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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere mit Fremdzündung und direkter Einspritzung, mit einem Abgassystem, in welchem zumindest eine Abgasturbine eines Abgasturboladers und vorzugsweise stromabwärts der Abgasturbine ein Abgaskatalysator angeordnet ist.
Bei Brennkraftmaschinen der eingangs genannten Art stellt die Abgasturboaufladung eine der effizientesten Methoden der Leistungssteigerung einer Brennkraftmaschine bei gegebenem Hubraum dar. Hierbei ist nicht nur die Anhebung der Nennleistung von Interesse, sondern insbesondere die Anhebung des Drehmomentes im unteren bis mittleren Drehzahlbereich, was die Fahrbarkeit eines Kraftfahrzeuges wesentlich verbessert.
Besonders effizient kann die Abgasturboaufladung bei ungedrosselt betriebenen Brennkraftmaschinen eingesetzt werden, da das dynamische Übergangsverhalten bei instationärer Leistungsanforderung wesentlich günstiger verläuft als beim gedrosselten Motor, der den für den Turbinenantrieb erforderlichen Abgasmassenstrom erst aufbauen muss, während beim ungedrosselten Motor bei unverändert vollem Luftmassenstrom nur die Enthalpie des Abgasstromes instationär angehoben wird. Dies hat zur Dominanz dieser Technologie bei Hoch- leistungs- Dieselbrennkraftmaschinen geführt.
Die direkt einspritzende Otto-Brennkraftmaschine verfügt über weitgehend ähnliche Voraussetzungen, wie die Diesel-Brennkraftmaschine, da das dynamische Übergangsverhalten häufig das Heraufbeschleunigen aus dem unteren Teillastbereich betrifft, welcher bei der direkt einspritzenden Otto-Brennkraftmaschine in geschichteter Betriebsweise ebenfalls nahezu ungedrosselt betrieben werden kann.
Um das dynamische Verhalten optimal zu gestalten, ist anzustreben, dass die Drehzahl des Abgasturboladers schon im Teillastbetrieb so hoch wie möglich gehalten wird, was eine bestmögliche Ausnutzung der im Abgasstrom enthaltenen Exergie voraussetzt.
Die direkteinspritzende Otto-Brennkraftmaschine weist bei geschichteter Betriebsweise eine gegenüber konventionellen Otto-Brennkraftmaschinen und insbesondere gegenüber DieselBrennkraftmaschinen erhöhte Emission von unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid auf. Neben der Notwendigkeit, diese Schadstoffe mit Hilfe einer Einrichtung zur Abgasnachbehandlung zu reduzieren, enthalten diese Abgaskomponenten ungenutzte Anteile der Reaktionsenthalpie, die dementsprechend von der Abgasturbine des Abgasturboladers nicht genutzt werden kann.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile zu vermeiden und die Abgasenergie einer eingangs genannten Brennkraftmaschine durch die Abgasturbine besser zu nutzen.
Erfindungsgemäss erfolgt dies dadurch, dass stromaufwärts der Abgasturbine eine Einrichtung zur Intensivierung der Nachreaktion von unverbrannten Abgasbestandteilen angeordnet ist. Die Intensivierung der Nachreaktion der unverbrannten Abgasbestandteile bewirkt neben der Emissionsverbesserung einen Anstieg der Enthalpie durch Temperaturanhebung vor dem Turbineneintritt und dadurch eine bessere Nutzung der Enthalpie des Abgases.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Einrichtung einen Vorkatalysator aufweist. Der Vorkatalysator kann, wie an sich bekannt, mit einem Metall- oder Keramikträger ausgeführt sein.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Einrichtung zumindest zum Teil aus einer katalytischen Beschichtung der Abgasleitung zwischen dem Motorauslass und dem Turbineneintritt der Abgasturbine gebildet ist.
Weiters ist es sehr vorteilhaft, wenn die Einrichtung zumindest zum Teil durch turbulenz- steigerde Einbauten der Abgasleitung zwischen dem Motorauslass und dem Turbineneintritt der Abgasturbine gebildet ist.
Besonders günstig ist es, wenn die Einrichtung aus einer Kombination der genannten Massnahmen besteht. Auf diese Weise kann der zur Verfügung stehende Platz optimal ausgenutzt werden und die Einrichtung zur Intensivierung der Nachreaktion sehr klein gehalten werden.
Neben der Emissions-Verringerung und der Ausnutzung der Energie des Abgasstromes bietet die Erfindung den Vorteil, dass die Temperatur eines der Abgasturbine nachgeschalteten Abgaskatalysators besser in einem vordefinierten Temperaturfenster gehalten werden kann. Ohne vorgeschalteter Einrichtung zur Intensivierung der Nachreaktion würden die unverbrannten Abgasbestandteile durch die intensive Verwirbelung in der Abgasturbine zur Nachreaktion gebracht werden, was zu einer Erhöhung der Abgastemperatur hinter dem Abgasturbolader führt, obwohl dieser einen Teil der zunächst im Abgasstrom enthaltenen Exergie umgesetzt hat.
In Abhängigkeit von der Abgaszusammensetzung kann diese nachträgliche Temperaturerhöhung die Temperaturabsenkung durch die Turbine betragsmässig übersteigen und dadurch die maximal zulässige Temperatur des der Abgasturbine nachgeschalteten Abgaskatalysators überschritten werden.
Wird die Nachreaktion der unverbrannten Abgasbestandteile hingegen bereits vor dem oder beim Turbineneintritt herbeigeführt, so wird ein grösserer Anteil der im Abgasstrom enthaltenen Exergie von der Turbine umgesetzt und der Abgasstrom verlässt die Turbine dabei mit einer geringeren Temperatur.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 ein schematisches Schaltbild einer erfindungsgemässen Brennkraftmaschine und Fig. 2 ein Enthalpie-Entropie-Diagramm über die Energieumsetzung im Bereich der Abgasturbine.
Das Abgassystem 1 der in Fig. 1 schematisch dargestellten Brennkraftmaschine 2 weist eine Abgasturbine 3 eines Abgasturboladers 4 in einer Abgasleitung 5 auf. Der Abgasturbine 3 ist ein Abgaskatalysator 6 nachgeschaltet. Mit Bezugszeichen 7 ist ein Schalldämpfer bezeichnet. Die Abgasturbine 3 treibt über die gemeinsame Welle 8 den in einer Ansaugleitung 9 der Brennkraftmaschine 2 angeordneten Verdichteter 10 an, welcher über den Ladeluftkühler 11 Luft der Brennkraftmaschine 2 zuführt. Mit Bezugszeichen 12 ist ein vorgeschalteter Luftfilter bezeichnet.
Stromaufwärts der Abgasturbine 3 weist das Abgassystem 1 eine Einrichtung 13 zur Intensivierung der Nachreaktion der unverbrannten Abgasbestandteile auf, welche durch einen Vorkatalysator in bekannter Ausführung mit Metall- oder Keramikträger, oder
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einer katalytischen Beschichtung der Abgasleitung 5 zwischen dem Motorauslass 14 und dem Turbineneintritt 15, oder aus turbulenzssteigemden Einbauten in diesem Bereich der Abgasleitung 5 bestehen kann. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die genannten Massnahmen miteinander kombiniert werden.
Durch die Einrichtung 13 zur Intensivierung der Nachreaktion der unverbrannten Abgasbestandteile wird neben der Verringerung der unverbrannten Abgasbestandteile erreicht, dass ein grösserer Anteil der im Abgasstrom enthaltenen Exergie von der Abgasturbine 3 umgesetzt wird. Der Abgasstrom verlässt dadurch die Abgasturbine 3 mit einer relativ geringen Temperatur. Der Abgasturbolader 4 trägt damit im Teillastbereich zur Absenkung der Abgastemperatur in das für die Abgasnachbehandlung durch den Katalysator 7 erforderliche Temperaturfenster bei.
In Fig. 2 sind in einem Enthalpie-Entropie-Diagramm die charakteristischen Zustandsänderungen mit und ohne erfindungsgemässer Einrichtung 13 zur Intensivierung der Nachreaktion von unverbrannten Abgasbestandteilen vor der Abgasturbine 3 gegenübergestellt. Die strichliert dargestellte Linie 16 zeigt dabei eine charakteristische Zustandsänderung ohne Einnchtung 13 zur Intensivierung der Nachreaktion, die voll ausgezogene Linie 17 dagegen zeigt eine charakteristische Zustandsänderung mit einer Einrichtung 13 zur Intensivierung der Nachreaktion vor der Abgasturbine 3.
Ohne Nachreaktion vor der Abgasturbine 3 erfolgt zu-
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Bei Anordnung einer erfindungsgemässen Anordnung 13 zur Intensivierung der Nachreaktion vor dem Turbineneintritt 15 der Abgasturbine 3 erfolgt zunächst eine Temperaturanhebung A'-B'sodann eine Temperaturabsenkung in der Turbine B'-C'und schliesslich eine leichte
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richtung 13 zur Beschleunigung der Nachreaktion vor dem Turbineneintritt 15, ist die in D' erreichte Temperatur niedriger als die Temperatur in D.