DE102018009400A1

DE102018009400A1 - Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug mit einem in einem Abgastrakt angeordneten Brenner, sowie Verfahren zum Betreiben einer solchen Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102018009400A1
Application number: DE102018009400.7A
Authority: DE
Inventors: Michael Stiller; Johannes Bleckmann
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2018-11-29
Filing date: 2018-11-29
Publication date: 2020-06-04

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine (10) für ein Kraftfahrzeug, mit einem von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) durchströmbaren Abgastrakt (16), und mit einem in dem Abgastrakt (16) angeordneten Brenner (56), welcher eine Brennkammer (64) aufweist, in welcher zum Erwärmen des Abgases unter Ausbildung einer offenen Flamme ein Brennstoff mittels des Brenners (56) zu verbrennen ist, wobei der Abgastrakt (16) ein von dem Abgases durchströmbares Abgasrohr (66), in welchem die von dem das Abgasrohr (66) durchströmenden Abgas durchströmbare Brennkammer (64) angeordnet ist, und eine Klappe (53) aufweist, mittels welcher in Abhängigkeit von einer Last und einer Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine (10) eine das Abgasrohr (66) durchströmende erste Menge und eine die Brennkammer (64) umgehende zweite Menge des Abgases einstellbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Verbrennungskraftmaschine.
Eine solche Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen, ist beispielsweise bereits der DE 10 2012 024 260 A1 als bekannt zu entnehmen. Die Verbrennungskraftmaschine weist dabei einen von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren Abgastrakt und einen in dem Abgastrakt angeordneten Brenner auf, welcher eine Brennkammer umfasst. In der Brennkammer ist zum Erwärmen des Abgases unter Ausbildung einer offenen Flamme ein Brennstoff mittels des Brenners zu verbrennen.
Des Weiteren offenbart die DE 10 2008 032 601 A1 ein Verfahren zum Einstellen eines Zustands eines Abgasstroms einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit einem der Brennkraftmaschine nachgeschalteten und von dem Abgasstrom durchströmten Abgassystem, und mit einem dem Abgasstrom zugeordneten Brenner. Darüber hinaus ist der DE 35 32 778 A1 eine Vorrichtung zum Regenerieren von Rußfiltern als bekannt zu entnehmen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verbrennungskraftmaschine und ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders kraftstoffverbrauchs- und emissionsarmer Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisiert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Um eine Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass sich ein besonders kraftstoffverbrauchs- und emissionsarmer Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisieren lässt, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Abgastrakt ein von dem Abgas durchströmbares Abgasrohr aufweist, in welchem die Brennkammer angeordnet ist. Dadurch ist die Brennkammer von dem das Abgasrohr durchströmenden Abgas durchströmbar. Außerdem weist der Abgastrakt eine Klappe auf, mittels welcher in Abhängigkeit von einer Last und in Abhängigkeit von einer Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine eine das Abgasrohr durchströmende erste Menge und eine die Brennkammer beziehungsweise das Abgasrohr und somit die Brennkammer umgehende zweite Menge des Abgases einstellbar sind. Unter dem Merkmal, dass die zweite Menge die Brennkammer beziehungsweise den Brenner insgesamt umgeht, ist zu verstehen, dass die zweite Menge des Abgases nicht durch die Brennkammer hindurchströmt.
Der Brenner ist ein Zusatzbrenner, mittels welchem beispielsweise bei einem Kaltstart vorteilhaft hohe Temperaturen des Abgases realisiert werden können. Der Brennstoff zum Betrieb des Brenners kann im Rahmen der Erfindung insbesondere als der Kraftstoff ausgebildet sein, mit welchem auch die Verbrennungskraftmaschine betrieben wird. In der Folge kann beispielsweise eine in dem Abgastrakt und dabei beispielsweise stromab des Brenners angeordnete Abgasnachbehandlungseinrichtung erwärmt beziehungsweise warm gehalten werden. Mit anderen Worten kann durch Erwärmen des Abgases mittels des Brenners eine hinreichend hohe Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung gewährleistet werden, sodass beispielsweise durch Erwärmen des Abgases ein Oxidationskatalysator und/oder ein SCR-Katalysator und/oder ein Partikelfilter der Abgasnachbehandlungseinrichtung vorteilhaft aufgeheizt beziehungsweise warm gehalten werden können. Hierdurch kann insbesondere bei einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine der Ausstoß von Stickoxid-Emissionen (NO_x-Emissionen) stark reduziert werden.
Im Rahmen eines Verfahrens zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine ist es vorgesehen, den als Zusatzbrenner fungierenden Brenner nur in einem Niedriglastbereich und bei kalter Abgasnachbehandlungseinrichtung zu zünden, das heißt zu aktivieren. Der Niedriglastbereich ist dadurch charakterisiert, dass der effektive Mitteldruck der Verbrennungskraftmaschine kleiner gleich in etwa 4 bar ist. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung ist dann kalt, wenn die Abgasnachbehandlungseinrichtung beziehungsweise das Abgas stromauf des Brenners eine Temperatur aufweist, die geringer als eine auch als Light-Off-Temperatur bezeichnete Anspringtemperatur des beispielsweise als Dieseloxidationskatalysator ausgebildeten Oxidationskatalysators ist. In einer Ausgestaltung dieses Verfahrens zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine ist es vorgesehen, die auch als Abgasklappe bezeichnete Klappe derart einzustellen, dass das Abgas im Wesentlichen vollständig durch zum Brenner und durch die Brennkammer hindurchgeleitet wird.
Insbesondere dann, wenn die Verbrennungskraftmaschine eine hohe Drehzahl aufweist, wird die Klappe derart gestellt, dass das Abgas zumindest teilweise den Brenner und somit die Brennkammer umgeht. Diesbezüglich wurde gefunden, dass das Abgas bei hohen Drehzahlen der Verbrennungskraftmaschine eine solch hohe Strömungsgeschwindigkeit im Abgastrakt aufweist, dass sich insbesondere aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeit und insbesondere dann, wenn die Abgasnachbehandlungseinrichtung kalt ist, sich die Flamme nicht stabilisieren kann. Dadurch, dass nun zumindest ein Teil des Abgases die Brennkammer umgeht, kann sich eine stabile Flamme ausbilden, wodurch das Abgas effektiv und effizient erwärmt werden kann.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Verbrennungskraftmaschine eine Dosiereinrichtung auf, mittels welcher der, insbesondere unverbrannte, Brennstoff in das Abgasrohr beziehungsweise in das das Abgasrohr durchströmende Abgas eingespritzt werden kann. Das Einspritzen des Brennstoffes in das Abgas wird auch als Sekundärkraftstoffzugabe bezeichnet und erfolgt beispielsweise in Abhängigkeit von einer im Abgas enthaltenen Menge an Restsauerstoff, wobei die Menge beispielsweise mittels Luft- und Einspritzmodellen berechnet wird und mit wenigstens einer im Abgastrakt angeordneten Lambdasonde beziehungsweise mittels NO_x-Sensoren, welche ebenfalls einen Lambdawert des Abgases messen können, erfasst wird.
In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine ist der Brennstoff für den Betrieb des Brenners im Abgastrakt als ein Kraftstoff für den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine ausgebildet, welcher mittels zumindest einer Nacheinspritzung in die Verbrennungskraftmaschine einspritzbar ist. Mit dieser Ausgestaltung der Erfindung kann vorteilhaft eine eigens für die Zugabe des Brennstoffs vorgesehene Dosiereinrichtung für Brennstoff im Abgastrakt eingespart werden. Eine Dosiereinrichtung für eine kontinuierliche Zugabe von Kleinstmengen von Brennstoff ist technisch anspruchsvoll. Besonders vorteilhaft kann bei dieser Ausgestaltung der Erfindung das bereits vorhandene Kraftstoffdosiersystem der Verbrennungskraftmaschine genutzt werden. Es ist auch denkbar, dass der Kraftstoff, der für den Betrieb des Brenners im Abgastrakt in die Verbrennungskraftmaschine eingespritzt wird, aufgeteilt auf mehrere Nacheinspritzungen in die Verbrennungskraftmaschine eingespritzt wird.
Bei höheren Lasten von insbesondere mehr als 4 bar effektiver Mitteldruck und insbesondere dann, wenn die Temperatur des Abgases beziehungsweise der Abgasnachbehandlungseinrichtung größer als die Anspringtemperatur des Oxidationskatalysators ist, wird in einer Ausgestaltung des Verfahrens zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine der auch als Sekundärkraftstoff bezeichnete Brennstoff am Brenner und in die Brennkammer eingespritzt, und die Klappe wird so gestellt, dass im Wesentlichen das gesamte Abgas durch die Brennkammer strömt und somit an einer Düse des Brenners vorbeigeleitet wird. Hierbei fungiert der Brenner beziehungsweise die Dosiereinrichtung als Dosiereinrichtung, um unverbrannten Brennstoff und somit unverbrannte Kohlenwasserstoffe in das Abgas einzuspritzen. Vorzugsweise unterbleibt dabei eine durch den Brenner bewirkte Zündung des Brennstoffes, wobei der eingespritzte Brennstoff an dem und dabei durch den hinreichend warmen Oxidationskatalysator oxidiert und somit verbrannt wird. Auch durch diese Ausgestaltung des Verfahrens zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine wird eine Temperaturerhöhung des Abgases bewirkt, wodurch der Oxidationskatalysator und/oder andere dem Oxidationskatalysator nachgeschaltete Elemente der Abgasnachbehandlungseinrichtung wie beispielsweise der SCR-Katalysator vorteilhaft erwärmt werden können. Das auch als „katalytischer Brenner“ bezeichnete Verfahren kann im gesamten Betriebsbereich zu nennenswerter Temperatursteigerung genutzt werden. Der Temperaturhub ist abhängig vom Restsauerstoff im Abgas. Dieser kann durch ein Luft-Management, insbesondere mittels einer Wastegatestellung bei vorliegender Wastegate- beziehungsweise Umgehungsturbine oder mittels Verstellen einer Turbinengeometrie bei vorliegender variabler Turbine (VTG) vorteilhaft geändert werden.
Bei der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine ist eine besonders vorteilhafte, auch als Thermomanagement bezeichnete Temperaturverwaltung darstellbar, mittels welcher sich in unterschiedlichen Betriebsbereichen vorteilhafte Temperaturen, insbesondere in dem Abgastrakt, realisieren lassen. Dabei fungiert der Brenner insbesondere als Teillast-Brennersystem, welches vorzugsweise nur in einem Teillastbereich beziehungsweise nur dann aktiviert wird, wenn der effektive Mitteldruck der Verbrennungskraftmaschine kleiner gleich in etwa 4 bar ist.
Das Brennersystem kann dabei eine außermotorische Maßnahme darstellen, um das Abgas außerhalb von Brennräumen der Verbrennungskraftmaschine zu erwärmen. Das Brennersystem ist dabei vorzugsweise für den unteren Drehzahl-/Lastbereich vorgesehen. Insbesondere für innerstädtische Anwendungen und/ oder Fahrzeugen mit geringer Beladung, Fahrten mit hohem Leerlaufanteil, sowie bei unvorteilhaften Strecken mit hohem Schubbetriebanteil. Vorzugsweise umfasst das Thermomanagement auch ein motorisches beziehungsweise innermotorisches Thermomanagement, in dessen Rahmen beispielsweise vorteilhaft hohe Temperaturen des Abgases durch innermotorische Maßnahmen realisiert werden können. Das innermotorische Thermomanagement ist insbesondere für den oberen Drehzahl-/Lastbereich der Verbrennungskraftmaschine vorgesehen. Beispielsweise im einfachsten Fall wird nur der motorische Leerlauf und Schubbereich durch den Brenner unterstützt. Dabei gehen beispielsweise der vollständige Brennstoff beziehungsweise dessen Energiegehalt als Energie in das Abgas, um das Abgas zu erwärmen. Hierdurch kann eine vorteilhafte Verfügbarkeit des SCR-Katalysators realisiert werden, welcher somit stets aktiv sein kann, und die auch als Verbrennungsmotor oder Motor bezeichnete Verbrennungskraftmaschine, welche beispielsweise als ein Dieselmotor ausgebildet ist, kann stets verbrauchsoptimal ohne Thermomanagement betrieben werden.
Das Brennersystem kommt beispielsweise mit einfachen Sekundärluftkompressoren aus oder kann auf Sekundärluft vollständig verzichten, indem beispielsweise zum Verbrennen des Brennstoffs im Abgas enthaltener Sauerstoff genutzt wird. Alternativ oder zusätzlich kann der Oxidationskatalysator für eine exotherme Temperaturanhebung genutzt werden, indem unverbrannter Brennstoff, welcher zuvor mittels der Dosiereinrichtung beziehungsweise mittels des Brenners in das Abgas eingespritzt wurde, exotherm an dem Oxidationskatalysator oxidiert und somit verbrannt wird.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass in dem Abgastrakt stromab des Brenners der zuvor genannte Partikelfilter und/oder der zuvor genannte Oxidationskatalysator und/oder der zuvor genannte SCR-Katalysator angeordnet sind. Ist die Verbrennungskraftmaschine beispielsweise als ein Dieselmotor ausgebildet, so ist der Partikelfilter vorzugsweise als ein Dieselpartikelfilter (DPF) ausgebildet. Ferner ist dann beispielsweise der Oxidationskatalysator als ein Dieseloxidationskatalysator (DOC) ausgebildet.
Eine weitere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der Brenner dazu ausgebildet ist, das Abgas zu erwärmen, wenn der effektive Mitteldruck der Verbrennungskraftmaschine kleiner gleich in etwa 4 bar beträgt und das Abgas stromauf des Brenners beziehungsweise der Abgasnachbehandlungseinrichtung eine Temperatur aufweist, die geringer als die Anspringtemperatur des Oxidationskatalysators ist.
Zur Erfindung gehört auch ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine. Der Erfindung liegen insbesondere die folgenden Erkenntnisse zugrunde: Für eine effiziente Abgasreinigung sind hinreichend hohe Abgastemperaturen vorteilhaft. Gerade bei überstöchiometrischen Anwendungen wie beispielsweise bei Dieselmotoren sinkt die Abgastemperatur durch den mageren Betrieb in der unteren Teillast, wodurch es zu einer starken Interaktion zwischen Motor und Abgasnachbehandlung beziehungsweise Abgasnachbehandlungseinrichtung kommen kann. Moderne Dieselmotoren haben mindestens einen oder mehrere Abgasturbolader oder kombinierte Aufladesysteme und einen Ladeluftkühler. Je nach Anwendung ist die Turbine als Festgeometrie-Turbine, als Wastegate- beziehungsweise UmgehungsTurbine oder als variable Turbine ausgeführt. Zur Stickoxid-Rohemissionsabsenkung haben viele moderne Motoren eine gekühlte geregelte Abgasrückführung.
Eine moderne Abgasnachbehandlung umfasst einen beispielsweise als Dieseloxidationskatalysator ausgebildeten Oxidationskatalysator, einen beispielsweise als Dieselpartikelfilter ausgebildeten Partikelfilter und einen SCR-Katalysator (SCR - Selective Catalytic Reduction - selektive katalytische Reduktion). Ferner kann ein sogenannter Sperrkat, welcher auch als Ammoniakschlupfkatalysator (ASC) bezeichnet wird, vorgesehen sein. Um das Abgas zu entsticken beziehungsweise etwaig im Abgas enthaltene Stickoxide zumindest teilweise aus dem Abgas zu entfernen, wird beispielsweise ein als wässrige Harnstofflösung ausgebildetes Reduktionsmittel, insbesondere ein flüssiges Reduktionsmittel, in eine Mischstrecke eindosiert, welche beispielsweise stromauf des SCR-Katalysators angeordnet ist.
Der beispielsweise geschlossene Partikelfilter sammelt etwaig im Abgas enthaltenen Ruß, der sich an dem Partikelfilter ansammelt. Hierdurch steigen die Beladung des Partikelfilters und somit der Abgasgegendruck. Entweder kann vorgesehen sein, den Ruß im einfach auch als Filter bezeichneten Partikelfilter passiv bei zirka 300 bis 450 Grad Celsius durch Stickstoffdioxid (NO₂), der beispielsweise vom Motor und vom Oxidationskatalysator stammt, zu oxidieren, oder der Ruß im Filter wird aktiv bei zirka 600 Grad Celsius mit Sauerstoff oxidiert. Hierzu sollte der insbesondere stromauf des Partikelfilters angeordnete Oxidationskatalysator über seine Anspringtemperatur gebracht werden, welche bei zirka 220 bis 300 Grad Celsius liegt und abhängig von Edelmetall und Alterung des Oxidationskatalysators ist. Danach wird insbesondere zusätzlicher Kraftstoff ins Abgas eingebracht, wobei es sich bei dem Kraftstoff beispielsweise um den zuvor genannten Brennstoff handelt. Der unverbrannte und in das Abgas eingebrachte Kraftstoff kann beispielsweise an dem und durch den Oxidationskatalysator verbrennen beziehungsweise verbrannt werden, sodass der Oxidationskatalysator als katalytischer Brenner verwendet wird. Am Filter wird beispielsweise eine Temperatur von 550 bis 600 Grad Celsius eingeregelt, wodurch der Ruß mit Sauerstoff oxidiert. Für die übrige Zeit wird eine hinreichend hohe SCR-Temperatur angestrebt für die katalytische Reduktion der Stickoxide. Die minimale Dosierfreigabe für das Reduktionsmittel liegt beispielsweise bei zirka 180 Grad Celsius. Für den hohen Wirkungsgrad der SCR sind jedoch höhere Temperaturen von zirka 200 bis 240 Grad Celsius vorteilhaft.
In Verbindung mit einer Regeneration des Partikelfilters haben sich in den letzten Jahren verschiedene Wege des Thermomanagements etabliert, indem das Verbrennungs-Lambda durch Eingriff in eine Luftregelung oder Luftsteuerung reduziert wird. Ein gängiges und kostengünstiges Verfahren ist die Ansaugluftdrosselung. Eine Abgasdrosselung kann durch eine variable Turbine erfolgen oder auch über eine regelbare Abgasklappe. Es sind aber auch kombinierte Systeme in Verwendung. Eine Neuerung ist eine variable Auslassventilsteuerung oder eine in dem Krümmer versetztes Abgasrückführventil. Es gibt zahlreiche weitere Konzepte, mittels welchen das Verbrennungsluftverhältnis (λ bzw. Lambda) reduziert werden kann. Hierbei kann es sich um variable Ventiltriebe wie beispielsweise frühes oder spätes Einlassventil schließen oder frühes oder spätes Durchführen des Miller-Verfahrens, interne Abgasrückführung, Phasenverstellung der Einlassnockenwelle, frühes Auslassventil öffnen sowie kombinierte Anwendungen mit Dekompressions-Bremssystemen handeln. Durch Absenkung des Ladedrucks kann die Abgastemperatur nennenswert angehoben werden. Als sehr verbrauchseffizient erweist sich eine variable Turbinengeometrie, ein Wastegate-Turbolader oder ein starker Miller-Zyklus mit frühem oder spätem Einlassventil schließen.
Im unteren Lastbereich bei beispielsweise 0 bis 2 bar effektivem Mitteldruck ist eine nennenswerte Steigerung der Abgastemperatur nur durch zusätzliche Ladungswechselarbeit und Absenkung des Verbrennungsluftverhältnisses möglich, wie sie durch Drosselsysteme in Frischluft oder Abgas, aber auch durch variable Steuerzeiten möglich ist. Diese Abgastemperaturanhebung ist ineffizient und meist im Leerlaufbereich nicht ausreichend. In kritischen Anwendungen oder Fahrten mit langem Leerlaufanteil kommt es nach längerer Zeit zu einem übermäßigen Abkühlen des SCR-Katalysators unter dessen Anspringtemperatur, und/ oder bereits begonnene Partikelfilterregenerationen müssen unterbrochen werden, wodurch eine Regenerationsdauer deutlich verlängert wird. Zudem haben bauraumkritische Anwendungen meist keine motornahe, sondern eine fahrzeugseitige Abgasnachbehandlung, wodurch zusätzlich Temperaturverluste den Betrieb von Katalysatoren erschweren. Im nachfolgenden Fahrbetrieb muss dann der SCR-Katalysator auf oder über seine Anspringtemperatur aufgeheizt werden, was erhöhte Stickoxid-Emissionen zur Folge haben kann. Eine kraftstoffeffiziente Temperaturverwaltung umfasst üblicherweise eine Kombination aus motorischer Temperaturverwaltung für den oberen Lastbereich und einen beziehungsweise dem zuvor beschriebenen Brennersystem für den unteren Lastbereich.
Der Brenner weist beispielsweise eine Brennstoffzuleitung und eine Luftzuleitung und eine Zündquelle wie beispielsweise eine Zündkerze auf. Das zunächst kalte Abgas wird mittels des Brenners erhitzt und dadurch mit einer Temperaturdifferenz ΔT ausgeleitet. Die Brennerleistung ist abhängig von der Brennstoffzufuhr und der dafür notwendigen Luftmenge. Das Brennstoff-Luft-Gemisch wird an der Zündquelle wie beispielsweise an einer Zündkerze oder an einem Glühstift entzündet. Für eine Regelung sind unterschiedliche Temperatursensoren und Sensoren für die Lambda-Regelung vorgesehen. Bei dem Brenner können beispielsweise der Brennstoff und die Luft durch eine Einspritzdüse insbesondere stöchiometrisch vermischt werden. Das so entstehende Kraftstoff-Luft-Gemisch wird mittels der Zündquelle gezündet. Die Zündquelle kann als eine Glüh- oder Plasmazündkerze ausgebildet sein. Durch das Zünden des Kraftstoff-Luft-Gemisches entsteht die offene Flamme des Brenners.
Im einfachsten Fall werden nur der motorische leerlaufnahe Bereich und der untere Schubbereich durch den beispielsweise als Diesel-Brennern ausgebildeten Brenner unterstützt. Dadurch kann das Problem des externen Luftverbrauchs gelöst werden. Die Brennerleistung ist oder wird durch die zur Verfügung gestellte Luft limitiert. Durch den eingeschränkten Anwendungsbereich kann die Luft gehandhabt werden. Die externe Luft kann wahlweise durch ein kleines Sekundärluftgebläse oder durch ein fahrzeugseitiges Druckluftsystem des beispielsweise als Nutzfahrzeug ausgebildeten Kraftfahrzeugs bereitgestellt werden. Zur Entkopplung des fahrzeugseitigen Druckluftnetzes sollte der Brenner über einen zusätzlichen Drucklufttank verfügen. Für den genannten Anwendungsbereich im unteren Drehzahl-/Lastbereich aufgrund des geringen Gegendruckeinflusses ist ein einfaches kleines Sekundärluftgebläse einsetzbar, wie sie beispielsweise in ottomotorischen Bereichen Anwendung finden. Dadurch können kostenintensive Sekundärluftkompressoren vermieden werden.
Hierbei kann der gesamte Brennstoff beziehungsweise dessen gesamter Energiegehalt genutzt werden, um eine Temperaturanhebung des Abgases zu bewirken. Dadurch ist dieses Thermomanagementverfahren im unteren Lastbereich hocheffizient und vielen herkömmlichen motorischen Verfahren überlegen, insbesondere zum schnellen Aufheizen der Abgasnachbehandlungseinrichtung. In Stadtzyklen beziehungsweise in Anwendungen mit einem hohen Leerlaufanteil und in Schubphasen kann die Abgasnachbehandlungseinrichtung, welche auch als Abgasnachbehandlungssystem bezeichnet wird, insbesondere der SCR-Katalysator, wesentlich schneller über seine Eigentemperatur aufgeheizt werden beziehungsweise wird ein übermäßiges Auskühlen verhindert.
Beispielsweise mit einer abgasnachbehandlungsnahen Anordnung des Brenners kann sehr schnell die Anspringtemperatur des Oxidationskatalysators erreicht werden. Durch zusätzliche Eindosierung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen mittels des Brenners, durch innermotorische späte Einspritzung und/oder durch eine motornahe Sekundärkraftstoffeinspritzung (SKE) kann zusätzlich mit dem Restsauerstoff im Abgas eine Temperaturerhöhung über den Oxidationskatalysator erfolgen. Dadurch kann die thermische Heizleistung deutlich erhöht werden, wodurch die Brennerleistung reduziert oder sogar deaktiviert werden kann. Dadurch kann der Luftverbrauch stark reduziert werden.
Bei einer Anordnung des Brenners werden beispielsweise zunächst der Oxidationskatalysator und der Partikelfilter aufgeheizt, woraufhin der SCR-Katalysator aufgeheizt wird. Beispielsweise im Abgastrakt angeordnete Bleche sowie Katalysatoren haben jedoch eine nennenswerte Wärmekapazität, sodass die Temperaturerhöhung des SCR-Katalysators stark verzögert wird. Eine dadurch schnellere Temperaturanhebung kann dadurch erreicht werden, indem der Brenner unmittelbar nach dem Partikelfilter und beispielsweise vor einer Dosierstelle, an welcher das Reduktionsmittel in das Abgas einbringbar ist, platziert wird. Je nach Brennqualität ist ein zusätzliches Partikelfilterelement vorteilhaft. Somit ist beispielsweise ein zusätzlich zu dem Partikelfilter vorgesehenes Filterelement vorgesehen, welches stromab des Brenners und stromauf des Partikelfilters angeordnet ist. Mittels des Filterelements, welches beispielsweise mit etwas Abstand direkt nach der Brennkammer angeordnet ist, kann aus der Verbrennung des Brennstoffs resultierender Ruß in dem Filter gesammelt werden. Durch die hohe Brennertemperatur ist mit geringem Sauerstoffgehalt jederzeit ein Rußabbrand des Rußes im Filterelement realisierbar. Der Sauerstoff wird entweder zyklisch oder durch leicht mageren Brennerbetrieb dargestellt.
In Strömungsrichtung des den Abgastrakt durchströmenden Abgases kann der SCR-Katalysator der erste, von dem Abgas durchströmbare Katalysator sein. Mittels eines vorgeschalteten Brenners kann dieser in wenigen Sekunden über seine Anspringtemperatur gebracht werden. Die Stickoxidemissionen können somit nach wenigen Sekunden nach Kaltstart reduziert, beziehungsweise gering gehalten werden.
Mit Kupferkatalysatoren kann es durch Öl und Kraftstoffe zur Schwefelvergiftung und einer Reduzierung der Konvertierungsrate kommen. Für eine auch als Desulfatisierung bezeichnete Entschwefelung ist eine hohe Temperatur erforderlich. Dies wird bei konventionellen Abgassystemen durch eine hohe Hochtemperaturregeneration von ca. 550 bis 600°C erreicht. Dies kann dann problematisch sein, wenn der Oxidationskatalysator stromab des SCR-Katalysators angeordnet ist.
Durch Einsatz eines vorgeschalteten Brenners kann im Leerlauf beziehungsweise in einem leerlaufnahen Bereich eine ausreichend hohe Abgastemperatur dargestellt werden, um beispielsweise eine hinreichende Entschwefelung realisieren zu können.
Der Brenner ist beispielsweise in einem Abgasrohr zwischen dem Turbolader und der Abgasnachbehandlungseinrichtung angeordnet. Zur Reduzierung thermischer Verluste soll der Brenner nahe zur Abgasnachbehandlungseinrichtung sein. In optimierten Systemen ist der Brenner in die Abgasnachbehandlungseinrichtung integriert. Für eine maximale Stickoxidreduktion, das heißt für ein schnellstmögliches Aufheizen, ist der Brenner unmittelbar vor dem SCR-Katalysator angebracht.
Der Brenner kann die Brennkammer, ein Einspritzventil, eine Einspritzdüse und ein Mischelement sowie ein Zündsystem umfassen. Das Zündsystem umfasst beispielsweise die zuvor genannte Zündquelle. Insbesondere kann das Zündsystem eine Zündkerze mit einer Spule und/oder einen einfachen Glühstift umfassen. Die Einspritzdüse sitzt beispielsweise geschützt in einem Totraum der Abgasführung. Die Düsenlöcher sind relativ groß und werden von einer Einspritznadel verschlossen. Je nach Auslegung und Randbedingungen ist die Einspritzdüse mit Motorkühlwasser und/oder Harnstoff beziehungsweise Reduktionsmittel kühlbar. Um beispielsweise den Brenner ohne Sekundärluft zu betreiben, und um den Brenner zu aktivieren, wird beispielsweise die Abgasklappe geschlossen, sodass beispielsweise das gesamte Abgas durch die Brennkammer und somit durch den Brenner strömt. Das Abgas wird mit unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) angereichert, gemischt und dann an beziehungsweise mittels der Zündquelle entflammt. Die Klappe kann digital und somit schwarz/weiß betrieben werden, sodass die Klappe lediglich zwischen genau einer Offenstellung und genau einer Schließstellung bewegt, insbesondere verschwenkt, werden kann. Eine etwaige Leckage der Klappe ist derart bestimmt, dass der Abgasgegendruck akzeptabel ist und ein minimaler Restsauerstoff vorhanden ist, wobei der Abgasgegendruck zur motorischen Temperaturerhöhung zunächst vorteilhaft ist.
Alternativ zu einer digitalen Ausgestaltung der Klappe kann die Klappe als eine frei regelbare Klappe ausgebildet sein, wodurch die Klappe in mehrere, voneinander unterschiedliche Stellungen bewegt, insbesondere geschwenkt, werden kann. Dadurch kann der Massenstrom in dem Brenner reguliert werden. Der Massenstrom in dem Brenner kann entweder durch eine Lambda-Messung respektive -Regelung nach Brenner oder über eine Delta-p-Bestimmung erfolgen. In Anbetracht eines vorhandenen Stickoxidsensors mit Lambda-Signal kann eine Vorsteuerung mit Lambda-Regelung kostengünstig realisiert werden. Durch die Massenstromaufteilung kann die Strömungsgeschwindigkeit in den Brenner reguliert werden und der Betriebsbereich des Brenners erweitert werden.
Der Abgasgegendruck ergibt sich durch die Leckage der Abgasklappe und dem minimalen Querschnitt im eine Umgehung darstellenden Brenner. Die Größe des Brenners ergibt sich aus dem Anwendungsbereich in der maximalen Geschwindigkeit in der Brennkammer. Weiterhin kann der Gegendruck durch eine Leckage der Bypassklappe reduziert werden. Dadurch steht der Abgasnachbehandlung ein gewisser Restsauerstoff zur Verfügung. Der Brenner hat eine sehr gute Kaltstartfähigkeit, weil heißes Abgas von mindestens 80 bis 200 Grad Celsius durch den Brenner, insbesondere die Brennkammer, geleitet wird.
Der Brenner kann motornah mit einer motornahen Abgasnachbehandlung angeordnet sein. Mit einer variablen Turbinengeometrie-Turbine und/oder mittels der Abgasklappe wird das Abgas über eine Umgehungsleitung geleitet. Dadurch wird das Abgas in den Brenner gelenkt. Die unverbrannten Kohlenwasserstoffe werden innermotorisch und/oder durch eine Sekundärkraftstoffeinspritzung in der Umgehungsleitung erzeugt. Der Brenner kann entweder mit einer Zündquelle arbeiten oder es wird ein hochbeschichteter Oxidationskatalysator eingesetzt, der ein sehr niedrige Anspringtemperatur hat, wodurch mit innermotorischen Heizmaßnahmen stets eine Exothermie über den Oxidationskatalysator erfolgen kann.
Sobald beispielsweise der Oxidationskatalysator oberhalb seiner Anspringtemperatur ist, wird die Zündquelle des Brenners deaktiviert, und beispielsweise die Einspritzdüse des Brenners dosiert unverbrannte Kohlenwasserstoffe in das Abgas. Die maximale Menge an unverbrannten Kohlenwasserstoffen ist wiederum von dem Restsauerstoffgehalt des Abgases abhängig und von der erforderlichen Heizleistung. Der Oxidationskatalysator erfordert aber nicht immer Lambda = 1 bis 1,1 und erlaubt einen sehr viel breiteren Betriebsbereich. Durch thermische Trägheit des Oxidationskatalysators kann in dem dynamischen Betrieb das komplette Verbrennungskraftmaschinenkennfeld genutzt werden. Die Wärmeleistung kann durch Steigerung des Luftmassenstroms wie beispielsweise durch Schließen der variablen Turbinengeometrie, durch Reduzierung der Abgasrückführung oder durch Erhöhen der Motordrehzahl über die Gangwahl am Getriebe erhöht werden. Dadurch wird eine Heizleistung erhöht und die Kaltstartzeit des SCR-Katalysators zusätzlich verkürzt. Der Brenner sorgt nur für die Aktivierung des Oxidationskatalysators. Sobald der Oxidationskatalysator seine Anspringtemperatur verliert, wird der Brenner wieder aktiviert. Die wesentliche Heizleistung erfolgt aber über den Oxidationskatalysator, wobei das Auslöschen des Oxidationskatalysators (Light-Out) durch zu kaltes Abgas der Verbrennungskraftmaschine kontrolliert wird.
Die Strömungsgeschwindigkeit darf allerdings nicht zu hoch werden, da ansonsten die Flamme ausgeblasen wird. Für eine definierte Brennkammer mit einem Durchmesser von beispielsweise 45 Millimetern beziehungsweise mit einem Strömungsquerschnitt von 1600 Quadratmillimetern und einer Serienapplikation ergibt sich die Strömungsgeschwindigkeit. Der Massenstrom kann über die Abgasrückführung oder andere massenstrombeeinflussende Größen wie variabler Turbinengeometrie, Wastegate, Drosselklappe noch reduziert werden. Dadurch kann der Betriebsbereich hin zu größeren Drehzahlen und Lasten erfolgen.
Die Eindosierung des Brennstoffes in das Abgas wird beispielsweise dem Sauerstoffgehalt des Abgases angepasst. Einerseits sollte das Gemisch zündfähig sein (Lambda = 1 bis 1,1), was das obere Verbrennungsluftverhältnis (Lambda) definiert und andererseits ist das Lambda auf 1 nach unten begrenzt. Die zusätzliche, mögliche Heizleistung ist nicht konstant und abhängig vom Restsauerstoff. Im dynamischen Betrieb, zum Beispiel bei einem Anfahrvorgang, wird die Brennerunterstützung abgeschaltet und die Abgasklappe geöffnet. Je nach Auslegung und Erfordernis arbeitet die Verbrennungskraftmaschine gegen die geschlossene Abgasklappe. Mit ausreichend hoher Leckage der Klappe kann der Brenner im fetten Bereich (Lambda <1) arbeiten bzw. die Zündung wird abgeschaltet. Die unverbrannten Kohlenwasserstoffe werden dann beispielsweise in dem Oxidationskatalysator und mittels des Oxidationskatalysators verbrannt. Sobald der Oxidationskatalysator seine Anspringtemperatur überschritten hat, kann die weitere Temperaturerhöhung über den Oxidationskatalysator erfolgen. Die Einspritzdüse des Brenners ersetzt dann beispielsweise die innermotorische oder motornahe Dosierung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen.
Ferner ist es denkbar, die Eindosierung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen in das Abgas innermotorisch oder über eine motornahe Dosiereinrichtung darzustellen. In diesem Fall hat der Brenner selbst kein Einspritzventil zum Einbringen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen in das Abgas. In diesem Fall sollte die Abgasklappe sehr dicht schließen, sodass ein etwaiger Schlupf von unverbrannten Kohlenwasserstoffen klein ist oder vermieden wird. Der Restsauerstoff nach dem Brenner kann über die Menge der unverbrannten Kohlenwasserstoffe eingestellt werden.
Vorzugsweise ist der Brenner motornah mit einer motornahen Abgasnachbehandlungseinrichtung angeordnet. Ein auch als Wastegate bezeichnetes Umgehungsventil kann durch Öffnen eine entsprechende Turbinenflut der Turbine des Abgasturboladers verschließen. Dadurch wird das Abgas in den Brenner gelenkt. Die unverbrannten Kohlenwasserstoffe werden innermotorisch erzeugt. Der Brenner kann entweder mit einer Zündquelle arbeiten oder es wird ein hochbeschichteter Oxidationskatalysator eingesetzt, der eine sehr niedrige Anspringtemperatur aufweist.
Die Zieltemperatur des Brenners wird beispielsweise aus Katalysatortemperatursensoren und dem zur Verfügung stehenden Sauerstoffgehalt des Abgases berechnet. Bei Konzepten ohne Sekundärluft ist der Restsauerstoff für die katalytischen Prozesse zu berücksichtigen. Die Temperaturunterstützung wird je nach Bedarf mit einer Motorsteuerung oder Motorregelung angefordert. Die Logik und die Regelung sind im Motorsteuergerät implementiert.
Sobald beispielsweise der insbesondere als Dieseloxidationskatalysator ausgebildete Oxidationskatalysator oberhalb seiner Anspringtemperatur ist, wird zusätzlich Brennstoff, das heißt werden zusätzlich unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) dosiert. Dadurch kann die Abgaswärmeleistung maximiert werden. Die Wärmeleistung ist durch den Sauerstoffgehalt des Abgases begrenzt. Diese kann eventuell durch motorische Maßnahmen beeinflusst werden. Hierbei kann es sich um Schließen der variablen Turbinengeometrie, um Reduzierung der Abgasrückführung und/oder um Erhöhung der Motordrehzahl über die Gangwahl am Getriebe handelt. Dadurch wird die Kaltstartzeit nochmals verkürzt. Die Brennerleistung kann zusätzlich gedrosselt werden, was die Temperaturverluste bis zum Oxidationskatalysator und den Luftverbrauch reduziert. Dadurch wird die notwendige Brennerleistung reduziert, wodurch das Problem der Brennluftversorgung reduziert wird.
Die Temperatur des SCR-Katalysators ist durch die thermische Masse des vorgeschalteten Oxidationskatalysators und des vorgeschalteten Partikelfilters stark gedämpft und verzögert. Eine Temperaturregelung zur Regelung einer Temperatur des SCR-Katalysators erfordert eine frühzeitige Temperaturunterstützung, wenn ein Temperaturgradient am SCR-Katalysator negativ und eine Eintrittstemperatur am Oxidationskatalysator kleiner als eine Soll-Temperatur des SCR-Katalysators ist. Mithilfe eines SCR-Temperaturmodells kann eine erforderliche Soll-Temperatur für den Brenner berechnet und aktiviert werden. Die Brennerleistung kann bei Überschreiten der Anspringtemperatur des Oxidationskatalysators auch aufgeteilt, das heißt gesplittet, werden, indem beispielsweise unverbrannte Kohlenwasserstoffe über den Oxidationskatalysator oxidiert werden.
Weiterhin kann der Brenner nur für den unteren Drehzahl-/Lastbereich aktiviert werden. Im demgegenüber höheren Drehzahl-/Lastbereich sind rein motorische Maßnahmen mit ausreichend Wärmeleistung ausreichend und verbrauchseffizienter. Absolute Schwellen sind je nach Motor, Temperaturverlusten, SCR-Wirkungsgrad und Wirkungsgradanforderungen unterschiedlich hoch. Beispielsweise liegt die Eintrittstemperatur am Oxidationskatalysator unterhalb von 200 Grad Celsius, und die Temperatur des SCR-Katalysators ist kleiner als 220 Grad Celsius. Vorausschauend wird die Temperatur des SCR-Katalysators sinken, sodass hier eine Temperaturunterstützung erfolgt. Dann ist beispielsweise die Temperatur des SCR-Katalysators hinreichend hoch und beträgt beispielsweise mehr als 250 Grad Celsius. Sinkt beispielsweise die Abgastemperatur unter 210 Grad Celsius, und ist der Temperaturgradient des SCR-Katalysators stark negativ, so ist in diesem Fall eine Temperaturunterstützung für den SCR-Katalysator vorteilhaft und vorgesehen. Dann kann eine hinreichend hohe Temperatur des SCR-Katalysators gewährleistet werden. Sinkt beispielsweise die Abgastemperatur zumindest teilweise unter 210 Grad Celsius, und ist der Temperaturgradient am SCR-Katalysator stark negativ, so wird eine Temperaturanhebung angefordert. Ein- und Ausschaltbedingungen für den Brenner sind beispielsweise mit einer Hysterese an die Temperatur des Oxidationskatalysators gekoppelt. Die Regelung erfolgt idealerweise durch einen Zustandsraumbeobachter (Modell), mit dem eine Thermomanagemetunterstützung durch Brenner oder motorischen Maßnahmen angefordert und geregelt werden kann. Die Brennunterstützung dient nicht allein der fiktiven Regeneration des Partikelfilters, sondern auch, um den SCR-Katalysator zu erwärmen beziehungsweise hinreichend warm zu halten.
Im Falle einer aktiven Regeneration des Partikelfilters unterstützt der Brenner mit maximaler Heizleistung die Aufheizung des Oxidationskatalysators. Danach wird die Brennerleistung reduziert beziehungsweise der Brenner wird abgeschaltet, und eine gewünschte Regenerationstemperatur zum Regenerieren des Partikelfilters wird durch eine Einbringung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen exotherm im Oxidationskatalysator erzeugt. Eine Bereitstellung beziehungsweise Generierung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen in dem Abgas kann entweder klassisch innermotorisch, mit einer motornahen Dosiereinrichtung oder mittels des Brenners erfolgen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:

1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug; und
2 ausschnittsweise eine schematische und geschnittene Seitenansicht eines Abgastrakts der Verbrennungskraftmaschine.

1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Verbrennungskraftmaschine 10 für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein Nutzfahrzeug. Die Verbrennungskraftmaschine 10 ist beispielsweise als ein Dieselmotor ausgebildet. Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist ein beispielsweise als Zylindergehäuse, insbesondere als Zylinderkurbelgehäuse, ausgebildetes Motorgehäuse 12 auf, durch welches Zylinder 14 der Verbrennungskraftmaschine 10 gebildet sind. Während eines befeuerten Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 10 laufen in den Zylindern 14 Verbrennungsvorgänge ab, in deren Rahmen ein jeweiliges Kraftstoff-Luft-Gemisch verbrannt wird. Daraus resultiert Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10, wobei das Abgas eine auch als Abgastemperatur bezeichnete Temperatur aufweist. Die Abgastemperatur kann beispielsweise mittels wenigstens eines Sensors erfasst beziehungsweise ermittelt werden.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist einen von dem Abgas aus den Zylindern 14 durchströmbaren Abgastrakt 16 auf, in welchem eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 18 zum Nachbehandeln des Abgases angeordnet ist. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung 18 wird auch als Abgasanlage oder Abgasnachbehandlungssystem bezeichnet und umfasst mehrere Abgasnachbehandlungselemente 20, 22, 24 und 26. Insbesondere kann die Abgasnachbehandlungseinrichtung 18 eine Box 28 umfassen, in welcher die Abgasnachbehandlungselemente 20, 22, 24 und 26 angeordnet sind.
Um das jeweilige Kraftstoff-Luft-Gemisch zu bilden, wird ein beispielsweise flüssiger Kraftstoff in den jeweiligen Zylinder 14 eingebracht, insbesondere direkt eingespritzt. Dies erfolgt beispielsweise mittels eines jeweiligen, dem jeweiligen Zylinder 14 zugeordneten Injektors. Der Kraftstoff ist vorzugsweise ein flüssiger Kraftstoff. Vorzugsweise ist der Kraftstoff ein Dieselkraftstoff. Außerdem wird der jeweilige Zylinder 14 mit Luft versorgt, die einen Ansaugtrakt 30 der Verbrennungskraftmaschine 10 durchströmt. Die Verbrennungskraftmaschine 10 ist dabei als aufgeladene Verbrennungskraftmaschine ausgebildet und weist demzufolge wenigstens einen Abgasturbolader 32 auf. Der Abgasturbolader 32 umfasst einen in dem Ansaugtrakt 30 angeordneten Verdichter 34 und eine in dem Abgastrakt 16 angeordnete Turbine 36. Die Turbine 36 ist von dem Abgas antreibbar, wobei der Verdichter 34 von der Turbine 36 antreibbar ist. Durch Antreiben des Verdichters 34 kann die den Ansaugtrakt 30 durchströmende Luft mittels des Verdichters 34 verdichtet werden. Durch das Verdichten der Luft wird die Luft erwärmt. Um dennoch hohe Aufladegrade zu realisieren, ist in dem Ansaugtrakt 30 stromab des Verdichters 34 ein Ladeluftkühler 38 angeordnet. Mittels des Ladeluftkühlers 38 wird die verdichtete und dadurch erwärmte Luft gekühlt.
Stromab des Ladeluftkühlers 38 ist in dem Ansaugtrakt 30 eine Drosselklappe 40 angeordnet, mittels welcher beispielsweise eine Menge der den Zylindern 14 zuzuführenden Luft eingestellt werden kann. Stromauf des Verdichters 34 weist die den Ansaugtrakt 30 durchströmende Luft beispielsweise einen ersten Druck p1 auf, wobei die Luft beispielsweise stromab des Ladeluftkühlers 38 einen Druck P2s aufweist. Der Druck p2s wird auch als Ladedruck bezeichnet, auf welchen die Luft mittels des Verdichters 34 und somit mittels des Abgasturboladers 32 gebracht werden kann. Drei erste der Zylinder 14 sind zu einer ersten Abgasflut 42 des Abgastrakts 16 zusammengeführt, und drei zweite der Zylinder 14 sind zu einer zweiten Abgasflut 44 des Abgastrakts 16 zusammengeführt. In der Flut 42 weist das Abgas stromauf der Turbine 36 einen Druck p32 auf, und in der Abgasflut 44 weist das Abgas stromauf der Turbine 36 einen Druck p31 auf.
Die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine 10 kann auch an Stelle der zweiflutigen Turbine 36, insbesondere zweiflutigen asymmetrischen Turbine 36 aus 1 eine anders ausgestaltete Turbine aufweisen, und/ oder über eine variable Turbinengeometrie verfügen. Die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine 10 kann im Rahmen der Erfindung eine von der in der 1 dargestellten Anzahl von sechs Zylindern 14 abweichende Anzahl von Zylindern 14 aufweisen.
Der Turbine 36 ist eine auch als Wastegate bezeichnete Umgehungseinrichtung 46 zugeordnet, welche eine Umgehungsleitung 48 aufweist. Die Umgehungsleitung 48 ist an einer ersten Stelle und an einer zweiten Stelle fluidisch mit dem Abgastrakt 16 verbunden. Die erste Stelle ist stromauf der Turbine 36 angeordnet, und die zweite Stelle ist stromab der Turbine 36 angeordnet. Dadurch kann zumindest ein Teil des den Abgastrakt 16 durchströmenden Abgases an der ersten Stelle aus dem Abgastrakt 16 abgezweigt und in die Umgehungsleitung 48 eingeleitet werden. Das aus dem Abgastrakt 16 abgezweigte und in die Umgehungsleitung 48 eingeleitete Abgas durchströmt die Umgehungsleitung 48 und umgeht die Turbine 36. Somit wird das die Umgehungsleitung 48 durchströmende Abgas nicht genutzt, um die Turbine 36 anzutreiben. Das die Umgehungsleitung 48 durchströmende Abgas strömt an der zweiten Stelle wieder in den Abgastrakt 16 ein. Die Umgehungseinrichtung 46 umfasst dabei ein auch als Wastegate-Ventil bezeichnetes Ventil 50, mittels welchem eine Menge des die Umgehungsleitung 48 durchströmenden Abgases eingestellt werden kann. Stromab der Turbine 36, insbesondere stromab der zweiten Stelle, ist in dem Abgastrakt 16 eine in 1 besonders schematisch dargestellte und auch als Abgasklappe bezeichnete Klappe 52 angeordnet.
Aus 2 ist erkennbar, dass die Klappe 52 in einem Abgasrohr 54 angeordnet ist. Stromab der Turbine 36 weist das Abgas einen Druck p4 auf. In dem Abgastrakt 16 ist darüber hinaus ein Brenner 56 angeordnet, welcher besonders gut aus 2 erkennbar ist. Der Brenner 56 ist vorzugsweise stromab der Turbine 36 und stromauf der Abgasnachbehandlungseinrichtung 18 angeordnet. Das Abgasnachbehandlungselement 20 ist beispielsweise als Oxidationskatalysator, insbesondere als Dieseloxidationskatalysator, ausgebildet. Das Abgasnachbehandlungselement 22 ist beispielsweise als ein Partikelfilter, insbesondere als ein Dieselpartikelfilter, ausgebildet, wobei das Abgasnachbehandlungselement 22 als ein beschichteter Dieselpartikelfilter (CDPF) ausgebildet sein kann. Das Abgasnachbehandlungselement 24 ist beispielsweise als ein Ammoniak-Schlupf-Katalysator (ASC) ausgebildet. Das Abgasnachbehandlungselement 26 ist beispielsweise als ein SCR-Katalysator ausgebildet.
In dem Abgastrakt 16 ist darüber hinaus eine Dosiereinrichtung 58 angeordnet, mittels welcher ein vorzugsweise flüssiges Reduktionsmittel wie beispielsweise eine wässrige Harnstofflösung zum Entsticken des Abgases in das Abgas eingebracht, insbesondere eingespritzt, werden kann. Die Dosiereinrichtung 58 ist dabei vorzugsweise stromauf des SCR-Katalysators angeordnet. Vorliegend ist die Dosiereinrichtung 58 stromab des Abgasnachbehandlungselements 22 und stromauf des Abgasnachbehandlungselements 26 angeordnet. Nahe der Dosiereinrichtung 58 ist vorteilhaft ein Temperatursensor vorgesehen. Das Abgasnachbehandlungselement 20 ist stromab des Brenners 56 und stromauf des Abgasnachbehandlungselements 22 angeordnet, wobei das Abgasnachbehandlungselement 22 stromab des Abgasnachbehandlungselements 20 und stromauf des Abgasnachbehandlungselements 26 angeordnet ist. Das Abgasnachbehandlungselement 24 ist stromab des Abgasnachbehandlungselements 26 angeordnet.
Im Abgastrakt 16 ist darüber hinaus ein erster Sensor 60 angeordnet, welcher ein Stickoxidsensor ist. Mittels des Stickoxidsensors kann beispielsweise ein Stickoxidwert erfasst werden, welcher eine Menge an in dem Abgas enthaltenen Stickoxiden charakterisiert. Vorliegend ist der Sensor 60 stromab des Brenners 56 und stromauf des Abgasnachbehandlungselements 20 angeordnet. Vorzugsweise ist der Sensor 60 in der Box 28 angeordnet. Ferner ist in dem Abgastrakt 16, insbesondere in der Box 28, ein weiterer Sensor 62 angeordnet, welcher beispielsweise als ein weiterer Stickoxidsensor ausgebildet ist. Auch mittels des Sensors 62 kann somit beispielsweise ein Wert erfasst werden, welcher eine in dem Abgas enthaltene Menge an Stickoxiden charakterisiert. Vorliegend ist der Sensor 62 stromab des Abgasnachbehandlungselements 24 angeordnet. Benachbart zu den Sensoren 60 und 62 ist vorteilhaft jeweils ein Temperatursensor vorgesehen. Nahe der Dosiereinrichtung 58 ist vorteilhaft ebenfalls ein Temperatursensor vorgesehen. Mit den Stickoxidsensoren 60 und 62 kann zusätzlich das Lambda im Abgas bestimmt werden, wodurch aus den Temperatursensoren und den eingestellten Lambdawerten am Brenner die Kohlenwasserstoff-Oxidation im Katalysator plausibilisiert und überwacht werden kann. Die Zündquelle 74 kann wahlweise als Glühstift oder als Zündkerze ausgebildet sein. Mit einer Zündkerze kann über den lonenstrom die Flamme diagnostiziert und reguliert werden.
In Zusammenschau mit 2 ist erkennbar, dass der Brenner 56 eine Brennkammer 64 aufweist, in welcher zum Erwärmen des Abgases unter Ausbildung einer offenen Flamme ein Brennstoff mittels des Brenners 56 zu verbrennen ist.
Um nun einen besonders emissions- und kraftstoffverbrauchsarmen Betrieb zu realisieren, ist der Brenner 56 in einem Abgasrohr 66 angeordnet. Das Abgasrohr 66 ist an einer ersten Verbindungsstelle V1 und an einer zweiten Verbindungsstelle V2 fluidisch mit dem Abgasrohr 54 verbunden. Die Abgasrohre 54 und 66 sind jeweils von zumindest einem Teil des Abgases der Verbrennungskraftmaschine 10 durchströmbar. Dabei ist die Verbindungsstelle V2 stromab der Verbindungsstelle V1 angeordnet, und die relativ zu den Abgasrohren 54 und 66 bewegbar, insbesondere um eine Schwenkachse 68 verschwenkbare, Klappe 52 (Abgasklappe) ist in dem Abgasrohr 54 stromab der Verbindungsstelle V1 und stromauf der Verbindungsstelle V2 angeordnet. Die Abgasklappe kann zwischen zwei Endstellungen E1 und E2, nicht jedoch über die jeweilige Endstellung E1 beziehungsweise E2 hinaus bewegt werden. Außerdem kann beispielsweise die Abgasklappe in wenigstens eine oder mehrere, zwischen den Endstellungen E1 und E2 liegende Stellungen bewegt, insbesondere geschwenkt, werden. Die Endstellung E1 ist eine Schließstellung, in welche beispielsweise das Abgasrohr 54 mittels der Abgasklappe, insbesondere bis auf Leckagen an der Abgasklappe, insbesondere maximal, versperrt ist. Die Endstellung E2 ist eine Offenstellung, in welcher die Abgasklappe das Abgasrohr 54 maximal freigibt.
Wie in 2 durch einen Pfeil 70 veranschaulicht ist, kann an der Verbindungsstelle V1 zumindest ein Teil des zunächst das Abgasrohr 54 durchströmenden Abgases aus dem Abgasrohr 54 abgezweigt und in das Abgasrohr 66 eingeleitet werden. Der an der Verbindungsstelle V1 abgezweigte und in das Abgasrohr 66 eingeleitete Teil des Abgases strömt durch das Abgasrohr 66. Das Abgasrohr 66 mündet an der Verbindungsstelle V2 in das Abgasrohr 54, sodass das das Abgasrohr 66 durchströmende Abgas an der Verbindungsstelle V2 aus dem Abgasrohr 66 aus- und wieder in das Abgasrohr 54 einströmen kann.
Die Brennkammer 64 ist dabei in dem Abgasrohr 66 angeordnet, sodass die Brennkammer 64 von dem das Abgasrohr 66 durchströmenden Abgas durchströmbar ist.
Mittels der Abgasklappe kann durch Bewegen, insbesondere Verschwenken, der Abgasklappe relativ zu den Abgasrohren 54 und 66 insbesondere in Abhängigkeit der Last und der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 10, eine das Abgasrohr 66 sowie die Brennkammer 64 durchströmende erste Menge des Abgases eingestellt werden. Außerdem kann mittels der Abgasklappe durch Bewegen, insbesondere Verschwenken, der Abgasklappe eine das Abgasrohr 54 und dabei die Brennkammer 64 umgehende zweite Menge des Abgases eingestellt werden. Das die Brennkammer 64 umgehende Abgas passiert die Abgasklappe und strömt beispielsweise von der Verbindungsstelle V1 zu der Verbindungsstelle V2, ohne durch das Abgasrohr 66 und somit ohne durch die Brennkammer 64 zu strömen.
Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Brenner 56 beziehungsweise die Verbrennungskraftmaschine 10 eine Dosiereinrichtung 72 auf, mittels welcher, insbesondere unverbrannter, Kraftstoff in das Abgasrohr 66 und somit in das das Abgasrohr 66 durchströmende Abgas einspritzbar ist. Hierdurch bildet sich beispielsweise in dem Abgasrohr 66 ein Kraftstoff-Luft-Gemisch, welches den mittels der Dosiereinrichtung 72 in das Abgasrohr 66 eingespritzten Kraftstoff und Luft beziehungsweise Sauerstoff umfasst, die beziehungsweise der in dem Abgas, welches das Abgasrohr 66 durchströmt, enthalten ist.
Der Brenner 56 umfasst darüber hinaus eine Zündquelle 74, mittels welcher beispielsweise in der Brennkammer 64 wenigstens ein Zündfunke erzeugbar ist. Mittels des Zündfunkens kann das Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Brennkammer 64 gezündet und in der Folge unter Ausbildung einer offenen Flamme verbrannt werden. Hierdurch wird das Abgas erwärmt.
Im Rahmen eines Verfahrens zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine 10 sind beispielsweise wenigstens drei Betriebsbereiche vorgesehen. Bei einem ersten der Betriebsbereiche beträgt beispielsweise der effektive Mitteldruck der Verbrennungskraftmaschine 10 weniger als in etwa 4 bar, was beispielsweise einem Viertel der Volllast entspricht. Hierbei befindet sich die Verbrennungskraftmaschine 10 beispielsweise in ihrem Schubbetrieb oder in ihrem Zugbetrieb in einem Niedriglastbereich. Außerdem weist beispielsweise die Verbrennungskraftmaschine 10 bei dem ersten Betriebsbereich geringe Drehzahlen auf. In dem ersten Betriebsbereich kann beispielsweise mittels der Dosiereinrichtung 72 eine Einbringung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen und somit von unverbranntem Brennstoff in das Abgas erfolgen. In dem ersten Betriebsbereich befindet sich die Klappe 52 vorzugsweise in ihrer Endstellung E1, wodurch die Klappe 52 geschlossen ist, und der Brennstoff beziehungsweise das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird mittels der Zündquelle 74 gezündet. So entströmt das gesamte Abgas durch die Brennkammer 64 und wird vorteilhaft, effektiv und effizient erwärmt.
In einem zweiten der Betriebsbereiche beträgt der effektive Mitteldruck der Verbrennungskraftmaschine 10 beispielsweise mehr als in etwa 4 bar, und die Verbrennungskraftmaschine 10 weist gegebenenfalls hohe Drehzahlen auf. In dem zweiten Betriebsbereich befindet sich die Abgasklappe beispielsweise in einer zwischen den Endstellungen E1 und E2 liegenden Zwischenstellung, sodass ein erster Teil des Abgases in und durch das Abgasrohr 66 strömt und ein zweiter Teil des Abgases das Abgasrohr 66 und somit die Brennkammer 64 umgeht. Hierdurch kann eine Strömungsgeschwindigkeit des die Brennkammer 64 durchströmenden Abgases gering gehalten werden, wodurch vermieden werden kann, dass die Flamme ausgeblasen wird. Mit anderen Worten kann sich die Flamme als stabile Flamme ausbilden.
In dem dritten Betriebsbereich weist die Verbrennungskraftmaschine 10 beispielsweise eine hohe Last auf. In dem dritten Betriebsbereich wird der Brenner nicht gezündet. Mit anderen Worten wird beispielsweise das Kraftstoff-Luft-Gemisch nicht mittels der Zündquelle 74 gezündet. Da dennoch unverbrannte Kohlenwasserstoffe mittels der Dosiereinrichtung 72 in das Abgas eingebracht werden, erfolgt eine Erhöhung der Abgastemperatur durch eine exotherme Oxidation der unverbrannten Kohlenwasserstoffe an den Oxidationskatalysator.
Bei der Verbrennungskraftmaschine 10 und mittels des Verfahrens kann eine vorteilhafte Temperaturanhebung des Abgases bei einem Kaltstart und/oder in Niedriglastbereichen wie beispielsweise bei einer langen Bergabfahrt realisiert werden.
Der Brenner 56 ist vorzugsweise kurz vor dem SCR-Katalysator angeordnet. Ferner ist es denkbar, dass der Brenner 56 kurz vor dem Oxidationskatalysator angeordnet ist.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist darüber hinaus eine Abgasrückführeinrichtung 76 auf. Dadurch kann zumindest ein Teil des die Abgasflut 44 durchströmenden Abgases mittels der Rückführleitung 78 aus der Flut 44 abgezweigt und zu dem Ansaugtrakt 30 rückgeführt werden. Hierdurch kann eine Abgasrückführung realisiert werden.
Die Abgasrückführeinrichtung 76 umfasst einen Abgasrückführkühler 80, welcher in der Rückführleitung 78 angeordnet ist. Mittels des Abgasrückführkühlers 80 kann das rückzuführende und in den Ansaugtrakt 30 einzuleitende Abgas gekühlt werden. Außerdem umfasst die Abgasrückführeinrichtung 76 ein Abgasrückführventil 82, mittels welchem eine Menge des rückzuführenden und in den Ansaugtrakt 30 einzuleitenden Abgases eingestellt werden kann.
Mittels der Ansaugluftdrosselklappe 40, dem Abgasrückführventil 82 und dem Wastegate 50 kann der Sauerstoffgehalt im Abgas und der Massenstrom reguliert werden. Zusätzlich kann mit einer variablen Klappe 52 der Brennermassenstrom eingestellt werden. Dadurch kann die Strömungsgeschwindigkeit in der Brennkammer 64 reduziert und der Betriebsbereich des Brenners erweitert werden.
In einer weiteren, in den Fig. nicht gezeigten Ausführungsform kann der Brenner 56 stromab des Oxidationskatalysators beziehungsweise stromab des Abgasnachbehandlungselements 20 und stromauf des SCR-Katalysators beziehungsweise stromauf des Abgasnachbehandlungselements 26 angeordnet sein. Dann ist beispielsweise die Dosiereinrichtung 58 stromab des Brenners 56 angeordnet. Wenn der Brenner 56 stromabwärts des Partikelfilters 22 in dem Abgastrakt vorgesehen ist, ist stromabwärts des Brenners 56 oder am Brenneraustritt vorteilhafterweise eine Partikelfilterscheibe vorzusehen, da ansonsten Kleinstpartikel in die Umgebung gelangen.
Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass stromauf des Abgasnachbehandlungselements 20 beziehungsweise stromauf des Oxidationskatalysators sowie vorzugsweise stromab des Brenners 56 ein weiteres, in den Fig. nicht gezeigtes Abgasnachbehandlungselement angeordnet ist, welches beispielsweise einen SCR-Katalysator und/oder einen Ammoniakschlupfkatalysator (ASC) umfasst. Dabei ist dann beispielsweise eine weitere Dosiereinrichtung vorgesehen, mittels welcher ein Reduktionsmittel zum Entsticken des Abgases in das Abgas einbringbar, insbesondere einspritzbar, ist. Die weitere Dosiereinrichtung ist dann beispielsweise stromauf des weiteren Abgasnachbehandlungselements, insbesondere stromauf des Brenners 56, und stromab der Turbine 36 angeordnet. Das weitere Abgasnachbehandlungselement ist vorzugsweise in der Box 28 und dabei stromauf des Abgasnachbehandlungselements 20 angeordnet.
Ferner ist es denkbar, dass die Dosiereinrichtung 72 entfällt. Dann werden beispielsweise unverbrannte Kohlenwasserstoffe, welche mittels der Zündquelle 74 gezündet und dadurch verbrannt werden können, dadurch in das Abgas eingebracht, dass die unverbrannten Kohlenwasserstoffe direkt in wenigstens einen Zylinder 14 eingespritzt werden und von dem Zylinder 14 in den Abgastrakt 16 und weiter in die Brennkammer 64 gelangen.
Als weiterhin besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn beispielsweise im Abgasrohr 66 stromab der Brennkammer 64 und somit stromauf der Abgasnachbehandlungseinrichtung 18 ein als Partikelfilter, insbesondere als Dieselpartikelfilter, ausgebildeter Filter angeordnet ist, mittels welchem beispielsweise Ruß, der durch das Verbrennen des Brennstoffs in der Brennkammer 64 entstehen kann, zumindest teilweise aus dem Abgas gefiltert werden kann.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungskraftmaschine
12: Motorgehäuse
14: Zylinder
16: Abgastrakt
18: Abgasnachbehandlungseinrichtung
20: Abgasnachbehandlungselement
22: Abgasnachbehandlungselement
24: Abgasnachbehandlungselement
26: Abgasnachbehandlungselement
28: Box
3: Ansaugtrakt
32: Abgasturbolader
34: Verdichter
36: Turbine
38: Ladeluftkühler
40: Drosselklappe
42: Abgasflut
44: Abgasflut
46: Umgehungseinrichtung
48: Umgehungsleitung
50: Ventil
52: Klappe
54: Abgasrohr
56: Brenner
58: Dosiereinrichtung
60: Sensor
62: Sensor
64: Brennkammer
66: Abgasrohr
68: Schwenkachse
70: Pfeil
72: Dosiereinrichtung
74: Zündquelle
76: Abgasrückführeinrichtung
78: Rückführleitung
80: Abgasrückführkühler
82: Abgasrückführventil
E1: Endstellung
E2: Endstellung
p1: Druck
p2s: Druck
p32: Druck
p31: Druck
p4: Druck
V1: Verbindungsstelle
V2: Verbindungsstelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012024260 A1 [0002]
DE 102008032601 A1 [0003]
DE 3532778 A1 [0003]

Claims

Verbrennungskraftmaschine (10) für ein Kraftfahrzeug, mit einem von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) durchströmbaren Abgastrakt (16), und mit einem in dem Abgastrakt (16) angeordneten Brenner (56), welcher eine Brennkammer (64) aufweist, in welcher zum Erwärmen des Abgases unter Ausbildung einer offenen Flamme ein Brennstoff mittels des Brenners (56) zu verbrennen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgastrakt (16) ein von dem Abgas durchströmbares Abgasrohr (66), in welchem die von dem das Abgasrohr (66) durchströmenden Abgas durchströmbare Brennkammer (64) angeordnet ist, und eine Klappe (53) aufweist, mittels welcher in Abhängigkeit von einer Last und einer Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine (10) eine das Abgasrohr (66) durchströmende erste Menge und eine die Brennkammer (64) umgehende zweite Menge des Abgases einstellbar sind.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet, durch eine Dosiereinrichtung (72), mittels welcher der Brennstoff in das das Abgasrohr (66) durchströmende Abgas einspritzbar ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet, durch der Brennstoff als ein Kraftstoff für den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine (10) ausgebildet ist, welcher mittels zumindest einer Nacheinspritzung in die Verbrennungskraftmaschine (10) einspritzbar ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Abgastrakt stromab des Brenners (56) ein Partikelfilter (22) und/oder ein Oxidationskatalysator (20) und/oder ein SCR-Katalysator (26) angeordnet ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (56) dazu ausgebildet ist, das Abgas zu erwärmen, wenn ein effektiver Mitteldruck der Verbrennungskraftmaschine (10) kleiner oder gleich in etwa 4 bar ist und/oder das Abgas stromauf des Brenners (56) eine Temperatur aufweist, die geringer als eine Anspringtemperatur des Oxidationskatalysators (20) ist.
Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.