DE102009046370B4 - Verfahren und Anordnung zur Abgasrückführung bei einem Verbrennungsmotor - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Abgasrückführung bei einem Verbrennungsmotor (1), der einen Abgas-Turbolader (2) aufweist, wobei stromabwärts einer Turbine (4) des Abgas-Turboladers (2) das rückzuführende Abgas einen Kondensatabscheider (10) durchläuft und das vom Kondensat gereinigte rückzuführende Abgas einem Kompressor (3) des Turboladers zugeführt wird, wobei das Kondensat stromabwärts des Kompressors (3) einer Luftzuführung (5) des Verbrennungsmotors (1) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Kondensat in einem Tank (15) gesammelt und der Luftzuführung (5) in Abhängigkeit von Betriebsparametern zugeführt wird, wobei die Menge des der Luftzuführung (5) zugeführten Kondensats in Abhängigkeit vom Taupunkt des dem Verbrennungsmotor (1) zugeführten Luft-Abgasgemischs gesteuert wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Abgasrückführung bei einem Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
  • Verfahren und Anordnungen zur Abgasrückführung werden seit langem bei Verbrennungsmotoren eingesetzt, um Wirkungsgrad und Umweltverträglichkeit zu verbessern. Insbesondere bei Dieselmotoren ist die Rückführung von Abgas zur Verringerung der Partikel- und Stickoxidemission bekannt.
  • Bei einem Verbrennungsmotor mit einem Turbolader kann gemäß einem bekannten Verfahren Abgas vor der Turbine des Turboladers entnommen und der Ladeluft des Motors stromabwärts des Kompressors des Turboladers, insbesondere stromabwärts des diesem in der Regel nachgeschalteten Ladeluftkühlers, zugeführt werden. Bei dieser Art der Abgasrückführung befindet sich der Abgaskreislauf im Hochdruck- und Hochtemperaturbereich des Motors, so dass darin üblicherweise kein Abgaskondensat entsteht. Eine solche Hochdruckabgasrückführung weist jedoch einige gravierende Nachteile auf, beispielsweise bei Dieselmotoren eine relativ hohe Partikelemission.
  • Gemäß einem anderen Verfahren ist es bekannt, stromabwärts der Turbine des Turboladers Abgas zu entnehmen und stromaufwärts des Kompressors des Turboladers der angesaugten Ladeluft zuzuführen. Bei einer solchen Niederdruckabgasrückführung bildet sich jedoch auf Grund der Abkühlung des zurückgeführten Abgases ein Kondensat, das in erster Linie Wasser, aber auch aggressive Verbindungen wie Salpetersäure, Schwefelsäure oder schweflige Säure, enthält. Weiterhin enthält das Kondensat Feststoffe in Form von Partikeln, die in erster Linie aus der Partikelemission des Motors stammen. Zweigt man das rückzuführende Abgas stromabwärts eines Abgasnachbehandlungssystems ab, das unter anderem einen Partikelfilter enthalten kann, so läßt sich der Partikelgehalt des Kondensats verringern. Dennoch enthält das Kondensat auch in diesem Fall noch Restpartikel sowie Partikel aus dem Abgassystem, die sich beispielsweise aus dem Partikelfilter oder aus anderen Komponenten des Abgasnachbehandlungssystems sowie aus den durchströmten Rohrleitungen durch Verschleiß oder durch chemische oder mechanische Einflüsse lösen können. Die letztgenannten Partikel werden im Folgenden ebenfalls unter dem Begriff des Kondensats verstanden, obwohl sie zumindest teilweise einen anderen Ursprung und/oder eine andere Zusammensetzung haben als die flüssigen oder festen Abgasbestandteile, die durch Kondensation oder direkt im Verbrennungsraum entstehen.
  • Gelangt nun das in Tröpfchen- oder Partikelform im Abgas mitgeführte Kondensat durch die stromaufwärts des Kompressors erfolgende Beimischung zur Ladeluft in den Kompressor, so können sowohl die Tröpfchen als auch die Partikel aufgrund der sehr hohen Geschwindigkeiten der Kompressorschaufeln diese beschädigen.
  • In der DE 10 2005 023 958 A1 wird deshalb vorgeschlagen, das rückgeführte Abgas durch einen Kondensatabscheider zu führen und dadurch den korrosiven Anteil des Abgases aus dem Abgasstrom zu entfernen. Zur Entsorgung des Kondensats ist ein thermisches Verfahren vorgesehen, wodurch die im Kondensat enthaltenen Säuren in ungefährliche Gase und Wasser umgewandelt werden, die stromabwärts der Abzweigung des rückzuführenden Abgases dem Hauptstrom des Abgases beigegeben und über den Auspuff an die Umgebung abgegeben werden. Die thermische Kondensatentsorgung erfolgt in einer mehrstufigen Vorrichtung, worin mit Hilfe eines Heizelements bei einer Temperatur von bis zu 450°C aggressive Substanzen verdampft und durch chemische Reaktionen zersetzt werden. Hiermit ist ein vergleichsweise hoher apparativer Aufwand verbunden, zudem kann bei einer unzureichenden Erwärmung der notwendigen Heizkörper die Abgabe schädlicher Säuren an die Umgebung nicht verhindert werden.
  • In der DE 10 2005 048 911 A1 wird eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader und einer Abgasrückführung beschrieben, wobei ein Kondensatabscheider das im Abgaskühler entstehende Kondensat auffängt und abführt. Eine weitere Verwendung des Kondensats ist nicht vorgesehen.
  • In der Druckschrift WO 2008/115330 A1 ist ein Verbrennungsmotor offenbart, der mit direkt eingespritztem reinem oder nahezu reinem Sauerstoff arbeitet, der von einem Sauerstoffgenerator abgegeben wird. Aus einem rückgeführten Abgasstrom abgeschiedenes Kondensat wird direkt in den Brennraum des Motors eingespritzt.
  • In der US 2009/0205326 A1 wird ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem Abgasturbolader beschrieben, wobei ein Abgasrückführungsstrom aus einem Abgasstrom abgezweigt und stromaufwärts eines Kompressors des Abgasturboladers dem Luftstrom zugeführt wird. Dabei wird flüssiges Kondensat aus dem Abgasrückführungsstrom abgeschieden und einer Lufteinlassleitung des Verbrennungsmotors zugeführt. Das zugeführte flüssige Kondensat kann jedoch nicht unter allen Betriebsbedingungen optimal verwertet werden.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Anordnung zur Abgasrückführung bei einem Verbrennungsmotor anzugeben, wobei die oben genannten Nachteile nicht auftreten.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung sowie durch eine Anordnung wie in den unabhängigen Ansprüchen angegeben gelöst.
  • Erfindungsgemäß wird bei einem Verbrennungsmotor, der einen Turbolader aufweist, stromabwärts einer Turbine des Turboladers ein Teilstrom des Abgases abgezweigt. Dieser durchläuft einen Kondensatabscheider und wird stromaufwärts eines Kompressors des Turboladers der angesaugten Luft zugeführt. Das von dem Kondensatabscheider aus dem Abgas gewonnene Kondensat wird der Luftzuführung des Verbrennungsmotors, d. h. der Mischung aus angesaugter Luft und rückgeführtem Abgas, stromabwärts des Kompressors des Turboladers zugeführt.
  • Durch diese Maßnahmen wird erreicht, dass das rückgeführte Abgas weitgehend frei von Kondensattröpfchen ist und daher das Risiko einer Beschädigung der Kompressorschaufeln verringert oder gar vermieden wird. Da die im Abgas enthaltenen Partikel häufig als Kondensationskeime für die Kondensattröpfchen dienen, sind die Partikel oft in den Kondensattröpfchen eingeschlossen und werden daher im Kondensatabscheider mit abgeschieden. Aufgrund der Funktionsweise bekannter Kondensatabscheider werden aber auch Partikel, die nicht mit Kondensattröpfchen assoziiert sind, abgeschieden. Hierdurch wird die erfindungsgemäße Aufgabe vollständig gelöst. Darüber hinaus ermöglicht die Zuführung des Kondensats zur Ladeluft des Motors eine Verringerung der Stickoxidemission.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das in dem Kondensatabscheider abgeschiedene Kondensat einem Filter zur Abscheidung von Feststoffen zugeführt. Hierdurch können die Feststoffe aus dem Kondensat entfernt werden. Das der Luftzuführung des Motors zugeführte Kondensat besteht dadurch praktisch ausschließlich aus flüssigen Bestandteilen, insbesondere Wasser und wasserlöslichen organischen Verbindungen. Dies ermöglicht eine Zuführung ohne Gefahr der Verstopfung der Leitungen und eventueller weiterer Komponenten zur Handhabung des Kondensats, wie beispielsweise Pumpen oder Düsen, sowie eine weitere Verbesserung der Abgasqualität des Motors.
  • Die in dem Feststofffilter aus dem flüssigen Kondensat entfernten Feststoffe können aus diesem beispielsweise durch Spülen des Filters oder durch Wechseln eines Filtereinsatzes entfernt werden. Es kann aber auch der Filter selbst wechselbar ausgebildet sein. Für das Spülen oder das Wechseln können vorgegebene Intervalle bestimmt sein, oder die Intervalle zur Erneuerung des Filters können von den Betriebsparametern oder auch beispielsweise von der im Abgas enthaltenen oder im Filter angesammelten Menge an Feststoffen abhängig sein.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das flüssige Kondensat insbesondere direkt in die Luftzuführung des Motors eingespritzt. Hierdurch wird eine gleichmäßige Verteilung und eine gute Reaktionsfähigkeit der in dem flüssigen Kondensat enthaltenen Verbindungen gewährleistet, was eine weitere Verbesserung der Abgasqualität ermöglicht.
  • Erfindungsgemäß wird das flüssige Kondensat in einem Tank gesammelt und der Luftzuführung in Abhängigkeit von Betriebsparametern zugeführt. Solche Betriebsparameter können beispielsweise den Motor betreffen, insbesondere die Last- und Temperaturverhältnisse, aber auch die Abgasqualität und Zusammensetzung. Hierdurch kann erreicht werden, dass das flüssige Kondensat nur dann eingespritzt wird, wenn es bei der Verbrennung optimal verwertet werden kann.
  • Dabei wird die Einspritzmenge in Abhängigkeit vom Taupunkt des dem Motor zugeführten Luft-Abgasgemischs gesteuert. Hierdurch kann insbesondere verhindert werden, dass in der dem Motor zugeführten Luft übermäßige Kondensatmengen vorhanden sind.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Einspritzung des flüssigen Kondensats in Abhängigkeit von der Abgaszusammensetzung geregelt wird, insbesondere in Abhängigkeit vom Stickoxidgehalt (NOx). Hierfür können insbesondere Sensormittel zur Messung des aktuellen Stickoxidgehalts im Abgas vorgesehen sein, sowie Steuerungsmittel zur Regelung der Kondensateinspritzung. Hierdurch kann auf einfache Weise eine besonders effektive Verringerung der NOx-Emission erreicht werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Anteil des rückgeführten Abgases und/oder das Mischungsverhältnis zwischen angesaugter Luft und stromaufwärts des Kompressors zugeführtem Abgas einstellbar. Hierfür können regelbare bzw. automatisch oder manuell betätigbare Ventile an den entsprechenden Verzweigungen vorgesehen sein. Hierdurch lassen sich in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen stets optimale Verhältnisse der Abgasrückführung einstellen.
  • Weiterhin ist es bevorzugt, dass innerhalb des Abgassystems ein oder mehrere Abgasnachbehandlungssysteme vorhanden sind, die jeweils einen oder mehrere Oxidationskatalysatoren und/oder Partikelfilter und/oder Stickoxidfilter und/oder SCR-Katalysatoren (”Selective Catalytic Reduction”) enthalten können. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn ein erstes Abgasnachbehandlungssystem vorhanden ist, stromabwärts dessen das rückzuführende Abgas abgezweigt wird. Das erste Abgasnachbehandlungssystem enthält insbesondere einen Partikelfilter, der den Partikelgehalt des rückzuführenden Abgases reduziert. Entlang des Hauptabgasstroms, der zum Auspuff gelangt, kann ein weiteres Abgasnachbehandlungssystem vorgesehen sein, das zur weiteren Verbesserung der Abgasqualität dient.
  • Eine erfindungsgemäße Anordnung für die Abgasrückführung bei einem Verbrennungsmotor mit einem Turbolader umfaßt mindestens eine Abgasrückführungsleitung, die stromabwärts der Turbine von einer Hauptabgasleitung abzweigt und stromaufwärts des Kompressors des Turboladers in die Luftzuführung des Motors einmündet, und einen Kondensatabscheider zur Abscheidung von Kondensat aus dem rückgeführten Abgas, der an der Abgasrückführungsleitung angeordnet ist. Weiterhin ist erfindungsgemäß eine Kondensatleitung vorhanden, über die das abgeschiedene Kondensat in eine Ladeluftzuführung des Verbrennungsmotors stromabwärts des Kompressors eingespeist wird. Hierdurch kann bei einer Abgasrückführung verhindert werden, dass im rückgeführten Abgas enthaltenes Kondensat den Kompressor des Turboladers beschädigt.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Es zeigt:
  • 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung für die Abgasrückführung bei einem Verbrennungsmotor mit einem Turbolader.
  • Gemäß 1 ist ein Verbrennungsmotor 1, insbesondere ein Dieselmotor, mit einem Abgasturbolader 2 versehen, der einen Kompressor 3 und eine Turbine 4 besitzt. Die Turbine 4 wird vom Abgasstrom des Verbrennungsmotors 1 durchlaufen und dadurch angetrieben. Die Turbine 4 treibt den Kompressor 3 an, der dem Verbrennungsmotor 1 komprimierte Ladeluft über eine Luftzuführung 5 zuführt. Von der Turbine 4 des Turboladers 2 gelangt das Abgas durch eine Abgasleitung 6 in ein erstes Abgasnachbehandlungssystem 7, das beispielsweise einen Oxidationskatalysator, einen Partikelfilter, einen Stickoxidfilter und/oder einen SCR-Katalysator enthalten kann. Stromabwärts des ersten Abgasnachbehandlungssystems 7 zweigt von der Abgasleitung 6' eine Abgasrückführungsleitung 8 ab, durch die ein vorbestimmter oder mit Hilfe eines Ventils 9 einstellbarer Anteil des Abgases zu einem Kondensatabscheider 10 gelangt, der insbesondere als Trockner ausgebildet sein kann. Das von Kondensat gereinigte bzw. getrocknete Abgas wird über eine Abgasrückführungsleitung 8' zur Luftansaugleitung 11 geführt, wo das rückgeführte Abgas mit der angesaugten Luft vermischt und einlaufseitig dem Kompressor 3 des Turboladers 2 zugeführt wird. An der Einmündung der Abgasrückführungsleitung 8' in die Luftansaugleitung 11 kann ein Ventil 9' zur Einstellung des Mischungsverhältnisses von angesaugter Luft und rückgeführtem Abgas angeordnet sein.
  • Das vom Kondensatabscheider 10 vom rückzuführenden Abgas getrennte Kondensat enthält eine flüssige und eine feste Phase, nämlich Partikel. Die Mischung der flüssigen und der festen Phase gelangt über eine Kondensatleitung 12 zu einem Filter 13, der die feste Phase aus der Mischung entfernt. Die verbleibende flüssige Phase wird über eine Flüssigkeitsleitung 14 einem Tank 15 zugeführt. Aus dem Tank 15 kann das flüssige Kondensat über eine Leitung 14', 14'' von einer Pumpe 16 gefördert und über eine Einspritzvorrichtung 17, beispielsweise eine Einspritzdüse, der Ladeluft des Verbrennungsmotors 1 in der Luftzuführung 5 zugeführt werden. Für eine vorteilhafte Dosierung der Einspritzung kann in der Luftzuführung 5 eine Sensoreinrichtung (nicht dargestellt) angeordnet sein, die die Bestimmung des Taupunkts ermöglicht, so dass von einer Steuerungseinrichtung (nicht dargestellt) die Pumpe 16 und die Einspritzeinrichtung 17 und/oder die Ventile 9, 9' stets optimal angesteuert werden können.
  • Im weiteren Verlauf des Abgassystems ist ein weiteres Abgasnachbehandlungssystem 7' angeordnet, das einen Oxidationskatalysator, einen Partikelfilter, einen Stickoxidfilter und/oder einen SCR-Katalysator enthalten kann, und das vom Restabgas nach der Abzweigung des rückzuführenden Abgases durchlaufen wird. Schließlich wird das gereinigte Restabgas durch den Auspufftopf bzw. Schalldämpfer 18 geführt und an die Umgebung abgegeben.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Verbrennungsmotor
    2
    Abgas-Turbolader
    3
    Kompressor
    4
    Turbine
    5
    Luftzuführung
    6, 6'
    Abgasleitung
    7, 7'
    Abgasnachbehandlungssystem
    8, 8'
    Abgasrückführungsleitung
    9, 9'
    Ventil
    10
    Kondensatabscheider
    11
    Luftansaugleitung
    12
    Kondensatleitung
    13
    Filter
    14, 14', 14''
    Flüssigkeitsleitung
    15
    Tank
    16
    Pumpe
    17
    Einspritzvorrichtung
    18
    Schalldämpfer

Claims (9)

  1. Verfahren zur Abgasrückführung bei einem Verbrennungsmotor (1), der einen Abgas-Turbolader (2) aufweist, wobei stromabwärts einer Turbine (4) des Abgas-Turboladers (2) das rückzuführende Abgas einen Kondensatabscheider (10) durchläuft und das vom Kondensat gereinigte rückzuführende Abgas einem Kompressor (3) des Turboladers zugeführt wird, wobei das Kondensat stromabwärts des Kompressors (3) einer Luftzuführung (5) des Verbrennungsmotors (1) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Kondensat in einem Tank (15) gesammelt und der Luftzuführung (5) in Abhängigkeit von Betriebsparametern zugeführt wird, wobei die Menge des der Luftzuführung (5) zugeführten Kondensats in Abhängigkeit vom Taupunkt des dem Verbrennungsmotor (1) zugeführten Luft-Abgasgemischs gesteuert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das in dem Kondensatabscheider (10) abgeschiedene Kondensat einem Filter (13) zur Abscheidung von Feststoffen zugeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Filter (13) aus dem Kondensat abgeschiedenen Feststoffe aus dem Filter (13) durch Wechseln eines Filtereinsatzes und/oder durch Spülen entfernt werden können.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kondensat in die Luftzuführung (5) eingespritzt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des der Luftzuführung (5) zugeführten Kondensats in Abhängigkeit vom NOx-Gehalt des Abgases geregelt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des rückzuführenden Abgases und/oder das Mischungsverhältnis von angesaugter Luft und rückgeführtem Abgas durch mindestens ein Ventil (9, 9') steuerbar ist.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das rückzuführende Abgas stromabwärts einer Turbine (4) des Abgas-Turboladers (2) und stromaufwärts des Kondensatabscheiders (10) ein erstes Abgas-Nachbehandlungssystem (7) durchläuft.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Restabgas stromabwärts einer Abzweigung des rückzuführenden Abgases ein Abgas-Nachbehandlungssystem (7') durchläuft.
  9. Anordnung für die Abgasrückführung bei einem Verbrennungsmotor (1), der einen Abgas-Turbolader (2) mit einem Kompressor (3) und einer Turbine (4) aufweist, umfassend eine Abgasrückführungsleitung (8, 8') zur Rückführung von stromabwärts der Turbine (4) entnommenem Abgas in eine Luftansaugleitung (11) des Kompressors (3), wobei an der Abgasrückführungsleitung (8, 8') ein Kondensatabscheider (10) angeordnet ist, wobei eine Leitung (12, 14, 14', 14'') vorhanden ist zur Zuführung des Kondensats in eine Luftzuführung (5) des Verbrennungsmotors (1) stromabwärts des Kompressors (3), dadurch gekennzeichnet, dass ein Tank (15) zum Sammeln des Kondensats vorhanden ist und eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Zuführung des Kondensats in die Luftzuführung (5) in Abhängigkeit von Betriebsparametern und zur Steuerung der Menge des der Luftzuführung (5) zugeführten Kondensats in Abhängigkeit vom Taupunkt des dem Verbrennungsmotor (1) zugeführten Luft-Abgasgemischs.
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