DE102009043087A1 - Brennkraftmaschine mit Sekundärluftzuführung sowie ein Verfahren zum Betreiben dieser - Google Patents

Brennkraftmaschine mit Sekundärluftzuführung sowie ein Verfahren zum Betreiben dieser Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere Dieselmotor, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einer Verbrennungslufanlage (14), welche Verbrennungsluft zu Arbeitszylindern (12) der Brennkraftmaschine führt, und einer Abgasanalge (16), welche Abgas von den Arbeitszylindern (12) der Brennkraftmaschine abführt, wobei die Abgasanlage (16) einen Katlysator (26) sowie stromab von diesem einen Partikelfilter (24), insbesondere Dieselpartikelfilter, aufweist, wobei mindestens eine Sekundärluftleitung (30, 34) zum Zuführen von Sekundärluft in die Abgasanlage (16) derart ausgebildet und angeordnet ist, dass die Sekundärluftleitung (30, 34) stromab des Katalysators (26) und stromauf des Partikelfilters (24) in die Abgasanlage (16) mündet. Hierbei ist mindestens eine Sekundärluftleitung (30, 34) derart ausgebildet und angeordnet, dass diese von der Verbrennungsluftlanlage (14) abzweigt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere Dieselmotor, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einer Verbrennungsluftanlage, welche Verbrennungsluft zu Arbeitszylindern der Brennkraftmaschine führt, und einer Abgasanlage, welche Abgas von den Arbeitszylindern der Brennkraftmaschine abführt, wobei die Abgasanlage einen Katalysator sowie stromab von diesem einen Partikelfilter, insbesondere Dieselpartikelfilter, aufweist, wobei mindestens eine Sekundärluftleitung zum Zuführen von Sekundärluft in die Abgasanlage derart ausgebildet und angeordnet ist, dass die Sekundärluftleitung stromab des Katalysators und stromauf des Partikelfilters in die Abgasanlage mündet, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei Sekundärluft stromab eines Katalysators sowie stromauf eines Partikelfilters, insbesondere eines Dieselpartikelfilters, in eine Abgasanlage, welche Abgas von Arbeitszylindern der Brennkraftmaschine abführt, mittels einer Sekundärluftleitung eingeleitet wird, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 10.
  • Zur Regeneration eines Partikelfilters bei Dieselmotoren ist es derzeit üblich, dass der Motor „verstimmt” wird. Dazu wird der Motor derart betrieben, dass die zum Rußabbrand notwendige Abgastemperatur erreicht wird. Maßnahmen hierfür sind beispielsweise Ansaugluftdrosselung, Abgasrückführung (AGR, ungekühlte Hochdruck-AGR), Angelagerte und späte Nacheinspritzung, Spätverstellung der Haupteinspritzung, Zuschaltung elektrischer Verbraucher zur Lastanhebung. Hieraus ergeben sich die folgenden Nachteile, Ölverdünnung, hoher Kraftstoffverbrauch, mangelhafte Momentenneutralität, Emissionsnachteile, schwierige Kontrolle des Regenerationsprozesses (DPF-Zerstörung), geringe Sicherheitsreserven für die Regelung. Bei geringer Last bzw. kaltem Motor kann die notwendige Regenerationstemperatur nicht immer sicher erreicht werden.
  • Aus der gattungsgemäßen DE 103 45 986 A1 ist eine Abgasanlage mit Katalysatoreinrichtung und einem nachgeschalteten Russfilter (DPF) für Verbrennungsmotoren bekannt, wobei zwischen Katalysatoreinrichtung und DPF eine Zuführungsanordnung für Zusatzluft in die Abgasanlage mündet. Hierdurch soll die Funktion des DPF mit geringem Aufwand verbessert werden. Die Zusatzluft wird aus einer Druckluftanlage entnommen. Hierdurch kann die Zusatzluft mit einem höheren Druck als der Abgasdruck in die Abgasanlage eingeleitet werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren der o. g. Art hinsichtlich der Regeneration des DPF sowie des Betriebes der Brennkraftmaschine zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Brennkraftmaschine der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen und durch ein Verfahren der o. g. Art mit den in Anspruch 10 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
  • Bei einer Brennkraftmaschine der o. g. Art ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass mindestens eine Sekundärluftleitung derart ausgebildet und angeordnet ist, dass diese von der Verbrennungsluftanlage abzweigt.
  • Dies hat den Vorteil, dass dem Katalysator und dem Partikelfilter unterschiedliche Werte für ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ zur Verfügung gestellt werden können und dadurch der Partikelfilter ohne Verstellung des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine regeneriert werden kann, wobei gleichzeitig die Sekundärluftzuführung als Abgasrückführung nutzbar ist. Dadurch können Bauteile eingespart werden, da auf eine zusätzliche Abgasrückführungs-Leitung (AGR-Leitung) verzichtet werden kann.
  • Eine Sekundärluftzuführung mit hohem Druck erzielt man dadurch, dass mindestens eine Sekundärluftleitung von der Verbrennungsluftanlage stromab eines Verdichters eines Abgasturboladers abzweigt und in die Abgasanlage stromab einer Turbine des Abgasturboladers einmündet.
  • Einen Zusatznutzen der Sekundärluftleitung wahlweise auch für eine Niederdruck-Abgasrückführung (ND-AGR) erzielt man dadurch, dass mindestens eine Sekundärluftleitung von der Verbrennungsluftanlage stromauf eines Verdichters eines Abgasturboladers abzweigt und in die Abgasanlage stromab einer Turbine des Abgasturboladers einmündet.
  • Einen Zusatznutzen der Sekundärluftleitung wahlweise auch für eine Hochdruck-Abgasrückführung (HD-AGR) erzielt man dadurch, dass mindestens eine Sekundärluftleitung von der Verbrennungsluftanlage stromab eines Verdichters eines Abgasturboladers abzweigt und in die Abgasanlage stromauf einer Turbine des Abgasturboladers einmündet.
  • Unterschiedliche Entnahmestellen und Einleitungsstellen für die Sekundärluft werden dadurch möglich, dass mindestens zwei Sekundärluftleitungen vorgesehen sind.
  • Zum Erzeugen eines erforderlichen Druckes für die Zuführung der Sekundärluft ist in mindestens einer Sekundärluftleitung eine Sekundärluftpumpe angeordnet.
  • Um den Katalysator möglichst nahe an einem Motorblock der Brennkraftmaschine anzuordnen, ist der Katalysator stromauf oder stromab einer Turbine eines Abgasturboladers angeordnet.
  • Eine Aufteilung von verschiedenen Katalysatorfunktionen an unterschiedliche Stellen in der Abgasanlage wird dadurch erzielt, dass der Katalysator zweiteilig ausgebildet ist, wobei ein erster Teil des Katalysators in der Abgasanlage stromauf einer Turbine eines Abgasturboladers und ein zweiter Teil des Katalysators stromab der Turbine des Abgasturboladers angeordnet ist.
  • Zum Steuern der Strömungsrichtung und Strömungsmenge durch die Sekundärluftleitung ist in mindestens einer Sekundärluftleitung ein Schaltventil angeordnet.
  • Bei einem Verfahren der o. g. Art ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Sekundärluft von der Sekundärluftleitung aus einer Verbrennungsluftanlage, welche Verbrennungsluft zu Arbeitszylindern der Brennkraftmaschine führt, entnommen wird.
  • Dies hat den Vorteil, dass dem Katalysator und dem Partikelfilter unterschiedliche Werte für ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ zur Verfügung gestellt werden können und dadurch der Partikelfilter ohne Verstellung des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine regeneriert werden kann, wobei gleichzeitig die Sekundärluftzuführung als Abgasrückführung nutzbar ist. Dadurch können Bauteile eingespart werden, da auf eine zusätzliche Abgasrückführungs-Leitung (AGR-Leitung) verzichtet werden kann.
  • Dadurch, dass in vorbestimmten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine über die Sekundärluftleitung Abgas aus der Abgasanlage entnommen und der Verbrennungsluftanlage zugeführt wird, dient die Sekundärluftzuführung gleichzeitig zur Abgasrückführung.
  • Für verschiedenen Schaltstrategien wird die Sekundärluft kontinuierlich oder diskontinuierlich, insbesondere gepulst, eingeleitet.
  • Eine Sekundärluftzuführung mit hohem Druck erzielt man dadurch, dass Sekundärluft stromab eines Verdichters eines Abgasturboladers aus der Verbrennungsluftanlage entnommen und stromab einer Turbine des Abgasturboladers in die Abgasanlage eingeleitet wird.
  • Einen Zusatznutzen der Sekundärluftzuführung wahlweise auch für eine Niederdruck-Abgasrückführung (ND-AGR) erzielt man dadurch, dass über die Sekundärluftleitung wahlweise in Abhängigkeit von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine Sekundärluft stromauf eines Verdichters eines Abgasturboladers aus der Verbrennungsluftanlage entnommen und stromab einer Turbine des Abgasturboladers in die Abgasanlage eingeleitet wird oder Abgas stromab der Turbine aus der Abgasanlage entnommen und stromauf des Verdichters in die Verbrennungsluftanlage eingeleitet wird.
  • Einen Zusatznutzen der Sekundärluftzuführung wahlweise auch für eine Hochdruck-Abgasrückführung (HD-AGR) erzielt man dadurch, dass über die Sekundärluftleitung wahlweise in Abhängigkeit von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine Sekundärluft stromab eines Verdichters eines Abgasturboladers aus der Verbrennungsluftanlage entnommen und stromauf einer Turbine des Abgasturboladers in die Abgasanlage eingeleitet wird oder Abgas stromauf der Turbine aus der Abgasanlage entnommen und stromab des Verdichters in die Verbrennungsluftanlage eingeleitet wird.
  • Zur Regeneration des Partikelfilters wird die Menge der in die Abgasanlage eingeleiteten Sekundärluft derart gewählt, dass ein Lambdawert für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Partikelfilter λDPF einen Wert von 1 < λDPF < x aufweist, wobei 1,4 ≥ x ≥ 1, insbesondere 1,4 ≥ x ≥ 1,005, ist. Hierdurch ist sichergestellt, dass die Regeneration sicher abläuft, ohne eine Abgastemperatur von 550°C im Partikelfilter zu unterschreiten.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in
  • 1 eine erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung,
  • 2 eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung,
  • 3 eine dritte bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung,
  • 4 eine vierte bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung,
  • 5 eine fünfte bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung,
  • 6 eine sechste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung und
  • 7 eine siebte bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung.
  • Die in 1 dargestellte, bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, beispielsweise eines Dieselmotors, umfasst einen Motorblock 10, in dem Arbeitszylinder 12 angeordnet sind, eine Verbrennungsluftanlage 14, die Verbrennungsluft zu den Arbeitszylindern 12 führt, und eine Abgasanlage 16, die Abgas von den Arbeitszylindern 12 abführt. Die Verbrennungsluftanlage 14 weist einen Verdichter 18 eines Abgasturboladers 20 und einen Ladeluftkühler 22 auf. Die Abgasanlage 16 weist einen Partikelfilter 24, insbesondere einen Dieselpartikelfilter, einen Katalysator 26 und eine Turbine 28 des Abgasturboladers 20 auf. Eine erste Sekundärluftleitung 30 zweigt von der Verbrennungsluftanlage 14 stromauf des Verdichters 18 ab und mündet stromab der Turbine 28 in die Abgasanlage 16. In der ersten Sekundärluftleitung 30 ist eine Sekundärluftpumpe 32 angeordnet. Mittels dieser ersten Sekundärluftleitung 30 wird wahlweise Sekundärluft in die Abgasanlage 16 stromab des Katalysators 26 und stromauf des Partikelfilters 24 eingeleitet. Auf diese Weise kann bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine im unterstöchiometrischen Betrieb, d. h. im Katalysator 26 herrscht ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ ≤ 1, durch die Einleitung von Sekundärluft im Partikelfilter 24 ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ > 1 eingestellt werden, so dass der Partikelfilter 24 regeneriert wird. Es ist nicht mehr erforderlich, die gesamte Brennkraftmaschine im überstöchiometrischen Zustand zu betreiben. Die Sekundärluftpumpe 32 steuert die Menge der über die erste Sekundärluftleitung 30 an die Abgasanlage 16 geleiteten Sekundärluft.
  • Weiterhin ist eine zweite Sekundärluftleitung 34 vorgesehen, die von der Verbrennungsluftanlage 14 stromab des Verdichters 18 abzweigt und stromauf der Turbine 28 in die Abgasanlage 16 einmündet. Mittels dieser zweiten Sekundärluftleitung 34 wird, analog wie mit der ersten Sekundärluftleitung, wahlweise Sekundärluft in die Abgasanlage 16 stromab des Katalysators 26 und stromauf des Partikelfilters 24 eingeleitet. Auf diese Weise kann bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine im unterstöchiometrischen Betrieb, d. h. im Katalysator 26 herrscht ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ ≤ 1, durch die Einleitung von Sekundärluft im Partikelfilter 24 ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ > 1 eingestellt werden, so dass der Partikelfilter 24 regeneriert wird. Es ist nicht mehr erforderlich, die gesamte Brennkraftmaschine im überstöchiometrischen Zustand zu betreiben. Ein in der zweiten Sekundärluftleitung 34 angeordnetes Ventil 36 steuert die Menge der über die zweite Sekundärluftleitung 34 an die Abgasanlage 16 geleiteten Sekundärluft.
  • Die Turbine 28 ist in der Abgasanlage 16 zwischen dem Katalysator 26 und dem Partikelfilter angeordnet und der Katalysator 26 ist in der Abgasanlage stromauf des Partikelfilters sowie nahe am Motorblock 10 angeordnet.
  • Durch die Anordnung der ersten Sekundärluftleitung 30 ist es möglich, diese auch für eine Niederdruck-Abgasrückführung (ND-AGR) zu nutzen. Hierbei wird der Abgasanlage 16 stromab des Katalysators 26 und stromauf des Partikelfilters 24 Abgas entnommen und stromauf des Verdichters 18 in die Verbrennungsluftanlage 14 eingeleitet. Das rückgeführte Abgas strömt dabei in umgekehrter Richtung durch die erste Sekundärluftleitung 30 wie die Sekundärluft. Hierbei ist ein Kontakt der Sekundärluftpumpe 32 mit dem Abgas durch entsprechende Maßnahmen, wie beispielsweise eine Bypassleitung mit Ventil (nicht dargestellt), zu vermeiden.
  • Durch die Anordnung der zweiten Sekundärluftleitung 34 ist es möglich, diese auch für eine Hochdruck-Abgasrückführung (HD-AGR) zu nutzen. Hierbei wird der Abgasanlage 16 stromauf der Turbine 28 Abgas entnommen und stromab des Verdichters 18 in die Verbrennungsluftanlage 14 eingeleitet. Das rückgeführte Abgas strömt dabei in umgekehrter Richtung durch die zweite Sekundärluftleitung 34 wie die Sekundärluft.
  • Insgesamt haben beide Sekundärluftleitungen 30 und 34 einen Doppelnutzen, zum einen als Sekundärluftzuführung und zum anderen als Abgasrückführung. Gleichzeitig ermöglichen die beiden Sekundärluftleitungen 30 und 34 eine temporäre Regeneration des Partikelfilters 24 durch ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ > 1 im Partikelfilter 24 unabhängig von momentanen Betriebszustand der Brennkraftmaschine.
  • Bei der in 2 dargestellten, zweiten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind funktionsgleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen, wie in 1, so dass zu deren Erläuterung auf die obige Beschreibung der 1 verwiesen wird. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform gemäß 1 ist bei der zweiten Ausführungsform gemäß 2 lediglich die zweite Sekundärluftleitung 34 vorgesehen.
  • Bei der in 3 dargestellten, dritten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind funktionsgleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen, wie in 1, so dass zu deren Erläuterung auf die obige Beschreibung der 1 verwiesen wird. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform gemäß 1 ist bei der dritten Ausführungsform gemäß 2 lediglich die erste Sekundärluftleitung 30 vorgesehen.
  • Bei der in 4 dargestellten, vierten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind funktionsgleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen, wie in 1 und 3, so dass zu deren Erläuterung auf die obige Beschreibung der 1 und 3. verwiesen wird. Im Unterschied zur dritten Ausführungsform gemäß 3 ist bei der vierten Ausführungsform gemäß 4 der Katalysator 26 stromab der Turbine 28 in der Abgasanlage 16 angeordnet.
  • Bei der in 5 dargestellten, fünften bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind funktionsgleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen, wie in 1, 3 und 4, so dass zu deren Erläuterung auf die obige Beschreibung der 1, 3 und 4 verwiesen wird. Im Unterschied zur vierten Ausführungsform gemäß 4 ist bei der fünften Ausführungsform gemäß 5 zusätzlich zum Katalysator 26 stromab der Turbine 28 ein zweiter Katalysator 38 stromauf der Turbine 28 in der Abgasanlage 16 angeordnet. Dieser zweite Katalysator 38 ist beispielsweise als Kat-Monolith, als mindestens ein Portliner-Katalystor im Kanal und/oder Krümmer, oder als Kombination aus Kat-Monolith und mindestens einem Portliner-Katalystor im Kanal und/oder Krümmer ausgebildet. Auch der zweite Katalysator 38 erhält bei einem entsprechenden Betriebszustand der Brennkraftmaschine im unterstöchiometrischen Betrieb ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ < 1 und unabhängig davon kann mittels der Sekundarluft im Partikelfilter 24 ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ ≥ 1 eingestellt werden, so dass der Partikelfilter 24 unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine temporär regeneriert wird.
  • Bei der in 6 dargestellten, sechsten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind funktionsgleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen, wie in 1, so dass zu deren Erläuterung auf die obige Beschreibung der 1 verwiesen wird. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform gemäß 1 ist bei der sechsten Ausführungsform gemäß 6 der Katalysator 26 stromab der Turbine 28 in der Abgasanlage 16 angeordnet und die zweite Sekundärluftleitung 34 mündet stromab der Turbine 28 zwischen dem Partikelfilter 24 und dem Katalysator 26 in die Abgasanlage 16. In dieser Ausführungsform ist eine Abgasrückführung lediglich über die erste Sekundärluftleitung 30 vorgesehen (ND-AGR). Über die zweite Sekundärluftleitung 34 erfolgt keine Abgasrückführung.
  • Bei der in 7 dargestellten, siebten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind funktionsgleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen, wie in 1 und 6, so dass zu deren Erläuterung auf die obige Beschreibung der 1 und 6 verwiesen wird. Im Unterschied zur sechsten Ausführungsform gemäß 6 ist bei der siebten Ausführungsform gemäß 7 zusätzlich zum Katalysator 26 stromab der Turbine 28 ein zweiter Katalysator 38 stromauf der Turbine 28 in der Abgasanlage 16 angeordnet. Auch der zweite Katalysator 38 erhält bei einem entsprechenden Betriebszustand der Brennkraftmaschine im unterstöchiometrischen Betrieb ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ ≤ 1 und unabhängig davon kann mittels der Sekundärluft im Partikelfilter 24 ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ > 1 eingestellt werden, so dass der Partikelfilter 24 unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine temporär regeneriert wird. Der Katalysator 26 ist stromab der Turbine 28 in der Abgasanlage 16 angeordnet und die zweite Sekundärluftleitung 34 mündet stromab der Turbine 28 zwischen dem Partikelfilter 24 und dem Katalysator 26 in die Abgasanlage 16. In dieser Ausführungsform ist eine Abgasrückführung lediglich über die erste Sekundärluftleitung 30 vorgesehen (ND-AGR). Über die zweite Sekundärluftleitung 34 erfolgt keine Abgasrückführung.
  • Die nachfolgenden, weiteren Ausführungen gelten für alle zuvor beschriebenen Ausführungsformen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise bei einer Diesel-Brennkraftmaschine gezielt zur temporären Regeneration des Dieselpartikelfilters 24 genutzt werden, wenn die Brennkraftmaschine in der Regel im überstöchiometrischen konventionellen Dieselbetrieb betrieben wird. Die Regeneration des Partikelfilters 24 kann jedoch auch permanent sichergestellt werden, wenn der Motor dauerhaft im λ ≤ 1-Betrieb betrieben wird.
  • Die dieselmotorische Verbrennung wird bei stöchiometrischem Luftverhältnis geführt (λ = 1). Das Abgas wird durch den Katalysator 26 geführt, der gleichzeitig NOx reduziert und HC/CO oxidiert, analog einem 3-Wege-Katalysator eines Ottomotors. Dem Katalysator 26 nachgeschaltet ist der Dieselpartikelfilter (DPF) 24 zur Filterung der Partikel, die insbesondere im λ = 1-Betrieb vermehrt entstehen. Sekundärluft wird zwischen Katalysator 26 und DPF 24 zugeführt. Damit kann dem DPF 24 ein Sauerstoffüberschuss angeboten werden, der die Regeneration verbessert bzw. ermöglicht. Durch λ = 1 ergeben sich hohe Abgastemperaturen und damit ein schnelles und sicheres Aufheizen des DPF 24. Es ist eine Trennung des λ-Wertes über den Katalysator 26 von dem λ-wert über den DPF 26 mittels der Sekundärluftzufuhr in dem Sinne möglich, dass das Abgas im DPF 26 magerer ist als der Gasstrom durch die Brennkraftmaschine und den Katalysator 24. Im Motor und dem Katalysator herrscht beispielsweise λ = 1 und im DPF 26 herrscht ein λ > 1.
  • Der Sekundärluftstrom wird kontinuierlich oder gepulst zugeführt und es sind ggf. ein Mischer zur Homogenisierung von Sekundärluft und Abgasstrom sowie Hilfsmittel für eine gleichmäßige Verteilung der Sekundärluft im Abgasstrom vorgesehen.
  • Die Sekundärluft ist steuerbar über ein Ventil, wie beispielsweise das Ventil 36 in der zweiten Sekundärluftleitung 34 steuerbar. Durch die Abnahme der Sekundärluft nach dem Verdichter 18 und/oder durch die Sekundärluftpumpe 32 ist ein ausreichendes Druckgefälle für die Sekundärluftzuführung sichergestellt.
  • Durch eine gezielte Steuerung/Regelung des Sekundärluftstroms wird die Regeneration des Partikelfilters 24 gezielt beeinflusst. Es können ein SCR-Katalysator bzw. NOx-Speicherkatalysator und deren Haltbarkeitsprobleme entfallen. Weiterhin kann die Einleitung eines weiteren Betriebsstoffes zur Regeneration des Partikelfilters 24 entfallen.
  • Der Katalysator 26 nach dem Motorblock 10 und vor der Sekundärluftzuführung weist bevorzugt eine 3-Wege Funktion auf. Zumindest kann er bei stöchiometrischem oder leicht fettem Betrieb NOx zu N2 und O2 reduzieren. Optional ist ein Teil oder der gesamten Katalysator 26 vor die Turbine 28 verlegt (vgl. 1 bis 3, 5 und 7). Ein weiterer Katalysator (nicht dargestellt) ist optional nach der Sekundärluftzuführung und vor dem Partikelfilter 24 als Oxidationskatalysator für CO und HC in die Abgasanlage 16 integriert. Alternativ ist ein DPF 24 mit Oxidationskatalysator-Beschichtung vorgesehen.
  • Die zweite Sekundärluftleitung 34 entnimmt die Sekundärluft stromab des Verdichters 18 und vorzugsweise stromauf des Ladeluftkühlers 22. Zur Mengenregulierung der Sekundärluft ist in der zweiten Sekundärluftleitung 34 das Ventil 36 vorgesehen. Um in der Leitung 30 ein positives Druckgefälle für den Sekundärluftstrom in Richtung Abgasanlage 16 zu erzwingen, ist die Sekundärluftpumpe 32 vorsehen. Die Sekundärluftpumpe 32 kann durch ein in der Leitung 30 verbautes Rückschlagventil (nicht dargestellt) vor Schäden durch rückströmendes Abgas geschützt werden, wenn beispielsweise durch eine Fehlfunktion ein Zumessventil (nicht dargestellt) offen bleibt, obwohl die Druckverhältnisse zu einem Rückströmen von Abgas führen würden.
  • Die zweite Sekundärluftleitung 34 wird außer bei der sechsten und siebten Ausführungsform (6 und 7) doppelt genutzt, nämlich zusätzlich als AGR-Leitung (Hochdruck-AGR, Durchströmungsrichtung rückwärts). Die erste Sekundärluftleitung 30 wird bei Durchströmungsrichtung rückwärts als AGR-Leitung (Niederdruck-AGR) verwendet. Es ist ebenfalls ein schaltbares Ventil vorzusehen. Die Sekundärluftpumpe 32 wird vorzugsweise durch ein schaltbares Ventil vor der Durchströmung mit Abgas geschützt. Alternativ sind (ungesteuerte) Rückschlagventile vorgesehen.
  • Folgende verschiedene Schaltstrategien für den λ = 1-Betrieb sind alternativ oder in Kombination realisierbar.
    • (1) Eine kontinuierliche Sekundärluftzufuhr für eine kontinuierliche Regeneration. Ein Lambdawert für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Partikelfilter 24 λDPF hat einen Wert von 1 < λDPF < x, wobei x derart gewählt wird, dass die Regeneration sicher abläuft, ohne eine Abgastemperatur von 550°C im Partikelfilter 24 zu unterschreiten. Beispielsweise hat x einen Wert von 1,4 ≥ x ≥ 1, insbesondere 1,4 ≥ x ≥ 1,005.
    • (2) Eine gepulste Sekundärluftzufuhr für eine diskontinuierliche Regeneration. Ein Lambdawert für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Partikelfilter 24 λDPF hat einen Wert von 1 < λDPF < x, wobei x derart gewählt wird, dass die Regeneration sicher abläuft, ohne eine Abgastemperatur von 550°C im Partikelfilter 24 zu unterschreiten. Beispielsweise hat x einen Wert von 1,4 ≥ x ≥ 1, insbesondere 1,4 ≥ x ≥ 1,005.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10345986 A1 [0003]

Claims (17)

  1. Brennkraftmaschine, insbesondere Dieselmotor, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einer Verbrennungsluftanlage (14), welche Verbrennungsluft zu Arbeitszylindern (12) der Brennkraftmaschine führt, und einer Abgasanlage (16), welche Abgas von den Arbeitszylindern (12) der Brennkraftmaschine abführt, wobei die Abgasanlage (16) einen Katalysator (26) sowie stromab von diesem einen Partikelfilter (24), insbesondere Dieselpartikelfilter, aufweist, wobei mindestens eine Sekundärluftleitung (30, 34) zum Zuführen von Sekundärluft in die Abgasanlage (16) derart ausgebildet und angeordnet ist, dass die Sekundärluftleitung (30, 34) stromab des Katalysators (26) und stromauf des Partikelfilters (24) in die Abgasanlage (16) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Sekundärluftleitung (30, 34) derart ausgebildet und angeordnet ist, dass diese von der Verbrennungsluftanlage (14) abzweigt.
  2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Sekundärluftleitung (34) von der Verbrennungsluftanlage (14) stromab eines Verdichters (18) eines Abgasturboladers (20) abzweigt und in die Abgasanlage (16) stromab einer Turbine (28) des Abgasturboladers (20) einmündet.
  3. Brennkraftmaschine nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Sekundärluftleitung (30) von der Verbrennungsluftanlage (14) stromauf eines Verdichters (18) eines Abgasturboladers (20) abzweigt und in die Abgasanlage (16) stromab einer Turbine (28) des Abgasturboladers (20) einmündet.
  4. Brennkraftmaschine nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Sekundärluftleitung (34) von der Verbrennungsluftanlage (14) stromab eines Verdichters (18) eines Abgasturboladers (20) abzweigt und in die Abgasanlage (16) stromauf einer Turbine (28) des Abgasturboladers (20) einmündet.
  5. Brennkraftmaschine nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Sekundärluftleitungen (30, 34) vorgesehen sind.
  6. Brennkraftmaschine nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einer Sekundärluftleitung (30) eine Sekundärluftpumpe (32) angeordnet ist.
  7. Brennkraftmaschine nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (26) stromauf oder stromab einer Turbine (28) eines Abgasturboladers (20) angeordnet ist.
  8. Brennkraftmaschine nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator zweiteilig ausgebildet ist, wobei ein erster Teil (38) des Katalysators in der Abgasanlage (16) stromauf einer Turbine (28) eines Abgasturboladers (20) und ein zweiter Teil (26) des Katalysators stromab der Turbine (28) des Abgasturboladers (20) angeordnet ist.
  9. Brennkraftmaschine nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einer Sekundärluftleitung (34) ein Schaltventil (36) angeordnet ist.
  10. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei Sekundärluft stromab eines Katalysators sowie stromauf eines Partikelfilters, insbesondere eines Dieselpartikelfilters, in eine Abgasanlage, welche Abgas von Arbeitszylindern der Brennkraftmaschine abführt, mittels einer Sekundärluftleitung eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärluft von der Sekundärluftleitung aus einer Verbrennungsluftanlage, welche Verbrennungsluft zu Arbeitszylindern der Brennkraftmaschine führt, entnommen wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in vorbestimmten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine über die Sekundärluftleitung Abgas aus der Abgasanlage entnommen und der Verbrennungsluftanlage zugeführt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärluft kontinuierlich oder diskontinuierlich, insbesondere gepulst, eingeleitet wird.
  13. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Sekundärluft stromab eines Verdichters eines Abgasturboladers aus der Verbrennungsluftanlage entnommen und stromab einer Turbine des Abgasturboladers in die Abgasanlage eingeleitet wird.
  14. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass über die Sekundärluftleitung wahlweise in Abhängigkeit von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine Sekundärluft stromauf eines Verdichters eines Abgasturboladers aus der Verbrennungsluftanlage entnommen und stromab einer Turbine des Abgasturboladers in die Abgasanlage eingeleitet wird oder Abgas stromab der Turbine aus der Abgasanlage entnommen und stromauf des Verdichters in die Verbrennungsluftanlage eingeleitet wird.
  15. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass über die Sekundärluftleitung wahlweise in Abhängigkeit von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine Sekundärluft stromab eines Verdichters eines Abgasturboladers aus der Verbrennungsluftanlage entnommen und stromauf einer Turbine des Abgasturboladers in die Abgasanlage eingeleitet wird oder Abgas stromauf der Turbine aus der Abgasanlage entnommen und stromab des Verdichters in die Verbrennungsluftanlage eingeleitet wird.
  16. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regeneration des Partikelfilters die Menge der in die Abgasanlage eingeleiteten Sekundärluft derart gewählt wird, dass ein Lambdawert für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Partikelfilter λDPF einen Wert von 1 < λDPF < x aufweist, wobei 1,4 ≥ x ≥ 1, insbesondere 1,4 ≥ x ≥ 1,005, ist.
  17. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist.
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