DE102004052015A1 - Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor - Google Patents

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Abstract

Eine Abgasanlage 10 für einen Verbrennungsmotor umfaßt ein Abgasrückführleitung 22, die im Gebrauch Motorgas zurück in den Motorlufteinlaß führt. Ein Partikelfilter 18 ist vorgesehen, und eine Brennereinrichtung 36 ist so angeordnet, daß sie Partikel abbrennt, die vom Filter aufgefangen wurden.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor, und insbesondere, aber nicht ausschließlich eine Abgasanlage für einen Dieselmotor.
  • Infolge zunehmend strenger Emissionsvorschriften sehen sich Motorhersteller dem Erfordernis gegenüber, alle Formen von Emissionen zu reduzieren: Partikelemissionen von Dieselmotoren sind wesentlich höher als von Benzinmotoren, und eine Möglichkeit, den Grad emittierter Partikel zu reduzieren, besteht darin, daß Dieselmotor-Abgasanlagen einen Partikelfilterabscheider aufweisen können, der einen Teil der vom Motor emittierten Partikel auffängt. Mit der Zeit wird der Filter durch die gefilterten Partikel verstopft, und es ist nötig, den Filter zu regenerieren, um die Bildung eines übermäßigen Gegendrucks in der Abgasanlage zu verhindern, der die Leistungsabgabe des Motors verringern und letztendlich zu einem Motorversagen führen kann. Ein bekanntes Verfahren zur Regeneration des Partikelfilters besteht darin, das im Motor erzeugte NOx zu verwenden, um den Partikelfilter zu regenerieren. In diesen Anlagen hat entweder das Filtersubstrat einen katalytischen Überzug oder ein separater Katalysator ist so installiert, daß das Hinwegströmen von NO2 über den rußverstopften Filter unter bestimmten Motorbedingungen verursacht, daß die Partikel in Teile zerlegt werden und der Filter gereinigt wird. Es ist ebenso bekannt, eine Brenneranlage vorzusehen, die gewöhnlich mit Dieselkraftstoff betrieben wird und die, wenn der Filter verstopft wird, das Filtersubstrat erhitzt, um die Partikel abzubrennen. Während das erste System ein „passives" Regenerationssystem ist, das sich auf eine katalytische Funktion unter gewissen Motorbedingungen stützt, ist das zuletzt beschriebene System ein „aktives" System, das den Filter ungeachtet der Motorbetriebsbedingungen regenerieren kann.
  • Eine weitere durch Emissionsbegrenzungen regulierte Emission ist NOx, und ein Verfahren, die Entstehung von NOx zu reduzieren, besteht darin, ein Abgasrückführungssystem vorzusehen, in welchem ein Anteil des aus dem Motor ausströmenden Abgases zum Lufteinlaß zurückgeführt wird. Dies hat zwei Effekte. Erstens enthält das Abgas einen hohen Anteil an Kohlendioxid und Kohlenmonoxid, die für den Zweck der Verbrennung in der Verbrennungskammer inerte Gase sind. Durch Verdrängen des in die Verbrennungskammer eingeführten Sauerstoffs und Ersetzen desselben durch Kohlendioxid und Kohlenmonoxid wird die Rate der NOx-Bildung reduziert. Außerdem wird ein Teil der durch die Verbrennung erzeugten Wärmeenergie durch das Kohlendioxid im Abgasstrom aufgrund der Tatsache absorbiert, daß Kohlendioxid eine beträchtliche Wärmeabsorptionskapazität hat, und ebenso aufgrund des Zerfalls von Kohlendioxid während der Verbrennung, der ebenso Energie aus dem Verbrennungsprozeß absorbiert. Wegen dieser Energieabsorption werden der Verbrennungsdruck und die Temperatur reduziert, was ebenso die Herstellung von NOx reduziert. Wie oben angeführt, stützen sich katalytische Regenerationssysteme für Dieselpartikelfilter auf das vom Dieselmotor emittierte NOx, um den Filter zu regenerieren und zu verhindern, daß der Filter mit Partikeln verstopft wird. Folglich sieht sich der Abgasmechanismus dem Konflikt gegenüber, entweder das NOx-Niveau durch Abgasrückführung zu reduzieren, was zur Folge hat, daß weniger NOx für die Regeneration des Filters zur Verfügung steht, was dann wieder zur Folge hat, daß der Filter verstopft wird, oder zu erlauben, daß mehr NOx durch den Motor erzeugt wird, um den Filter zu regenerieren, was den nachteiligen Effekt der zusätzlichen NOx-Produktion hat.
    •
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor bereitzustellen.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor vorgesehen, die einen Abgasrückführweg, einen Partikelfilter und einen Brenner hat, der eine Regeneration des Partikelfilters bewirkt.
  • Auf diese Weise wird, durch Anwenden des Brennerregenerationsverfahrens, nicht länger NOx benötigt, um den Filter zu regenerieren, was bedeutet, daß ein höherer Grad der Abgasrückführung bewirkt werden kann, um das durch den Motor erzeugte NOx besser zu reduzieren. Die vorliegende Erfindung sieht ein System vor, das die Regeneration des jeweiligen Filters für alle Motorbetriebssysteme ohne Beschränkung auf den verfügbaren Grad der NOx Reduktion durch das Abgasrückführungssystem gestattet.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Abgasanlage für den Verbrennungsmotor einen Auslösemechanismus auf, der so angeordnet ist, daß er die Regeneration des Filters durch Aktivierung des Brenners auslöst. Der Auslösemechanismus erfaßt vorzugsweise den Gegendruck in der Abgasanlage. Mit zunehmender Verstopfung des Filters steigt der Gegendruck an, und wenn der Gegendruck einen festgelegten Grenzwert überschreitet, zündet der Auslösemechanismus den Brenner, um eine Regeneration des Partikelfilters zu bewirken. Alternativ könnte der Auslösemechanismus ein Zeitgeber sein, der den Brenner nach einer vorbestimmten Motorbetriebsdauer zündet. Weitere alternative Auslösemechanismen sind ins Auge gefaßt, die einen Sensor zur Bestimmung der Masse der vom Filter zurückgehaltenen Partikel oder Sensoren aufweisen, die bestimmte Motorbetriebscharakteristika bestimmen, die ein erhöhtes Partikelniveau im Filter verursachen könnten, zum Beispiel Fahren in der Stadt. Der Auslösemechanismus kann eine Kombination der oben genannten Sensoren aufweisen.
  • Die Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor weist vorzugsweise ein Steuermittel auf, zum Beispiel eine elektronische Steuereinheit, die sowohl den Brennerbetrieb als auch die Abgasrückführung steuert.
  • Der Abgasrückführweg nimmt vorzugsweise Abgas von dem Punkt in der Abgasanlage stromabwärts des Partikelfilters auf. Der Abgasrückführweg weist vorzugsweise einen Kühlmechanismus auf, der im Abgasrückführweg angeordnet ist. Die Abgaszirkulation wird vorzugsweise durch Vorsehen eines Abgasrückführventils im Lufteinlaßweg des Motors bewirkt. Das Öffnen des Ventils gestattet es, daß Abgas durch einen positiven Druck von hinten in der Abgasanlage und den negativen Druck, der durch den Venturi-Effekt von längs des Lufteinlasses strömender Luft bewirkt wird, längs des Abgasrückführweges gezogen wird. Das zurückgeführte Abgas wird folglich mit Lufteinlaßgas kombiniert.
  • Der im Abgasrückführweg angeordnete Kühlmechanismus kann so angeordnet sein, daß er eine zusätzliche Kühlung während des Brennerbetriebs vorsieht. Auf diese Weise wird der Anstieg der Abgastemperatur der den Filter während des Brennerbetriebs verlassenden Abgase durch die Extrakühlung kompensiert, die durch den Kühlmechanismus bewirkt wird, so daß die Abgasrückführung nicht durch die erhöhten Temperaturen beeinträchtigt wird. Alternativ kann das Steuermittel so angeordnet sein, daß es das Abgasrückführventil schließt, um eine Abgasrückführung während des Brennerbetriebs zu verhindern. Dies verhindert, daß heiße Gase in den Motor zurückgeführt werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor vorgesehen, das folgende Schritte umfaßt: Vorsehen eines Partikelfilters, Betreiben des Partikelfilters, um Partikel aus dem Abgasstrom herauszufiltern, Rückführen von Abgas in den Motorlufteinlaß und periodisches Regenerieren des Partikelfilters mittels eines Brenners.
  • Der Schritt des periodischen Regenerierens des Partikelfilters umfaßt vorzugsweise, daß die Regeneration als Reaktion auf einen Auslöser bewirkt wird, wobei der Auslöser einen oder mehrere der Parameter Gegendruck des Abgases, seit der letzten Regeneration vergangene Zeit und andere, bestimmte Motorbetriebsbedingungen anzeigende Motorparameter beinhaltet.
  • Der Schritt des Rückführens von Abgas beinhaltet vorzugsweise das Kühlen des rückgeführten Abgases. Das Verfahren weist vorzugsweise den Schritt auf, eine zusätzliche Kühlung des rückgeführten Abgases beim Betrieb des Brenners zur Regeneration des Filters vorzusehen.
    •
  • Eine Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor in Übereinstimmung mit der Erfindung wird nun ausführlich beispielhaft und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
  • 1 ein schematisches Diagramm eines Verbrennungsmotors und einer Abgasanlage ist, und
  • 2 ein Graph ist, der den Betrieb einer Abgasanlage 10 zeigt, die ein brennerunterstütztes Partikelfilterregenerationssystem hat und an einen Verbrennungsmotor 12 gekoppelt ist, in diesem Fall einen Dieselmotor.
  • Die Abgasanlage 10 umfaßt einen Auspuffkrümmer (nicht gezeigt), der Abgas vom Motor 12 aufnimmt und es über die Auspuffseite eines Turboladers 16 an eine Auspuffleitung 14 übermittelt. Stromabwärts des Turboladers 16 mündet die Leitung 14 in eine Partikelfilterbaugruppe 18. Stromabwärts des Partikelfilters 18 strömen die Abgase in eine zweite Leitung 20. Ein Stück entlang der zweiten Leitung 20 ist eine Abgasrückführleitung 22, die mit der Leitung 20 strömungsmäßig verbunden ist. Die Leitung 20 erstreckt sich über die Verbindung mit der Abgasrückführleitung 22 hinaus zum Rest des Abgassystems, das konventionell ist und hierin nicht beschrieben werden braucht. Die Abgasrückführleitung 22 hat einen Kühlmechanismus 24, der es gestattet, die entlang der Leitung 22 strömenden Gase zu kühlen. Das von der Abgasleitung 20 beabstandete Ende der Leitung 22 ist mit der Luftzuführleitung 26 des Dieselmotors 12 verbunden. Die Verbindung der Abgasrückführleitung 22 und der Luftzuführleitung 26 wird durch ein Ventil 27 gesteuert, das in seinem offenen Zustand gestattet, daß Abgase aus der Leitung 20, aus der Leitung 22, durch den Kühler 24 und in die Luftleitung 26 strömen, und das im geschlossenen Zustand eine solche Strömung verhindert.
  • Die Filterbaugruppe 18 umfaßt eine Kammer 28 mit einem Abgaseinlaß 30 und einem Abgasauslaß 32. Die Kammer 28 weist ein Filterelement 34 auf, das in einer solchen Weise angeordnet ist, daß in die Kammer 28 durch den Einlaß 30 eintretende Abgase den Filter 34 durchlaufen müssen, um den Auslaß 32 zu erreichen. Die Kammer 18 weist außerdem eine Brennereinrichtung 36 auf.
  • Die Brennereinrichtung 36 nimmt Kraftstoff aus einem Kraftstoffspeicher, zum Beispiel dem Kraftstofftank eines Fahrzeugs, über eine Kraftstoffleitung 38 auf. Verbrennungsluft wird durch eine Luftleitung 40 zur Verfügung gestellt. Eine Zündvorrichtung 42 ist vorgesehen, die die Zündung des Brenners bewirkt, falls notwendig. Eine elektronische Steuereinheit 44 oder eine Reihe von elektronischen Steuereinheiten ist vorgesehen, die den Motor 12, das Abgasrückführventil 27 und die Brennereinrichtung 36 steuern.
  • Ein Abgasgegendrucksensor 46 erfaßt den Gegendruck unmittelbar stromaufwärts des Partikelfilters 18 und reicht diese Daten an die ESE 44 weiter. Drei Temperatursensoren T1, T2 und T3 reichen die erfaßten Temperaturdaten zurück an die ESE 44. T1 erfaßt die Brennertemperatur, T2 erfaßt die Temperatur stromaufwärts des Filters und T3 erfaßt die Temperatur stromabwärts des Filters. Die ESE 44 erhält außerdem Daten vom Motor; zum Beispiel werden Motordrehzahl und Ladedruck erfaßt und an die ESE übermittelt.
  • Im Gebrauch wird der Motor 12 auf normale Weise betrieben und die den Motor 12 verlassenden Abgase strömen durch den Turbolader 16 und in die Abgasleitung 14. Die Abgase, die Partikel tragen, werden zum Partikelfilter 18 übermittelt, wo die Partikel aus dem Abgasstrom herausgefiltert werden. Stromabwärts des Partikelfilters 18 läuft das Abgas in die Abgasleitung 20 und dann weiter zum Rest der Abgasanlage. Soweit nötig, steuert die ESE 44 das Ventil 27 an der Verbindung der Lufteinlaßleitung 26 und der Abgasrückführleitung 22, damit es sich öffnet. Eine Kombination aus dem positiven Druck hinter dem Abgas in der Leitung 22 und dem negativen Druck voraus aufgrund des Venturi-Effekts der die Luftzuführleitung 26 durchströmenden Luft führt die Abgase längs der Leitung 22 durch den Kühlmechanismus 24 und in den Luftzuführstrom 26. Auf diese Weise werden Luft und Abgase in der Lufteinlaßströmung zusammengemischt, bevor sie durch die Einlaßseite des Turboladers 16 in die Verbrennungskammern des Motors strömen. Wie oben beschrieben, reduziert die Anwesenheit der Abgase in der Lufteinlaßströmung den Anteil an Sauerstoff in der Verbrennungskammer, was das NOx beträchtlich reduziert. Außerdem wird NOx bevorzugt hergestellt, wenn der Motor bei hohen Temperaturen arbeitet, und der erhöhte Anteil an Kohlendioxid im Einlaßgasstrom absorbiert mehr Energie von der Verbrennung, wodurch die Temperatur weniger ansteigt. Folglich hat der aus den Verbrennungskammern des Motors 12 austretende Abgasstrom eine niedrigere Temperatur als dies der Fall wäre, wenn dieser in sauberer Luft arbeiten würde.
  • Mit der Zeit wird der Filter 34 durch die herausgefilterten Partikel verstopft. Wenn dies stattfindet, nimmt die Kraft zu, die benötigt wird, um die Abgase durch den Filter 34 zu drücken, was den Gegendruck in der Abgasleitung 14 unmittelbar stromaufwärts des Filters erhöht. Wenn der Gegendruck einen festgelegten Grenzwert übersteigt, initiiert die elektronische Steuereinheit 44 den Betrieb des Brenners 36. Kraftstoff wird längs der Leitung 38 zugeführt, und Luft wird längs der Leitung 40 zugeführt. Die Kraftstoff/Luft-Mischung wird im Brennerkopf gemischt, und die Kraftstoff/Luft-Mischung wird mittels der Zündvorrichtung 42 gezündet. Wenn der Brenner gezündet wird, erhöht sich die Filtertemperatur, was ein Abbrennen der verstopfenden Filterpartikel zur Folge hat, so daß der Filter gesäubert wird.
  • Folglich ist es möglich, die Abgasanlage 10 bei hohen Abgasrückführungsniveaus zu betreiben, um den Grad des NOx-Ausstoßes zu reduzieren, während das Kompromißerfordernis von Partikelfiltern, die eine NOx-Regeneration des Filters selbst benötigen, beseitigt wird.
  • 2 zeigt einen Graph, der den Fahrbetrieb einer Abgasanlage mit einem Partikelfilterabscheider veranschaulicht, der mittels eines Brenners regeneriert wird. Es ist ersichtlich, daß jede wesentliche Zunahme der Motordrehzahl eine wesentliche Zunahme des Abgasgegendrucks zur Folge hat, was in erster Linie auf das Verstopfen eines Filters durch Partikel zurückzuführen ist. In dem gezeigten Graph wurde das Brennersystem nach ungefähr 560 Sekunden gezündet, und die Temperatur des Abgasstroms stromaufwärts des Filters erhöht sich in 50–60 Sekunden von ungefähr 100°C auf ungefähr 650°C. Diese Abgastemperatur wird dann durch den Betrieb des Brenners aufrechterhalten, bis ein meßbarer Abfall im Abgasgegendruck erfaßt wird. Wie in der Figur zu sehen ist, hat sich, bereits kurz nachdem der Filter durch den Brenner erhitzt wird, zum Beispiel bei 700 Sekunden, der Abgasgegendruck wesentlich erschöpft, was anzeigt, daß Gas bereits nach einer kurzen Brennerbetriebsdauer erheblich ungehinderter durch den Filter strömt.

Claims (15)

  1. Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor mit einem Abgasrückführweg, der Motorabgas in einen Motorlufteinlaß zurückführt, einem Partikelfilter und einem Brenner, der eine Regeneration des Partikelfilters bewirkt.
  2. Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Auslösemechanismus vorgesehen ist, der so angeordnet ist, daß er die Regeneration des Filters durch Aktivierung des Brenners auslöst.
  3. Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslösemechanismus den Gegendruck in der Abgasanlage erfaßt.
  4. Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslösemechanismus ein Zeitgeber ist, der den Brenner nach einer vorbestimmten Motorbetriebsdauer zündet.
  5. Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslösemechanismus eine Kombination aus zwei oder mehr der Parameter Abgasgegendruck, vergangene Zeit seit dem letzten Brennen, Masse der vom Filter zurückgehaltenen Partikel und bestimmte Motorbetriebscharakteristika erfaßt.
  6. Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor ein Steuermittel umfaßt, das sowohl den Brennerbetrieb als auch die Abgasrückführung steuert.
  7. Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasrückführweg Abgas von dem Punkt in der Abgasanlage stromabwärts des Partikelfilters aufnimmt.
  8. Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasrückführweg einen Kühlmechanismus aufweist, der im Abgasrückführweg angeordnet ist.
  9. Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgaszirkulation durch Vorsehen eines Abgasrückführventils im Lufteinlaßweg des Motors bewirkt wird.
  10. Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der im Abgasrückführweg angeordnete Kühlmechanismus so angeordnet ist, daß er eine zusätzliche Kühlung während des Brennerbetriebs vorsieht.
  11. Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgasrückführventil geschlossen wird, um eine Abgasrückführung während des Brennerbetriebs zu verhindern.
  12. Verfahren zum Betreiben einer Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor, das die Schritte Vorsehen eines Partikelfilters, Betreiben des Partikelfilters, um Partikel aus dem Abgasstrom herauszufiltern, Rückführen von Abgas in den Motorlufteinlaß und periodisches Regenerieren des Partikelfilters mittels eines Brenners umfaßt.
  13. Verfahren zum Betreiben einer Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des periodischen Regenerierens des Partikelfilters umfaßt, daß die Regeneration als Reaktion auf einen Auslöser bewirkt wird, wobei der Auslöser einen oder mehrere der Parameter Gegendruck des Abgases, seit der letzten Regeneration vergangene Zeit und andere, bestimmte Motorbetriebsbedingungen anzeigende Motorparameter b einhaltet.
  14. Verfahren zum Betreiben einer Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Rückführens von Abgas das Kühlen des rückgeführten Abgases beinhaltet.
  15. Verfahren zum Betreiben einer Abgasanlage eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren den Schritt aufweist, eine zusätzliche Kühlung des rückgeführten Abgases beim Betrieb des Brenners zur Regeneration des Filters vorzusehen.
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