschine 5 besser für einen Betrieb mit Biomassekraftstoffen geeignet.
Vorteilhaft kann der Brenner 57 mittels des Sekundärluftmassenstroms 55 des Verdichters 17 mit Verbrennungsluft versorgt werden. Vorteilhaft kann der motorfern angeordnete Partikelfilter 63 mittels des Brenners 57 regeneriert werden. Eine denkbare Ausgestaltung des Abgassystems 11 sieht einen SCR-Katalysator 67, diesem nachgeschaltet den Brenner 57 und diesem nachgeschaltet den Partikelfilter 63 vor. Die Entnahme des Sekundärluftmassenstroms 55 erfolgt nach dem Verdichter 17 der Druckluftquelle 49. Alternativ und/oder zusätzlich ist es denkbar, die Sekundärluftleitung 53 einem nicht näher dargestellten Druckluftspeicher zuzuordnen. Mittels des Druckluftspeichers können vorteilhaft Betriebszustände eines zu geringen Druckgefälles und/oder negativen Druckgefälles zwischen der Abzweigstelle 51 und der Einmündungsstelle 59 überbrückt werden. Der Druckluftspeicher kann dazu ein eigenes mittels des Motorsteuergeräts 73 ansteuerbares Regelorgan aufweisen.
Vorteilhaft kann auf eine sonst notwendige Sekundärluftpumpe zum Bereitstellen des Sekundärluftmassenstroms 55 verzichtet werden.
Bei der Brennkraftmaschine 5 handelt es sich um einen mittels des Abgasturboladers 19 aufgeladenen Turbomotor, wobei vorteilhaft ohnehin vorhandene Druckluft zum Bereitstellen des Sekundärluftmassenstroms 55 eingesetzt werden kann. Alternativ und/oder zusätzlich ist es denkbar, eine andere Vorrichtung zur Drucklufterzeugung als Druckluftquelle 49 vorzusehen, beispielsweise einen Kompressor, einen Komprex-Lader und/oder eine Kombination aus einem Kompressor und einem Druckluftspeicher. Der Sekundärluftmassenstrom 55 kann vorteilhaft nach dem Ladeluftkühler 33 entnommen werden, so dass dieser eine höhere Dichte aufweist, so dass der Brenner 57 eine höhere Leistung erzielen kann.
Alternativ und/oder zusätzlich kann der Brenner 57 vorteilhaft neben der Regeneration des Partikelfilters 63 für eine Temperaturführung des gesamten Abgassystems 11 der Brennkraftmaschine 5 genutzt werden. Durch den Einsatz des Brenners 57 lässt sich auch für diesen Anwendungsfall der notwendige Kraftstoffeinsatz für das Abgastemperaturmanagement sowie die Regeneration des Partikelfilters 63 reduzieren.
Es ist denkbar, eine erforderliche Gemischzusammensetzung des Brenners 57 mittels einer Variation einer dem Brenner zugeführten Kraftstoffmasse bei konstantem Sekundärluftmassenstrom oder durch Variieren des dem Brenner zugeführten Sekundärluftmassenstroms 55 bei konstanter Kraftstoffmenge und/oder in Kombination aus beiden Variationsmöglichkeiten zu realisieren.
Vorteilhaft kann ein λ-Wert beziehungsweise ein Luftverhältnis des Brenners 57 mittels des Regelorgans 89 und/oder des weiteren Regelorgans 99 eingestellt werden.
Der Brenner 57 kann für ein Thermomanagement des NOX-Speicherkatalysators 69 und/oder des SCR-Katalysators 67 eingesetzt werden. Hierzu kann der Brenner 57 diesem vorgeschaltet sein.
Vorteilhaft kann mittels des Brenners 57 auch ein Kaltstartverhalten der Brennkraftmaschine 5 optimiert werden.
Zur besseren Umsetzung des Kraftstoffs des Brenners 57, insbesondere falls dieser unterstöcheometrisch betrieben wird, kann dem Partikelfilter 63 der Oxidationskatalysator 65 und/oder ein nicht näher dargestellter Mischer vorgeschaltet sein.
Das Ventil 91 des Regelorgans 89 kann analog zu dem Hochdruckabgasrückführungsventil 25 ausgebildet sein.
Zum Steigern eines Ladedrucks des Verdichters 17 des Abgasturboladers 19 kann ein Androsseln des Luftmassenstroms mittels der Drosselklappe 83 und/oder ein Ansteuern des Hochdruckabgasrückführungsventils 25 zur Reduzierung einer Abgasrückführrate und/oder eine Ansteuerung des Abgasturboladers, insbesondere der variablen Kompressorgeometrie 75 des Verdichters 17 und/oder der variablen Turbinengeometrie 77 der Turbine 15 des Abgasturboladers 19 dienen.
Bei einer Druckluftquelle 49 mit einem mechanischen Kompressor kann zur Erhöhung des Ladedrucks eine Verdichterdrehzahl erhöht werden.
Ferner sind zur Erhöhung des Druckgefälles zwischen der Abzweigstelle 51 und der Einmündungsstelle 59 motorische Maßnahmen denkbar, insbesondere eine Erhöhung einer Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine 5, eine Erhöhung der Abgastemperatur des Abgasstroms 9 vor der Turbine 15 und/oder eine tolerierbare Nacheinspritzung der Brennkraftmaschine 5. Außerdem ist als motorische Maßnahme ein früheres Öffnen von Auslassventilen der Brennkraftmaschine 5 denkbar, wobei sich ebenfalls eine Temperatur des Abgasstroms 9 erhöht.

1: Vorrichtung
3: Abgasstrom
5: Brennkraftmaschine
7: Kraftfahrzeug
9: Abgasstrang
11: Abgassystem
13: Saugrohr
15: Turbine
17: Verdichter
19: Abgasturbolader
21: Ladeschaufelverstellung
23: Abgasrückführung
25: Abgasrückführungsventil
27: Abgasrückführleitung
29: Abgasrückführungskühler
31: Abgaskrümmer
33: Ladeluftkühler
35: Drosselklappe
37: Einlasssammler
39: Ladeluftsensor
41: Luftfilter
43: Frischluftmassensensor
45: Frischluftleitung
47: Steuerventil
49: Druckluftquelle
51: Abzweigstelle
53: Sekundärluftleitung
55: Sekundärluftmassenstrom
57: Brenner
59: Einmündungsstelle
61: Abgasreinigungseinrichtung
63: Diesel-Partikelfilter
65: Oxidationskatalysator
67: SCR-Katalysator
69: NOX-Speicherkatalysator
71: Oxidationskatalysator
73: Motorsteuergerät
75: variable Kompressorgeometrie
77: variable Turbinengeometrie
79: Ladedruck
81: erstes Drosselorgan
83: Drosselklappe
85: zweites Drosselorgan
87: Abgasklappe
89: Regelorgan
91: Ventil
93: Messeinrichtung
95: Abgasnebenstromleitung
97: Abgasnebenstrom
99: Regelorgan
101: Ventil
103: Luftmassenmesser

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004022186 [0002]
- DE 4443133 A1 [0002]
- DE 3837472 A1 [0003]
- DE 102006009943 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Einstellen eines Zustands eines in einem Abgasstrangs (9) einer Brennkraftmaschine (5) eines Kraftfahrzeuges (7) geführten Abgasstroms (3), mit einer Druckluftquelle (49) zum Erzeugen eines in einer Frischluftleitung (45) geführten Luftmassenstroms zum Versorgen der Brennkraftmaschine (5) mit Verbrennungsluft, mittels eines an einer Einmündungsstelle (59) in den Abgasstrom (3) mündenden Brenners (57), mit: – Abzweigen eines Sekundärluftmassenstroms (55) an einer Abzweigstelle (51) der Frischluftleitung (45) stromabwärts der Druckluftquelle (49) in den Brenner (57) zur Versorgung des Brenners (57) mit Verbrennungsluft, – Anheben oder Einstellen eines Druckgefälles von der Abzweigstelle (51) zu der Einmündungsstelle (59) hin.
Verfahren nach Anspruch 1, mit zumindest einem des Folgenden: – Anheben des Druckgefälles mittels Drosseln des Luftmassenstroms, – Anheben des Druckgefälles mittels Drosseln des Luftmassenstroms mittels eines der Druckluftquelle (49) und der Abzweigstelle (51) in der Frischluftleitung (45) nachgeschalteten ersten Drosselorgans (81).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit zumindest einem des Folgenden: – Anheben des Druckgefälles mittels Drosseln des Abgasstroms (3), – Anheben des Druckgefälles mittels Drosseln des Abgasstroms (3) mittels eines der Einmündungsstelle (59) in dem Abgasstrang (9) vorgeschalteten zweiten Drosselorgans (85).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit zumindest einem des Folgenden: – Anheben des Druckgefälles mittels Ansteuern einer variablen Turbinengeometrie (77) (VTG) einer Turbine (15) eines Abgasturboladers (19) der Druckluftquelle (49), – Anheben des Druckgefälles mittels Ansteuern einer variablen Kompressorgeometrie (75) (VCG) eines Verdichters (17) der Druckluftquelle (49).
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, mit – Anheben des Druckgefälles des Abgasturboladers mittels Reduzieren einer Abgasrückführungsrate einer Hochdruckabgasrückführung (23).
Verfahren nach einem der vorhergehenden zwei Ansprüche, mit: – Zuführen eines Teilstroms des Abgasstroms (3) in den Brenner (57) mittels Abzweigen des Teilstroms vor der Turbine (15) des Abgasturboladers (19) in eine Abgasnebenstromleitung (95).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit: – Anheben des Druckgefälles mittels Anheben einer Drehzahl eines mechanischen Laders der Druckluftquelle (49).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit: Anheben des Druckgefälles mittels zumindest einer der folgenden motorischen Maßnahmen der Brennkraftmaschine (5): – Erhöhen einer Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine (5), – Erhöhen einer Temperatur des Abgasstroms (3) vor der Turbine (15) des Abgasturboladers (19), – Erhöhen der Temperatur mittels einer Nacheinspritzung, – Früheres Öffnen von Auslassventilen der Brennkraftmaschine (5).
Verfahren zum Einstellen eines Zustands eines Abgasstroms (3) einer Brennkraftmaschine (5) eines Kraftfahrzeuges (7), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Druckluftquelle (49) zum Erzeugen eines Luftmassenstroms zum Versorgen der Brennkraftmaschine (5) mit Verbrennungsluft, mittels eines an einer Einmündungsstelle (59) in den Abgasstrom (3) mündenden Brenners (57), mit: – Abzweigen eines Sekundärluftmassenstroms (55) an einer Abzweigstelle (51) der Frischluftleitung (45) stromabwärts der Druckluftquelle (49) und stromabwärts eines der Druckluftquelle (49) nachgeschalteten Ladeluftkühlers (33) in den Brenner (57) zur Versorgung des Brenners (57) mit Verbrennungsluft.
Vorrichtung (1) zum Einstellen eines Zustandes eines Abgasstroms (3) einer Brennkraftmaschine (5) eines Kraftfahrzeuges (7), mit: – einem an einer Einmündungsstelle (59) in den Abgasstrom (3) mündenden Brenner (57), – einer Druckluftquelle (49) zum Erzeugen eines Luftmassenstroms zum Versorgen der Brennkraftmaschine (5) und des Brenners (57) mit Verbrennungsluft, eingerichtet, ausgelegt und/oder konstruiert zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.