DE102012017278A1

DE102012017278A1 - Antriebsaggregat für ein Kraftfahrzeug und Verfahren zurn Betreiben eines solchen

Info

Publication number: DE102012017278A1
Application number: DE201210017278
Authority: DE
Inventors: Uwe Scher
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2012-08-31
Filing date: 2012-08-31
Publication date: 2014-03-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Antriebsaggregat (10) für ein Kraftfahrzeug, umfassend – einen Verbrennungsmotor (12), insbesondere einen Dieselmotor; – ein Luftzuführungssystem (14) zur Zuführung von Ladeluft zu dem Verbrennungsmotor (12), umfassend eine Luftleitung (22), – eine Abgasanlage (16) zur Abführung und Nachbehandlung von Abgas des Verbrennungsmotor (12), umfassend einen Abgaskanal (28) sowie ein im Abgaskanal (28) angeordnetes Abgasnachbehandlungssystem, welches einen ersten Partikelfilter (32) umfasst, – eine abgasangetriebene Aufladungseinrichtung (34) zur Verdichtung der dem Verbrennungsmotor (12) zuzuführenden Ladeluft, umfassend eine im Abgaskanal (28) angeordnete Antriebseinheit (36), welche dem Abgas kinetische Energie entzieht, – eine Niederdruck-Abgasrückführung (42) mit einer Abgasrückführleitung (44), welche von dem Abgaskanal (28) stromab der Antriebseinheit (36) der Aufladungseinrichtung 34) abzweigt und in die Luftleitung (22) des Luftzuführungssystems (14) mündet, Es ist vorgesehen, dass die Abgasrückführleitung (44) der Niederdruck-Abgasrückführung (42) von dem Abgaskanal (28) stromauf des ersten Partikelfilters (32) abzweigt und ein zweiter Partikelfilter (50) in der Abgasrückführleitung (44) angeordnet ist, wobei die Abgasrückführleitung (44) stromab des ersten Partikelfilters (32) eine Verbindungsstelle mit der Abgasleitung (28) aufweist und ein erstes steuerbares Schaltmittel (52) an der Verbindungsstelle angeordnet und eingerichtet ist, den durch den zweiten Partikelfilter (50) geführten Abgasteilstrom wahlweise über die Abgasrückführleitung (44) zur Luftleitung (22) oder in die Abgasleitung (28) zu leiten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Antriebsaggregat für ein Kraftfahrzeug mit einem aufgeladenen Verbrennungsmotor, insbesondere einem Dieselmotor, und einer Niederdruck-Abgasrückführung (ND-AGR). Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Antriebsaggregats.
Die Abgasrückführung (AGR) stellt ein verbreitetes Mittel zur Absenkung der verbrennungsmotorischen Emissionen von Stickoxiden (NO_X) dar. Dabei wird ein Teil des Abgases des Verbrennungsmotors rückgeführt und der dem Motor zugeführten Frischluft zugemischt. Durch das Zuführen des Abgases wird der Inertgasanteil im Luft-Kraftstoffgemisch erhöht und somit der Brennverlauf verlängert und Temperaturspitzen gesenkt. Infolgedessen sinken die stark temperaturabhängigen NO_X-Emissionen. In der Vergangenheit war vor allem die Hochdruck-Abgasrückführung bei aufgeladenen Verbrennungsmotoren (HD-AGR) üblich, bei der das Abgas auf der Hockdruckseite der im Abgaskanal angeordneten Turbine eines Abgasturboladers entnommen und auf der Hockdruckseite eines in der Luftleitung angeordneten Ladeluftverdichters des Abgasturboladers eingespeist wird. Um die Zylinderfüllung nicht zu verringern und die Temperatur der Ladeluft nicht zu erhöhen, ist ferner bekannt, das rückgeführte Abgas der HD-AGR zu kühlen, wodurch eine weitere Absenkung der NO_X-Emissionen erzielt wird.
In jüngerer Zeit sind darüber hinaus Konzepte für eine Niederdruck-Abgasrückführung (ND-AGR) entwickelt worden, bei denen die Abgasrückführleitung stromab der Turbine und stromab des Partikelfilters abzweigt und stromauf des Verdichters in die Luftleitung mündet. Vorteil der ND-AGR ist zum einen eine verminderte Erwärmung der Ladeluft, wodurch einer Verminderung der Zylinderfüllung entgegengewirkt wird. Zum anderen wird der Abgasmassenstrom vor der Turbine des Abgasturboladers nicht reduziert, wodurch die Leistung des Turboladers verbessert wird. Mit der ND-AGR werden die NO_X-Emissionen im Vergleich mit der HD-AGR noch weiter reduziert.
Die ND-AGR ist jedoch auch mit Problemen behaftet. Zum einen müssen der Partikelfilter und der/die im Abgaskanal angeordneten Katalysator/en für einen deutlich höheren Massendurchsatz ausgelegt werden als bei Konzepten mit reiner HD-AGR. Dies führt zu einem größeren Bauraumbedarf sowie zu einem erhöhten Edelmetallbedarf für die Katalysatoren. Aufgrund der hohen Massendurchsätze werden die Regenerationsintervalle der Partikelfilter verkürzt und ihre Lebensdauer reduziert.
DE 3837073 A1 beschreibt eine Abgasanlage für Dieselfahrzeuge mit zwei parallel geschalteten Dieselpartikelfiltern (DPF) und jeweils einem individuell vorgeschalteten Brenner zum Aufheizen der DPF zum Zwecke ihrer Regeneration. Durch eine Umschaltklappe wird das Abgas wahlweise in den einen oder in den anderen DPF geleitet, um den jeweils nicht betriebenen DPF regenerieren zu können. Gemäß EP 0283240 A2 werden zwei parallel geschaltete Partikelfilter im Normalbetrieb gleichzeitig vom Abgas beaufschlagt. In zwischengeschalteten Regenerationsintervallen wird zunächst einer der beiden Filter regeneriert und der andere vom Abgas beaufschlagt, wonach das Abgas umgeschaltet wird, um den ersten Filter zu beaufschlagen, während der zweite Filter regeneriert wird. Anschließend wird wieder in den Normalbetrieb umgeschaltet, bei dem beide Partikelfilter zur Abgasreinigung genutzt werden.
CH 663253 A5 beschreibt die Anordnung zwei parallel geschalteter Partikelfilter bei einem aufgeladenen Verbrennungsmotor. Dabei sind die beiden Partikelfilter auf der Hockdruckseite, das heißt stromauf der abgasangetriebenen Antriebseinheit der Einrichtung zur Ladeluftaufladung angeordnet.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Antriebsaggregat für ein, mit einer Niederdruck-Abgasrückführung ausgestattetes Kraftfahrzeug vorzuschlagen, welche die einleitend diskutierten Probleme der Auslegung von Partikelfilter und gegebenenfalls anderen Abgasnachbehandlungskomponenten überwindet. Es soll ferner ein Verfahren zum Betreiben des Aggregats zur Verfügung gestellt werden.
Diese Aufgabe wird durch ein Antriebsaggregat für ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Das erfindungsgemäße Antriebsaggregat für den Fahrzeugantrieb umfasst:

– einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Dieselmotor;
– ein Luftzuführungssystem zur Zuführung von Ladeluft zu dem Verbrennungsmotor, umfassend eine Luftleitung;
– eine Abgasanlage zur Abführung und Nachbehandlung von Abgas des Verbrennungsmotors, umfassend einen Abgaskanal sowie ein im Abgaskanal angeordnetes Abgasnachbehandlungssystem, welches einen ersten Partikelfilter umfasst;
– eine abgasangetriebene Aufladungseinrichtung zur Verdichtung der dem Verbrennungsmotor zuzuführenden Ladeluft, umfassend eine im Abgaskanal angeordnete Antriebseinheit, welche dem Abgas kinetische Energie entzieht; und
– eine Niederdruck-Abgasrückführung mit einer Abgasrückführleitung, welche von dem Abgaskanal stromab der Antriebseinheit der Aufladungseinrichtung abzweigt und in die Luftleitung des Luftzuführungssystems mündet.

Erfindungsgemäß zweigt die Abgasrückführleitung der Niederdruck-Abgasrückführung von dem Abgaskanal stromauf des Partikelfilters ab, wobei ein zweiter Partikelfilter in der Abgasrückführleitung angeordnet ist. Die Abgasrückführleitung weist zudem stromab des ersten Partikelfilters eine Verbindungsstelle mit der Abgasleitung auf, wobei ein erstes steuerbares Schaltmittel an der Verbindungsstelle angeordnet ist, das eingerichtet ist, den durch den zweiten Partikelfilter geführten Abgasteilstrom wahlweise über die Abgasrückführleitung zur Luftleitung zu leiten oder zurück in die Abgasleitung zu führen.
Durch die Anordnung von zwei Partikelfiltern, nämlich einen im Abgaskanal angeordneten Partikelfilter und einen in der Abgasrückführleitung angeordneten Partikelfilter, wird das Partikelfiltergesamtvolumen verteilt, so dass eine flexiblere Bauteilausnutzung durch kleinere Komponenten möglich ist. Zudem kann der erste, in der Abgas(haupt)leitung angeordnete Partikelfilter für einen reduzierten Massenstrom ausgelegt werden, so dass er einen, gegenüber einem einzigen Partikelfilter gemäß Stand der Technik geringeren Bauraum benötigt und längere Regenerationsintervalle erlaubt. Der zweite, in der Niederdruck-Abgasrückführleitung angeordnete Partikelfilter muss lediglich den zurückgeführten Abgasmassenstrom reinigen und kann somit verhältnismäßig klein dimensioniert werden. Durch die Anordnung des zweiten Partikelfilters in der Abgasrückführleitung wird zudem gewährleistet, dass der in der Luftleitung angeordnete Verdichter nicht mit Rußpartikeln beaufschlagt wird. Hingegen kann auf einer Anordnung eines Abgaskatalysators in der ND-AGR-Leitung verzichtet werden, da das Abgas ohnehin dem motorischen Verbrennungsprozess erneut zugeführt wird.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist an der Abzweigungsstelle der Abgasrückführleitung von dem Abgaskanal ein zweites steuerbares Schaltmittel zur variablen Einstellung der Abgasrückführrate angeordnet. Das Schaltmittel ermöglicht eine, beispielsweise in Abhängigkeit eines aktuellen Betriebspunkts des Verbrennungsmotors vorbestimmte Abgasrückführrate einzustellen. Vorzugsweise ist das Schaltmittel als Kombinationsventil ausgebildet, welches ein Abgasrückführventil und eine Abgasklappe umfasst.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind der erste und der zweite Partikelfilter in einem gemeinsamen Doppelgehäuse angeordnet, welches eine parallele Abgasführung aufweist. Vorteil eines solchen gemeinsamen Gehäuses ist insbesondere ein verminderter Wärmeverlust in Regenerationsphasen der Partikelfilter, in welchen hohe Filtertemperaturen erforderlich sind.
Vorzugsweise umfasst die Abgasanlage ferner einen in der Abgasleitung, insbesondere stromauf des ersten Partikelfilters und stromab der Abzweigungsstelle der Abgasrückführleitung, angeordneten Oxidationskatalysator. Dieser dient der katalytischen Oxidation von unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) sowie Kohlenmonoxid (CO). Im Falle eines Dieselmotors handelt es sich bei dem Oxidationskatalysator vorzugsweise um einen Dieseloxidationskatalysator (DOC).
In diesem Zusammenhang sind nach einer speziellen Ausführung der Erfindung sowohl der erste und zweite Partikelfilter als auch der Oxidationskatalysator in einem gemeinsamen Doppelgehäuse mit paralleler Abgasführung angeordnet. In diesem Fall kann die exotherme Wärmefreisetzung des Katalysators für die Erwärmung des nachgeschalteten beziehungsweise parallel angeordneten Partikelfilters besonders effizient genutzt werden. Hierdurch reduziert sich der Energieaufwand zur Auslösung von Filterregenerationen.
Die Filterkapazität des zweiten, in der Niederdruck-Abgasrückführleitung angeordneten Partikelfilters ist unter Berücksichtigung eines akzeptablen Regenerationsintervalls vorzugsweise so bemessen, dass sie für maximal zulässige Abgasrückführraten ausreicht.
In bevorzugter Ausführung der Erfindung weist die Niederdruck-Abgasrückführleitung einen Abgaskühler auf, der vorzugsweise stromab des zweiten Partikelfilters und weiter bevorzugt stromab der Verbindungsstelle zwischen Abgasrückführleitung und Hauptabgaskanal liegt. Obwohl die Abgastemperatur auf der Niederdruckseite des Abgasturboladers vergleichsweise niedrig ist, kann durch die Niederdruck-Abgaskühlung eine weitere Verbesserung des Ladedrucks sowie eine weitere Absenkung der Ladelufttemperatur und damit der NO_X-Emissionen erzielt werden. Zudem wird auf diese Weise der in der Luftleitung angeordnete Verdichter der Aufladungseinrichtung vor hohen (Eintritts-)Temperaturen geschützt.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Antriebsaggregat ferner eine Hochdruck-Abgasrückführung (HD-AGR) mit einer zweiten Abgasrückführleitung, welche von dem Abgaskanal stromauf der Antriebseinheit der Aufladungseinrichtung abzweigt (also auf ihrer Hockdruckseite) und in die Luftleitung des Luftzuführungssystems stromauf der Verdichtung der Ladeluft (also auf der Hockdruckseite) mündet. Durch Kombination der ND-AGR und HD-AGR können die vorteilhaften Effekte der Abgasrückführung noch weiter verstärkt werden. Insbesondere ist somit eine weitere Absenkung der NO_X-Emissionen möglich. Zudem erlaubt die Kombination von HD-AGR und ND-AGR beide Systeme betriebspunktabhängig so einzusetzen, dass ihre jeweiligen Vorzüge optimal genutzt werden. Beispielsweise ist die HD-AGR nach einem Motorstart schneller betriebsbereit als die ND-AGR, so dass sie zu einem früheren Zeitpunkt nach Motorstart bereits eine Abgasrückführung ermöglicht.
Die Aufladungseinrichtung zur Verdichtung der dem Motor zuzuführenden Ladeluft ist vorzugsweise ein Abgasturbolader (ATL), der als Antriebseinheit eine im Abgaskanal angeordnete Abgasturbine umfasst sowie einen, in der Luftleitung des Luftzuführungssystems angeordneten Verdichter, welcher über eine Welle von der Abgasturbine angetrieben wird. In alternativer Ausgestaltung handelt es sich bei der Aufladungseinrichtung um einen Comprexlader (auch Druckwellenlader genannt), wobei die im Abgaskanal angeordnete Antriebseinheit ein Zellenrad ist. Dieses weist eine Mehrzahl durchströmter Zellen auf, die abwechselnd vom Abgas und von der Ansaugluft durchströmt werden. Dabei komprimiert das einströmende Abgas die in den Zellen vorhandene Ladeluft. Das Prinzip sowohl des Abgasturboladers als auch des Comprexladers sind bekannt und bedürfen keiner näheren Erläuterung.
Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug, das ein Antriebsaggregat gemäß der Erfindung aufweist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Antriebsaggregats, wobei:

– in einem Normalbetrieb das erste Schaltmittel so gesteuert wird, dass die Verbindungsstelle zwischen der Abgasrückführleitung der Niederdruck-Abgasrückführung und der Abgasleitung geschlossen ist, und eine vorbestimmte Abgasrückführrate in der Abgasrückführleitung eingestellt wird; und
– in einem Regenerationsbetrieb das erste Schaltmittel so geschaltet wird, dass die Niederdruck-Abgasrückführung unterbrochen und der über den zweiten Partikelfilter strömende Abgasteilstrom zurück in den Abgaskanal geleitet wird.

Im Normalbetrieb wird somit die Niederdruck-Abgasrückführung entsprechend einer gewünschten Abgasrückführrate betrieben, während der zweite Partikelfilter den rückgeführten Abgasteilstrom reinigt. Sobald einer der beiden Partikelfilter seine Beladungskapazität erreicht hat, wird die Niederdruck-Abgasrückführung unterbrochen und das durch den zweiten Partikelfilter geleitete Abgas zurück in die Hauptabgasleitung geleitet. Zur Regeneration der beiden Partikelfilter werden diese aufgeheizt, beispielsweise durch eine vorgeschaltete Brennereinrichtung oder durch eine elektrische Beheizung, so dass der Abbrand der gespeicherten Partikel ausgelöst wird. Die Partikelfilter werden somit gleichzeitig (parallel) in ihrer Filterfunktion betrieben und auch gleichzeitig (parallel) regeneriert.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 ein Antriebsaggregat gemäß Stand der Technik;
2 ein Antriebsaggregat gemäß der vorliegenden Erfindung gemäß einer ersten Ausgestaltung;
3 einen Ausschnitt eines Antriebsaggregats nach 2;
4 einen Ausschnitt eines Antriebsaggregats gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung;
5 einen Ausschnitt eines Antriebsaggregats gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung; und
6 Querschnittsansichten nach Schnitt A-A in 4 oder 5.
1 zeigt ein insgesamt mit 10' bezeichnetes Antriebsaggregat eines nicht weiter dargestellten Kraftfahrzeugs. Das Antriebsaggregat 10' weist als Verbrennungsmotor 12 insbesondere einen Dieselmotor auf, der einerseits über ein Luftzuführungssystem 14 mit Verbrennungsluft versorgt wird und andererseits mit einer Abgasanlage 16 zur Abführung und Nachbehandlung des Abgases des Verbrennungsmotors 12 verbunden ist.
Das Luftzuführungssystem 14 umfasst einen Ansaugstutzen 18, der Luft aus der Umgebung ansaugt und diese einem Luftfilter 20 zur Entfernung partikulärer Bestandteile der Umgebungsluft zuführt. Die in dem Luftfilter 20 gereinigte Ansaugluft wird (nach ihrer Verdichtung, s. u.) über eine Luftleitung 22 zu einem Ansaugkrümmer 24 geleitet, welcher die Ladeluft den Zylindern des Motors 12 zuführt.
Die Abgasanlage 16 umfasst einen Abgaskrümmer 26, welcher die Abgasströme der Zylinder des Motors 12 sammelt und einem gemeinsamen Abgaskanal 28 zuführt. Die Abgasanlage 16 umfasst ferner einen Katalysator 30 der im Falle eines Dieselmotors 12 insbesondere als Dieseloxidationskatalysator (DOC) ausgebildet ist. Der DOC oxidiert unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HO) sowie Kohlenmonoxid (CO) zu Kohlenstoffdioxid (CO₂). Stromab des DOC ist ferner ein Partikelfilter 32 im Abgaskanal 28 angeordnet, welcher partikuläre Bestandteile des Abgases, insbesondere Ruß, zurückhält.
Das Antriebsaggregat 10' umfasst zudem eine abgasangetriebene Aufladungseinrichtung 34 zur Verdichtung der dem Dieselmotor 12 zuzuführenden Ladeluft. Im dargestellten Beispiel handelt es sich bei der Aufladungseinrichtung 34 um einen Abgasturbolader (ATL), der eine im Abgaskanal 28 angeordnete Antriebseinheit 36, nämlich eine Abgasturbine umfasst, welche dem Abgas kinetische Energie entzieht, um einen in der Luftleitung 22 angeordneten Verdichter 38 des Abgasturboladers 34 anzutreiben, welche die angesaugte Luft verdichtet. Aufgrund des Entzugs kinetischer Energie weist das Abgas stromauf der Abgasturbine einen höheren Druck auf als stromab der Turbine. Um die durch die Verdichtung hervorgerufene Erwärmung der Ladeluft zu reduzieren, ist in der Luftleitung 22 ferner ein Ladeluftkühler 40 angeordnet, der beispielsweise mit Luft oder Wasser als Kühlmittel betrieben wird.
Das Antriebsaggregat 10' weist ferner eine Niederdruck-Abgasrückführung (ND-AGR) 42 auf. Diese umfasst eine Abgasrückführleitung 44, welche stromab der Abgasturbine 36 (also auf ihrer Niederdruckseite) und stromab des Partikelfilters 32 von dem Abgaskanal 28 abzweigt. Auf der anderen Seite mündet die Abgasrückführleitung 44 in die Luftleitung 22 stromauf des Verdichters 38, das heißt auf seiner Niederdruckseite. Um eine gewünschte Abgasrückführrate darzustellen, ist an der Abzweigungsstelle der Abgasrückführleitung 44 von dem Abgaskanal 28 ein steuerbares Schaltmittel 46 vorgesehen, bei dem es sich um ein AGR-Ventil handelt. Die Abgasrückführrate wird insbesondere betriebspunktabhängig gesteuert oder geregelt. Die Niederdruck-Abgasrückführung 42 weist ferner einen AGR-Kühler 48 auf, der das rückgeführte Abgas vor seiner Einleitung in den Ladeluftstrom kühlt.
2 zeigt ein insgesamt mit 10 bezeichnetes Antriebsaggregat gemäß der vorliegenden Erfindung. Dabei sind übereinstimmende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet und weisen, sofern nicht anders erläutert, die gleichen Eigenschaften und Funktionen auf.
Im Unterschied zur 1 zweigt die Abgasrückführleitung 44 der erfindungsgemäßen Niederdruck-Abgasrückführung 42 nicht stromab des (ersten) Partikelfilters 32 vom Abgaskanal 28 ab, sondern stromauf des Partikelfilters 32. Ferner weist die ND-AGR 42 einen zweiten Partikelfilter 50 auf. Dieser ist verhältnismäßig klein dimensioniert, da er lediglich das rückgeführte Abgas reinigen muss. Stromab des zweiten Partikelfilters 50 ist die Abgasrückführleitung 44 mit dem Abgaskanal 28 über eine Verbindungsstelle verbunden. An dieser ist ein (erstes) steuerbares Schaltmittel 52 angeordnet, dass vorzugsweise als einfaches Schaltventil ausgebildet ist und zwei Stellungen zulässt. Durch das Schaltmittel 52 wird der Abgasteilstrom wahlweise durch die weitere Abgasrückführleitung 44 in die Luftleitung 22 geführt oder zurück in den Abgaskanal 28. Details zur Funktionsweise der erfindungsgemäßen Niederdruck-Abgasrückführung werden anhand der nachfolgenden Figuren noch naher erläutert. Das an der Abzweigungsstelle der AGR-Leitung 44 von dem Abgaskanal 28 angeordnete (zweite) Schaltmittel ist im Rahmen der Vorliegenden Erfindung bevorzugt als ein Kombiventil ausgebildet, das eine Kombination eines AGR-Ventils und einer Abgasklappe umfasst.
Gemäß 2 weist das erfindungsgemäße Antriebsaggregat 10 ferner eine Hochdruck-Abgasrückführung (HD-AGR) 54 auf. Diese umfasst eine Abgasrückführleitung 56, welche einen Abgasteilstrom stromauf der Abgasturbine 36, also auf ihrer Hockdruckseite, abzweigt und in die Luftleitung 22 auf der Hockdruckseite des luftseitigen Verdichters 38 mündet. Durch ein weiteres Schaltmittel 58, insbesondere ein AGR-Ventil, ist die Abgasrückführrate der HD-AGR 54 steuerbar. Optional kann in der HD-AGR-Leitung 56 ein Kühler 60 angeordnet sein.
3 zeigt einen Ausschnitt des Antriebsaggregats aus 2, in dem insbesondere Details der erfindungsgemäßen Niederdruck-Abgasrückführung 42 ersichtlich werden. So ist erkennbar, dass das in der Zeichnung von rechts durch den Abgaskanal 28 strömende Abgas auf eine Abzweigungsstelle der Abgasrückführleitung 44 trifft, wo das zweite Schaltmittel 46 angeordnet ist, um einen Anteil des abgezweigten Abgases zu steuern. Das Schaltmittel 46 ist als eine schwenkbare Abgasklappe ausgebildet, welche stufenlos oder in diskreten Schritten verstellbar ist, um eine gewünschte Abgasrückführrate in der Abgasrückführleitung 44 einzustellen. Stromab des in der Abgasrückführleitung 44 angeordneten zweiten Partikelfilters 50 gelangt der Abgasteilstrom an eine Verbindungsstelle mit dem Haupt-Abgaskanal 28, an der das erste Schaltmittel, nämlich das Umschaltventil 52 angeordnet ist, welches den Abgasteilstrom mit der weiteren Niederdruck-Abgasrückführleitung 44 verbindet (Normalbetrieb) oder mit dem Abgaskanal 28 (Regenerationsbetrieb), wie im Detailausschnitt A gezeigt.
In der Ausführung gemäß 3 sind der Oxidationskatalysator 30 sowie der erste Partikelfilter 32 in einem gemeinsamen Katalysatorgehäuse angeordnet, welches über Anschlüsse 62, insbesondere Flanschverbindungen, mit dem Abgaskanal 28 verbunden ist. Alternativ können der Oxidationskatalysator 30 und der Partikelfilter 32 auch in jeweils einem eigenen Gehäuse angeordnet sein. Der zweite Partikelfilter 50 weist ein eigenes Gehäuse auf, das ebenfalls über Anschlüsse 62 an die Abgasrückführleitung 44 angeschlossen ist. Stromauf und stromab jedes Partikelfilters 32, 50 ist jeweils ein Drucksensor 64 angeordnet, wodurch der Differenzdruck vor und hinter den Partikelfiltern erfasst werden kann, um einen Beladungszustand der Partikelfilter 32, 50 festzustellen. In alternativer Ausführung kann auch lediglich jeweils ein Drucksensor 64 stromauf der beiden Partikelfilter 32, 50 vorgesehen sein.
Die Partikelfilter 32, 50 sind vorzugsweise als so genannte Wandstromfilter ausgestaltet, bei denen eine Vielzahl paralleler Strömungskanäle wechselweise eingangs- oder ausgangsseitig verschlossen sind. Der Abgasstrom ist somit gezwungen, die keramischen Trennwände der Strömungskanäle zu durchdringen, wobei partikuläre Bestandteile in den Wänden zurückgehalten werden.
Das erfindungsgemäße Antriebsaggregat zeigt folgende Funktionsweise.
Im Normalbetrieb wird das Umschaltventil 52 auf die in 3 gezeigte Stellung geschaltet, so dass der, den Partikelfilter 50 passierende Abgasteilstrom durch die weitere Abgasrückführleitung 44 in die Luftleitung 22 gespeist wird. Durch den zweiten Partikelfilter 50 wird das rückgeführte Abgas von Rußpartikeln befreit, so dass keine partikulären Bestandteile den Verdichter 38 beaufschlagen. Dabei wird eine Abgasrückführrate anhängig von dem aktuellen Betriebspunkt des Dieselmotors 12, insbesondere von einer aktuellen Motordrehzahl und Motorlast, vorbestimmt und durch entsprechende Ansteuerung des Kombiventils 46 eingestellt.
Während des Normalbetriebs wird eine Filterbeladung des ersten Partikelfilters 32 sowie des zweiten Partikelfilters 50 kontinuierlich ermittelt. Hierzu dienen die mit den Drucksensoren 64 erfassten Differenzdrücke. Mit zunehmender Filterbeladung wächst der durch den Filter verursachte Abgasgegendruck, wodurch der Differenzdruck zunimmt. Sobald einer der beiden Differenzdrücke, des ersten oder des zweiten Partikelfilters 32, 50 eine vorbestimmte Schwelle überschreitet, wird eine Regenerationsnotwendigkeit festgestellt. Liegt eine Regenerationsnotwendigkeit zumindest einer der beiden Partikelfilter 32, 50 vor, so wird das Umschaltventil 52 in die in dem Detailausschnitt A der 3 gezeigte Stellung geschaltet, so dass das über den zweiten Partikelfilter 50 geführte Abgas zurück in den Hauptabgaskanal 28 gelenkt wird. Gleichzeitig oder mit einem gewissen Vorlauf erfolgt eine Aufheizung der Partikelfilter 32, 50, wofür beispielsweise ein vorgeschalteter Brenner, der mit Kraftstoff und Luft betrieben wird, genutzt wird (nicht dargestellt). Es wird somit die parallele Regeneration beider Partikelfilter 32, 50 zeitgleich ausgelöst. Durch die Unterbrechung der Niederdruck-Abgasrückführung 42 während der Regeneration wird verhindert, dass die aus dem zweiten Partikelfilter 50 austretenden heißen Abgase in den Motor 12 gelangen. Nach Beendigung der Regeneration beider Partikelfilter 32, 50 wird das Umschaltventil 52 wieder in seine Normalstellung geschaltet, so dass die Niederdruck-Abgasrückführung 42 wieder in die Luftleitung 22 erfolgt.
4 zeigt einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Antriebsaggregats nach einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Anders als in 3, nach welcher die Partikelfilter 32, 50 in individuellen Gehäusen angeordnet sind, sind nach 4 sämtliche Nachbehandlungskomponenten umfassend den Oxidationskatalysator 30, den ersten Partikelfilter 32 sowie den zweiten Partikelfilter 50 in einem gemeinsamen Doppelgehäuse angeordnet, welches eine interne parallele Abgasführung aufweist. Das Doppelgehäuse ist wiederum über Anschlüsse 62, insbesondere Flanschanschlüsse, mit dem Abgaskanal 28 verbunden. Auf die Darstellung der Drucksensoren wurde hier verzichtet.
Eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Antriebsaggregats zeigt 5 in einem Detailausschnitt. Wie bereits in 4, sind auch in dieser Ausführungsvariante der Oxidationskatalysator 30, der erste Partikelfilter 32 sowie der zweite Partikelfilter 50 in einem gemeinsamen Doppelgehäuse angeordnet. Zusätzlich sind gemäß 5 jedoch auch die Schaltmittel 46, 52 in dem Gehäuse integriert.
Das Doppelgehäuse nach 4 oder 5 kann unterschiedliche Gestaltungen aufweisen. 6 zeigt verschiedene Querschnittsformen gemäß der Schnittansicht AA nach 4 oder 5. Beispielsweise kann das Gehäuse eine kreisrunde Querschnittsgestalt gemäß 6A aufweisen, so dass der erste Partikelfilter 32 und der zweite Partikelfilter 50 jeweils eine halbkreisförmige Querschnittsgestalt haben. Gemäß 6B weist das Gehäuse eine leicht abgeflachte, ovale Gestalt und nach 6C eine noch stärker abgeflachte, ovale Querschnittsgestalt auf. Möglich ist auch eine im Wesentlichen quadrat- oder rechteckförmige Querschnittsgestalt, wie in 6D gezeigt.
Die in den 2 und 3 gezeigten Ausgestaltungen der Abgasnachbehandlungskomponenten in Einzelgehäusen hat den Vorteil einer sehr flexiblen Anordnung, da die einzelnen Komponenten vergleichsweise kleinvolumig sind und örtlich getrennt von einander im vorhandenen Bauraum des Fahrzeugs untergebracht werden können. Die in den 4 und 5 dargestellten Ausführungen, in denen die Nachbehandlungskomponenten in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind, haben einen energetischen Vorteil, da Wärmeverluste bei der Regeneration der Partikelfilter 32, 50 vermindert werden. Die zusätzliche Integration der Schaltmittel 46, 52 gemäß 5 benötigt den geringsten Bauraum.
Bezugszeichenliste

10': Antriebsaggregat gemäß Stand der Technik
10: Antriebsaggregat gemäß Erfindung
12: Verbrennungsmotor/Dieselmotor
14: Luftzuführungssystem
16: Abgasanlage
18: Ansaugstutzen
20: Luftfilter
22: Luftleitung
24: Ansagkrümmer
26: Abgaskrümmer
28: Abgaskanal
30: Katalysator/Dieseloxidationskatalysator
32: erster Partikelfilter
34: Aufladungseinrichtung/Abgasturbolader
36: Antriebseinheit/Abgasturbine
38: Verdichter
40: Ladeluftkühler
42: Niederdruck-Abgasrückführung (ND-AGR)
44: Abgasrückführleitung
46: zweites Schaltmittel
48: Kühler
50: zweiter Partikelfilter
52: erstes Schaltmittel/Umschaltventil
54: Hochdruck-Abgasrückführung (HD-AGR)
56: Abgasrückführleitung
58: AGR-Ventil
60: Kühler
62: Anschluss
64: Drucksensor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3837073 A1 [0005]
EP 0283240 A2 [0005]
CH 663253 A5 [0006]

Claims

Antriebsaggregat (10) für ein Kraftfahrzeug, umfassend – einen Verbrennungsmotor (12), insbesondere einen Dieselmotor; – ein Luftzuführungssystem (14) zur Zuführung von Ladeluft zu dem Verbrennungsmotor (12), umfassend eine Luftleitung (22), – eine Abgasanlage (16) zur Abführung und Nachbehandlung von Abgas des Verbrennungsmotors (12), umfassend einen Abgaskanal (28) sowie ein im Abgaskanal (28) angeordnetes Abgasnachbehandlungssystem, welches einen ersten Partikelfilter (32) umfasst, – eine abgasangetriebene Aufladungseinrichtung (34) zur Verdichtung der dem Verbrennungsmotor (12) zuzuführenden Ladeluft, umfassend eine im Abgaskanal (28) angeordnete Antriebseinheit (36), welche dem Abgas kinetische Energie entzieht, und – eine Niederdruck-Abgasrückführung (42) mit einer Abgasrückführleitung (44), welche von dem Abgaskanal (28) stromab der Antriebseinheit (36) der Aufladungseinrichtung 34) abzweigt und in die Luftleitung (22) des Luftzuführungssystems (14) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführleitung (44) der Niederdruck-Abgasrückführung (42) von dem Abgaskanal (28) stromauf des ersten Partikelfilters (32) abzweigt und ein zweiter Partikelfilter (50) in der Abgasrückführleitung (44) angeordnet ist, wobei die Abgasrückführleitung (44) stromab des ersten Partikelfilters (32) eine Verbindungsstelle mit der Abgasleitung (28) aufweist und ein erstes steuerbares Schaltmittel (52) an der Verbindungsstelle angeordnet und eingerichtet ist, den durch den zweiten Partikelfilter (50) geführten Abgasteilstrom wahlweise über die Abgasrückführleitung (44) zur Luftleitung (22) oder in die Abgasleitung (28) zu leiten.
Antriebsaggregat (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Abzweigungsstelle der Abgasrückführleitung (44) von dem Abgaskanal (28) ein zweites steuerbares Schaltmittel (46) zur variablen Einstellung der Abgasrückführrate angeordnet ist, insbesondere ein Kombinationsventil umfassend ein Abgasrückführventil und eine Abgasklappe.
Antriebsaggregat (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Partikelfilter (32, 50) in einem gemeinsamen Doppelgehäuse mit paralleler Abgasführung angeordnet sind.
Antriebsaggregat (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasanlage (16) ferner einen in der Abgasleitung (28), insbesondere stromauf des ersten Partikelfilters (32) und stromab der Abzweigungsstelle der Abgasrückführleitung (44), angeordneten Oxidationskatalysator (30) aufweist.
Antriebsaggregat (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Partikelfilter (32, 50) und der Oxidationskatalysator (30) in einem gemeinsamen Doppelgehäuse mit paralleler Abgasführung angeordnet sind.
Antriebsaggregat (10) nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder zweite steuerbare Schaltmittel (52, 46) in dem gemeinsamen Gehäuse integriert ist/sind.
Antriebsaggregat (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführleitung (44) der Niederdruck-Abgasrückführung (42) einen Abgaskühler (48) aufweist, der insbesondere stromab des zweiten Partikelfilters (50) angeordnet ist.
Antriebsaggregat (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsaggregat (10) ferner eine Hochdruck-Abgasrückführung (54) mit einer zweiten Abgasrückführleitung (56) umfasst, welche vom dem Abgaskanal (28) stromauf der Antriebseinheit (36) der Aufladungseinrichtung (34) abzweigt und in die Luftleitung (22) des Luftzuführungssystems (14) stromab der Verdichtung der Ladeluft mündet.
Antriebsaggregat (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufladungseinrichtung (34) zur Ladeluftverdichtung ein Abgasturbolader und die im Abgaskanal (28) angeordnete Antriebseinheit (36) eine Abgasturbine ist.
Antriebsaggregat (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufladungseinrichtung (34) zur Ladeluftverdichtung ein Comprexlader und die im Abgaskanal (28) angeordnete Antriebseinheit (36) ein Zellenrad ist.
Verfahren zum Betreiben eines Antriebsaggregat (10) für ein Kraftfährzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei – in einem Normalbetrieb das erste Schaltmittel (52) so gesteuert wird, dass die Verbindungsstelle zwischen der Abgasrückführleitung (44) der Niederdruck-Abgasrückführung und der Abgasleitung (29) geschlossen ist, wobei eine vorbestimmte Abgasrückführrate in der Abgasrückführleitung (44) eingestellt wird, und – in einem Regenerationsbetrieb das erste Schaltmittel (52) so geschaltet wird, dass die Niederdruck-Abgasrückführung unterbrochen und der über den zweiten Partikelfilter (50) strömende Abgasteilstrom zurück in den Abgaskanal (28) geleitet wird.