WO2019166528A1 - Niederdruck egr-system mit turbo-bypass - Google Patents

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WO2019166528A1
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Philipp KREUTZIGER
Michael Dr. FISCHER
Jaroslaw Kierat
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Tenneco Gmbh
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to an exhaust gas emission control system for a gasoline engine with an exhaust pipe connectable to an exhaust manifold of the gasoline engine, with an inlet pipe connectable to an intake manifold of the gasoline engine and with a charge air compressor arranged in the intake pipe and with a turbine arranged in the exhaust gas pipe
  • Exhaust pipe having at least one bypass line with a bypass throttle, which branches off upstream of the turbine at the exhaust pipe and the ne from the Turbi opens at an orifice in the exhaust pipe, and wherein at least one exhaust gas recirculation line is provided with an EGR throttle valve, which in the exhaust line opens, wherein the exhaust gas recirculation line branches off at a branch on the bypass line, wherein the bypass throttle valve upstream of the branch of the exhaust gas recirculation line is arranged and wherein in the exhaust pipe upstream of the mouth of the bypass line an exhaust gas valve vo is seen.
  • the invention also relates to a method for operating a gasoline engine with such an exhaust gas routing system.
  • An exhaust gas guidance system for a gasoline engine from DE 10 2015 108 223 A1 is already known.
  • the exhaust gas routing system has an exhaust gas recirculation line, which opens in the inlet line downstream of the compressor.
  • a bypass line is provided for the turbine, at which the exhaust gas recirculation line branches off.
  • a particulate filter is arranged, wherein the particulate filter has a catalytic coating for the conversion of CO, HC and NOx.
  • WO 2015/004497 A1 likewise discloses an exhaust gas guidance system for a gasoline engine.
  • the bypass line and the exhaust gas recirculation line are connected via a 3-2-way valve, wherein the exhaust gas recirculation line branches off upstream of the turbine and opens downstream of the compressor.
  • an exhaust gas routing system for a gasoline engine with an exhaust gas recirculation line is also known.
  • the particulate filter of an Otto engine regenerates as far as possible without additional active measures, ie the particle mass retained until then (soot particles with attached or stored hydrocarbons) essentially burns to CO 2 or H 2 O under normal boundary conditions.
  • sufficiently high exhaust gas temperatures of more than 500 ° C and oxygen for combustion are required. This exhaust gas temperature is reached soon after engine start in various operating ranges of the gasoline engine. Since the vast majority of gasoline engines are operated stoichiometrically, the oxygen content in the exhaust gas may be too low for complete combustion of the particle mass contained in the filter.
  • HP-EGR high pressure EGR
  • MD-EGR or MP-EGR maximum pressure EGR
  • ND-EGR or LP-EGR low pressure EGR
  • the object of the invention is to design and arrange an exhaust gas guidance system for a gasoline engine such that exhaust gas recirculation with an extended range of use is possible.
  • the object is achieved according to the invention in that at least one particle filter is arranged in the bypass line downstream of the diversion of the exhaust gas recirculation line.
  • the bypass line can thus be formed particulate filter free upstream of the diversion of the exhaust gas recirculation line. This ensures that the particulate filter in the EGR line can be used not only in EGR mode but also in bypass mode, which ensures very rapid heating or light-off, especially in cold start mode. This is particularly because the particulate filter is designed for the recirculating exhaust gas volume flow, and therefore relatively small.
  • the bypass throttle is closed and the exhaust gas valve is opened, the EGR exhaust gas stream is therefore branched off downstream of the turbine and flows through the particulate filter in a different direction.
  • full load operation of the particulate filter can be as in the cold start in the opposite direction with respect to the flow direction in exhaust gas recirculation flow through, resulting in a cleaning of the filter by regeneration.
  • the at least one particle filter has a catalytically active 3-way coating for the conversion of CO, HC and NOx.
  • a comprehensive cleaning of the recirculated exhaust gas is possible. This is the cooler from pollution and stress protected with acidic exhaust gas, so that optimal cooling is guaranteed.
  • a radiator is provided within the exhaust gas recirculation line.
  • a 3-way exhaust gas catalytic converter and / or a particle filter is provided in the exhaust gas line.
  • a purification of the main exhaust gas flow is achieved.
  • bypass line is downstream of the particulate filter and upstream of the mouth free of exhaust valves or exhaust valves or that in the bypass line downstream of the particulate filter and upstream of the mouth only a bypass valve to improve the acoustic Properties is provided.
  • the exhaust gas routing system operates basically without application of an exhaust flap or a valve downstream of the particulate filter and in front of the mouth into the main exhaust line. Only in the event that due to the exhaust system architecture unfavorable and adverse pulsation phenomena occur, the application of such a bypass valve would be necessary. Because an inhibition of Pulsationserscheinonne leads to an improvement of the acoustic properties and to avoid performance deficits due to an unfavorable formation of the back pressure.
  • bypass line upstream of the particulate filter or upstream of the diversion of the exhaust gas recirculation line is free of connecting lines to the exhaust pipe. There are no further connecting lines necessary to ensure the functionality of the exhaust system.
  • a charge air return line is provided with a branch downstream of an intercooler and an orifice between the EGR cooler and the EGR throttle.
  • an exhaust bypass which branches off downstream of the particulate filter and the mouth of a branch and opens in the exhaust pipe downstream of the 3-way catalyst and / or opens downstream of the particulate filter, wherein at least a first Divert valve is placed between the branch and the mouth.
  • a bypass section which branches off between the branch and the first bypass valve and opens downstream of the particulate filter at an orifice, wherein a second bypass valve is provided in the bypass section.
  • the bypass section ensures bypassing of the particulate filter alone in the main exhaust line.
  • the waste gas flow of the bypass line which flows via the particle filter with catalytically active 3-way coating in the branch of the exhaust gas recirculation line, is introduced. Therefore, before the 3-way catalyzer, after the 3-way catalytic converter, in front of the particulate filter in the exhaust pipe or downstream of the particulate filter in the exhaust gas line.
  • the particulate filter in the exhaust pipe can additionally have a catalytically active 3-way coating.
  • the object is achieved by a method for operating an Otto engine with an aforementioned exhaust gas routing system or a corresponding exhaust system in which
  • bypass throttle is open and the EGR throttle and the exhaust valve are closed, so that the
  • bypass throttle valve in partial-load operation of the gasoline engine, the bypass throttle valve is closed and the exhaust valve is open, wherein the exhaust gas mass flow within the exhaust gas recirculation line is adjusted depending on the operating point via the EGR throttle valve;
  • the regeneration interval for the particulate filters can be shortened by a charge air recirculation because sufficient oxygen can be made available in the exhaust gas in different engine operating states.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of an exhaust gas emission control system with a bypass line with integrated LP EGR
  • Figure 2 is a schematic diagram of Figure 1 with another valve
  • FIG. 3 shows a schematic diagram according to FIG. 1 with charge air return and gas diversion.
  • 1 to 3 show an exhaust gas guidance system 1 (EGR system) which is integrated into the exhaust gas and charge air system of an Otto engine 2 with exhaust manifold 2.1 and intake manifold 2.2 and with exhaust gas turbine 3 and charge air compressor 4 ,
  • the exhaust gas and charge air system has an exhaust pipe 2.3 connected to the exhaust manifold 2.1 of the gasoline engine 2, into which the turbine 3 is integrated.
  • exhaust gas 7 leaves the exhaust gas control system 1 and flows into the further, not shown, exhaust gas line.
  • a connected to the intake manifold 2.2 of the gasoline engine 2 inlet line 2.4 is provided, in which the compressor 4 is integrated.
  • the inlet line 2.4 is supplied with fresh air 8 via an air supply system (not shown).
  • a bypass line 1.1 is provided, which branches off at the exhaust pipe 2.3 and opens downstream of the turbine 3 in the exhaust pipe 2.3.
  • the bypass line 1.1 has a bypass throttle valve 1.4 for regulating the gas mass flow.
  • At least one low-pressure exhaust gas recirculation line 1.5 (EGR line) is provided with an EGR throttle valve 1.3, which branches off at a branch 1.7 on the bypass line 1.1 and opens in the inlet line 2.4 upstream of the compressor 4.
  • the exhaust gas recirculation line 1.5 has an EGR cooler 1.6. Downstream of the EGR cooler 1.6 or in front of the mouth into the inlet line 2.4, an EGR throttle valve 1.3 for controlling the mass flow within the EGR line 1.5 is placed.
  • a particle filter 1.2 is arranged in a part 1.T of the bypass line 1.1 serving for exhaust gas recirculation.
  • the particle filter 1.2 is coated with a 3-way coating and additionally fulfills the tasks of a 3-way catalyst.
  • the particle filter 1.2 is a wall filter, wherein preferably both sides of the wall are coated with a 3-way coating. This ensures optimal cata- tor and filter effect in both directions of flow. Even if only one wall side is coated, the catalytic effect of the particulate filter is ensured in both flow directions. However, efficiency may decrease as active centers on the catalyst flowing side are affected by particles and thus the efficiency decreases.
  • a charge air cooler 2.5 and a charge air throttle 2.6 are provided in the inlet line 2.4.
  • the bypass throttle 1.4 In cold start operation of the gasoline engine 2, the bypass throttle 1.4 is opened.
  • the EGR throttle valve 1.3 and the exhaust valve 1.9 are closed, so that the exhaust gas flow through the bypass line 1.1 and the particle filter 1.2 is guided past the turbine 3, whereby a rapid heating of the particulate filter 1.2 is accompanied.
  • the particle filter 1.2 is relatively small, since it is designed only for the recirculated exhaust gas volume flow. In the cold start phase, however, it ensures optimum pre-cleaning of the exhaust gas 7, before it is finally cleaned by the still cold main catalyst. The catalytic effect is also guaranteed in this flow direction as already described.
  • the bypass throttle 1.4 is closed and the exhaust valve 1.9 is opened.
  • an exhaust gas mass flow within the exhaust gas recirculation line 1.5 is set as a function of the operating point.
  • the exhaust stream is therefore branched off downstream of the turbine 3 and flows through the particle filter 1.2 according to Figure 1 from bottom to top.
  • the EGR throttle 1.3 is closed.
  • the exhaust valve 1.9 is open anyway.
  • About the bypass throttle 1.4 operating point is dependent on a Abgasmas senstrom set within the bypass line 1.1.
  • the particle filter 1.2 is flowed through in the opposite direction compared to the EGR operation in the partial load, resulting in a cleaning of the filter by regeneration.
  • the temperature of the exhaust gas flow in the bypass line 1.1 is sufficiently high for such regeneration.
  • a bypass valve 6 is provided in the part of the bypass line 1.1 serving as exhaust gas recirculation line 1.5. This serves to avoid pulsation in the EGR path.
  • a charge air return line 9 is additionally provided, which can be used to return charge air in the exhaust system.
  • the charge air recirculation line 9 has a throttle 9.3, a branch 9.1 downstream of a charge air cooler 2.5 and an orifice 9.2 between the EGR cooler 1.6 and the EGR throttle 1.3.
  • charge air can be supplied to the particle filter 1.2 via the charge air return line 9 and the EGR line 1.5.
  • an exhaust diversion 10 is provided.
  • the exhaust bypass 10 branches off downstream of the particulate filter 1.2 at a branch 10.4 on the part 1.T of the bypass line 1.1 and terminates in the exhaust pipe 2.3 at a mouth 10.5 between the particulate filter 5.2 and the 3-way Catalyst 5.1.
  • the bypass valve 6 is provided downstream of the branch 10.4 in the bypass line 1.T.
  • a first diversion valve 10.1 is provided upstream of the mouth 10.5, via which the diversion 10 can be sealed off.
  • the already cleaned exhaust gas 7 can be performed on the 3-way catalytic converter 5.1 with closed bypass valve 6 and open bypass valve 10.1.
  • a further diversion section 10.7 of the exhaust bypass 10 is provided.
  • the diverting section 10.7 branches off between the branching point 10.4 and the first diverting valve 10.1 and opens at a mouth 10.6 downstream of the particle filter 5.2.
  • the diversion section 10.7 has a second bypass valve 10.2, so that the purified exhaust gas flow can optionally be returned downstream of the particle filter 5.2 or between the 3-way catalytic converter 5.1 and the particle filter 5.2 into the exhaust gas line 2.3.
  • bypass line particle filter coated

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Abgasleitsystem (1) für einen Ottomotor (2) mit einer an einen Auslasskrümmer (2.1) des Ottomotors (2) anschließbaren Abgasleitung (2.3), mit einer an einen Einlasskrümmer (2.2) des Ottomotors (2) anschließbaren Einlassleitung (2.4) und mit einem in der Einlassleitung (2.4) angeordneten Ladeluftverdichter (4) sowie mit einer in der Abgasleitung (2.3) angeordneten Turbine (3), wobei die Abgasleitung (2.3) mindestens eine Bypass-Leitung (1.1) mit einer Bypass-Drosselklappe (1.4) aufweist, die stromauf der Turbine (3) an der Abgasleitung (2.3) abzweigt und die stromab der Turbine (3) an einer Mündung (1.8) in die Abgasleitung (2.3) mündet, und wobei mindestens eine Abgasrückführungsleitung (1.5) mit einer EGR-Drosselklappe (1.3) vorgesehen ist, die in der Einlassleitung (2.4) mündet, wobei die Abgasrückführungsleitung (1.5) an einer Abzweigung (1.7) an der Bypass-Leitung (1.1) abzweigt, wobei die Bypass-Drosselklappe (1.4) stromauf der Abzweigung (1.7) der Abgasrückführungsleitung (1.5) angeordnet ist und wobei in der Bypass-Leitung (1.1) stromab der Abzweigung (1.7) der Abgasrückführungsleitung (1.5) mindestens ein Partikelfilter (1.2) angeordnet ist und wobei in der Abgasleitung (2.3) stromauf der Mündung (1.8) der Bypass-Leitung (1.1) ein Abgas-Ventil (1.9) vorgesehen ist.

Description

Niederdruck EGR-System mit Turbo-Bypass
Die Erfindung bezieht sich auf ein Abgasleitsystem für einen Ottomotor mit einer an einen Auslasskrümmer des Ottomotors anschließbaren Abgasleitung, mit einer an einen Einlasskrümmer des Ottomotors anschließbaren Einlasslei- tung und mit einem in der Einlassleitung angeordneten Ladeluftverdichter sowie mit einer in der Abgasleitung angeordneten Turbine, wobei die Abgasleitung mindestens eine Bypass-Leitung mit einer Bypass-Drosselklappe aufweist, die stromauf der Turbine an der Abgasleitung abzweigt und die stromab der Turbi ne an einer Mündung in die Abgasleitung mündet, und wobei mindestens eine Abgasrückführungsleitung mit einer EGR-Drosselklappe vorgesehen ist, die in der Einlassleitung mündet, wobei die Abgasrückführungsleitung an einer Abzweigung an der Bypass-Leitung abzweigt, wobei die Bypass-Drosselklappe stromauf der Abzweigung der Abgasrückführungsleitung angeordnet ist und wobei in der Abgasleitung stromauf der Mündung der Bypass-Leitung ein Ab- gas-Ventil vorgesehen ist.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Betrieb eines Ottomotors mit einem solchen Abgasleitsystem.
Es ist bereits ein Abgasleitsystem für einen Ottomotor aus der DE 10 2015 108 223 A1 bekannt. Das Abgasleitsystem weist eine Abgasrückführungsleitung auf, die in der Einlassleitung stromab des Verdichters mündet. Zudem ist eine Bypass-Leitung für die Turbine vorgesehen, an der die Abgasrückführungsleitung abzweigt. In der Abgasrückführungsleitung ist ein Partikelfilter angeordnet, wobei der Partikelfilter eine katalytisch wirkende Beschichtung zur Umwandlung von CO, HC und NOx aufweist. Aus der WO 2015/004497 A1 ist ebenfalls ein Abgasleitsystem für einen Ottomotor bekannt. Die Bypass-Leitung und die Abgasrückführungsleitung sind über ein 3-2-Wegeventil verbunden, wobei die Abgasrückführungsleitung stromauf der Turbine abzweigt und stromab des Verdichters mündet. Aus der US 9,593,619 B2 ist auch ein Abgasleitsystem für einen Ottomotor mit einer Abgasrückführungsleitung bekannt.
Die DE 20 2017 105 126 U1 beschreibt ein Abgasleitsystem mit einer Abgas- rückführungsleitung sowie einer Bypass-Leitung, wobei ein Partikelfilter vorge- sehen ist, der in der Bypass-Leitung stromauf des Abzweigs der Abgasrückführungsleitung platziert ist.
Der Partikelfilter eines Ottomotors regeneriert anders als beim Dieselmotor weitestgehend ohne zusätzliche aktive Maßnahmen, d. h. die bis dahin zurückgehaltene Partikelmasse (Rußpartikel mit an- oder eingelagerten Kohlenwasser- stoffen) verbrennt bei normalen ottomotorischen Randbedingungen im Wesent- lichen zu C02 bzw. zu H20. Hierzu sind ausreichend hohe Abgastemperaturen von mehr als 500 °C sowie Sauerstoff zur Verbrennung erforderlich. Diese Abgastemperatur wird bald nach Motorstart in verschiedensten Betriebsbereichen des Ottomotors erreicht. Da die überwiegende Anzahl von Ottomotoren stö- chiometrisch betrieben wird, kann der Sauerstoffgehalt im Abgas zu niedrig für einen vollständigen Abbrand der im Filter enthaltenen Partikelmasse sein. Für diesen Fall helfen im transienten Betrieb übliche Schubabschaltungsphasen des Ottomotors, in denen aufgrund des Entfalls der Lastanforderung durch den Fahrer die Einspritzung des Motors aus Verbrauchsgründen abgeschaltet wird. Im Motorbremsbetrieb wird durch den geschleppten Motor reine Luft durch das Abgassystem gespült. Diese unverbrannte Luft stößt auf die zuvor vom Motorabgas erhitzten Partikel im Partikelfilter. Bei ausreichender Temperatur entflammen diese Partikel und verbrennen zu Gasen, die durch den Partikelfilter entweichen können. Hierdurch wird der Partikelfilter gereinigt. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen drei Varianten der Abgasrückführung in Abhängigkeit der Abzweigung der EGR-Leitung von der Abgasleitung und Mündung der EGR-Leitung in der Einlassleitung. Die Kombination aus Ab- zweigung der EGR-Leitung stromauf der Turbine bzw. Turbinen und Mündung der EGR-Leitung stromab des Verdichters bzw. der Verdichter wird als Hoch- druck-EGR (HD-EGR oder HP-EGR) bezeichnet. Die Kombination aus Abzweigung der EGR-Leitung stromauf der Turbine bzw. Turbinen und Mündung der EGR-Leitung stromauf des Verdichters bzw. der Verdichter wird als Maximal- druck-EGR (MD-EGR oder MP-EGR) bezeichnet. Die in Zusammenhang mit dieser Erfindung angewendete Kombination aus Abzweigung der EGR-Leitung stromab der Turbine bzw. Turbinen und Mündung stromauf des Verdichters bzw. der Verdichter wird als Niederdruck-EGR (ND-EGR oder LP-EGR) be- zeichnet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Abgasleitsystem für einen Ottomotor derart auszubilden und anzuordnen, dass eine Abgasrückführung mit erweitertem Einsatzbereich möglich ist. Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass in der Bypass-Leitung stromab der Abzweigung der Abgasrückführungsleitung mindestens ein Partikelfilter angeordnet ist. Die Bypass-Leitung kann somit stromauf der Abzweigung der Abgasrückführungsleitung partikelfilterfrei ausgebildet sein. Hier- durch wird erreicht, dass der Partikelfilter in der EGR-Leitung nicht nur im EGR- Betrieb, sondern auch im Bypassbetrieb angewendet werden kann, womit ins- besondere im Kaltstartbetrieb eine sehr schnelle Aufheizung bzw. Light-off ge- währleistet ist. Dies insbesondere deshalb, weil der Partikelfilter für den zurück- zuführenden Abgasvolumenstrom ausgelegt, mithin relativ klein ist. Im Teillast- betrieb des Ottomotors, wenn die Bypass-Drosselklappe geschlossen und das Abgas-Ventil geöffnet sind, wird der EGR-Abgasstrom demnach stromab der Turbine abgezweigt und durchströmt den Partikelfilter in anderer Richtung.
Im Volllastbetrieb kann der Partikelfilter wie auch beim Kaltstart in entgegengesetzter Richtung in Bezug auf die Strömungsrichtung bei Abgasrückführung durch strömt werden, was zu einer Reinigung des Filters durch Regeneration führt.
Vorteilhaft kann es hierzu auch sein, wenn der mindestens eine Partikelfilter ei- ne katalytisch wirkende 3-Wege-Beschichtung zur Umwandlung von CO, HC und NOx aufweist. Somit ist eine umfängliche Reinigung des zurückgeführten Abgases möglich. Hierbei wird der Kühler vor Verschmutzung und Belastung mit zu saurem Abgas geschützt, sodass eine optimale Kühlung gewährleistet ist.
Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn stromauf der EGR-Drosselklappe und stromab des Partikelfilters ein Kühler innerhalb der Abgasrückführungsleitung vorgesehen ist. Durch die Platzierung des Kühlers stromab des Partikelfilters kann eine optimale Wirkungsweise und Wirkungsgrad des Kühlers erreicht werden.
Vorteilhaft kann es auch sein, wenn stromab der Mündung der Bypass-Leitung ein 3-Wege-Abgaskatalysator und/oder ein Partikelfilter in der Abgasleitung vorgesehen ist. Somit wird insbesondere nach ausreichender Erwärmung des Abgases eine Reinigung des Hauptabgasstroms erreicht.
Dabei kann es vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die Bypass-Leitung stromab des Partikelfilters und stromauf der Mündung frei von Abgasventilen oder Abgasklappen ist oder dass in der Bypass-Leitung stromab des Partikelfilters und stromauf der Mündung nur ein Bypass-Ventil zur Verbesse- rung der akustischen Eigenschaften vorgesehen ist. Das Abgasleitsystem funk- tioniert dem Grunde nach ohne Anwendung einer Abgasklappe oder eines Ven- tils stromab des Partikelfilters und vor der Mündung in den Hauptabgasstrang. Lediglich für den Fall, dass aufgrund der Abgasanlagenarchitektur ungünstige und nachteilige Pulsationserscheinungen auftreten, wäre die Anwendung eines solchen Bypass-Ventils notwendig. Denn eine Unterbindung der Pulsationserscheinungen führt zu einer Verbesserung der akustischen Eigenschaften und zur Vermeidung von Leistungsdefiziten aufgrund einer ungünstigen Ausbildung des Gegendrucks. Von besonderer Bedeutung kann für die vorliegende Erfindung sein, wenn die Bypass-Leitung stromauf des Partikelfilters oder stromauf der Abzweigung der Abgasrückführungsleitung frei von Verbindungsleitungen zur Abgasleitung ist. Es sind keine weiteren Verbindungsleitungen notwendig, um die Funktionsfähigkeit des Abgasleitsystems zu gewährleisten. Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung kann es von Vorteil sein, wenn eine Ladeluft-Rückführungsleitung vorgesehen ist mit einer Abzweigung stromab eines Ladeluftkühlers und einer Mündung zwischen dem EGR-Kühler und der EGR-Drosselklappe. Durch Anwendung ei- ner Ladeluft-Rückführungsleitung können die Regenerationsintervalle für den Partikelfilter verkürzt werden, da zusätzlich zum Schubbetrieb, also auch bei Lastanforderung, ein erhöhter Sauerstoffgehalt im Abgas gewährleistet werden kann. Dieser erhöhte Sauerstoffanteil kann auch zur Regeneration des Hauptpartikelfilters genutzt werden.
Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn eine Abgas-Umleitung vorgesehen ist, die stromab des Partikelfilters und vor der Mündung an einer Abzweigung abzweigt und in der Abgasleitung stromab des 3-Wege-Katalysators mündet und/oder stromab des Partikelfilters mündet, wobei mindestens ein erstes Umleitungs- ventil zwischen der Abzweigung und der Mündung platziert ist. Durch die An- wendung der Abgasumleitung kann den verschiedenen Druckverlusten innerhalb der Hauptabgasleitung Rechnung getragen werden. Wenn das Abgas über den Filterkatalysator in der Abgasrückführungsleitung bzw. Bypass-Leitung be- reits gereinigt ist, kann über besagte Umleitung der 3-W ege-Kata lysato r im Hauptabgasstrang oder der Hauptpartikelfilter umgangen werden.
Zudem kann es vorteilhaft sein, wenn ein Umleitungsabschnitt vorgesehen ist, der zwischen der Abzweigung und dem ersten Umleitungsventil abzweigt und stromab des Partikelfilters an einer Mündung mündet, wobei ein zweites Umlei- tungsventil im Umleitungsabschnitt vorgesehen ist. Der Umleitungsabschnitt gewährleistet eine Umgehung des Partikelfilters allein im Hauptabgasstrang. Somit kann gewählt werden, an welcher Stelle der Wastegatestrom der Bypass- Leitung, der über den Partikelfilter mit katalytisch wirkender 3-Wege- Beschichtung in der Abzweigung der Abgasrückführungsleitung strömt, eingeleitet wird. Mithin vor dem 3-Wege-Kata lysato r, nach dem 3-Wege-Katalysator, vor dem Partikelfilter in der Abgasleitung oder nach dem Partikelfilter in der Ab- gasleitung. Der Partikelfilter in der Abgasleitung kann ergänzend auch eine katalytisch wirkende 3-Wege-Beschichtung aufweisen. Zudem wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Ottomo- tors mit einem vorgenannten Abgasleitsystem oder einer entsprechenden Abgasanlage, bei dem
a) im Kaltstartbetrieb des Ottomotors die Bypass-Drosselklappe geöffnet ist und die EGR-Drosselklappe sowie das Abgas-Ventil geschlossen sind, sodass der
Abgasstrom durch die Bypass-Leitung und den Partikelfilter an der Turbine vor- bei geführt wird,
b) im Teillastbetrieb des Ottomotors die Bypass-Drosselklappe geschlossen ist und das Abgas-Ventil geöffnet ist, wobei über die EGR-Drosselklappe betriebs- punktabhängig ein Abgasmassenstrom innerhalb der Abgasrückführungsleitung eingestellt wird;
c) im Volllastbetrieb des Ottomotors oder zumindest volllastnah die EGR- Drosselklappe geschlossen ist und das Abgas-Ventil geöffnet ist, wobei über die Bypass-Drosselklappe betriebspunktabhängig ein Abgasmassenstrom in- nerhalb der Bypass-Leitung eingestellt wird.
Schließlich kann es von Vorteil sein, wenn über die Ladeluftrückführungsleitung und die EGR-Leitung Ladeluft in die Abgasleitung geführt wird und der Partikelfilter in der EGR-Leitung und/oder der Partikelfilter in der Abgasleitung regeneriert wird. Wie schon vorstehend erläutert, kann durch eine Ladeluftrück- führung das Regenerationsintervall für die Partikelfilter verkürzt werden, da in verschiedenen Motorbetriebszuständen ausreichend Sauerstoff im Abgas zur Verfügung gestellt werden kann.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt. Es zeigt: Figur 1 eine Prinzipskizze eines Abgasleitsystems mit einer Bypass- Leitung mit integrierter ND-EGR;
Figur 2 eine Prinzipskizze nach Figur 1 mit weiterem Ventil;
Figur 3 eine Prinzipskizze nach Figur 1 mit Ladeluftrückführung und Ab- gasumleitung. In allen Prinzipskizzen nach den Ausführungsbeispielen Figuren 1 bis 3 ist dar- gestellt ein Abgasleitsystem 1 (EGR-System), das in das Abgas- und Ladeluft- system eines Ottomotors 2 mit Auslasskrümmer 2.1 und Einlasskrümmer 2.2 sowie mit Abgasturbine 3 und Ladeluftverdichter 4 integriert ist. Das Abgas- und Ladeluftsystem weist eine an den Auslasskrümmer 2.1 des Ottomotors 2 angeschlossene Abgasleitung 2.3 auf, in die die Turbine 3 integriert ist. Am Ende der Abgasleitung 2.3 verlässt Abgas 7 das Abgasleitsystem 1 und strömt in die wei- tere, nicht dargestellte Abgasstrecke. Zudem ist eine an den Einlasskrümmer 2.2 des Ottomotors 2 angeschlossene Einlassleitung 2.4 vorgesehen, in die der Verdichter 4 integriert ist. Die Einlassleitung 2.4 wird über ein nicht dargestelltes Luftzuführsystem mit Frischluft 8 versorgt. Zudem ist eine Bypass- Leitung 1.1 vorgesehen, die an der Abgasleitung 2.3 abzweigt und stromab der Turbine 3 in der Abgasleitung 2.3 mündet. Die Bypass-Leitung 1.1 weist eine Bypass-Drosselklappe 1.4 zum Regulieren des Gasmassestroms auf.
Ergänzend ist mindestens eine Niederdruck-Abgasrückführungsleitung 1.5 (EGR-Leitung) mit einer EGR-Drosselklappe 1.3 vorgesehen, die an einer Abzweigung 1.7 an der Bypass-Leitung 1.1 abzweigt und in der Einlassleitung 2.4 stromauf des Verdichters 4 mündet. Die Abgasrückführungsleitung 1.5 weist einen EGR-Kühler 1.6 auf. Stromab des EGR-Kühlers 1.6 bzw. vor der Mündung in die Einlassleitung 2.4 ist eine EGR-Drosselklappe 1.3 zur Regelung des Massestroms innerhalb der EGR-Leitung 1.5 platziert.
Zur Reinigung des zurückzuführenden Abgases ist ein Partikelfilter 1.2 in einem zur Abgasrückführung dienenden Teil 1.T der Bypass-Leitung 1.1 angeordnet. Der Partikelfilter 1.2 ist mit einer 3-Wege-Beschichtung beschichtet und erfüllt ergänzend die Aufgaben eines 3-Wege-Katalysato rs . Bei dem Partikelfilter 1.2 handelt es sich um einen Wandfilter, wobei vorzugsweise beide Wandseiten mit einer 3-Wege-Beschichtung beschichtet sind. Damit ist eine optimale Katalysa tor- und Filterwirkung in beide Strömungsrichtungen gewährleistet. Auch wenn nur eine Wandseite beschichtet ist, ist die katalytische Wirkung des Partikelfilters in beiden Strömungsrichtungen gewährleistet. Die Effizienz kann allerdings dadurch abnehmen, da aktive Zentren am Katalysator auf der ein- strömenden Seite durch Partikel beeinflusst sind und damit der Wirkungsgrad sinkt.
Es ist allerdings nicht richtig, dass die katalytische Wirkung in eine Strömungs- richtung nicht gewährleistet ist, wenn nur eine Seite beschichtet wird. Stromab der Turbine 3 und stromauf einer Mündung 1.8 der Bypass-Leitung 1.1 ist ein Abgas-Ventil 1.9 angeordnet. Im weiteren Verlauf nach der Mündung 1.8 der Bypass-Leitung 1.1 sind in der Abgasleitung 2.3 ein 3-Wege-Katalysator 5.1 und ein Partikelfilter 5.2 vorgesehen. Diese beiden Reinigungskomponenten können auch als kombinierter 4-Wege-Katalysator in Form eines Partikelfilters mit einer 3-Wege Beschichtung ausgebildet sein.
In der Einlassleitung 2.4 sind ein Ladeluftkühler 2.5 und eine Ladeluft- Drosselklappe 2.6 vorgesehen.
Im Kaltstartbetrieb des Ottomotors 2 wird die Bypass-Drosselklappe 1.4 geöff- net. Die EGR-Drosselklappe 1.3 sowie das Abgas-Ventil 1.9 werden geschlos- sen, sodass der Abgasstrom durch die Bypass-Leitung 1.1 und den Partikelfilter 1.2 an der Turbine 3 vorbei geführt wird, womit eine schnelle Aufheizung des Partikelfilters 1.2 einhergeht. Der Partikelfilter 1.2 ist relativ klein, da er nur für den zurückzuführenden Abgasvolumenstrom ausgelegt ist. In der Kaltstartphase gewährleistet er aber eine optimale Vorreinigung des Abgases 7, bevor dieses durch den noch kalten Hauptkatalysator abschließend gereinigt wird. Die Katalysatorwirkung ist wie bereits beschrieben in dieser Strömungs- richtung ebenfalls gewährleistet.
Im Teillastbetrieb des Ottomotors 2 wird die Bypass-Drosselklappe 1.4 ge- schlossen und das Abgas-Ventil 1.9 geöffnet. Über die EGR-Drosselklappe 1.3 wird betriebspunktabhängig ein Abgasmassenstrom innerhalb der Abgasrück- führungsleitung 1.5 eingestellt. Der Abgasstrom wird demnach stromab der Turbine 3 abgezweigt und durch strömt den Partikelfilter 1.2 gemäß Figur 1 von unten nach oben. Im Volllastbetrieb des Ottomotors 2 oder zumindest volllastnah wird die EGR- Drosselklappe 1.3 geschlossen. Das Abgas-Ventil 1.9 ist ohnehin geöffnet. Über die Bypass-Drosselklappe 1.4 wird betriebspunktabhängig ein Abgasmas senstrom innerhalb der Bypass-Leitung 1.1 eingestellt. Der Partikelfilter 1.2 wird im Vergleich zum EGR-Betrieb in der Teillast in entgegengesetzter Richtung durchströmt, was zu einer Reinigung des Filters durch Regeneration führt. Die Temperatur des Abgasstroms in der Bypass-Leitung 1.1 ist ausreichend hoch für eine solche Regeneration.
Generell ist im Schubbetrieb des Motors aufgrund des bestehenden Sauerstoff- Überschusses im Abgas 7 eine Regeneration des Partikelfilters 1.2, 5.2 durch Oxidation der gefilterten Rückstände möglich.
Nach Ausführungsbeispiel Figur 2 ist in dem als Abgasrückführungsleitung 1.5 dienenden Teil der Bypass-Leitung 1.1 ein Bypass-Ventil 6 vorgesehen. Dies dient zur Vermeidung einer Pulsation in der EGR-Strecke.
Nach Ausführungsbeispiel Figur 3 ist zusätzlich eine Ladeluft- Rückführungsleitung 9 vorgesehen, die zur Rückführung von Ladeluft in den Abgastrakt genutzt werden kann. Die Ladeluft-Rückführungsleitung 9 weist eine Drosselklappe 9.3, eine Abzweigung 9.1 stromab eines Ladeluftkühlers 2.5 und eine Mündung 9.2 zwischen dem EGR-Kühler 1.6 und der EGR- Drosselklappe 1.3 auf. Im Regenerationsbetrieb kann Ladeluft über die Ladeluft-Rückführungsleitung 9 und die EGR-Leitung 1.5 dem Partikelfilter 1.2 zugeführt werden.
Zudem ist eine Abgas-Umleitung 10 vorgesehen. Die Abgas-Umleitung 10 zweigt stromab des Partikelfilters 1.2 an einer Abzweigung 10.4 an dem Teil- stück 1.T der Bypass-Leitung 1.1 ab und mündet in der Abgasleitung 2.3 an ei- ner Mündung 10.5 zwischen dem Partikelfilter 5.2 und dem 3-Wege- Katalysator 5.1. Auch bei Anwendung der Abgas-Umleitung 10 ist das Bypass- Ventil 6 stromab der Abzweigung 10.4 in der Bypass-Leitung 1.T vorgesehen. Zudem ist ein erstes Umleitungsventil 10.1 stromauf der Mündung 10.5 vorge- sehen, über welches die Umleitung 10 abschottbar ist. Über die Abgas- Umleitung 10 kann bei geschlossenem Bypass-Ventil 6 und geöffnetem Umlei- tungsventil 10.1 das bereits gereinigte Abgas 7 an dem 3-Wege-Katalysator 5.1 vorbei geführt werden.
Ergänzend (gestrichelt dargestellt) ist ein weiterer Umleitungsabschnitt 10.7 der Abgas-Umleitung 10 vorgesehen. Der Umleitungsabschnitt 10.7 zweigt zwischen der Abzweigung 10.4 und dem ersten Umleitungsventil 10.1 ab und mündet an einer Mündung 10.6 stromab des Partikelfilters 5.2. Zudem weist der Umleitungsabschnitt 10.7 ein zweites Umleitungsventil 10.2 auf, sodass der ge- reinigte Abgasstrom wahlweise stromab des Partikelfilters 5.2 oder zwischen dem 3-Wege-Katalysator 5.1 und dem Partikelfilter 5.2 in die Abgasleitung 2.3 zurückgeführt werden kann.
Entsprechend wie auch bei der Rückführung der Abgase 7 ist es auch möglich, im Regenerationsbetrieb die Ladeluft über die Abgas-Umleitung 10 am 3-Wege- Katalysator 5.1 vorbei dem Partikelfilter 5.2 zur Regeneration zuzuführen.
Bezugszeichenliste
Abgassystem / Abgasleitsystem
Bypass-Leitung
Teil der Bypass-Leitung, der auch zur EGR dient, Bypass-Leitung Partikelfilter, beschichtet
EGR-Drosselklappe
Bypass-Drosselklappe von 1.1
Abgasrückführungsleitung, EGR-Leitung
Kühler, EGR-Kühler
Abzweigung der Abgasrückführungsleitung 1.5
Mündung der Bypass-Leitung 1.1
Abgas-Ventil
Ottomotor
Auslasskrümmer
Einlasskrümmer
Abgasleitung
Einlassleitung
Ladeluftkühler
Ladeluft-Drosselklappe
Turbine
Verdichter, Ladeluftverdichter
Katalysator, 3-Wege-Katalysator
Partikelfilter
Bypass-Ventil
Abgas
Frischluft
Ladeluft-Rückführungsleitung
Abzweigung
Mündung
Drosselklappe
Abgas-Umleitung

Claims

Patentansprüche
1. Abgasleitsystem (1 ) für einen Ottomotor (2) mit einer an einen Auslass- krümmer (2.1) des Ottomotors (2) anschließbaren Abgasleitung (2.3), mit einer an einen Einlasskrümmer (2.2) des Ottomotors (2) anschließbaren Einlassleitung (2.4) und mit einem in der Einlassleitung (2.4) angeordne- ten Ladeluftverdichter (4) sowie mit einer in der Abgasleitung (2.3) ange- ordneten Turbine (3), wobei die Abgasleitung (2.3) mindestens eine By- pass-Leitung (1.1) mit einer Bypass-Drosselklappe (1.4) aufweist, die stromauf der T urbine (3) an der Abgasleitung (2.3) abzweigt und die stromab der Turbine (3) an einer Mündung (1.8) in die Abgasleitung (2.3) mündet, und wobei mindestens eine Abgasrückführungsleitung (1.5) mit einer EGR-Drosselklappe (1.3) vorgesehen ist, die in der Einlasslei tung (2.4) mündet, wobei die Abgasrückführungsleitung (1.5) an einer Abzweigung (1.7) an der Bypass-Leitung (1.1) abzweigt, wobei die Bypass- Drosselklappe (1.4) stromauf der Abzweigung (1.7) der Abgasrückführungsleitung (1.5) angeordnet ist und wobei in der Abgasleitung (2.3) stromauf der Mündung (1.8) der Bypass-Leitung (1.1) ein Abgas-
Ventil (1.9) vorgesehen ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass in der Bypass-Leitung (1.1) stromab der Abzweigung (1.7) der Abgasrückführungsleitung (1.5) mindestens ein Partikelfilter (1.2) angeordnet ist.
2. Abgasleitsystem (1 ) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass der mindestens eine Partikelfilter (1.2) eine katalytisch wirkende 3- Wege-Beschichtung zur Umwandlung von CO, HC und NOx aufweist.
3. Abgasleitsystem (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass stromauf der EGR-Drosselklappe (1.3) ein Kühler (1.6) innerhalb der Abgasrückführungsleitung (1.5) vorgesehen ist.
4. Abgasleitsystem (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass stromab der Mündung (1.8) der Bypass-Leitung (1.1) ein 3-Wege- Abgaskatalysator (5.1) und/oder ein Partikelfilter (5.2) in der Abgaslei- tung (2.3) vorgesehen ist.
5. Abgasleitsystem (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Bypass-Leitung (1.1') stromab des Partikelfilters (1.2) und strom- auf der Mündung (1.8) frei von Abgasventilen oder Abgasklappen ist oder dass in der Bypass-Leitung (1.1‘) stromab des Partikelfilters (1.2) und stromauf der Mündung (1.8) nur ein Bypass-Ventil (6) vorgesehen ist.
6. Abgasleitsystem (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Bypass-Leitung (1.1) stromauf des Partikelfilters (1.2) oder stromauf der Abzweigung (1.7) der Abgasrückführungsleitung (1.5) frei von Verbindungsleitungen zur Abgasleitung (2.3) ist.
7. Abgasleitsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Ladeluft-Rückführungsleitung (9) vorgesehen ist mit einer Ab- zweigung (9.1) stromab eines Ladeluftkühlers (2.5) und einer Mün- dung (9.2) zwischen dem EGR-Kühler (1.6) und der EGR- Drosselklappe (1.3).
8. Abgasleitsystem (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Abgas-Umleitung (10) vorgesehen ist, die stromab des
Partikelfilters (1.2) und vor der Mündung (1.8) an einer Abzweigung (10.4) abzweigt und in der Abgasleitung (2.3) stromab des 3-Wege- Katalysators (5.1) mündet und/oder stromab des Partikelfilters (5.2) mün- det, wobei mindestens ein erstes Umleitungsventil (10.1) zwischen der Abzweigung (10.4) und einer Mündung (10.5) platziert ist.
9. Abgasleitsystem (1) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Umleitungsabschnitt (10.7) vorgesehen ist, der zwischen der Abzweigung (10.4) und dem ersten Umleitungsventil (10.1) abzweigt und stromab des Partikelfilters (5.2) an einer Mündung (10.6) mündet, wobei ein zweites Umleitungsventil (10.2) im Umleitungsabschnitt (10.7) vorge- sehen ist.
10. Abgasanlage und/oder Ottomotor (2) mit einem Abgasleitsystem (1 ) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche.
11. Verfahren zum Betrieb eines Ottomotors (2) mit einem Abgasleitsys- tem (1) oder einer Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprü- che,
dadurch gekennzeichnet, dass
a) im Kaltstartbetrieb des Ottomotors (2) die Bypass-Drosselklappe (1.4) geöffnet ist und die EGR-Drosselklappe (1.3) sowie das Abgas-Ventil (1.9) geschlossen sind, sodass der Abgasstrom durch die Bypass-Leitung (1.1) und den Partikelfilter (1.2) an der Turbine (3) vorbei geführt wird, b) im Teillastbetrieb des Ottomotors (2) die Bypass-Drosselklappe (1.4) geschlossen ist und das Abgas-Ventil (1.9) geöffnet ist, wobei über die EGR-Drosselklappe (1.3) betriebspunktabhängig ein Abgasmassenstrom innerhalb der Abgasrückführungsleitung (1.5) eingestellt wird,
c) im Volllastbetrieb des Ottomotors (2) oder zumindest volllastnah die EGR-Drosselklappe (1.3) geschlossen ist und das Abgas-Ventil (1.9) geöffnet ist, wobei über die Bypass-Drosselklappe (1.4) betriebspunktabhän- gig ein Abgasmassenstrom innerhalb der Bypass-Leitung (1.1) eingestellt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass über die Ladeluft-Rückführungsleitung (9) und die EGR-Leitung (1.5) Ladeluft in die Abgasleitung (2.3) geführt wird und der Partikelfilter (1.2) und/oder der Partikelfilter (5.2) regeneriert wird.
PCT/EP2019/054933 2018-02-28 2019-02-28 Niederdruck egr-system mit turbo-bypass WO2019166528A1 (de)

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