Brennkraftmaschine mit einer Versorgungseinrichtung für ein Verbrennungsmedium

Abstract

 Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine mit einer Versorgungseinrichtung für ein Verbrennungsmedium, das der wenigstens einen Brennkammer der Brennkraftmaschine als Kraftstoff und Luft zugeführt wird und aus der Brennkammer in eine mit der Brennkammer verbundene Abgasleitung ausgestoßen wird, wobei in der Abgasleitung in der Strömungsrichtung hintereinanderliegend zunächst ein Oxidationskatalysator und dann ein Partikelfilter zum Filtern von Partikeln im Abgas angeordnet sind, wobei eine Zuführungsvorrichtung für ein die Zündtemperatur der Partikel senkendes Additiv vorgesehen ist, die das Additiv dem Verbrennungsmedium zuführt, bevor das Verbrennungsmedium zum Partikelfilter gelangt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine mit einer Versorgungseinrichtung für ein Verbrennungsmedium.

[0002] Die Abgase einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Diesel-Brennkraftmaschine, enthalten neben anderen Schadstoffen auch hauptsächlich Kohlenstoff enthaltende Partikel, nämlich Rußpartikel, die vermehrt bei unvollständiger Verbrennung entstehen. Um zu vermeiden, daß die Partikel mit dem Abgas aus der Abgasleitung ausströmen, werden sie mittels eines in der Abgasleitung angeordneten Partikelfilters aus dem strömenden Abgas gefiltert und am Partikelfilter gesammelt. Dies ist problematisch, da die gesammelten Partikelfilter die Abgasströmung beeinträchtigen und einen Gegendruck aufbauen, der die Funktion der Abgasleitung und auch der Brennkraftmaschine erheblich stören und im Extremfall außer Funktion setzen kann.

[0003] Es ist deshalb erforderlich, die Partikel im Partikelfilter zu beseitigen, was beim Stand der Technik durch eine spontane oder kontinuierliche Regeneration des Partikelfilters erfolgt. Hierbei werden die Partikel abgebrannt und umgesetzt.

[0004] Bei einer spontanen Regeneration, die insbesondere bei einer Temperatursteigerung selbsttätig oder mittels einer Heiz- oder Zündvorrichtung gezielt herbeigeführt werden kann, können sehr hohe Spitzentemperaturen erreicht werden, die den Partikelfilter überhitzen und dauerhaft beschädigen bzw. zerstören können.

[0005] Um dies zu vermeiden ist bereits ein sogenanntes CRT-System entwickelt worden, bei dem dem Partikelfilter ein Oxidationskatalysator, der eine Stickoxydkomponente erzeugt, vorgeschaltet ist, wobei die Partikel mit N0₂ kontinuierlich umgesetzt werden. Hierdurch läßt sich die Ansammlung von Partikeln und damit auch eine spontane Regeneration vermeiden.

[0006] Es ist außerdem bereits vorgeschlagen worden, die Zündtemperatur der Partikel durch die Zugabe eines Additivs zu vermindern, das z.B. in den Brennraum eingegeben werden kann. Bei der Verwendung eines Additivs setzt aufgrund der Verminderung der Zündtemperatur der Partikel deren Spontanregeneration bereits bei niedrigeren Temperaturen ein. Sowohl das CRT-System als auch die Additivierung arbeiten unter ungünstigen Betriebsbedingungen unbefriedigend. Unbefriedigende Betriebsbedingungen sind im Betrieb eines Verbrennungsmotors, der insbesondere als Fahrzeugantrieb eingesetzt wird, nicht zu vermeiden und bei heutigen schwierigen Verkehrsbedingungen, insbesondere im Stadtverkehr, die Regel. Deshalb besteht auch beim bekannten CRT-System und auch bei der bekannten Additivierung die Gefahr, daß der Partikelfilter sich zusetzt, und/oder die Gefahr, daß ein spontaner unkontrollierter Abbrand entsteht, der den Partikelfilter überhitzt und schädigt.

[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Brennkraftmaschine der vorliegenden Art die Funktion der kontinuierlichen Regeneration zu stabilisieren.

[0008] Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

[0009] Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine findet aufgrund des Vohandenseins des NO₂ und des Additivs ein kontinuierliches Abbrennen der Partikel und somit eine kontinuierliche Regeneration des Partikelfilters statt und zwar in einem Verbrennungstemperaturbereich, der um die Wirksamkeit des Additivs niedriger ist als der Temperaturbereich, bei dem die Partikel beim Fehlen des Additivs verbrennen. Die Partikelmasse, die sich jeweils ansammelt, reicht beim Abbrennen nicht aus, um so hohe Temperaturen zu erzeugen, daß der Partikelfilter überhitzt und beschädigt werden könnte. Es wird somit der Funktionsbereich zu niedrigeren Temperaturen hin verlagert und somit von einem kritischen Temperaturbereich weiter entfernt. Dies ergibt eine größere Störungsunanfälligkeit und Funktionsstabilität, weil auch bei ungünstigeren Funktionsbedingungen der Brennkraftmaschine, wie es insbesondere bei wechselnden Drehzahlen und Belastungszuständen der Fall ist, ein Abbrand der Partikel in einem Temperaturbereich stattfindet, der vom kritischen Temperaturbereich weiter entfernt ist und somit störungsunanfälliger und stabiler bzw. belastbarer ist.

[0010] Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Verminderung schädlicher Bestandteile im Abgas einer Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 9 bis 12, das zu vergleichbaren Vorteilen führt.

[0011] Im Rahmen der Erfindung kann das Additiv aus einem oder mehreren Wirkstoffen bestehen, und es kann dem Verbrennungsmedium in dem dem Partikelfilter vorgeordneten Bereich zugegeben werden. Es findet eine gute Vermischung und gleichmäßige Verteilung des Additivs im Verbrennungsmedium statt, wenn das Additiv dem Kraftstoff, insbesondere in Zuführungsleitung, oder direkt in die Brennkammer der Brennkraftmaschine eingeführt wird.

[0012] Dabei wird die Funktion weiter verbessert und stabilisiert, wenn die Zuführungsmenge des Additivs in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine geregelt wird, wie z.B. von der Größe der abgegebenen Leistung und/oder von der Betriebstemperatur.

[0013] Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer vereinfachten Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

[0014] Die Zeichnung zeigt eine allgemein mit 1 bezeichnete Abgasanlage, die sich in Form einer Abgasleitung 2 von einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Diesel-Brennkraftmaschine 3, in Form eines Otto-Motors mit mehreren, z. B. vier Zylindern 4, erstreckt, die als Brennkammern 4a dargestellt sind, zu denen sich jeweils eine Zuführungsleitung 5a, 5b, 5c, 5d für Verbrennungsluft erstreckt, die sich von einer gemeinsamen Zuführungsleitung 5 verzweigen, in der ein nicht dargestellter Luftfilter angeordnet ist. Von den Brennkammern 4a erstreckt sich jeweils ein Abführungsleitungszweig 2a, 2b, 2c, 2d, die in die gemeinsame Abgasleitung 2 münden und Teile der Abgasleitung 2 sind.

[0015] Der Brennkraftmaschine 3 ist eine Versorgungseinrichtung 7 für ein Verbrennungsmedium zugeordnet, das aus einem Kraftstoff/-Luft-Gemisch besteht und die Brennkraftmaschine 3 als Abgas verläßt. Im einzelnen ist ein Kraftstofftank 8 vorgesehen, der durch eine Kraftstoff-Zuführungsleitung 9 und eine Kraftstoff-Rückführungsleitung 11 mit den nicht dargestellten Einspritzventilen der Zylinder 4 verbunden ist. Der Versorgungseinrichtung 7 ist eine nicht dargestellte Pumpe zugeordnet, die einen für die Einspritzung erforderlichen Einspritzdruck im Kraftstoff erzeugt und auch die Förderung des Kraftstoffs aus dem Kraftstofftank 8 zu den Einspritzventilen und die Rückführung des Kraftstoffs in der Rückführungsleitung 11 zum Tank bewirken kann.

[0016] Der Versorgungseinrichtung 7 ist eine Zuführungsvorrichtung 12 für ein Mittel oder Additiv zugeordnet, das weiter unten noch beschrieben wird und dem Verbrennungsmedium im Bereich der Versorgungseinrichtung 7 durch eine geeignete Dosiervorrichtung zugeführt wird, wobei das Additiv in den Kraftstofftank 8 oder in die Brennkammern 4a der Zylinder 4 oder auf den Wegen dazwischen zugeführt werden kann. Bei der vorliegenden Ausgestaltung weist die Zuführungsvorrichtung 12 einen Vorratsbehälter 13 für das Additiv auf, der durch eine Verbindungsleitung 14 mit der Zuführungsleitung 9 verbunden ist, wobei die Dosiervorrichtung in der Verbindungsleitung 14 vorgesehen ist, z.B. in Form einer Dosierpumpe 15. Die Menge des Additivs, die die Dosiervorrichtung im Funktionsbetrieb einstellt, kann konstant oder in Abhängigkeit von bestimmten Betriebsparametern der Brennkraftmaschine 3 und/oder deren Umgebung variabel sein, insbesondere in Abhängigkeit von der jeweiligen Leistungsgröße der Brennkraftmaschine 3 geregelt sein. Entsprechend ist die Dosiervorrichtung jeweils ausgebildet, und sie kann durch eine nicht dargestellte Steuerleitung mit der vorhandenen elektronischen Steuer- oder Regelvorrichtung verbunden und von dieser entsprechend ansteuerbar sein.

[0017] Im Funktionsbetrieb strömt das von der Brennkraftmaschine 3 ausgestoßene Abgas in Strömungsrichtung 16 durch die Abgasleitung 2. In der Abgasleitung 2 sind ein Oxidationskatalysator 17 und ein Partikelfilter 18 so hintereinander angeordnet, daß das Abgas zunächst zum Oxidationskatalysator 17 gelangt, diesen durchströmt und dann zum Partikelfilter 18 gelangt und diesen durchströmt. Der Oxidationskatalysator 17 und der Partikelfilter 18 sind jeweils in einem Gehäuse 17a, 18a angeordnet, dessen Querschnittsgröße ein mehrfaches der Querschnittsgröße von vor dem Gehäuse 17a, zwischen den Gehäusen 17a, 18a und vorzugsweise auch nach dem Gehäuse 18a insbesondere koaxial angeordneten Abgasleitungsabschnitten 2e, 2f, 2g beträgt.

[0018] Der Partikelfilter 18 filtert Partikel aus dem Abgas und sammelt diese an dem eigentlichen Filterkörper in üblicher Weise, wobei das Abgas den Filterkörper durchströmt. Der Oxidationskatalysator 17 arbeitet mit Sauerstoffüberschuß, der durch ein entsprechend mager eingestelltes Kraftstoff/Verbrennungsluft-Verhältnis oder durch eine sog. Sekundärluft-Zuführung im Bereich bis zum Oxidationskatalysator 17 bereitgestellt werden kann.

[0019] Im Funktionsbetrieb der Brennkraftmaschine 3 bzw. der Abgasanlage 1 durchströmt das Abgas durch den Oxidationskatalysator 17, wobei der Sauerstoffüberschuß zur Oxidation von C0 und HC dient und eine Stickoxydkomponente wie NO₂ den Oxidationskatalysator 17 im Abgas verläßt. Der Partikelfilter 18 bildet mit dem ihm vorgeschalteten Oxidationskatalysator 17 ein sogenanntes CRT-System (continuous regenerating trap), das dazu beiträgt, in noch zu beschreibender Weise die hauptsächlich aus Kohlenstoff bestehenden Partikel am Partikelfilter 18 abzubrennen und umzusetzen.

[0020] Bei dem mit der Zuführungsvorrichtung 12 zugeführten Additiv handelt es sich um ein solches, das die Zündtemperatur der Partikel vermindert. Hierzu eignen sich Organometallverbindungen sehr vorteilhaft, wie z.B. Eisenoctoat, Ferrocen oder Cer-Verbindungen.

[0021] Die Funktion der Brennkraftmaschine 3 und der Abgasanlage 1 ist folgende.

[0022] Die Brennkraftmaschine 3 wird im vorbeschriebenen Sinne mit einem mageren Kraftstoff/Luft-Gemisch betrieben oder sie kann z.B. im wesentlichen stöchiometrisch betrieben werden, wenn Sekundärluft einer nicht dargestellten Zuführungsleitung in die Abgasleitung 2 eingeführt wird, bevor das Abgas zum Oxidationskatalysator 17 gelangt. Letzterer oxidiert N0 zu N0_x bzw. N0₂, das mit dem Abgas zum Partikelfilter 18 ein kontinuierliches Abbrennen der Partikel am Partikelfilter 18 bewirkt, wobei der Partikelfilter 18 regeneriert wird. Aufgrund der zusätzlichen und kombinatorischen Wirksamkeit des die Zündtemperatur der Partikel vermindernden Mittels bzw. Additivs setzt die Regeneration bereits bei niedrigeren Temperaturen ein, wodurch die durchschnittliche Regenerationstemperatur vermindert wird, und die Partikelmasse, die zwischenzeitlich angesammelt wird, reicht beim Abbrennen nicht aus, den Partikelfilter 18 auf eine schädigende Temperatur zu erhitzen. Es zeigt sich somit, daß die durch das CRT-System hervorgerufene kontinuierliche Regeneration und die Senkung der Zündtemperatur der Partikel sich vorteilhaft ergänzen und bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen zu einer kontinuierlichen, störungsunanfälligen und stabilen Regeneration des Partikelfilters 18 führen, wobei die Materialien der Abgasanlage 1 von niedrigeren Temperaturen beansprucht werden und bei guter Funktion der Verminderung der schädlichen Bestandteile im Abgas eine lange Lebensdauer erreicht wird.

BEZUGSZEICHENLISTE

[0023] 

1

Abgasanlage

2

Abgasleitung

2a

Abführungsleitungszweig

2b

Abführungsleitungszweig

2c

Abführungsleitungszweig

2d

Abführungsleitungszweig

2e

Abgasleitungsabschnitt

2f

Abgasleitungsabschnitt

2g

Abgasleitungsabschnitt

3

Diesel-Brennkraftmaschine

4

Zylinder

4a

Brennkammer

5

Zuführungsleitung

5a

Zuführungsleitung

5b

Zuführungsleitung

5c

Zuführungsleitung

5d

Zuführungsleitung

6

7

Versorgungseinrichtung

8

Kraftstofftank

9

Kraftstoff-Zuführungsleitung

10

11

Kraftstoff-Rückführungsleitung

12

Zuführungsvorrichtung

13

Vorratsbehälter

14

Verbindungsleitung

15

Dosierpumpe

16

Strömungsrichtung

17

Oxidationskatalysator

17a

Gehäuse

18

Partikelfilter

18a

Gehäuse

Ansprüche

1. Brennkraftmaschine (3) mit einem Kraftstofftank (8) und einer Versorgungseinrichtung (7) für ein Verbrennungsmedium, das der wenigstens einen Brennkammer (4a) der Brennkraftmaschine (3) als Kraftstoff und Luft zugeführt wird und aus der Brennkammer (4a) in eine mit der Brennkammer (4a) verbundene Abgasleitung (2) ausgestoßen wird, wobei in der Abgasleitung (2) in der Strömungsrichtung (16) hintereinanderliegend zunächst ein Oxidationskatalysator (17) und dann ein Partikelfilter (18) zum Filtern von Partikeln im Abgas angeordnet sind, wobei eine Zuführungsvorrichtung (12) für ein die Zündtemperatur der Partikel senkendes Additiv vorgesehen ist, die das Additiv dem Verbrennungsmedium zuführt, nachdem der Kraftstoff den Kraftstofftank (8) verlassen hat und bevor das Verbrennungsmedium zum Partikelfilter (18) gelangt ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungsvorrichtung (12) das Additiv in den Kraftstoff oder in die Brennkammer (4a) einführt.

3. Brennkraftmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vom Kraftstofftank (8) sich eine Zuführungsleitung (9) zu der Brennkammer (4a) erstreckt und die Zuführungsvorrichtung (12) für das Additiv mit der Zuführungsleitung (9) verbunden ist.

4. Brennkraftmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungsvorrichtung (12) einen Vorratsbehälter (13) für das Additiv und eine Verbindungsleitung (14) umfaßt, die mit der Versorgungseinrichtung (7) verbunden ist.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungsvorrichtung (12) eine Dosiervorrichtung, insbesondere eine Dosierpumpe (15), für das Additiv aufweist.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosiervorrichtung oder Dosierpumpe (15) in der Verbindungsleitung (14) angeordnet ist.

7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitung (14) in die Zuführungsleitung (9) mündet.

8. Brennkraftmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine durch eine Diesel-Brennkraftmaschine (3) gebildet ist

9. Verfahren zur Verminderung schädlicher Bestandteile im Abgas einer Brennkraftmaschine mit einer Versorgungseinrichtung (7) für ein Verbrennungsmedium, das der wenigstens einen Brennkammer (4a) der Brennkraftmaschine (3) als Kraftstoff und Luft zugeführt und aus der Brennkammer (4a) in eine mit der Brennkammer (4a) verbundene Abgasleitung (2) ausgestoßen wird, bei dem im Abgas enthaltene Partikel mit einem in der Abgasleitung (2) angeordneten Partikelfilter (18) gefiltert und wenigstens teilweise mit im Abgas enthaltenem N0₂ im wesentlichen kontinuierlich umgewandelt werden, wobei in das Verbrennungsmedium, bevor es als Abgas zum Partikelfilter (18) gelangt, ein Additiv eingeführt wird, das die Zündtemperatur der Partikel vermindert, und wobei die Partikel im Partikelfilter (18) abgebrannt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Additiv in den Kraftstoff, insbesondere im Bereich einer Kraftstoff-Zuführungsleitung (9), oder in den Brennraum (4a) der Brennkraftmaschine (3) eingeführt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Stickoxyd bzw. N0₂ durch einen dem Partikelfilter vorgeschalteten Oxidationskatalysator (17) erzeugt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Additiv Organometallverbindungen, z.B. Eisenoctoat, Ferrocen und/oder Cer-Verbindungen verwendet werden.

Zeichnung