DE10112521A1 - Automobilmotor mit geregelter Auspuffgastemperatur und Sauerstoffkonzentration - Google Patents

Automobilmotor mit geregelter Auspuffgastemperatur und Sauerstoffkonzentration

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Abstract

Eine Innenverbrennungsmotoranordnung 7 wird geliefert. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Innenverbrennungsmotor 7 mindestens einen variablen Arbeits- und Verbrennungsraum 12 auf. Ein erster Durchlaß 14 wird zur Abgabe von Luft in den Verbrennungsraum 12 geliefert. Ein zweiter Durchlaß 26 wird geliefert, um Auspuffgas aus dem Verbrennungsraum 12 abzuleiten. Ein Turbolader wird vorgesehen. Der Turbolader weist einen Kompressor 18 mit einem Auslaß 16 in Fluidverbindung mit dem ersten Durchlaß 14 auf. Der Turbolader weist einen Turbineneinlaß 28 in Fluidverbindung mit dem zweiten Durchlaß 26 auf. Ein Auspuffgas 29 der Turbine ist mit einem dritten Durchlaß 30 verbunden. Ein erster Bypassdurchlaß 70 wird zwischen dem ersten Durchlaß 14 und dem dritten Durchlaß 30 angeordnet. Ein erstes Ventil 72 steuert den Luftstrom durch den ersten Bypayssdurchlaß zwischen dem ersten Durchlaß 14 und dem dritten Durchlaß 30. Der Bypassdurchlaß 70 ermöglicht eine bessere Steuerung der Motorauspufftemperatur und Sauerstoffkonzentration und bewirkt somit, daß der Motor für die Nutzung in Verbindung mit Nachbehandlungsvorrichtungen, wie z. B. Partikelfilter 34, Sauerstoffkatalysatoren 40 oder NOx-Katalysatoren 44, besser geeignet ist.

Description

Das Gebiet der Erfindung betrifft Automobilmotoren, insbesondere aufgeladene Dieselmotoren mit geringen Emissionen und Betriebsverfahren derselben. Die Dieselmotoranordnung nach der Erfindung findet insbesondere Anwendung bei kleinen Dieselmotoren, die zum Antrieb von Personenkraftwagen, Freizeitfahrzeu­ gen und Kleinlastwagen verwendet werden.
Emissionsnachbehandlungsvorrichtungen, wie z. B. Partikelfilter, Oxydationskata­ lysatoren und NOx-Katalysatoren erfordern bestimmte Zustände im Motorauspuff, um optimale Leistung zu erbringen. Insbesondere weisen NOx-Katalysatoren ein relativ schmales Temperaturfenster auf, innerhalb desselben die Umwandlungsef­ fizienz ausreichend hoch ist. Dieselpartikelfilter erfordern ausreichend Sauerstoff, um die Regenerierung bei hoher Motorlast aufrecht zu erhalten. Vor der vorlie­ genden Erfindung konnten die erforderlichen Auspuffgasbedingungen während des normalen Betriebs des Motors nicht immer erreicht werden. Insbesondere war es bei hoher Motorlast schwierig, wenn nicht unmöglich, die für den Partikelfilter erforderlichen ausreichend hohen Sauerstoffwerte zu erzielen. Somit konnte die Auspuffgastemperatur lediglich in einem gewissen Maß durch das Verbrennungs- System beeinflußt werden.
Die Erfindung umfaßt eine Motoranordnung mit einem Bypass von einem Turbo­ laderkompressorauslaß direkt in das Auspuffsystem stromab von einer Turbola­ derturbine. Ein elektrisch oder pneumatisch betätigtes Steuerventil steuert den Luftstrom durch den Bypass. Der Bypass wird vorzugsweise in Verbindung mit einem aktiv gesteuerten Waste-Gate oder einem Turbolader mit variabler Geo­ metrie verwendet. Der Bypass erlaubt die Einführung relativ kühler Luft in den Auspuff, was zu einer Reduzierung der Auspuffgastemperatur und erhöhter Sau­ erstoffkonzentration führt. In Kombination mit einem aktiv gesteuerten Waste- Gate oder einem Turbolader mit variabler Geometrie erlaubt die vorliegende Er­ findung die gleichzeitige Steuerung von Sauerstoffgehalt, Auspuffgastemperatur und Ladedruck zu relativ niedrigen Kosten. Bei mit einem NOx-Katalysator ausge­ statteten Motoren ermöglicht die Erfindung die Steuerung der Auspuffgastempe­ ratur in der Weise, daß innerhalb des schmalen Temperaturfensters mit hoher Katalysator-Umwandlungseffizienz verblieben wird. Bei mit einem Partikelfilter ausgestatteten Motoren ermöglicht die Erfindung die Steuerung des Sauerstoff­ gehalts im Auspuffgas in der Weise, daß dem Filter während eines Regenerati­ onsvorganges ausreichend Sauerstoff zugeführt wird.
Weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachstehenden Beschreibung hervor, in der mit Bezug auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele erläutert werden. In den Zeichnungen zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Dieselmotoranordnung mit Turbo­ aufladung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer Dieselmotoranordnung nach der Erfindung;
Fig. 3 eine Darstellung einer Simulation eines Betriebes des schematisch in Fig. 1 dargestellten Dieselmotors unter hoher Last, wobei die Beziehungen zwischen Waste-Gate-Ventilstellung, Sauerstoffkonzentration im Auspuff­ gas, Kraftstoffverbrauch und Auspuffgastemperatur gezeigt werden;
Fig. 4 eine Darstellung einer Simulation eines Betriebes des schematisch in Fig. 2 dargestellten Dieselmotors mit der Darstellung der Beziehungen zwi­ schen Bypassventil- und Waste-Gate-Ventilstellung, Sauerstoffkonzentra­ tion im Auspuffgas, Kraftstoffverbrauch und Auspuffgastemperatur;
Fig. 5 eine teilweise schematische Darstellung analog zu Fig. 2 mit der Darstel­ lung eines alternativen bevorzugten Ausführungsbeispiels der Dieselmo­ toranordnung nach der Erfindung.
Fig. 1 zeigt schematisch eine an sich bekannte Anordnung eines Innenverbren­ nungsmotors 6 mit einem Motorblock 10. Der Motorblock 10 weist eine Mehrzahl von zylinderförmigen Arbeits- und Verbrennungsräumen 12 auf. In jedem Raum 12 befindet sich ein (nicht gezeigter) Hubkolben. Die Räume 12 stehen durch ent­ sprechende (nicht gezeigte) Ventilanordnungen mit einem ersten Einlaßdurchlaß für komprimierte Luft 14 in Fluidverbindung. Der Einlaßdurchlaß 14 steht mit dem Auslaß 16 eines Turboladerkompressors 18 in Fluidverbindung.
Um die Abgabe von Auspuffgas aus den Räumen 12 über geeignete (nicht ge­ zeigte) Ventilanordnungen zu ermöglichen, ist ein zweiter Durchlaß 26 vorhanden. Der zweite Durchlaß 26 steht auch mit einem Einlaß 28 einer Turboladerturbine 24 in Fluidverbindung. Ein Auslaß 29 der Turboladerturbine 24 steht mit einem dritten Durchlaß 30 in Fluidverbindung. Der dritte Durchlaß 30 steht mit einem Partikelfilter 34, einem Oxydationskatalysator 40 und einem NOx-Katalysator 44 in Fluidverbindung. Vor dem Passieren durch den Oxydationskatalysator 40 wird das Auspuffgas einem Auspuffgastemperatursensor 48 und einem Auspuffgassauer­ stoffkonzentationssensor 50 ausgesetzt. Um die Rückführung von Auspuffgas von dem zweiten Durchlaß 26 in den ersten Durchlaß 14 zu ermöglichen, ist ein EGR- Bypassdurchlaß 52 vorgesehen. Die Steuerung des Auspuffgasstroms durch den EGR-Bypassdurchlaß 52 erfolgt durch ein EGR-Ventil 54. Die Motoranordnung 6 weist zusätzlich einen Waste-Gate-Bypassdurchlaß 56 auf. Ein Waste-Gate-Ventil 58 steuert den Auspuffgasstrom zwischen dem zweiten Durchlaß 26 und dem dritten Durchlaß 30. Das Waste-Gate-Ventil 58 steuert entsprechend die Menge Auspuffgas, die durch den Einlaß 28 der Turbine 24 strömt.
In Fig. 2 wird eine Automobil-Innenverbrennungsdieselmotor-Anordnung 7 nach der Erfindung gezeigt. Gleiche Elemente haben gleiche Bezugszeichen wie die in Fig. 1 gezeigten. Die Motoranordnung 7 weist zusätzlich einen ersten Bypass­ durchlaß 70 auf. Der Bypassdurchlaß 70 verbindet den ersten Durchlaß 14 mit dem dritten Durchlaß 30 und überbrückt sowohl den Motorblock 10 wie auch die Turbine 24. Die Verbindung des Bypassdurchlasses 70 mit dem ersten Durchlaß 14 liegt stromauf von der Verbindung des EGR-Bypassdurchlasses 52 mit dem ersten Durchlaß 14. Zur Steuerung des Luftstroms durch den Bypassdurchlaß 70 ist ein Steuerventil 72 vorgesehen. Das Steuerventil 72 kann elektrisch oder pneumatisch betätigt werden. Üblicherweise wird die Verbindung des Bypass­ durchlasses 70 mit dem dritten Durchlaß 30 stromauf von der Verbindung des Waste-Gate-Durchlasses 56 zum dritten Durchlaß 30 liegen. Der Bypassdurchlaß 70 erlaubt die Einführung von frischer Luft in den dritten Durchlaß 30 zur Steige­ rung der Sauerstoffwerte im Auspuff. Zusätzlich führt die Eingabe relativ kalter Luft in den Auspuff zur Senkung der Auspuffgastemperatur. Das Steuerventil 72 kann so betrieben werden, daß eine gewünschte Temperatur in dem dritten Durchlaß 30 als Reaktion auf die Differenz zwischen der gemessenen Temperatur im dritten Durchlaß 30 (stromab eines beliebigen Mischpunktes) und einer ge­ wünschten Auspuffgastemperatur geliefert wird. Gleichzeitig oder alternativ kann das Steuerventil 72 als Reaktion auf die gemessene Sauerstoffkonzentration (stromab eines beliebigen Mischpunktes) in dem dritten Durchlaß 30 betrieben werden, um eine gewünschte Sauerstoffkonzentration zu liefern. Ein Vorteil der Dieselmotoranordnung 7 ist, daß die Betätigung des Ventils 72 für gleichzeitige Steuerung des Sauerstoffgehalts, der Auspuffgastemperatur und des Ladedrucks zu relativ geringen Kosten geliefert wird. Der Bypassdurchlaß 70 funktioniert auch als ein Waste-Gate zur Verhinderung einer zu starken Aufladung bei hoher Mo­ torlast. Da der Druck an dem Kompressorauslaß 16 im allgemeinen beträchtlich höher ist als der Druck am Turbinenauslaß 29, kann eine entsprechende Dimen­ sionierung des Bypassdurchlasses 70 sicherstellen, daß stets ein ausreichender Strom Frischluft in den Auspuffstrom im dritten Durchlaß 30 stattfindet. Das Steu­ erventil 72 liegt in einem sauberen Frischluftumfeld statt in einer Auspuffkühl­ schleife wie das EGR-Ventil 54 und ist gegenüber Kontamination und heißen Auspuffgasen nicht exponiert.
In Fig. 3 wird eine Simulation hoher Motorlast (200 Nm) der Motoranordnung 6 lediglich mit Waste-Gate-Steuerung dargestellt. Das Waste-Gate-Ventil 58 wird verwendet, um den Ladedruck unter einem spezifizierten Wert von 160 kPa zu halten. Die erste oder obere Graphik der Fig. 3 zeigt die Stellung des Waste-Gate- Ventils 58 zwischen geschlossener (0) und vollständig offener (1) Position. Die zweite Graphik der Fig. 3 zeigt die Sauerstoffkonzentration im Auspuff, wie sie durch den Sauerstoffkonzentrationssensor 50 gemessen wird. Die dritte Graphik der Fig. 3 zeigt den Brennstoffverbrauch in Kilogramm pro Stunde. Die vierte oder unterste Graphik der Fig. 3 zeigt die von dem Sensor 48 gemessene Auspufftem­ peratur.
Bezüglich der in Fig. 4 gezeigten Simulation (der vorliegenden in Fig. 2 darge­ stellten Erfindung) und bei Vergleich mit der Simulation nach Fig. 3 ist es offen­ sichtlich, daß die Auspuffgastemperatur signifikant gemindert wird. Wie in Fig. 4 gezeigt, nimmt die Sauerstoffkonzentration zu, während es praktisch keinen Nachteil in Form von erhöhtem Kraftstoffverbrauch gibt. Unter Verwendung son­ stiger Steuerstrategien können die Temperatur und die Auspuffsauerstoffkonzen­ tration auf andere als die dargestellten Pegel eingestellt werden.
Bei einer (nicht gezeigten) alternativen Ausführungsform der Erfindung wird die Sauerstoffkonzentration überhaupt nicht gemessen. Das Steuerventil 72 wird im offenen Kreis unter Verwendung vorherbestimmter Kennfelder gesteuert, die die Sauerstoffkonzentration definieren.
In Fig. 5 wird eine Ausführungsform 107 der Erfindung mit einem Turbolader mit variabler Geometrie 122 dargestellt. Die Verwendung des Turboladers mit varia­ bler Geometrie kann gegebenenfalls den Waste-Gate-Bypassdurchlaß 56 und das Ventil 58 eliminieren, um Ergebnisse zu erzielen, die im wesentlichen denen ent­ sprechen, die für die in den Fig. 2 und 4 dargestellten Ausführungsbeispielen der Erfindung erläutert wurden.
Die Erfindung wurde insbesondere unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausfüh­ rungsbeispiele derselben gezeigt und beschrieben, es ist jedoch für den Fach­ mann offensichtlich, daß verschiedene Änderungen und Modifikationen an der Erfindung vorgenommen werden können, ohne Geist und Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims (20)

1. Anordnung eines Innenverbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt:
mindestens einen Arbeits- und Verbrennungsraum mit variablem Volu­ men;
einen ersten Durchlaß für die Zuführung von Luft zu dem genannten Ver­ brennungsraum;
einen zweiten Durchlaß für die Abgabe von Auspuffgas aus dem ge­ nannten Verbrennungsraum;
einen Turbolader, welcher einen Kompressor mit einem mit dem genann­ ten ersten Durchlaß in Fluidverbindung stehenden Auslaß aufweist, wobei der genannte Turbolader eine Turbine aufweist, welche mit dem genann­ ten zweiten Durchlaß und einen dritten Durchlaß des Turbinenauspuffs in Fluidverbindung steht, und
einen ersten Bypassdurchlaß zwischen dem genannten ersten Durchlaß und dem genannten dritten Durchlaß.
2. Anordnung eines Innenverbrennungsmotors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein EGR-Bypassdurchlaß zur Verbindung des genannten zweiten Durchlasses mit dem genannten ersten Durchlaß vorgesehen ist, wobei der genannte erste Bypassdurchlaß mit dem ge­ nannten ersten Durchlaß stromauf von der genannten Verbindung des genannten EGR-Bypassdurchlasses mit dem genannten ersten Durchlaß verbunden ist und wobei der genannte EGR-Bypassdurchlaß ein EGR- Ventil aufweist, das den Strom von dem genannten zweiten Durchlaß zu dem genannten ersten Durchlaß steuert.
3. Anordnung eines Innenverbrennungsmotors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Waste-Gate-Bypass zwischen dem genannten zweiten Durchlaß und dem genannten dritten Durchlaß und ein Waste- Gate-Ventil vorhanden sind, um den Strom von dem genannten zweiten Durchlaß zum genannten dritten Durchlaß zu steuern.
4. Anordnung eines Innenverbrennungsmotors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Turbolader ein Turbolader mit varia­ bler Geometrie ist.
5. Anordnung eines Innenverbrennungsmotors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein erstes Ventil aufweist, welches den Luftstrom durch den genannten ersten Bypassdurchlaß zwischen dem genannten ersten Durchlaß und dem genannten dritten Durchlaß steuert.
6. Anordnung eines Innenverbrennungsmotors nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte erste Ventil pneumatisch betätigt wird.
7. Anordnung eines Innenverbrennungsmotors nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte erste Ventil elektrisch betätigt wird.
8. Anordnung eines Innenverbrennungsmotors nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des genannten Auspuffgases in dem genannten dritten Durchlaß gemessen wird und dadurch, daß das ge­ nannte erste Ventil so gesteuert wird, daß eine gewünschte Temperatur geliefert wird.
9. Anordnung eines Innenverbrennungsmotors nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffkonzentration in dem genannten drit­ ten Durchlaß gemessen und das genannte erste Ventil so betätigt wird, daß eine gewünschte Sauerstoffkonzentration in dem genannten dritten Durchlaß geliefert wird.
10. Anordnung eines Innenverbrennungsmotors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Verbrennungsraum einen Dieselver­ brennungszyklus aufweist.
11. Dieselmotoranordnung, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt:
eine Mehrzahl von Arbeits- und Verbrennungsräumen mit variablem Vo­ lumen;
einen ersten Durchlaß für die Abgabe von Luft in die genannten Verbren­ nungsräume;
einen zweiten Durchlaß für die Abgabe von Auspuffgas aus den genann­ ten Verbrennungsräumen;
einen Turbolader, welcher einen Kompressor mit einem Auslaß in Fluid­ verbindung mit dem genannten ersten Durchlaß aufweist, wobei der ge­ nannte Turbolader eine Turbine aufweist, welche mit dem genannten zweiten Durchlaß und einen dritten Durchlaß des Turbinenauspuffs in Fluidverbindung steht,
einen EGR-Bypassdurchlaß zur Verbindung des genannten zweiten Durchlasses mit dem genannten ersten Durchlaß;
ein EGR-Ventil in dem genannten EGR-Durchlaß zur Steuerung des Aus­ puffstroms aus dem genannten zweiten Durchlaß zum genannten ersten Durchlaß;
einen ersten Bypassdurchlaß zwischen dem genannten ersten Durchlaß und dem genannten dritten Durchlaß, wobei der genannte erste Bypass­ durchlaß mit dem genannten ersten Durchlaß stromauf des genannten mit dem genannten ersten Durchlaß in Verbindung stehenden EGR- Bypassdurchlasses in Fluidverbindung steht; und
ein erstes Ventil zur Steuerung des Luftstroms aus dem genannten ersten Durchlaß zu dem genannten dritten Durchlaß über den genannten ersten Bypassdurchlaß.
12. Dieselmotoranordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Turbolader ein Turbolader mit variabler Geometrie ist.
13. Dieselmotoranordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte erste Ventil pneumatisch betätigt wird.
14. Dieselmotoranordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte erste Ventil elektrisch betätigt wird.
15. Dieselmotoranordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des genannten Auspuffgases in dem genannten dritten Durchlaß gemessen und das genannte erste Ventil so betätigt wird, daß eine gewünschte Temperatur geliefert wird.
16. Dieselmotoranordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffkonzentration in dem genannten dritten Durchlaß gemessen und das genannte erste Ventil so betätigt wird, daß die Sauerstoffkonzen­ tration in dem genannten dritten Durchlaß auf einem gewünschten Wert gehalten wird.
17. Verfahren zum Betrieb eines Innenverbrennungsmotors mit mindestens einem Arbeits- und Verbrennungsraum mit variablem Volumen, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Verfahren umfaßt:
Herstellung einer Fluidverbindung zwischen einem ersten Durchlaß mit dem genannten Verbrennungsraum zur Zuführung von Luft zu dem ge­ nannten Verbrennungsraum;
Herstellung einer Fluidverbindung zwischen dem genannten Verbren­ nungsraum und einem zweiten Durchlaß zur Abgabe von Auspuffgas aus dem genannten Verbrennungsraum;
Zuführung von komprimierter Luft zu dem genannten ersten Durchlaß unter Verwendung eines Kompressors eines Turboladers;
Zuführung des genannten Auspuffgases aus dem genannten Verbren­ nungsraum durch den genannten zweiten Durchlaß zu einem Einlaß einer Turbine des genannten Turboladers;
Verbinden eines Auslasses der genannten Turboladerturbine mit einem dritten Durchlaß;
Behandlung der Emissionen des dem genannten dritten Durchlaß zuge­ führten Auspuffgases des genannten Verbrennungsraums;
Ableiten eines Teils der genannten Luft aus dem genannten ersten Durchlaß zum genannten dritten Durchlaß; und
Führung der genannten aus dem genannten ersten Durchlaß abgegebe­ nen Luft durch ein Ventil zu dem genannten dritten Durchlaß als Reaktion auf einen Zustand des genannten Auspuffgases in dem genannten dritten Durchlaß.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Ventil so betätigt wird, daß eine in dem genannten Durchlaß gemessene Temperatur auf einer gewünschten vorherbestimmten Temperatur gehal­ ten wird.
19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte erste Ventil so betätigt wird, daß der Sauerstoffgehalt innerhalb des ge­ nannten dritten Durchlasses auf einen gewünschten Wert eingestellt wird.
20. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Innenverbrennungsmotor als Dieselmotor betrieben wird.
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