DE102017203267A1 - Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage - Google Patents

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Abstract

Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage, zum Abführen von Abgas der Brennkraftmaschine, wobei in der Abgasanlage ein Partikelfilter angeordnet ist und wobei eine Sekundärlufteinlassöffnung vorgesehen ist zum Einleiten von Sekundärluft über ein Verschlusselement in die Abgasanlage, wobei die Sekundärlufteinlassöffnung in Strömungsrichtung des Abgases nach dem Partikelfilter in der Abgasanlage angeordnet ist.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung bleibt der Partikelfilter von der hohen Exothermen verschont, bei gleichzeitiger Reduzierung der Kohlenmonoxid-Emissionen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Zum technischen Umfeld wird beispielsweise auf die Deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2012 021 573 A1 hingewiesen. Aus dieser Offenlegungsschrift sind ein Verfahren zum Betreiben eines Brenners sowie eine Abgasanlage mit einem derart betreibbaren Brenner bekannt. Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines mit Luft und Kraftstoff betriebenen Brenners einer Abgasanlage beschrieben, dessen Brennerabgas mit einem verbrennungsmotorischen Abgas in der fremdgezündeten Brennkraftmaschine zusammengeführt und ein so erhaltenes Mischabgas wenigstens einem eine Drei-Wege katalytische Funktion aufweisenden Abgaskatalysator zugeführt wird, wobei ein Ist-Sauerstoffgehalt (Lambda-ist) des Mischabgases oder eine hiermit korrelierende Größe gemessen wird und eine dem Brenner zugeführten Kraftstoffmenge (mk) so beeinflusst wird, dass sich der Ist-Sauerstoffgehalt (Lambda-ist) einem Sollsauerstoffgehalt (Lambda-soll) des Mischabgases zumindest annähert.
  • Weiter ist aus der Deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2010 044 102 A1 , von der die vorliegende Erfindung ausgeht, eine Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine mit einem Partikelfilter bekannt. In dieser Offenlegungsschrift wird eine Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine beschrieben, die einen Abgasstrang aufweist, der mit einer Auslassseite der Brennkraftmaschine verbindbar ist, wobei im Abgasstrang in stromabwendiger Richtung wenigstens ein Katalysator angeordnet und diesem ein Partikelfilter nachgeschaltet ist. Ferner ist dem Abgasstrang stromaufwärts des Partikelfilters eine Sekundärlufteinlassöffnung zum Einleiten von Sekundärluft über wenigstens ein Ventil in den Abgasstrang vorgesehen, wobei die Sekundärluft verdichtete Luft ist.
  • Die aus dem Stand der Technik bekannten Schriften führen die Sekundärluft vor dem Ottopartikelfilter ( DE 10 2010 044 102 A1 ) oder vor dem Katalysator ( DE 10 2012 021 573 A1 ) zu, wobei typischerweise der Ottopartikelfilter in Abgasströmungsrichtung hinter dem Katalysator angeordnet ist. Diese bestehenden Anordnungen haben den Nachteil, dass die hohe Exotherme zu einem Ottopartikelfilterschaden oder Katalysatorschaden führen kann, oder die Lebensdauer der emissionsrelevanten Bauteile verkürzt werden. Die freiwerdende hohe Exotherme (Wärmeenergie) kommt durch die Oxidation der Kohlenstoffmonoxide direkt im Abgas, durch die Oxidation der Kohlenstoffmonoxide auf einer katalytisch beschichteten Oberfläche oder durch die Oxidation von Ruß im Ottopartikelfilter zustande.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Maßnahme aufzuzeigen, um die oben genannten Nachteile zu vermeiden.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Der Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, dass durch die Sekundärlufteinblasung nach dem Partikelfilter der Partikelfilter und ein eventuell vor dem Partikelfilter angeordneter Katalysator von der hohen Exotherme verschont bleiben bei gleichzeitiger Reduzierung der Kohlenstoffmonoxid-Emissionen. Die erfindungsgemäße Anordnung ist sowohl für Otto- als auch Dieselbrennverfahren geeignet.
  • Durch die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 kann die erfindungsgemäße Anordnung auch für Brennkraftmaschinen mit einer Abgasturboaufladung verwendet werden.
  • Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 3 ist eine bevorzugte Ausführungsvariante, bei der in jedem Betriebszustand der Brennkraftmaschine ausreichend Luft für die Sekundärlufteinleitung vorliegt.
  • Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 4 ist eine zweite bevorzugte Ausführungsvariante, bei der zur Förderung der Luft ein elektrischer Verdichter verwendet wird, der jedoch bedarfsgerecht immer zuschaltbar sein muss.
  • Mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 5 ist eine Effizienzsteigerung bei der Reduzierung von Kohlenstoffmonoxid möglich.
  • Die Ausgestaltungen gemäß den Patentansprüchen 6 bis 9 sind bevorzugte Ausführungsvarianten für unterschiedliche Konfigurationen von Abgasreinigungsanlagen sowohl für Otto- als auch Dieselbrennverfahren.
  • Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines schematischen Aufbaus des Gesamtsystems sowie für zwölf weitere Ausführungsvarianten in dreizehn Figuren näher beschrieben.
    • 1 zeigt einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage.
    • 2 zeigt schematisch eine erste Ausführungsvariante.
    • 3 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsvariante.
    • 4 zeigt schematisch eine dritte Ausführungsvariante.
    • 5 zeigt schematisch eine vierte Ausführungsvariante.
    • 6 zeigt schematisch eine fünfte Ausführungsvariante.
    • 7 zeigt schematisch eine sechste Ausführungsvariante.
    • 8 zeigt schematisch eine siebte Ausführungsvariante.
    • 9 zeigt schematisch eine achte Ausführungsvariante.
    • 10 zeigt schematisch eine neunte Ausführungsvariante.
    • 11 zeigt schematisch eine zehnte Ausführungsvariante.
    • 12 zeigt schematisch eine elfte Ausführungsvariante.
    • 13 zeigt schematisch eine zwölfte Ausführungsvariante.
  • Im Folgenden gelten in den Figuren 1 bis 13 für gleiche Bauelemente die gleichen Bezugsziffern.
  • 1 zeigt einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 1 mit einer Abgasanlage 2. Die Abgasanlage 2 dient zum Abführen von Abgas der Brennkraftmaschine 1, wobei in der Abgasanlage 2 ein Partikelfilter 3 angeordnet ist. Weiter ist in der Abgasanlage 2 eine Sekundärlufteinlassöffnung 4 vorgesehen, zum Einleiten von Sekundärluft über ein Verschlusselement 5 in die Abgasanlage 2. Das Verschlusselement 5 kann beispielsweise ein Ventil oder eine Klappe sein. Erfindungsgemäß ist die Sekundärlufteinlassöffnung 4 in Strömungsrichtung des Abgases nach dem Partikelfilter 3 in der Abgasanlage 2 angeordnet.
  • Eine Strömungsrichtung des Abgases ist in der Abgasanlage 2 durch kleine Pfeile dargestellt. Eine Strömungsrichtung der Sekundärluft ist ebenfalls durch einen kleinen Pfeil im Bereich der Sekundärlufteinlassöffnung 4 dargestellt.
  • Bei dieser oben genannten Ausführung, handelt es sich um eine Brennkraftmaschine mit saugmotorischem Betrieb.
  • In einer ersten Ausführungsvariante der 1 kann die Sekundärlufteinlassöffnung 4 mit dem Frischluftstrang 8 zwischen dem Verdichter 7 und der Brennkraftmaschine 1 über eine Sekundärluftleitung 9 mit einem Verschlusselement 5, wie beispielsweise einem Ventil oder einer Klappe, Luftführend verbindbar sein.
  • In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Sekundärlufteinlassöffnung 4 auch mit einem elektrischen Verdichter über eine Sekundärluftleitung luftführend verbindbar sein.
  • Erfindungsgemäß kann diese Anordnung jedoch auch, wie in 1 dargestellt ist, für eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader eingesetzt werden. Hierbei weist die Brennkraftmaschine 1 einen Abgasturbolader mit einer Turbine 6 und einem Verdichter 7 auf, wobei die Turbine 6 in der Abgasanlage 2 zwischen der Brennkraftmaschine 1 und dem Partikelfilter 3 und der Verdichter 7 in einem Frischluftstrang 8 der Brennkraftmaschine 1 angeordnet ist.
  • Eingangsseitig in den Frischluftstrang 8, ist eine Strömungsrichtung der Frischluft ist durch einen Pfeil dargestellt. In Strömungsrichtung der Frischluft ist in der Frischluftleitung 8 zuerst ein Luftfilter 16 angeordnet, dann der Verdichter 7, weiter ein Ladeluftkühler 16 und eine Drosselklappe 18. Darüber hinaus ist in dem Ausführungsbeispiel in 1 zwischen der Turbine 6 und dem Partikelfilter 3, der bevorzugt ein Ottopartikelfilter ist, aber auch ein Dieselpartikelfilter sein kann, ein erster Katalysator 10 vorgesehen. Weiter ist in dem Abgasstrang 2 nach der Sekundärlufteinlassöffnung 4 in der Abgasanlage 2 ein Schalldämpfer 19 angeordnet.
  • In den folgenden 2 bis 13 sind zwölf weitere Ausführungsvarianten für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine dargestellt. In jeder Figur sind die Abgasanlage 2 in Strömungsrichtung des Abgases nach der Turbine 6 und die Sekundärluftleitung 9 in Strömungsrichtung der Sekundärluft nach dem Verschlusselement 5 als Ausschnittsvergrößerung dargestellt.
  • 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel, bei dem in Strömungsrichtung des Abgases hinter dem Partikelfilter 3 zumindest zwei Sekundärlufteinlassöffnungen 4, im vorliegenden Ausführungsbeispiel vier, in der Abgasanlage 2 vorgesehen sind. Durch diese Maßnahme ist die Reduzierung des Kohlenstoffmonoxids deutlich effizienter. Weiter ist in 2 in Strömungsrichtung des Abgases hinter den Sekundärlufteinlassöffnungen 4 ein Schalldämpfer 19 angeordnet.
  • 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem zwischen der Brennkraftmaschine 1 und dem Partikelfilter 3 der erster Katalysator 10 in der Abgasanlage 2 angeordnet ist. In diesem zweiten Ausführungsbeispiel ist der erste Katalysator 10 ein Drei-Wege-Katalysator 11. Weiter ist in Strömungsrichtung des Abgases nach der Sekundärlufteinlassöffnung 4 in der Abgasanlage 2 ein Schalldämpfer 19 angeordnet.
  • 4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel, bei dem in Strömungsrichtung des Abgases hinter der Sekundärlufteinlassöffnung 4 ein zweiter Katalysator 14 in der Abgasanlage 2 angeordnet ist.
  • 5 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel bei dem in Strömungsrichtung des Abgases hinter der Sekundärlufteinlassöffnung 4 ein zweiter Katalysator 14 vorgesehen ist und der erste Katalysator 10 entfallen ist.
  • 6 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel bei dem der erste Katalysator 10 ein NOx-Speicherkatalysator 12 ist und der zweite Katalysator 14 entfallen ist.
  • 7 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel bei dem der erste Katalysator 10 ein NOx-Speicherkatalysator ist und der zweite Katalysator 14 in Strömungsrichtung des Abgases hinter der Sekundärlufteinlassöffnung 4 angeordnet ist.
  • 8 zeigt ein siebtes Ausführungsbeispiel bei dem erste Katalysator 10 ein beheizbarer Katalysator 13 ist und in Strömungsrichtung des Abgases nach der Sekundärlufteinlassöffnung 4 ein zweiter Katalysator 14 in der Abgasanlage 2 vorgesehen ist.
  • 9 zeigt ein achtes Ausführungsbeispiel bei dem der erste Katalysator 10 entfallen ist und der zweite Katalysator 14 ein beheizbarer Katalysator 13 ist.
  • 10 zeigt ein neuntes Ausführungsbeispiel bei dem der erste Katalysator 10 ein Drei-Wege-Katalysator 11 und der zweite Katalysator 14 ein beheizbarer Katalysator 13 ist.
  • 11 zeigt ein zehntes Ausführungsbeispiel bei dem der erste Katalysator 10 ein Drei-Wege-Katalysator 11 ist, wobei zwischen dem ersten Katalysator 10 und dem Partikelfilter 3 ein NOx-Speicherkatalysator 12 in der Abgasanlage 2 vorgesehen ist. Der zweite Katalysator 14 ist in diesem Ausführungsbeispiel entfallen.
  • 12 zeigt ein elftes Ausführungsbeispiel gemäß 11, wobei in diesem Ausführungsbeispiel auch der zweite Katalysator 14 vorgesehen ist.
  • 13 zeigt ein zwölftes Ausführungsbeispiel bei dem der erste Katalysator 10 ein Drei-Wege-Katalysator 11 ist und der zweite Katalysator 14 ein SCR-Katalysator 15 ist.
  • Mit anderen Worten ausgedrückt zum Stand der Technik und der Erfindung:
  • Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine 1 die zur Verminderung der Partikelemissionen einen Partikelfilter 3 in der Abgasanlage 2 aufweist.
  • Es ist Stand der Technik, dass Partikelfilter 3 zur Reduzierung der Partikelemissionen einer Brennkraftmaschine 1 eingesetzt werden. Weiterhin ist bekannt, dem Partikelfilter 3, insbesondere ein Ottopartikelfilter oder auch ein Dieselpartikelfilter, mit einer katalytischen Beschichtung zur Reduzierung der Abgasemissionen aus einer Brennkraftmaschine 1 zu beschichten oder einen Partikelfilter 3 mit einem Drei-Wege-Katalysator 11 zu kombinieren.
  • Die katalytische Beschichtung des Partikelfilters 3 oder des ersten und/oder des zweiten Katalysators 10, 14 kann ihre Funktion nur ab einer vom Alterungszustand der Beschichtung abhängigen Anspringtemperatur erfüllen. Unterhalb der Anspringtemperatur ist die katalytische Fähigkeit der Beschichtung äußerst gering. Um die Abgasemissionen bis zum Anspringen der Beschichtung gering zu halten, ist es weiter Stand der Technik, vor den beschichteten Partikelfilter 3 oder vor den Katalysatoren 10, 14 Sekundärluft zuzuführen und die Brennkraftmaschine 1 gleichzeitig bei einem geringen Luftkraftstoffverhältnis (fettes Lambda) zu betreiben. Im fetten Lambda-Bereich entstehen vermehrt Kohlenstoffmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe. Diese oxidieren in Verbindung mit dem in der Sekundärluft enthaltenen Sauerstoff. Dabei handelt es sich um eine exotherme Reaktion, deren Energie in Form von Wärme zum Heizen der Katalysatoren 10, 14 genutzt wird. Dadurch kann die Zeit bis zum Erreichen der Anspringtemperatur der Katalysatoren 10, 14 deutlich reduziert werden. Mit steigender Last die der Brennkraftmaschine 1 abverlangt wird, steigt auch die Abgastemperatur. Um Bauteile der Brennkraftmaschine 1, wie zum Beispiel den Partikelfilter 3 oder den Abgasturbolader vor zu hohen Abgastemperaturen zu schützen, ist es weiter bekannt die Abgastemperatur durch Anfetten des Luftkraftstoffgemisches zu senken. Durch das fette Lambda sinkt im Abgas der Anteil des Sauerstoffs und der Anteil an unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid steigt. Aufgrund des Sauerstoffmangels im Abgas kann die katalytische Beschichtung die unverbrannten Kohlenwasserstoffe und Kohlenstoffmonoxide nicht oxidieren. Mit diesem Sachverhalt beschäftigt sich die vorliegende Erfindung.
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Senkung der Emissionen durch die Zufuhr von Sekundärluft ins Abgas. Zugeführt wird die Sekundärluft dabei erfindungsgemäß in Strömungsrichtung nach dem Partikelfilter 3. Durch den in der Sekundärluft enthaltenen Sauerstoff werden die Kohlenstoffmonoxide, die aufgrund des fetten Lambdas mit Hilfe einer Drei-Wege-Beschichtung nicht oxidiert werden, nach dem Ottopartikelfilter 3 oxidiert und somit die Abgasemissionen der fett betriebenen Brennkraftmaschine gesenkt.
  • Zusammenfassung der möglichen Ausführungen des Sekundärluft-Versorgungssystems:
    1. 1. Eine Sekundärluftleitung 9 von der Druckseite des Verdichters 7 (frischluftseitig in Strömungsrichtung nach dem Verdichter 7) zur Sekundärluftzuführstelle 4 nach dem Partikelfilter 3. Ein Verschlusselement 5, wie z. B. ein Ventil oder eine Klappe, übernimmt die Steuerung des Sekundärluftmassenstroms und verhindert gleichzeitig ein Zurückströmen von Abgas in den Frischluftstrang 8. Das Zurückströmen eines Abgases in den Frischluftstrang 8 kann in einigen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine 1 zur Steigerung der Abgasrückführrate und somit zur Senkung innermotorischer Stickstoffemissionen jedoch erwünscht sein.
    2. 2. Förderung von Umgebungsluft durch eine elektrisch betriebene Sekundärluftpumpe und ein Sekundärluftventil. Statt einer elektrischen Sekundärluftpumpe kann auch ein elektrisch angetriebener Verdichter, dessen primäre Funktion die Unterstützung des Abgasturboladers ist, die Sekundärluftversorgung bereitstellen. Auch hier übernimmt ein Verschlusselement 5, wie z. B. ein Ventil oder eine Klappe, die Steuerung des Frischluftmassenstroms und verhindert gleichzeitig ein Zurückströmen von Abgas in den Frischluftstrang 8.
    3. 3. Um nach dem Partikelfilter 3 das Material der abgasführenden Leitung vor lokal zu hohen Exothermen zu schützen oder zur Effizienzsteigerung der Reduzierung von Kohlenstoffmonoxid, kann es sinnvoll sein, mehrere statt nur einer Sekundärluftzufuhrstelle 4 nach dem Partikelfilter 3 einzuführen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1.
    Brennkraftmaschine
    2.
    Abgasanlage
    3.
    Partikelfilter
    4.
    Sekundärlufteinlassöffnung
    5.
    Verschlusselement
    6.
    Turbine
    7.
    Verdichter
    8.
    Frischluftstrang
    9.
    Sekundärluftleitung
    10.
    erster Katalysator
    11.
    Drei-Wege-Katalysator
    12.
    NOx-Speicherkatalysator
    13.
    beheizbarer Katalysator
    14.
    zweiter Katalysator
    15.
    SCR-Katalysator
    16.
    Luftfilter
    17.
    Ladeluftkühler
    18.
    Drosselklappe
    19.
    Schalldämpfer
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102012021573 A1 [0002, 0004]
    • DE 102010044102 A1 [0003, 0004]

Claims (9)

  1. Brennkraftmaschine (1) mit einer Abgasanlage (2), zum Abführen von Abgas der Brennkraftmaschine (1), wobei in der Abgasanlage (2) ein Partikelfilter (3) angeordnet ist und wobei eine Sekundärlufteinlassöffnung (4) vorgesehen ist zum Einleiten von Sekundärluft über ein Verschlusselement (5) in die Abgasanlage (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärlufteinlassöffnung (4) in Strömungsrichtung des Abgases nach dem Partikelfilter (3) in der Abgasanlage (2) angeordnet ist.
  2. Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) einen Abgasturbolader mit einer Turbine (6) und einem Verdichter (7) aufweist, wobei die Turbine (6) in der Abgasanlage (2) zwischen der Brennkraftmaschine (1) und dem Partikelfilter (3) und der Verdichter (7) in einem Frischluftstrang (8) der Brennkraftmaschine (1) angeordnet ist.
  3. Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärlufteinlassöffnung (4) mit dem Frischluftstrang (8) zwischen dem Verdichter (7) und der Brennkraftmaschine (1) über eine Sekundärluftleitung (9) Luft führend verbindbar ist.
  4. Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärlufteinlassöffnung (4) mit einem elektrischen Verdichter über eine Sekundärluftleitung Luft führend verbindbar ist.
  5. Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung des Abgases hinter dem Partikelfilter (3) zumindest zwei Sekundärlufteinlassöffnungen (4) in der Abgasanlage (2) vorgesehen sind.
  6. Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Brennkraftmaschine (1) und dem Partikelfilter (3) ein erster Katalysator (10) in der Abgasanlage (2) angeordnet ist.
  7. Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Katalysator (10) ein Drei-Wege-Katalysator (11) oder ein NOx-Speicherkatalysator (12) oder ein beheizbarer Katalysator (13) ist.
  8. Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage nach Patentanspruch 2 einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasanlage (2) in Strömungsrichtung des Abgases nach der Sekundärlufteinlassöffnung (4) ein zweiter Katalysator (14) angeordnet ist.
  9. Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Katalysator (14) ein SCR-Katalysator (Selective Catalytic Reduction) (15) ist.
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