DE102015108223A1

DE102015108223A1 - AGR-System mit Partikelfilter und Wastegate

Info

Publication number: DE102015108223A1
Application number: DE102015108223.3A
Authority: DE
Inventors: Michael Fischer
Original assignee: Tenneco GmbH
Current assignee: Tenneco GmbH
Priority date: 2015-05-26
Filing date: 2015-05-26
Publication date: 2016-12-01
Anticipated expiration: 2035-05-27
Also published as: DE102015108223B4

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 einer in der Abgasleitung 2.3 angeordneten Turbine 3. Dabei ist mindestens eine Abgasrückführungsleitung 1.1a, 1.1c vorgesehen, die in der Einlassleitung 2.4 mündet, und die Abgasleitung 2.3 weist eine Bypass-Leitung 1.1b auf, die stromab der Turbine 3 in die Abgasleitung 2.3 mündet, wobei a) die Abgasrückführungsleitung 1.1a stromauf der Turbine 3 abzweigt und die Bypass-Leitung 1.1b an der Abgasrückführungsleitung 1.1a abzweigt oder b) die Bypass-Leitung 1.1b stromauf der Turbine 3 abzweigt und die Abgasrückführungsleitung 1.1a an der Bypass-Leitung 1.1b abzweigt, wobei c) in der Abgasrückführungsleitung 1.1a oder in der Bypass-Leitung 1.1b stromauf der Abgasrückführungsleitung 1.1a oder in der Abgasleitung 2.3 stromauf der Abgasrückführungsleitung 1.1a mindestens ein Partikelfilter 1.2, 1.2x angeordnet ist.

Description

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 Einlassleitung und mit einer in der Abgasleitung angeordneten Turbine.
Aus der US 5,671,600 A ist ein Abgasrückführsystem für Dieselmotoren bekannt. Am Abgasauslass bzw. an der Abgasleitung ist ein Partikelfilter vorgesehen, an den eine Abgasrückführungsleitung anschließt. Die Abgasrückführungsleitung mündet stromauf eines Ladeluftverdichters in der Einlassleitung. Innerhalb der Abgasrückführungsleitung ist ein Ventil zur Veränderung des Abgasmassestroms vorgesehen. Der Partikelfilter dient dem Schutz des Ladeluftverdichters bzw. des Ladeluftkühlers vor Verschmutzung.
Aus der DE 10 2012 021 882 A1 ist ein Partikelfilter im Hauptabgasstrom eines Ottomotors bekannt. Der Partikelfilter regeneriert anders als beim Dieselmotor weitestgehend ohne zusätzliche aktive Maßnahmen, d. h. die bis dahin zurückgehaltene Partikelmasse (Rußpartikel mit an- oder eingelagerten Kohlenwasserstoffen) verbrennt bei normalen ottomotorischen Randbedingungen im Wesentlichen zu CO2 bzw. zu H2O. 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 stöchiometrisch 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. Da der Motor bei eingelegtem Gang als Motorbremse zur Verringerung der Fahrzeuggeschwindigkeit führt, 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.
Aus der DE 10 2013 003 701 A1 , der DE 10 2013 008 426.1 und der WO 2008 127 755 A2 sind zusätzliche Maßnahmen wie ein Sekundärluftsystem, um durch Luftüberschuss aktiv die Regenerierung des Partikelfilters zu erreichen, bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Abgasleitsystem für einen Ottomotor derart auszubilden und anzuordnen, dass eine verbesserte Regeneration des Partikelfilters erreicht wird.
Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass mindestens eine Abgasrückführungsleitung vorgesehen ist, die in der Einlassleitung mündet, und dass die Abgasleitung mindestens eine Bypass-Leitung aufweist, die stromab der Turbine in der Abgasleitung mündet, wobei

a) die Abgasrückführungsleitung stromauf der Turbine abzweigt und die Bypass-Leitung an der Abgasrückführungsleitung abzweigt oder
b) die Bypass-Leitung stromauf der Turbine abzweigt und die Abgasrückführungsleitung an der Bypass-Leitung abzweigt, wobei
c) in der Abgasrückführungsleitung oder in der Bypass-Leitung stromauf der Abgasrückführungsleitung oder in der Abgasleitung stromauf der Abgasrückführungsleitung bzw. der Bypass-Leitung mindestens ein Partikelfilter angeordnet ist.

Wenn die Bypass-Leitung an der Abgasrückführungsleitung abzweigt, ist der Abzweig vorzugsweise stromab des Partikelfilters der Abgasrückführungsleitung. Damit ist die Bypass-Leitung ebenfalls mit dem Partikelfilter versorgt.
Das hier beschriebene Abgasleitsystem weist im Kern ein Abgasrückführsystem (AGR-System) auf. Ein AGR-System besteht in der Regel zumindest aus einer Abgasrückführungsleitung (AGR-Leitung), einem Abgasrückführungskühler (AGR-Kühler) und einer Abgasrückführungsklappe (AGR-Ventil).
Im AGR-System und im Ansaugsystem von Ottomotoren sind Ablagerungen zu beobachten, die man als „wet soot” oder „fouling” bezeichnet, die gravierende Auswirkungen wie verringerte Kühlleistung, Verstopfung, schlechte Gleichverteilung sowie unregelmäßige Verbrennung zur Folge haben können. Daher kommen AGR-Systeme bei Ottomotoren bislang nur selten und mit Einschränkungen zur Anwendung.
Bei AGR-Systemen für Ottomotoren ist eine Kühlung des rückgeführten Abgases zur Optimierung der Verbrennung vorteilhaft, da eine Rückführung ungekühlter Abgase, insbesondere bei höheren Lasten und bei Volllast, zu höheren Ansaugtemperaturen aufgrund der zugeführten heißen Abgase führt. Dies wiederum hat Füllungsverluste und eine Erhöhung der Klopfneigung des Ottomotors zur Folge. Damit einher gehen unerwünschte Leistungsverluste des Motors. Diese Nachteile können durch das Abkühlen des zurückgeführten Abgases vermindert werden. Dies hat aber die Entstehung einer erhöhten Menge an Kondensaten – bestehend aus Wasser und/oder Kohlenwasserstoffen bzw. Kohlenwasserstoffverbindungen und unvollständig verbrannten Verbrennungsrückständen – im zurückgeführten Abgas zur Folge, was zu einem erhöhten Grad an Versottung in Form nasser, adhäsiver Ablagerungen im AGR- sowie im Ansaugluftsystem führt. Eine Kombination des Partikelfilters mit dem Ladeluftkühler, wie es nach EP 2 194 351 B1 für einen Dieselpartikelfilter beschrieben ist, kommt demnach nicht in Betracht, um eine Verstopfungsgefahr durch die zuvor beschriebenen Ablagerungen im Partikelfilter zu vermeiden.
Zudem erreicht ein Partikelfilter die für die Selbstregeneration des Partikelfilters erforderliche Mindesttemperatur im Partikelfilter nur in einem deutlich eingeschränkten Betriebsbereich. Es sind in diesem Fall zusätzliche aktive Regenerationsmaßnahmen, die betriebs- und kostenbedingt von Nachteil sind, erforderlich. Im Gegensatz zu den im Otto-Abgas mitgeführten nassen Bestandteilen handelt es sich bei Dieselpartikeln um trockenere Bestandteile, die eine geringere Kondensations- und Verklebungsneigung aufweisen. Zudem sind aktive Regenerierungsmaßnahmen für den Partikelfilter beim Dieselmotor aufgrund der dort herrschenden niedrigeren Abgastemperaturen im Allgemeinen in sehr weiten motorischen Betriebsbereichen erforderlich.
Partikelfilter für Ottomotoren wie auch Dieselpartikelfilter halten Partikel zurück. Zur Regenerierung des Partikelfilters, d. h. zum Abbrand von gefilterten Partikeln sind ausreichend hohe Abgastemperaturen und Sauerstoffüberschuss erforderlich. Nach einer Erwärmungsphase stehen diese Vorausetzungen an die Abgaseigenschaften in AGR-Systemen von Ottomotoren zur Verfügung. In weiten Betriebsbereichen des Ottomotors, also im gefeuerten Zustand (Lambda = 1 bei stöchiometrisch betriebenen Ottomotoren) mangelt es aber an einem Sauerstoffüberschuss als Grundlage für eine vollständige Verbrennung der Partikel im Partikelfilter. Es werden durch den Abgasstrom also lediglich Partikel dem Partikelfilter zugeführt, dort zu einem Teil mit dem verfügbaren Restsauerstoff verbrannt und zum anderen Teil dort zurückgehalten, bis ausreichend gute Abbrandbedingungen für den vollständigen Abbrand zur Verfügung stehen. Eine Regeneration, mithin eine Verbrennung der Partikel kann nur in Schubphasen des Motors erfolgen, wenn die Einspritzung abgeschaltet ist. In dieser Schubphase, also bei weiterhin drehendem Motor sowie Ein- und Auslassventilbetätigung, gelangt Sauerstoff bei geöffnetem AGR-Ventil in das AGR-System und durchströmt den dort integrierten Partikelfilter. Bei ausreichender Temperatur im Partikelfilter werden die Partikel dann zu CO2 verbrannt. Unter Umständen entsteht auch CO, HO und/oder NOx.
Im Schubbetrieb sind die AGR-Ventile beim Ottomotor üblicherweise geschlossen, um bei einer erneuten Lastanforderung durch den Fahrer bzw. bei Erreichen der Leerlaufdrehzahl des Motors durch eine möglichst geringe Restgasmenge die unmittelbar zu erfolgende Zündung des Motors nicht zu gefährden.
Um jedoch eine Regenerierung des Partikelfilters in der AGR-Leitung zu ermöglichen, ist zum Beispiel im Schubbetrieb das Öffnen des AGR-Ventils erforderlich. Somit strömt Abgas mit hohem Sauerstoffanteil durch den Partikelfilter und dieser regeneriert. Diese Regeneration hält solange an, bis die Partikel bzw. das Abgas durch die kühlere Luft im Schubbetrieb die für die Regeneration erforderliche minimale Temperatur unterschreitet. Spätestens zu diesem Zeitpunkt könnte dann das AGR-Ventil zur Gewährleistung des zu erfolgenden Wiederstarts der motorischen Verbrennung geschlossen werden. Wann eine erneute Lastanforderung durch den Fahrer erfolgt, ist aber nicht bekannt.
Durch die erfindungsgemäße Bypass-Leitung ist eine Regenration des Partikelfilters in der AGR Leitung auch bei geschlossenem AGR-Ventil möglich. Die Bypass-Leitung zweigt nach dem Partikelfilter ab und mündet bei Verwendung eines Turboladers vorzugsweise nach dem Turbinenaustritt in der Abgasleitung.
Beim Öffnen der Bypass-Leitung wird der durch die Abgasturbine geführte Teil des Abgasstroms reduziert. Dies ist insbesondere der Fall, wenn der Druckabfall über den Turbolader größer ist als der über die AGR-Bypass-Strecke. Ein entsprechender Teil des Abgasstroms kann bei geschlossener AGR-Leitung durch den Partikelfilter und die Bypass-Leitung geführt werden. Somit wird die Regeneration des Partikelfilters auch in Phasen mit geschlossenem AGR-Ventil, beispielsweise im Schubbetrieb begünstigt.
Zudem kann im Vergleich zum alleinigen Durchströmen des geöffneten AGR-Ventils der durch den Partikelfilter geführte sauerstoffreiche Abgasstrom deutlich gesteigert und die Regeneration intensiviert werden.
Es ist nicht mehr erforderlich, die Regeneration des Partikelfilters vor dem erneuten Start des Motors zu unterbinden. Die Regeneration kann genauso so lange dauern, wie es für eine Regenerationsphase im Schubtrieb eines im Hauptabgasstrom eingebauten Partikelfilters erforderlich ist. Die somit ermöglichte Regeneration kann in Ihrer Effektivität diejenige eines stromab im Hauptabgasstrom eingebauten Partikelfilters sogar übertreffen, da mit der motornahen, parallel zum Turbolader geführten Einbausituation eine höhere thermische Beaufschlagung des Partikelfilters erfolgt. Dadurch ist die Temperatur der Partikel im Partikelfilter, zum Beispiel in der Phase der Schubabschaltung höher und die Regeneration intensiver.
Über diese verbesserte Regeneration des Partikelfilters hinaus gehen noch weitere Vorteile mit der erfindungsgemäßen Bypass-Leitung einher.
Durch die zusätzlich zuschaltbare Bypass-Leitung wird ein Teil des Abgases an der Abgasturbine vorbei geleitet. Somit übernimmt die Bypass-Leitung auch die Funktion eines Wastegate-Ventils, wie es bei konventionellen Turboladern im Gehäuse der Turbine bislang integriert ist. Somit ist die Bypass-Leitung nicht nur im Schubfall, sondern auch unter Vollastbedingungen des Ottomotors verwendbar, wenn die Abgasenergie die notwendige Antriebsenergie für den Verdichter des Abgasturboladers übersteigt. Auch in diesem Fall kann aufgrund des im Abgas enthaltenen Restsauerstoffs und der hohen Abgastemperatur der Partikelfilter regeneriert werden.
Darüber hinaus gehen noch weitere Vorteile mit der erfindungsgemäßen Bypass-Leitung insbesondere in der Start- bzw. Kaltstartphase des Motors einher.
Die Bypass-Leitung kann auch im Fall des Motorstarts geöffnet werden. Während und nach dem Motorstart bzw. Motorkaltstart ist die Aufladefunktion des Turboladers noch nicht gegeben, da die Abgasenergie hierzu in diesen Betriebspunkten zu niedrig ist. Im Gegenteil. Die Abgasturbine stellt einen Strömungswiderstand dar, der den Motorbetrieb beeinträchtigt. Mit einer Umlenkung des Abgasstroms durch die Bypass-Leitung wird dieser Nachteil verringert.
Ergänzend zu der für die Regeneration benötigten Luftmenge kann es erforderlich sein, die Abgastemperatur gezielt zu erhöhen, um die für die Regeneration erforderliche Abgastemperatur zu erreichen. Hierzu kommen folgende im Stand der Technik bekannte Maßnahmen wie eine Zündzeitpunktspätverstellung, eine Lastpunktverschiebung oder ein Zuheizen in Frage.
Vorteilhaft kann es hierzu auch sein, wenn der mindestens eine Partikelfilter unbeschichtet ist oder wenn der Partikelfilter eine katalytisch wirkende Beschichtung zur Umwandlung von CO, HC und/oder NOx aufweist. Eine Beschichtung des Partikelfilters wiederum führt zu verringerten Schadstoffemissionen im Ansaugsystem, die die Verbrennung zusätzlich vorteilhaft beeinflussen können. Die Beschichtung des Partikelfilters wirkt bei gefeuertem Motorbetrieb. Gleiches gilt für die Filterwirkung des Partikelfilters. Im Schubbetrieb kann die Regeneration des Partikelfilters erfolgen. Durch die Kombination von Partikelfilterung und katalytischer Umwandlung weiterer unvollständiger Verbrennungsprodukte weist das dem Motor wieder zugeführte Abgas einen hohen Reinheitsgrad sowohl bezüglich der Verbrennungsprodukte als auch bezüglich der Partikel auf. Dies wirkt sich positiv auf die Vermeidung von Ablagerungen im Ansaugsystem sowie auf die Verbrennung, mithin die Schadstoffemission und den Wirkungsgrad des Ottomotors aus.
Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung kann es von Vorteil sein, wenn stromab des Partikelfilters ein Kühler innerhalb der Abgasrückführungsleitung vorgesehen ist. Der Kühler ist räumlich bzw. zumindest thermisch vom Partikelfilter getrennt, so dass der Partikelfilter möglichst in weiten motorischen Betriebszuständen hohe Temperaturen aufweist, damit er bei genügend Sauerstoffüberschuss im Abgas durch Oxidation der gefilterten Bestandteile regeneriert. Damit wird ein möglichst großer Arbeitsbereich des Partikelfilters zur Regenerierung erzielt. Der Kühler ist entweder als Abgas-Luft-, als Abgas-Motorkühlwasser- oder als Abgas-Niedertemperaturkühlwasser-Kühler ausgebildet. In besonderen Ausführungsformen können mehrere Kühler der Abgasrückführung, die auch zuschaltbar ausgebildet sein können, in Reihe oder auch parallel angeordnet sein.
Vorteilhaft kann es insbesondere sein, wenn der Kühler ausgangsseitig eine Abgassolltemperatur Ta aufweist, die oberhalb des Taupunktes der im Abgas enthaltenen Substanzen liegt, beispielsweise 250° >= Ta >= 100° oder 250° >= Ta >= 105°. Die Abgassolltemperatur Ta ist dabei so hoch gewählt, dass ein Kondensieren des im Abgas enthaltenen Wassers verhindert wird. Diese Bedingung sollte für einen Großteil der Betriebszustände gelten. Somit kann eine übermäßige Verschmutzung des AGR-Systems verhindert werden. Eine Kühlung auf unter 100°C erfolgt erst in der zweiten Kühlstufe nach Mischung von Abgas und Frischluft in der Einlass- bzw. in der Ladeluftleitung kurz vor Motoreintritt. Hierdurch kann kondensierendes Wasser direkt in den Motorbrennraum gelangen und durch Verdunstung positive Wirkung auf die motorische Verbrennung entfalten. Wie unten ausgeführt besteht aufgrund des Partikelfilters trotz der weiteren Abkühlung der Ladeluft keine Versottungsgefahr für den motornahen Ladeluftkühler.
Dabei kann es vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die Einlassleitung stromauf der Mündung der Abgasrückführungsleitung als Frischluftleitung ausgebildet ist und dass zumindest ein Frischluftkühler und eine Frischluft-Drosselklappe in der Frischluftleitung vorgesehen sind. Mittels des Frischluftkühlers kann eine gesonderte Kühlung der Frischluft vor dem Mischen mit dem Abgas erfolgen. Weil das Temperaturniveau der verdichteten Frischluft mit 150°C bis 160°C aber nicht so sehr hoch ist, kann die gesonderte Kühlung der Frischluft auch entfallen, wobei dann das Frischluft-Abgasgemisch wie nachgehend beschrieben zusammen gekühlt werden kann.
Zudem kann es vorteilhaft sein, wenn der Frischluftkühler ausgangsseitig eine Frischluftsolltemperatur Tf aufweist mit 150° >= Tf >= 60°. Die im Frischluftsystem erfolgte Kühlleistung ist in jedem Fall vorteilhaft im Hinblick auf ein möglichst kühles Frischluft-Abgasgemisch.
Vorteilhaft kann es auch sein, wenn die Einlassleitung stromab der Mündung der Abgasrückführungsleitung als Ladeluftleitung ausgebildet ist und wenn zumindest ein Ladeluftkühler in der Ladeluftleitung vorgesehen ist. Die Reinigung des zurückgeführten Abgases durch den Partikelfilter gewährleistet den effektiven Einsatz des Ladeluftkühlers für das Frischluft-Abgas Gemisch. Ein Versotten des Ladeluftkühlers wird aufgrund des Einsatzes des Partikelfilters verhindert. Der Effekt, dass durch den Partikelfilter in der AGR-Leitung Rußpartikel und die Abgastemperatur im Hochlastbetrieb deutlich reduziert werden können, kann durch die intensive AGR- und Ladeluft-Kühlung soweit verstärkt werden, dass die Abgastemperatur auf das Niveau von Dieselmotoren sinken kann bzw. die Ansaugtemperatur vor Zylindereintritt auf das Niveau von Ottomotoren ohne AGR sinken kann. Hierdurch sinkt die Klopfneigung des Ottomotors deutlich und es sind signifikante Verbrauchsverbesserungen erzielbar. Dies wird durch die zwei- bzw. dreistufte Kühlung der angesaugten Ladeluft durch den AGR-Kühler, den Ladeluftkühler und ggf. den Frischluftkühler unter Anwendung der unterschiedlichen Temperaturniveaus erreicht.
Die Abzweigung der AGR-Leitung stromauf der Turbine gewährleistet höhere Abgastemperaturen, die sich insgesamt positiv auf die Partikelfilterregeneration und die Schadstoffreduktion auswirken. Die Mündung stromab des Verdichters hat den Vorteil, dass die Regelstrecke kürzer ist. Diese Kombination aus Abzweigung stromauf der Turbine und Mündung stromab des Verdichters wird als Hochdruck-AGR (HD-AGR) bezeichnet. Allerdings steht möglicherweise nicht in allen gewünschten Betriebszuständen ein ausreichend hohes Druckgefälle zwischen Abgassystem und Ansaugsystem für die Zuführung der gewünschten rückgeführten Abgasmenge zur Verfügung. Für den Fall, dass eine zusätzliche Kühlung des zurückgeführten Abgases gefordert ist, kann das gereinigte Abgas auch nach dem Verdichter und vor dem Ladeluftkühler dem Ansaugsystem zugeführt werden. Damit wird das Abgas nicht nur im AGR-Kühler, sondern zusätzlich auch im Ladeluftkühler gekühlt. Denkbar ist auch eine Anordnung, in der der Ladeluftkühler so effektiv ausgelegt ist, dass für das rückgeführte Abgas kein AGR-Kühler in der AGR-Leitung erforderlich ist.
Die Abzweigung stromauf der Turbine in Kombination mit der Mündung stromauf des Verdichters wird als Maximaldruck-AGR (MD-AGR) bezeichnet und gewährleistet eine große Druckdifferenz innerhalb der AGR-Leitung auch für größere geforderte Abgasrückführungsmengen. Allerdings wird dadurch die Regelstrecke länger als bei der HD-AGR und der Verdichter und die Turbine müssen an die veränderten Massendurchsätze ggf. angepasst werden.
Die Abzweigung stromab der Turbine in Kombination mit der Mündung stromauf des Verdichters wird als Niederdruck-AGR (ND-AGR) bezeichnet.
Hierzu kann es vorteilhaft sein, wenn der Ladeluftkühler ausgangsseitig eine Ladeluftsolltemperatur Tu aufweist mit Tu <= 60°. Durch die intensive Kühlung der Ladeluft kann die Abgastemperatur des Ottomotors auf das Niveau von Dieselmotoren (etwa 850°C) gesenkt werden. Dies wirkt sich sehr positiv auf die Klopfneigung des Ottomotors aus und es sind signifikante Verbesserungen im Kraftstoffverbrauch möglich.
Vorteilhaft kann es ferner sein, wenn ein AGR-Ventil in der Abgasrückführungsleitung vorgesehen ist, über das betriebspunktabhängig ein Abgasmassenstrom innerhalb der Abgasrückführungsleitung einstellbar ist. Das AGR-Ventil ist vorteilhafterweise stromab des Partikelfilters platziert. In Schubphasen des Motors kann mit dem AGR-Ventil die Regeneration des Partikelfilters über die Menge der rückgeführten Frischluftmenge beeinflusst werden. Eine Positionierung vor dem Partikelfilter führt zu erhöhter Verschmutzung des AGR-Ventils und kommt nur in Ausnahmefällen in Betracht. Außerdem kann es vorteilhaft sein, wenn das AGR-Ventil stromab des Kühlers vorgesehen ist. Somit wird diese vor übermäßiger Temperaturbelastung geschützt.
Vorteilhaft kann es auch sein, wenn eine Bypass-Drosselklappe in der Bypass-Leitung vorgesehen ist, über die betriebspunktabhängig ein Abgasmassenstrom innerhalb der Bypass-Leitung einstellbar ist.
Vorteilhaft kann es ferner sein, wenn eine weitere Abgasrückführungsleitung mit einem weiteren AGR-Ventil vorgesehen ist, die an der Abgasrückführungsleitung abzweigt oder die an der Bypass-Leitung abzweigt, wobei die weitere Abgasrückführungsleitung in der Einlassleitung stromauf des Verdichters mündet. Somit kann alternativ zur AGR-Leitung die weitere AGR-Leitung Anwendung finden. Es können auch beide AGR-Leitungen zusammen Anwendung finden.
Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn stromab der Turbine ein Abgaskatalysator vorgesehen ist. Der Abgaskatalysator ist vorzugsweise stromab der Mündung der Bypass-Leitung platziert. Durch den 3-Wege-Katalysator bzw. den Oxidationskatalysator werden die vorstehend genannten Vorteile verringerter Schadstoffemissionen im Hauptabgasstrang erreicht.
Da das rückzuführende Abgas vor dem Katalysator des Abgassystems entnommen wird, kann anstelle eines beschichteten Partikelfilters ein zusätzlicher 3-Wege-Katalysator oder auch ein Oxidationskatalysator in der Abgasrückführungsleitung integriert werden. Diese Katalysatoren stellen jedoch eine weitere Bauteilkomponente dar, die alternativ mit einem katalytisch beschichteten Partikelfilter vermeidbar ist. In jedem Fall führt die Oxidation von Schadstoffkomponenten zur Wärmeentwicklung und damit zur Aufheizung des stromab liegenden Partikelfilters. Dies erweitert den Einsatz der eigenständigen Regeneration des Partikelfilters im Schubbetrieb auf weitere Betriebszustände.
Zudem kann vorgesehen sein ein Zuführen von Sekundärluft, über die Sekundärluft in die Abgasrückführungsleitung und/oder in die Bypass-Leitung und eine entsprechende Einrichtung hierfür. Die Sekundärluft kann auch in die Abgasleitung stromauf der Abgasrückführungsleitung und/oder stromauf der Bypass-Leitung eingebracht werden. Ein Einsatz von Sekundärluft, mit der die Abgasleitung und somit der Partikelfilter mit zusätzlichem Sauerstoff für die Regeneration versorgt werden, kann auch vorteilhaft sein. Hierbei ist aber darauf zu achten, dass der zusätzliche Luftstrom auch tatsächlich durch den Partikelfilter geführt wird. Daher sollte beim Einsatz der Sekundärluftpumpe das AGR-Ventil geöffnet sein. Zusätzlich oder alternativ kann auch die Bypass-Leitung geöffnet sein. Bei geschlossenem AGR-Ventil muss die Bypass-Leitung jedoch geöffnet sein. Hierzu kann eine übliche Einleitungsstelle für die Sekundärluft nahe dem Auslassventil im Zylinderkopfaustrittskanal verwendet werden. Die Sekundärluft kann über eine gesonderte Sekundärluftpumpe oder mittels des Ladeluftverdichters bereitgestellt werden, sofern die vorhandenen Druckniveaus dies gewährleisten.
Gelöst wird die Aufgabe auch durch eine Abgasanlage und/oder einen Ottomotor mit einem Abgasleitsystem wie vorgehend beschrieben.
Gelöst wird die Aufgabe auch durch ein Verfahren zum Betrieb eines Ottomotors mit einem Abgasleitsystem oder einer Abgasanlage wie vorgehend beschrieben, bei dem

a) im Betrieb bzw. im Schubbetrieb des Ottomotors bei zumindest teilweise geschlossenem AGR-Ventil zumindest ein Teil des Abgasstroms durch den Partikelfilter und durch die zumindest teilweise geöffnete Bypass-Leitung geführt wird, wobei eine Regeneration des Partikelfilters ausgeführt bzw. ermöglicht wird;
b) während und nach dem Start des Ottomotors bei zumindest teilweise geschlossenem AGR-Ventil durch Öffnen der Bypass-Drosselklappe zumindest ein Teil des Abgasstroms durch den Partikelfilter und durch die Bypass-Leitung an der Turbine vorbei geführt wird, bis ein vorgegebener Abgasdruck erreicht ist;
c) im Volllastbetrieb des Ottomotors oder zumindest volllastnah die Bypass-Leitung als Wastegate verwendet wird zum Leiten von zumindest einem Teil des Abgasstroms an der Turbine vorbei, wobei hierdurch eine Regeneration des Partikelfilters ausgeführt bzw. ermöglicht wird. Das AGR-Ventil kann dabei zumindest teilweise oder ganz geöffnet sein.

Durch Anwendung der erfindungsgemäßen Bypass-Leitung kann das Motorverhalten bzw. die Schadstoffemission in verschiedenen Betriebspunkten deutlich verbessert werden.
Vorteilhaft kann es hierzu sein, wenn beim Einbringen von Sekundärluft durch die Einrichtung

a) das AGR-Ventil geöffnet wird und wahlweise ergänzend Abgas durch die Bypass-Leitung geführt wird, wobei die Bypass-Drosselklappe zumindest teilweise geöffnet ist oder
b) das AGR-Ventil geschlossen wird und alternativ Abgas durch die Bypass-Leitung geführt wird, wobei die Bypass-Drosselklappe zumindest teilweise geöffnet ist. Der zusätzlich eingebrachte Massestrom kann über die Bypass-Leitung oder die AGR-Leitung abgeführt werden. Im zuletzt genannten Fall ist eine verbesserte Regeneration des Partikelfilters gewährleistet.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt. Es zeigen:
1 eine Prinzipskizze einer HD-AGR mit Bypass-Leitung;
2 eine Prinzipskizze einer MD-AGR mit Bypass-Leitung;
3 Prinzipskizze einer kombinierten HD- und MD-AGR mit Bypass-Leitung.
In allen Prinzipskizzen nach den 1–3 ist dargestellt ein Abgasleitsystem 1 (AGR-System), das in das Abgas- und Ladeluftsystem 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 weitere, 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. Ergänzend ist mindestens eine Abgasrückführungsleitung 1.1a (AGR-Leitung) mit einem AGR-Ventil 1.3 vorgesehen, die an der Abgasleitung 2.3 abzweigt und in der Einlassleitung 2.4 mündet.
Ergänzend hierzu ist eine Bypass-Leitung 1.1b vorgesehen, die ebenfalls an der Abgasleitung 2.3 abzweigt und stromab der Turbine 3 in der Abgasleitung 2.3 mündet. Hierbei ist es unerheblich, ob die Bypass-Leitung 1.1b an der Abgasrückführungsleitung 1.1a abzweigt oder ob die Abgasrückführungsleitung 1.1a an der Bypass-Leitung 1.1b abzweigt. Die Bypass-Leitung 1.1b weist eine Bypass-Drosselklappe 1.4 zum Regulieren des Gasmassestroms auf.
In der AGR-Leitung 1.1a ist ein Partikelfilter 1.2, 1.2x angeordnet, der das rückgeführte bzw. rückzuführende Abgas 7 filtert. Der Partikelfilter 1.2x kann beschichtet sein und die Aufgaben eines 3-Wege-Katalysators oder zumindest eines Oxidationskatalysators erfüllen. Alternativ kann der Partikelfilter 1.2 auch unbeschichtet sein. In diesem Fall kann ein Abgaskatalysator 5* notwendig werden, der beispielsweise stromauf des Partikelfilters 1.2 platziert ist (gestrichelt dargestellt), um eine katalytische Reinigung des zurückgeführten Abgases 7 zu gewährleisten.
Ferner ist in der AGR-Leitung 1.1a stromab des Partikelfilters 1.2, 1.2x mindestens ein AGR-Kühler 1.6 vorgesehen. Stromab des jeweiligen AGR-Kühlers 1.6 bzw. vor der Mündung in die Einlassleitung 2.4 ist ein AGR-Ventil 1.3 zur Regelung des Massestroms innerhalb der AGR-Leitung 1.1a platziert.
In der Einlassleitung 2.4 ist eine Ladeluft- bzw. Frischluft-Drosselklappe 2.6 stromauf der Einleitungsstelle der Abgasrückführungsleitung 1.1a in die Einlassleitung 2.4 vorgesehen. Dieser Teil der Einlassleitung 2.4 wird auch als Frischluftleitung 2.4a bezeichnet. Innerhalb der Frischluftleitung 2.4a ist zudem ein Lade- bzw. Frischluftkühler 6 vorgesehen.
Stromab der Turbine 3 ist in der Abgasleitung 2.3 ein Katalysator 5 vorgesehen, der als 3-Wege-Katalysator oder als Oxidationskatalysator ausgebildet ist. Ungeachtet der nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele kann es sich bei dem jeweils angewendeten Katalysator 5 grundsätzlich um einen 3-Wege-Katalysator oder einen Oxidationskatalysator handeln. Ein Oxidationskatalysator 5 kommt insbesondere dann in Betracht, wenn es sich um einen mager betriebenen Ottomotor 2 handelt.
Ergänzend zum AGR-Kühler 1.6 und zum Frischluftkühler 6 ist in der Einlassleitung 2.4 stromab der Einleitungsstelle der Abgasrückführungsleitung 1.1a ein Ladeluftkühler 2.5 platziert. Dieser Teil der Einlassleitung 2.4 stromab der Einleitungsstelle der Abgasrückführungsleitung 1.1a wird auch als Ladeluftleitung 2.4b bezeichnet.
Zudem ist abgasseitig eine Einrichtung 9 zum Einbringen von Sekundärluft im Zylinderkopf bzw. im Auslasskrümmer 2.1 oder in der Abgasleitung 2.3 vorgesehen.
Grundsätzlich unterscheidet man zwischen drei Varianten der Abgasrückführung, in Abhängigkeit der Abzweigung der AGR-Leitung 1.1a von der Abgasleitung 2.3 und Mündung der AGR-Leitung 1.1a in der Einlassleitung 2.4.
Die Kombination aus Abzweigung der AGR-Leitung 1.1a stromauf der Turbine 3 und Mündung der AGR-Leitung 1.1a stromab des Verdichters 4 wird als Hochdruck-AGR (HD-AGR) bezeichnet.
Die Kombination aus Abzweigung der AGR-Leitung 1.1a stromauf der Turbine 3 und Mündung der AGR-Leitung 1.1a stromauf des Verdichters 4 wird als Maximaldruck-AGR (MD-AGR) bezeichnet.
Die Kombination aus Abzweigung der AGR-Leitung 1.1a stromab der Turbine 3 und Mündung stromauf des Verdichters 4 wird als Niederdruck-AGR (ND-AGR) bezeichnet.
Im Schaubild nach 1 ist eine HD-AGR dargestellt, gebildet durch die AGR-Leitung 1.1a, die stromauf der Turbine 3 abzweigt und die stromab des Verdichters 4 mündet. Die Mündung erfolgt stromab der Ladeluft- bzw. Frischluft-Drosselklappe 2.6.
Nach 2 ist eine MD-AGR ausgebildet.
Im Ausführungsbeispiel nach 3 sind eine HD-AGR und eine MD-AGR kombiniert. An der Bypass-Leitung 1.1b zweigt stromab des Kühlers 1.6 eine zusätzliche AGR-Leitung 1.1c mit einem weiteren AGR-Ventil 1.5 ab. In der AGR-Leitung 1.1c ist ein zusätzliches AGR-Ventil 1.5 vorgesehen. Die AGR-Leitung 1.1c mündet in der Einlassleitung 2.4 stromauf des Verdichters 4. Der AGR-Kühler 1.6* kann alternativ auch stromab der Abzweigung für die weitere AGR-Leitung 1.1c positioniert sein. Die Bypass-Leitung 1.1b kann auch stromab des Katalysators 5 (gestrichelt dargestellt) münden. Dies gilt auch für die Ausführungsbeispiele nach 1 und 2.
Bezugszeichenliste

1: Abgassystem/Abgasleitsystem
1.1a: Abgasrückführungsleitung, AGR-Leitung
1.1a/b: AGR-Leitung/Bypass-Leitung
1.1b: Bypass-Leitung
1.1c: weitere Abgasrückführungsleitung, AGR-Leitung
1.2: Partikelfilter
1.2x: Partikelfilter, beschichtet
1.3: AGR-Ventil
1.4: Bypass-Drosselklappe von 1.1b
1.5: weiteres AGR-Ventil
1.6: Kühler, AGR-Kühler
1.6*: Kühler alternative Position
2: Ottomotor
2.1: Auslasskrümmer
2.2: Einlasskrümmer
2.3: Abgasleitung
2.4: Einlassleitung
2.4a: Frischluftleitung
2.4b: Ladeluftleitung
2.5: Ladeluftkühler
2.6: Ladeluft-Drosselklappe, Frischluft-Drosselklappe
3: Turbine
4: Verdichter, Ladeluftverdichter
5: Katalysator, 3-Wege-Katalysator, Oxidationskatalysator
5*: Abgaskatalysator, 3-Wege- bzw. Oxidationskatalysator, alternativ
6: Ladeluftkühler, Frischluftkühler
7: Abgas
8: Frischluft
9: Einrichtung zum Einbringen von Sekundärluft

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5671600 A [0002]
DE 102012021882 A1 [0003]
DE 102013003701 A1 [0005]
DE 102013008426 [0005]
WO 2008127755 A2 [0005]
EP 2194351 B1 [0011]

Claims

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 einer in der Abgasleitung (2.3) angeordneten Turbine (3), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Abgasrückführungsleitung (1.1a, 1.1c) vorgesehen ist, die in der Einlassleitung (2.4) mündet, und dass die Abgasleitung (2.3) mindestens eine Bypass-Leitung (1.1b) aufweist, die stromab der Turbine (3) in die Abgasleitung (2.3) mündet, wobei a) die Abgasrückführungsleitung (1.1a) stromauf der Turbine (3) abzweigt und die Bypass-Leitung (1.1b) an der Abgasrückführungsleitung (1.1a) abzweigt oder b) die Bypass-Leitung (1.1b) stromauf der Turbine (3) abzweigt und die Abgasrückführungsleitung (1.1a) an der Bypass-Leitung (1.1b) abzweigt, wobei c) in der Abgasrückführungsleitung (1.1a) oder in der Bypass-Leitung (1.1b) stromauf der Abgasrückführungsleitung (1.1a) oder in der Abgasleitung (2.3) stromauf der Abgasrückführungsleitung (1.1a) mindestens ein Partikelfilter (1.2, 1.2x) angeordnet ist.
Abgasleitsystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Partikelfilter (1.2) unbeschichtet ist oder dass der Partikelfilter (1.2x) eine katalytisch wirkende Beschichtung zur Umwandlung von CO, HC und/oder NOx aufweist.
Abgasleitsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromab des Partikelfilters (1.2, 1.2x) ein Kühler (1.6) innerhalb der Abgasrückführungsleitung (1.1a) vorgesehen ist.
Abgasleitsystem (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühler (1.6) ausgangsseitig eine Abgassolltemperatur Ta aufweist, die oberhalb des Taupunktes der im Abgas enthaltenen Substanzen liegt.
Abgasleitsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassleitung (2.4) stromauf der Mündung der Abgasrückführungsleitung (1.1a) als Frischluftleitung (2.4a) ausgebildet ist und dass zumindest ein Frischluftkühler (6) und eine Frischluft-Drosselklappe (2.6) in der Frischluftleitung (2.4a) vorgesehen sind.
Abgasleitsystem (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Frischluftkühler (6) ausgangsseitig eine Frischluftsolltemperatur Tf aufweist mit 150° >= Tf >= 60°.
Abgasleitsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassleitung (2.4) stromab der Mündung der Abgasrückführungsleitung (1.1a) als Ladeluftleitung (2.4b) ausgebildet ist und dass zumindest ein Ladeluftkühler (2.5) in der Ladeluftleitung (2.4b) vorgesehen ist.
Abgasleitsystem (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladeluftkühler (2.5) ausgangsseitig eine Ladeluftsolltemperatur Tu aufweist mit Tu <= 60°.
Abgasleitsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein AGR-Ventil (1.3) in der Abgasrückführungsleitung (1.1a) vorgesehen ist, über das betriebspunktabhängig ein Abgasmassenstrom innerhalb der Abgasrückführungsleitung (1.1a) einstellbar ist.
Abgasleitsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bypass-Drosselklappe (1.4) in der Bypass-Leitung (1.1b) vorgesehen ist, über die betriebspunktabhängig ein Abgasmassenstrom innerhalb der Bypass-Leitung (1.1b) einstellbar ist.
Abgasleitsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Abgasrückführungsleitung (1.1c) mit einem weiteren AGR-Ventil (1.5) vorgesehen ist, die an der Abgasrückführungsleitung (1.1a) abzweigt oder die an der Bypass-Leitung (1.1b) abzweigt, wobei die weitere Abgasrückführungsleitung (1.1c) in der Einlassleitung (2.4) stromauf eines Verdichters (4) mündet.
Abgasleitsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromab der Turbine (3) ein Abgaskatalysator (5) vorgesehen ist.
Abgasleitsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung (9) zum Einbringen von Sekundärluft vorgesehen ist, über die Sekundärluft in die Abgasrückführungsleitung (1.1a) und/oder in die Bypass-Leitung (1.1b) einbringbar ist.
Abgasanlage und/oder Ottomotor (2) mit einem Abgasleitsystem (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche.
Verfahren zum Betrieb eines Ottomotors (2) mit einem Abgasleitsystem (1) oder einer Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass a) im Betrieb des Ottomotors (2) bei zumindest teilweise geschlossenem AGR-Ventil (1.3) zumindest ein Teil des Abgasstroms durch den Partikelfilter (1.2, 1.2x) und durch die Bypass-Leitung (1.1b) geführt wird, wobei eine Regeneration des Partikelfilters (1.2, 1.2x) ausgeführt wird; b) während und nach dem Start des Ottomotors (2) bei zumindest teilweise geschlossenem AGR-Ventil (1.3) durch Öffnen der Bypass-Drosselklappe (1.4) zumindest ein Teil des Abgasstroms durch den Partikelfilter (1.2, 1.2x) und durch die Bypass-Leitung (1.1b) an der Turbine (3) vorbei geführt wird, bis ein vorgegebener Abgasdruck erreicht ist; c) im Vollastbetrieb des Ottomotors (2) oder zumindest volllastnah die Bypass-Leitung (1.1b) als Wastegate verwendet wird zum Leiten von zumindest einem Teil des Abgasstroms an der Turbine (3) vorbei, wobei eine Regeneration des Partikelfilters (1.2, 1.2x) ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass beim Einbringen von Sekundarluft durch die Einrichtung (9) a) das AGR-Ventil (1.3) geöffnet wird und wahlweise ergänzend Abgas (7) durch die Bypass-Leitung (1.1b) geführt wird oder b) das AGR-Ventil (1.3) geschlossen wird und alternativ Abgas (7) durch die Bypass-Leitung (1.1b) geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärlufteinblasung auch in die AGR-Leitung (1.1a/b) eingebracht werden kann.