DE102007021526A1

DE102007021526A1 - Abgaswärmenutzung zur beschleunigten Warmlaufphase bei Turbomotoren

Info

Publication number: DE102007021526A1
Application number: DE102007021526A
Authority: DE
Inventors: Ekkehard Pott; Eduard Lippert; Dirk Hagelstein
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2007-05-04
Filing date: 2007-05-04
Publication date: 2008-11-06

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Abgastrakt (14) und in einem Abgasstrom der Brennkraftmaschine betriebenen Abgasturbolader und einem dem Abgasturbolader zugeordneten ersten Wastegate (34). Hierbei ist dem Abgasturbolader ein zweites Wastegate (36) zugeordnet, welches mit einem Kühlkreislauf (40) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Abgastrakt und in einem Abgasstrom der Brennkraftmaschine betriebenen Abgasturbolader und einem dem Abgasturbolader zugeordneten ersten Wastegate, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Abgastrakt und in einem Abgasstrom der Brennkraftmaschine betriebenen Abgasturbolader und einem dem Abgasturbolader zugeordneten ersten Wastegate, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.
Stand der Technik
Es ist bekannt, Abgasanlagen von Brennkraftmaschinen mit oder ohne Abgasturbolader zur Reinigung von Abgasen mit einem Katalysator zu versehen. Um eine optimale Betriebstemperatur für den Katalysator sicherzustellen, können derartige Brennkraftmaschinen ebenfalls mit einem in den Kühlflüssigkeitskreislauf des Motorkühlsystems eingebundenen Wärmetauscher zur Kühlung des Katalysators oder der diesem zugeführten Abgase ausgerüstet sein, um somit die Katalysatorwirkung zu verbessern und/oder einen Bauteilschutz zu gewährleisten.
So ist in der DE 30 35 472 A1 eine Brennkraftmaschine, insbesondere ein Dieselmotor mit einem in einer Kammer angeordneten Katalysator beschrieben, der zwischen dem Verbrennungsmotor und einer zentralen Abgasleitung fest angeordnet ist. Die Kammer ist mehrwandig ausgeführt und zwischen den beiden äußeren Wandungen vom Kühlwasser des Motors durchströmt, so dass ständig ein Wärmeaustausch zwischen dem Katalysator und der Kühlflüssigkeit stattfindet.
Die DE 34 06 968 A1 hat ein Verfahren zur Erzeugung einer optimalen Abgastemperatur für den Katalysator zum Gegenstand, bei dem das Motorabgas zwischen dem Motor und dem Katalysator durch zwei Abgasrohre zu diesem geführt wird, die vor dem Katalysator wieder vereinigt werden und von denen das eine durch einen in das Motorkühlsystem eingebundenen Wärmetauscher gekühlt wird. Durch eine Veränderung des Mengenverhältnisses der beiden Abgasströme kann die Temperatur des in den Katalysator eintretenden Abgasstromes und damit auch die Katalysatortemperatur geregelt werden.
Auch die DE 43 26 243 A1 beschreibt eine Abgasanlage mit einem Katalysator und einem Wärmetauscher, bei der dieser zur Kühlung des Abgases vor dem Katalysator angeordnet ist und mit einem vorgegebenen Abstand das Abgasrohr umschließt. Der Wärmetauscher ist über ein Zufluss- und ein Abflussrohr kommunizierend mit dem Kühlsystem des Kraftfahrzeugs verbunden.
Die in den vorbeschriebenen Abgasanlagen angeordneten und mit der Kühlflüssigkeit des Motors kommunizierenden Wärmetauscher dienen der direkten Katalysatorkühlung in der warmen Betriebsphase oder einer Temperaturregelung des Katalysators durch die Optimierung der Temperatur der zum Katalysator geleiteten Abgase vor Eintritt in diesen. Hierbei wird durch die Kühlung der Abgase vor Eintritt in den Katalysator bzw. die Anordnung desselben in einer Kammer eine Verringerung der Betriebstemperatur des Katalysators erreicht, falls erforderlich.
Aufgabenstellung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader und ein Verfahren zum Betreiben derselben anzugeben, wobei insbesondere die Warmlaufphase der Brennkraftmaschine verkürzt werden kann. Ferner soll eine Erleichterung des Katalysator-Bauteileschutzes und/oder ggfs. eine Reduzierung eingesetzter Bauteileschutzkomponenten erzielt werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Brennkraftmaschine der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen und durch ein Verfahren der o. g. Art mit den in Anspruch 6 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Dazu ist es bei einer Brennkraftmaschine der o. g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass dem Abgasturbolader ein zweites Wastegate zugeordnet ist, welches mit einem Kühlkreislauf verbunden ist.
Dies hat den Vorteil, dass der nutzbare Wärmeanteil des Abgasstroms vergrößert werden kann, da Wärme zumindest eines Teils des Abgasstroms, mit dem das zweite Wastegate betrieben wird, von dem Kühlkreislauf aufgenommen wird. Die aufgenommene Wärme kann insbesondere in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine vorteilhaft verwendet werden.
Entweder das erste Wastegate ist ein in den Abgasturbolader integriertes Wastegate und das zweite Wastegate ein externes Wastegate, oder das erste Wastegate ist ein externes Wastegate und das zweite Wastegate ein in den Abgasturbolader integriertes Wastegate. Dies ermöglicht eine von den individuellen Raumverhältnissen abhängige Anordnung des zweiten Wastegates mit dem zugeordneten Kühlkreislauf in der Brennkraftmaschine.
Um eine Überhitzung des Kühlkreislaufs zu verhindern, sind das erste und zweite Wastegate bezüglich des Abgasstroms parallel zu einander angeordnet. Hierdurch kann der Abgasstrom beiden Wastegates gleichzeitig in einem vorgegebenen Volumenverhältnis bzw. selektiv einem der Wastegates zugeführt werden.
Zweckmäßigerweise ist im Abgastrakt stromab des Abgasturboladers zumindest ein Katalysator zur Reinigung des Abgasstroms angeordnet.
Zur Beschleunigung der Motorerwärmung, insbesondere in einer Warmlaufphase der Brennkraftmaschine, und/oder der Katalysatoraufwärmung ist der Kühlkreislauf mit einem Kühlsystem der Brennkraftmaschine verbunden. Wie an sich bereits bekannt, kann auch ein Wärmeaustausch zwischen Kühlflüssigkeit und Katalysator vorgesehen sein.
Bei einem Verfahren der o. g. Art ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass zumindest mit einem Teil des Abgasstroms ein dem Abgasturbolader zugeordnetes zweites Wastegate betrieben wird, welches mit einem Kühlkreislauf verbunden ist, wobei der Teil des Abgasstroms über das zweite Wastegate Wärme an den Kühlkreislauf abgibt.
Dies hat den Vorteil, dass die Wärme des Teils des Abgasstroms, mit dem das zweite Wastegate betrieben wird, von dem Kühlkreislauf aufgenommen wird, so dass der nutzbare Wärmeanteil des Abgasstroms vergrößert wird. Die aufgenommene Wärme kann insbesondere in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine vorteilhaft verwendet werden.
Zweckmäßigerweise wird der Abgasstrom stromab des Abgasturboladers von zumindest einem Katalysator gereinigt.
Um eine Erleichterung des Katalysator-Bauteileschutzes und/oder ggfs. eine Reduzierung eingesetzter Bauteileschutzkomponenten zu erzielen, werden das erste und zweite Wastegate erfindungsgemäß in Abhängigkeit von einer Betriebstemperatur des Katalysators gesteuert.
Bei Erreichen einer vorgegebenen Mindestbetriebstemperatur des Katalysators wird das erste Wastegate geschlossen. Somit wird der Abgasstrom vollständig über das zweite Wastegate geführt und dort gekühlt, sodass die Betriebstemperatur des Katalysators und somit die thermische Belastung der Katalysatorumgebung reduziert werden.
Zur Beschleunigung der Katalysatoraufwärmung bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine wird das erste Wastegate, insbesondere im Teillastbetrieb geöffnet und das zweite Wastegate wird geschlossen.
Zur Beschleunigung der Motorerwärmung, insbesondere in einer Warmlaufphase der Brennkraftmaschine wird die über das zweite Wastegate abgegebene Wärme von einem im Kühlkreislauf vorgesehenen Kühlmittel aufgenommen.
Um eine Überhitzung des Kühlkreislaufs zu verhindern, wird das zweite Wastegate bei Erreichen einer vorgegebenen Maximaltemperatur des Kühlmittels zumindest teilweise geschlossen und das erste Wastegate wird geöffnet.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in
1 ein schematisches Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader.
Die in 1 in Form eines schematischen Blockschaltbildes dargestellte, bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader umfasst einen Motorblock 10, einen Ansaugtrakt 12 und einen Abgastrakt 14. Im Abgastrakt 14 sind eine Turbine 30 des Abgasturboladers sowie ein Katalysator 32 angeordnet. An der Turbine 30 ist ein erstes Wastegate 34 vorgesehen.
Erfindungsgemäß ist parallel zu dem ersten Wastegate 34 ein zweites Wastegate 36 vorgesehen. In 1 ist das erste Wastegate 34 beispielhaft in den Abgasturbolader integriert und das zweite Wastegate 36 als ein externes Wastegate dargestellt. Alternativ hierzu kann das erste Wastegate 34 als ein externes Wastegate realisiert und das zweite Wastegate 36 in den Abgasturbolader integriert sein. Wie an sich bekannt, erfolgt durch die Öffnung eines und/oder beider Wastegates eine Umgehung der Turbine des Abgasturboladers bei hohen Abgasmassenströmen.
Das zweite Wastegate 36 ist erfindungsgemäß mit einem Wärmetauscher 42 gekoppelt. Dieser ist in einem Kühlkreislauf 40 angeordnet, in dem ein geeignetes Kühlmittel vorgesehen ist. Der Kühlkreislauf 40 kann mit einem Kühlsystem (nicht dargestellt) der Brennkraftmaschine verbunden oder in dieses integriert sein. Als Kühlmittel wird vorzugsweise eine flüssige oder gasförmige Substanz verwendet, die zum Abtransport von aufgenommener Wärme geeignet ist, wie beispielsweise eine spezifische Kühlflüssigkeit, Wasser oder Luft.
Der Abgasturbolader der Brennkraftmaschine wird mit einem im Abgastrakt 14 geführten Abgasstrom betrieben, wobei zumindest ein Teil dieses Abgasstroms durch das erste Wastegate 34 und/oder das zweite Wastegate 36 geführt wird. Hierbei wird der durch das zweite Wastegate 36 geführte Teil des Abgasstroms im Wärmetauscher 42 gekühlt, während eine Kühlung des Teils des Abgasstroms, der durch das erste Wastegate 34 geführt wird, durch hierzu geeignete, besondere bauliche Maßnahmen nicht vorgesehen ist.
Nachfolgend wird die Funktionsweise der Erfindung in Bezug auf das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel näher erläutert. Bei hohen Abgasmassenströmen erfolgt bedarfsweise eine Öffnung eines und/oder beider Wastegates zur Umgehung der Turbine des Abgasturboladers, so dass die im Folgenden beschriebene Öffnung und/oder Schließung der Wastegates stets in Abhängigkeit von einem Abgasmassenstrom im Abgastrakt erfolgt.
Erfindungsgemäß wird das über den Wärmetauscher 42 mit dem Kühlkreislauf 40 verbundene zweite Wastegate 36 dazu genutzt, den nutzbaren Wärmeanteil des Abgasstroms der Brennkraftmaschine zu vergrößern, bevor dieser stromab des Abgasturboladers von dem Katalysator 32 gereinigt wird. Da die volle Funktion des Katalysators 32 zur Reinigung des Abgasstroms jedoch erst ab einer vorgegebenen Mindestbetriebstemperatur erreicht wird, wird das zweite Wastegate 36 nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine vorzugsweise zunächst geschlossen. Während das zweite Wastegate 36 geschlossen ist, wird das erste Wastegate 34 zur Beschleunigung der Katalysatoraufwärmung, insbesondere im Teillastbetrieb geöffnet, sodass mindestens ein Teil des Abgasstroms über das erste Wastegate 34 geführt wird. Somit wird der Abgasstrom zunächst nicht über das zweite Wastegate 36 geführt, sodass eine Kühlung des Abgasstroms durch den Wärmetauscher 42 verhindert wird. Stattdessen wird der durch das erste Wastegate 34 geführte Teil des Abgasstroms im Wesentlichen ungekühlt dem Katalysator 32 zu dessen Aufwärmung zugeführt.
Bei Erreichen einer vorgegebenen Mindestbetriebstemperatur des Katalysators 32 wird das erste Wastegate 34 zumindest teilweise geschlossen und das zweite Wastegate 36 wird zumindest soweit geöffnet, das ein Teil des Abgasstroms über dieses geführt wird und hierbei im Wärmetauscher 42 Wärme an den Kühlkreislauf 40 abgibt. Hierbei wird die über das zweite Wastegate 36 abgegebene Wärme von dem im Kühlkreislauf 40 vorgesehenen Kühlmittel aufgenommen und kann nun zur Beschleunigung der Motorerwärmung, insbesondere in einer Warmlaufphase der Brennkraftmaschine, und/oder zur weiteren Katalysatoraufwärmung verwendet werden, beispielsweise bis der Katalysator 32 eine bevorzugte Betriebstemperatur erreicht.
Solange das in dem Kühlkreislauf 40 vorgesehene Kühlmittel eine vorgegebene Maximaltemperatur nicht überschreitet und der Katalysator 32 die vorgegebene Mindestbetriebstemperatur bzw. die bevorzugte Betriebstemperatur nicht unterschreitet, kann das erste Wastegate 34 auch vollständig geschlossen und das zweite Wastegate 36 vollständig geöffnet werden. In diesem Fall wird nur das zweite Wastegate 36 zumindest mit einem Teil des Abgasstroms betrieben, der im Wärmetauscher 42 gekühlt wird, sodass die Gesamttemperatur des Abgasstroms gesenkt wird. Dementsprechend wird auch die Betriebstemperatur des Katalysators 32 und auch die thermische Belastung der Katalysatorumgebung reduziert. Dies ermöglicht erfindungsgemäß eine Erleichterung des Katalysator-Bauteileschutzes sowie eine Reduzierung eingesetzter Bauteileschutzkomponenten. Um auch bei Volllast, geringer Fahrtgeschwindigkeit und hoher Umgebungstemperatur einen geeigneten Bauteileschutz zu gewährleisten, können zusätzliche, auch bekannte Bauteileschutzmaßnahmen vorgesehen sein.
Im weiteren Betrieb der Brennkraftmaschine, d. h. nach der Warmlaufphase, werden das erste und zweite Wastegate 34, 36 erfindungsgemäß in Abhängigkeit von der jeweiligen Betriebstemperatur des Katalysators 32 und/oder der jeweiligen Temperatur des in dem Kühlkreislauf 40 vorgesehenen Kühlmittels gesteuert. Hierbei wird das zweite Wastegate 36 jeweils bei Erreichen einer vorgegebenen Maximaltemperatur des Kühlmittels zumindest teilweise geschlossen, um eine Überhitzung des Kühlkreislaufs 40 zu verhindern, wobei das erste Wastegate 34 zumindest teilweise wieder geöffnet werden kann.

10: Motorblock
12: Ansaugtrakt
14: Abgastrakt
30: Turbine des Abgasturboladers
32: Katalysator
34: erstes Wastegate
36: zweites Wastegate
40: Kühlkreislauf
42: Wärmetauscher

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 3035472 A1 [0003]
- DE 3406968 A1 [0004]
- DE 4326243 A1 [0005]

Claims

Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Abgastrakt (14) und in einem Abgasstrom der Brennkraftmaschine betriebenen Abgasturbolader und einem dem Abgasturbolader zugeordneten ersten Wastegate (34), dadurch gekennzeichnet, dass dem Abgasturbolader ein zweites Wastegate (36) zugeordnet ist, welches mit einem Kühlkreislauf (40) verbunden ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Wastegate (34) ein in den Abgasturbolader integriertes Wastegate und das zweite Wastegate (36) ein externes Wastegate ist, oder das erste Wastegate (34) ein externes Wastegate und das zweite Wastegate (36) ein in den Abgasturbolader integriertes Wastegate ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Wastegate (34, 36) bezüglich des Abgasstroms parallel zu einander angeordnet sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgastrakt (14) stromab des Abgasturboladers zumindest ein Katalysator (32) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreislauf (40) zur Motorerwärmung, insbesondere in einer Warmlaufphase der Brennkraftmaschine, und/oder zur Katalysatoraufwärmung mit einem Kühlsystem der Brennkraftmaschine verbunden ist.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Abgastrakt (14) und in einem Abgasstrom der Brennkraftmaschine betriebenen Abgasturbolader und einem dem Abgasturbolader zugeordneten ersten Wastegate (34), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest mit einem Teil des Abgasstroms ein dem Abgasturbolader zugeordnetes zweites Wastegate (36) betrieben wird, welches mit einem Kühlkreislauf (40) verbunden ist, wobei der Teil des Abgasstroms über das zweite Wastegate (36) Wärme an den Kühlkreislauf (40) abgibt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasstrom stromab des Abgasturboladers von zumindest einem Katalysator (32) gereinigt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Wastegate (34, 36) in Abhängigkeit von einer Betriebstemperatur des Katalysators (32) gesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Wastegate (34) bei Erreichen einer vorgegebenen Mindestbetriebstemperatur des Katalysators (32) geschlossen wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine zur Beschleunigung der Katalysatoraufwärmung das erste Wastegate (34) geöffnet und das zweite Wastegate (36) geschlossen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die über das zweite Wastegate (36) abgegebene Wärme von einem im Kühlkreislauf (40) vorgesehenen Kühlmittel aufgenommen wird und zur Motorerwärmung, insbesondere in einer Warmlaufphase der Brennkraftmaschine, und/oder zur Beeinflussung der Katalysatortemperatur verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen einer vorgegebenen Maximaltemperatur des Kühlmittels das zweite Wastegate (36) zumindest teilweise geschlossen und das erste Wastegate (34) geöffnet wird.