DE102007028493A1 - Internal combustion engine with two-stage turbocharging and oxidation catalyst - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (2) mit einem Abgastrakt (8) und mit zweistufiger Turboaufladung, wobei der Abgastrakt (8) zwei Turbinen (22, 24) eines ersten und eines zweiten Abgasturboladers (18, 20) und mindestens einen Oxidationskatalysator (34, 36) in Reihenschaltung und eine Bypassleitung (46) in Parallelschaltung zur Turbine (22) des ersten Abgasturboladers (18, 20) umfasst. Es ist vorgesehen, dass der Oxidationskatalysator (34) vor der Turbine (22) des ersten Turboladers (18) und hinter dem Abzweig der Bypassleitung (46) angeordnet ist.The invention relates to an internal combustion engine (2) with an exhaust gas tract (8) and with two-stage turbocharging, wherein the exhaust gas tract (8) has two turbines (22, 24) of a first and a second exhaust gas turbocharger (18, 20) and at least one oxidation catalytic converter (34, 36) in series and a bypass line (46) in parallel with the turbine (22) of the first exhaust gas turbocharger (18, 20). It is envisaged that the oxidation catalyst (34) is arranged in front of the turbine (22) of the first turbocharger (18) and behind the branch of the bypass line (46).

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Dieselmotor, mit zweistufiger Turboaufladung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 11.The The invention relates to an internal combustion engine, in particular a diesel engine, with two-stage turbocharger according to the preamble of claim 1, and a method for operating such Internal combustion engine according to claim 11.

Stand der TechnikState of the art

Brennkraftmaschinen mit zweistufiger Turboaufladung sind mit zwei Abgasturboladern ausgestattet, deren Turbinen in Serie im Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordnet sind. Solche Brennkraftmaschinen sind unter anderem in der DE 102 22 919 A1 , der DE 10 2004 009 794 A1 und in der DE 10 2005 025 885 A1 offenbart.Internal combustion engines with two-stage turbocharging are equipped with two exhaust gas turbochargers whose turbines are arranged in series in the exhaust tract of the internal combustion engine. Such internal combustion engines are among others in the DE 102 22 919 A1 , of the DE 10 2004 009 794 A1 and in the DE 10 2005 025 885 A1 disclosed.

Gemäß http://media.gm.com/be/opel/de/news/pr_old/pressrelease_3149.htm wurde weiter von der Fa. OPEL auf der Essen Motorshow im November 2003 ein Dieselmotor der eingangs genannten Art mit zweistufiger Turboaufladung für einen Pkw vorgestellt, bei dem durch die zweistufige Turboaufladung eine hohe spezifische Leistung ohne die sonstigen Nachteile bei Kraftstoffverbrauch und Emissionsverhalten erreicht wurde. Bei diesem Dieselmotor sorgt ein kleinerer schnell ansprechender Hochdruck-Turbolader bei niedrigen Drehzahlen bis 1800 min–1 für ein spontanes Ansprechverhalten des Brennkraftmaschine ohne Anfahrschwäche und ohne sogenanntes Turboloch, während sich oberhalb von 1800 min–1 ein großer, auf hohen Durchsatz ausgelegter Niederdruck-Turbolader zuschaltet. Bei Drehzahlen zwischen 1800 min–1 und 3000 min–1 laufen die Turbinen beider Turbolader gleichzeitig, während bei Drehzahlen oberhalb von 3000 min–1 nur noch der Niederdruck-Turbolader verdichtete Luft in die Zylinder der Brennkraftmaschine presst. Die Steuerung der beiden Abgasturbolader erfolgt mit Hilfe von last- und drehzahlgeregelten Abgas- oder Bypassklappen im Abgastrakt.According to http://media.gm.com/be/opel/de/news/pr_old/pressrelease_3149.htm was further presented by the company OPEL at the Essen Motor Show in November 2003, a diesel engine of the type mentioned with two-stage turbocharging for a car in the two-stage turbocharging a high specific performance without the other disadvantages in fuel consumption and emissions behavior was achieved. In this diesel engine, a smaller fast-response high-pressure turbocharger even at low speeds of up to 1800 min -1 for a spontaneous response of the internal combustion engine without starting weakness and without so-called turbo lag, while above 1800 min -1 a large, is laid out on a high throughput low pressure turbocharger connecting them. At speeds between 1800 min -1 and 3000 min -1 , the turbines of both turbochargers run simultaneously, while at speeds above 3000 min -1 only the low-pressure turbocharger compresses compressed air into the cylinders of the internal combustion engine. The two turbochargers are controlled by means of load- and speed-controlled exhaust or bypass valves in the exhaust gas tract.

Die Verwendung von Oxidationskatalysatoren im Abgastrakt von Dieselmotoren zur Verringerung des Anteils von unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) und Kohlenmonoxid (CO) in den Verbrennungsabgasen ist wohlbekannt. Dabei sind die Oxidationskatalysatoren von konventionellen Dieselmotoren für die Konvertierung sehr niedriger HC/CO-Emissionen ausgelegt und sind bei Dieselmotoren mit einem Abgasturbolader zumeist hinter dem Ausgang der Turbine angeordnet. Jedoch wirkt die Turbine aufgrund ihrer Masse als Wärmesenke, so dass insbesondere nach einem Kaltstart und im instationären Betrieb die Temperatur der Abgase hinter der Turbine deutlich niedrigere Werte als vor der Turbine besitzen kann. Da jedoch Oxidationskatalysatoren erst bei Erreichen der sogenannten Light-Off-Temperatur von etwa 200°C zufriedenstellend arbeiten, führen niedrigere Abgastemperaturen dazu, dass die Light-Off-Temperatur erst später erreicht wird. Die zeitliche Verzögerung wird noch größer, wenn die Abgase bei Brennkraftmaschinen der eingangs genannten Art zwei hintereinander geschaltete Turbinen durchströmen müssen, die beide als Wärmesenke wirken. Darüber hinaus wird dieses Problem in Zukunft wahrscheinlich noch verschärft werden, da Konzepte zur innermotorischen Reduzierung von Stickoxidemissionen, z. B. das sogenannte HCCI(Homogenous Charge Compression Ignition)-Verfahren, eine stärkere Homogenisierung und Verdünnung der Zylinderladung durch rückgeführtes Abgas vorsehen, was im Brennraum der Zylinder niedrigere Prozesstemperaturen zur Folge hat. Dies wiederum führt einerseits zu einem höheren Anteil an unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid in den Abgasen und somit zu größeren Anforderungen an den Oxidationskatalysator, während sich andererseits durch die niedrigeren Prozesstemperaturen ungünstigere Bedingungen für die Nachoxidation dieser Abgasbestandteile im Abgastrakt oder dem nachgeschalteten Oxidationskatalysator ergeben, dessen Aufheizung auf die Light-Off-Temperatur zudem durch die geringere Abgastemperatur weiter verzögert wird.The Use of oxidation catalysts in the exhaust tract of diesel engines for reducing the proportion of unburned hydrocarbons (HC) and carbon monoxide (CO) in the combustion exhaust gases is well known. Here are the oxidation catalysts of conventional diesel engines designed for the conversion of very low HC / CO emissions and are in diesel engines with an exhaust gas turbocharger usually behind the Output of the turbine arranged. However, the turbine acts due to their mass as a heat sink, so in particular after a Cold start and in transient operation the temperature of the Exhaust gases behind the turbine significantly lower levels than before Turbine can own. However, since oxidation catalysts only at Reaching the so-called light-off temperature of about 200 ° C. work satisfactorily, lower exhaust gas temperatures lead to that the light-off temperature is reached later. The time delay gets even bigger if the exhaust gases in internal combustion engines of the type mentioned must flow through two turbines connected in series, both act as a heat sink. Furthermore this problem is likely to be exacerbated in the future, since concepts for reducing the internal engine emissions of nitrogen oxides, z. B. the so-called HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) method, greater homogenization and dilution of the Provide cylinder charge by recirculated exhaust gas, which in the combustion chamber of the cylinders lower process temperatures Episode has. This in turn leads to a higher one Proportion of unburned hydrocarbons and carbon monoxide in the exhaust gases and thus to larger requirements to the oxidation catalyst, while on the other hand less favorable due to the lower process temperatures Conditions for post-oxidation of these exhaust constituents in the exhaust tract or the downstream oxidation catalyst, its heating to the light-off temperature also by the lower Exhaust gas temperature is further delayed.

Wenn der Oxidationskatalysator näher bei der Brennkraftmaschine im Abgastrakt angeordnet wird, führt dies jedoch ebenfalls zu Nachteilen. Zum einen verursacht der Katalysator bei hohen Drehzahlen und hoher Motorlast einen Druckverlust im Abgastrakt, der einen entsprechenden Leistungsverlust der Brennkraftmaschine zur Folge hat. Zum anderen führen die höheren Abgastemperaturen im Katalysator zu einer schnelleren Alterung.If the oxidation catalyst closer to the internal combustion engine In the exhaust tract is arranged, but this also leads to disadvantages. First, the catalyst causes at high speeds and high engine load a pressure drop in the exhaust tract, the one corresponding loss of power of the internal combustion engine result Has. On the other hand lead the higher exhaust gas temperatures in the catalyst to a faster aging.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art und ein Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine dahingehend zu verbessern, dass trotz einer Anordnung des Katalysators in größerer Nähe der Brennkraftmaschine bei hohen Drehzahlen und hoher Motorlast Druckverluste im Abgastrakt vermieden werden und die Alterung des Katalysators verlangsamt wird.outgoing This is the object of the invention, an internal combustion engine of the aforementioned type and a method for operating the internal combustion engine to improve that despite an arrangement of the catalyst in closer proximity to the internal combustion engine At high speeds and high engine load pressure losses in the exhaust system be avoided and the aging of the catalyst is slowed down.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Diese Aufgabe wird im Hinblick auf die Brennkraftmaschine erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Oxidationskatalysator hinter dem Abzweig der Bypassleitung und vor der Turbine des ersten Turboladers und angeordnet ist.These Task is in terms of the internal combustion engine according to the invention thereby solved that the oxidation catalyst behind the branch the bypass line and in front of the turbine of the first turbocharger and is arranged.

Die erfindungsgemäße Merkmalskombination ermöglicht es, die Abgase bei hohen Drehzahlen und/oder hoher Motorlast nicht nur an der Turbine des ersten Abgasturboladers sondern auch an dem vor dieser Turbine angeordneten Oxidationskatalysator vorbei zu leiten. Dadurch können Druckverluste im Abgastrakt vermieden und die durch hohe Abgastemperaturen infolge einer hohen Motorlast verursachte Alterung des vor der Turbine angeordneten Oxidationskatalysators verzögert werden. Auf der anderen Seite wird der Oxidationskatalysator vor der Turbine des ersten Abgasturboladers nach dem Start der Brennkraftmaschine schnell erhitzt, so dass er frühzeitig seine Light-Off-Temperatur erreicht und für eine Abgasnachbehandlung sorgt. Ein weiterer Vorteil des vor der Turbine angeordneten Oxidationskatalysators besteht darin, dass durch die exotherme Oxidationsreaktion die Abgastemperatur am Eintritt der Turbine erhöht wird, was zu einer Steigerung der Leistung des ersten Abgasturboladers und damit zum Aufbau eines höheren Ladedrucks führt.The feature combination according to the invention makes it possible, the exhaust gases at high speeds and / or high engine load not only on the turbine of the first exhaust gas turbocharger but also on the passing upstream of this turbine arranged oxidation catalyst. As a result, pressure losses in the exhaust gas tract can be avoided and the aging of the oxidation catalytic converter arranged in front of the turbine caused by high exhaust gas temperatures as a result of a high engine load can be delayed. On the other hand, the oxidation catalyst is heated quickly before the turbine of the first exhaust gas turbocharger after the start of the internal combustion engine, so that it reaches its light-off temperature early and ensures exhaust gas aftertreatment. Another advantage of the arranged upstream of the turbine oxidation catalyst is that the exhaust gas temperature is increased at the entrance of the turbine by the exothermic oxidation reaction, which leads to an increase in the performance of the first exhaust gas turbocharger and thus to build a higher boost pressure.

Bei Brennkraftmaschinen, die nach dem HCCI-Verfahren arbeiten, können mit der erfindungsgemäßen Merkmalskombination einerseits selbst bei sehr niedrigen Drehzahlen und sehr niedriger Motorlast unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid in den Abgasen trotz der verhältnismäßig niedrigen Abgastemperatur mit gutem Wirkungsgrad oxidiert und dadurch der HCCI-Betrieb hin zu niedrigeren Drehzahlen ausgeweitet werden. Andererseits ermöglicht es die Aufheizung der Abgase infolge der exothermen Reaktion im Oxidationskatalysator auch, den HCCI-Betrieb hin zu höheren Lasten auszuweiten. Diese beiderseitige Ausweitung des HCCI-Kennfeldbereichs führt wiederum zu einer weiteren Reduzierung der Stickoxid- und Ruß-Emissionen, was bei Serienbrennkraftmaschinen den Einsatz des HCCI-Verfahrens beschleunigen kann. Darüber hinaus ermöglicht es die Reduzierung der Ruß-Emissionen, das Regenerationsintervall eines nachgeschalteten Dieselpartikelfilters zu vergrößern, was nicht nur einen Verbrauchsvorteil bietet, sondern auch zu einer geringeren thermischen Belastung des Oxidationskatalysators und damit zu einer Verlängerung seiner Lebensdauer führt.at Internal combustion engines that operate according to the HCCI process can with the feature combination according to the invention on the one hand, even at very low speeds and very low Engine load unburned hydrocarbons and carbon monoxide in the Exhaust gases despite the relatively low Exhaust gas temperature oxidized with good efficiency and thereby the HCCI operation are extended to lower speeds. On the other hand allows it is the heating of the exhaust gases due to the exothermic reaction in the Oxidation catalyst also, the HCCI operation towards higher Expand loads. This mutual expansion of the HCCI map area in turn leads to a further reduction of nitrogen oxide and soot emissions, which in series internal combustion engines Use of the HCCI process can accelerate. About that In addition, it allows the reduction of soot emissions, the Regeneration interval of a downstream diesel particulate filter to enlarge, which is not only a consumption advantage offers, but also to a lower thermal load of Oxidation catalyst and thus to an extension its life leads.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Bypassleitung eine last- und/oder drehzahlgeregelte Abgas- oder Bypassklappe enthält, so dass die Abgase in Abhängigkeit von der Drehzahl und/oder Motorlast entweder durch den Katalysator und die Turbine oder durch die Bypassleitung geleitet werden können. Um zu vermeiden, dass die durch die Bypassleitung am Katalysator vorbei geleiteten Abgase ungereinigt durch den Auspuff austreten, ist hinter der Einmündung der Bypassleitung in den Abgastrakt ein weiterer Oxidationskatalysator angeordnet, der bevorzugt hinter der Turbine des zweiten Abgasturboladers eingebaut ist, aber auch vor dieser eingebaut sein kann.A preferred embodiment of the invention provides that the bypass line contains a load- and / or speed-controlled exhaust or bypass flap, so that the exhaust gases are dependent on the speed and / or Engine load either through the catalyst and the turbine or through the bypass line can be routed. In order to avoid, that passed through the bypass line past the catalyst Exhaust gases pass through the exhaust untreated, is behind the junction the bypass line in the exhaust tract another oxidation catalyst arranged, which preferably behind the turbine of the second exhaust gas turbocharger is installed, but can also be installed in front of this.

Um unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid in den durch den Abgastrakt strömenden Abgasen sobald wie möglich nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine zu oxidieren, sieht eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung vor, in einem Abgaskrümmer der Brennkraftmaschine mindestens einen weiteren Oxidationskatalysator anzuordnen, vorzugsweise einen hinter jedem Zylinder.Around unburned hydrocarbons and carbon monoxide in the by the Exhaust tract flowing exhaust gases as soon as possible after a cold start of the internal combustion engine to oxidize, sees one Another preferred embodiment of the invention, in an exhaust manifold to arrange the internal combustion engine at least one further oxidation catalyst, preferably one behind each cylinder.

Die Brennkraftmaschine ist zweckmäßig auch mit einer vor dem Oxidationskatalysator aus dem Abgastrakt abzweigenden, zu einem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine führenden Abgasrückführleitung versehen, die mit Vorteil sowohl vor als auch hinter den im Abgaskrümmer angeordneten Oxidationskatalysatoren abzweigen kann.The Internal combustion engine is also useful with a branching off from the exhaust tract upstream of the oxidation catalyst an intake tract of the internal combustion engine leading exhaust gas recirculation line provided with advantage both before and behind the exhaust manifold arranged branch off oxidation catalysts.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass die Bypassleitung bei niedrigen Drehzahlen und/oder niedriger Motorlast geschlossen wird und bei hohen Drehzahlen und/oder hoher Motorlast geöffnet wird, um die Abgase an der Turbine des ersten Abgasturboladers und an dem vor der Turbine angeordneten Oxidationskatalysator vorbei zu leiten.The inventive method provides that the Bypass line at low speeds and / or low engine load is closed and at high speeds and / or high engine load is opened to the exhaust gases on the turbine of the first exhaust gas turbocharger and past the oxidation catalyst located in front of the turbine to lead.

Zum Öffnen und Schließen der Bypassleitung dient eine Bypassklappe, deren Stellung zur Ladedruckregelung auch stufenlos zwischen "geschlossen" und "offen" variiert werden kann, beispielsweise bei mittleren Drehzahlen bzw. mittlerer Last. Die Oxidation von unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid erfolgt dann in beiden Oxidationskatalysatoren, wobei ein Teil im Oxidationskatalysator und ein anderer Teil in dem weiteren, hinter der Einmündung der Bypassleitung angeordneten Oxidationskatalysator oxidiert wird.To open and closing the bypass line serves a bypass flap, their position for boost pressure control also continuously between "closed" and "open" can be varied, for example at medium speeds or medium load. The oxidation of unburned hydrocarbons and carbon monoxide then occurs in both oxidation catalysts, one part in the oxidation catalyst and another part in the further, arranged behind the junction of the bypass line Oxidation catalyst is oxidized.

Der Einsatz einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine und eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist besonders vorteilhaft bei Brennkraftmaschinen, die mit einem HCCI-Verfahren betrieben werden. Jedoch ist ein Einsatz auch bei konventionellen Brennkraftmaschinen mit zweistufiger Turboaufladung von Vorteil, insbesondere dann, wenn ein bedeutender Anteil der Abgase in den Ansaugtrakt zurückgeführt wird, was zu einem hohen Anteil an unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid im Abgas und zu verhältnismäßig niedrigen Abgastemperaturen führt.Of the Use of an internal combustion engine according to the invention and a method of the invention is particular advantageous in internal combustion engines using an HCCI process operate. However, an insert is also conventional Internal combustion engines with two-stage turbocharging advantage, especially if a significant proportion of the exhaust gases in the Intake tract is recycled, resulting in a high Proportion of unburned hydrocarbons and carbon monoxide in the Exhaust and to relatively low Exhaust gas temperatures leads.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Im folgenden wird die Erfindung anhand einiger in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:in the Following is the invention with reference to some shown in the drawing Embodiments explained in more detail. Show it:

1 eine schematische Ansicht einer Brennkraftmaschine mit zweistufiger Turboaufladung und zwei Oxidationskatalysatoren im Abgastrakt; 1 a schematic view of an internal combustion engine with two-stage turbocharging and two oxidation catalysts in the exhaust system;

2 eine Ansicht entsprechend 1, jedoch mit vier zusätzlichen Oxidationskatalysatoren in einem Abgaskrümmer des Abgastrakts; 2 a view accordingly 1 , each but with four additional oxidation catalysts in an exhaust manifold of the exhaust tract;

3 eine Ansicht entsprechend 2, jedoch mit einer modifizierten Abgasrückführung. 3 a view accordingly 2 , but with a modified exhaust gas recirculation.

Ausführungsformen der Erfindungembodiments the invention

Die in der Zeichnung dargestellten Vierzylinder-Brennkraftmaschinen 2 mit zweistufiger Turboaufladung weisen einen Ansaugtrakt 4 zur Ansaugung von Frischluft in die Zylinder 6 der Brennkraftmaschine 2 und einen Abgastrakt 8 zur Abfuhr der Verbrennungsabgase aus den Zylindern 6 auf. Der Ansaugtrakt 4 umfasst einen Luftfilter 10, während der Abgastrakt 8 einen Abgaskrümmer 12 und ein vom Abgaskrümmer 12 zu einem Auspuff 14 führendes Abgas- oder Auspuffrohr 16 umfasst.The four-cylinder internal combustion engine shown in the drawing 2 with two-stage turbocharging have an intake tract 4 for the intake of fresh air into the cylinders 6 the internal combustion engine 2 and an exhaust tract 8th to remove the combustion gases from the cylinders 6 on. The intake tract 4 includes an air filter 10 while the exhaust tract 8th an exhaust manifold 12 and one from the exhaust manifold 12 to an exhaust 14 leading exhaust or exhaust pipe 16 includes.

Zur Aufladung der Brennkraftmaschine 2 weist diese einen ersten Hochdruck-Abgasturbolader 18 und einen zweiten Niederdruck-Abgasturbolader 20 auf. Die beiden Abgasturbolader 18 und 20 besitzen jeweils eine entlang des Abgas- oder Auspuffrohrs 16 angeordnete, mit den Verbrennungsabgasen aus den Zylindern 6 beaufschlagbare Turbine 22 bzw. 24, sowie einen von der Turbine 22 bzw. 24 über eine Welle 26 bzw. 28 angetriebenen Verdichter 30 bzw. 32. Die Turbine 22 des Hochdruck-Abgasturboladers 18 ist in Strömungsrichtung der Abgase vor der Turbine 24 des Niederdruck-Abgasturboladers 20 im Abgas- oder Auspuffrohr 16 angeordnet. Die beiden Verdichter 32 und 30 sind ebenfalls in Serie im Ansaugtrakt 4 angeordnet und verdichten die durch den Luftfilter 10 aus der Umgebung angesaugte Frischluft vor ihrer Zufuhr in die Zylinder 6.For charging the internal combustion engine 2 this has a first high-pressure exhaust gas turbocharger 18 and a second low pressure exhaust gas turbocharger 20 on. The two turbochargers 18 and 20 each have one along the exhaust pipe or exhaust pipe 16 arranged, with the combustion exhaust gases from the cylinders 6 actable turbine 22 respectively. 24 , as well as one from the turbine 22 respectively. 24 over a wave 26 respectively. 28 driven compressor 30 respectively. 32 , The turbine 22 the high-pressure exhaust gas turbocharger 18 is in the flow direction of the exhaust gases in front of the turbine 24 the low-pressure exhaust gas turbocharger 20 in the exhaust or exhaust pipe 16 arranged. The two compressors 32 and 30 are also in series in the intake system 4 arranged and compact through the air filter 10 Fresh air sucked in from the environment before being fed into the cylinders 6 ,

Zur Behandlung der Abgase der Brennkraftmaschine 2 ist zwischen dem Abgaskrümmer 12 und der Turbine 22 des Hochdruck-Abgasturboladers 18 ein erster Oxidationskatalysator 34 in das Abgas- oder Auspuffrohr 16 eingebaut, während hinter der Turbine 24 des Niederdruck-Abgasturboladers 20 und vor dem Auspuff 14 ein zweiter Oxidationskatalysator 36 und ein dem Oxidationskatalysator 36 nachgeschalteter Dieselpartikelfilter 38 im Abgas- oder Auspuffrohr 16 angeordnet sind.For the treatment of the exhaust gases of the internal combustion engine 2 is between the exhaust manifold 12 and the turbine 22 the high-pressure exhaust gas turbocharger 18 a first oxidation catalyst 34 into the exhaust pipe or exhaust pipe 16 installed while behind the turbine 24 the low-pressure exhaust gas turbocharger 20 and in front of the exhaust 14 a second oxidation catalyst 36 and an oxidation catalyst 36 downstream diesel particulate filter 38 in the exhaust or exhaust pipe 16 are arranged.

Zur Reduzierung der Stickoxid-Emissionen der Brennkraftmaschine 2 und zur schnelleren Aufheizung der Brennkraftmaschine 2 nach einem Kaltstart sind der Abgastrakt 8 und der Ansaugtrakt 4 durch eine Abgasrückführleitung 40 verbunden, durch das ein Teil der Abgase aus dem Abgastrakt 8 in den Ansaugtrakt 4 zurückgeführt werden kann. Die Abgasrückführleitung 40 enthält ein Abgasrückführventil 42 zur Regelung der Menge der zurückgeführten Abgase sowie einen Abgasrückführkühler 44 zur Kühlung der zurückgeführten Abgase.To reduce the nitrogen oxide emissions of the internal combustion engine 2 and for faster heating of the internal combustion engine 2 after a cold start are the exhaust tract 8th and the intake tract 4 through an exhaust gas recirculation line 40 connected by the part of the exhaust gases from the exhaust tract 8th in the intake tract 4 can be returned. The exhaust gas recirculation line 40 contains an exhaust gas recirculation valve 42 for controlling the amount of recirculated exhaust gases and an exhaust gas recirculation cooler 44 for cooling the recirculated exhaust gases.

Der Abgastrakt 8 umfasst weiter eine Bypassleitung 46, die sich parallel zu einem Teilstück des Abgas- oder Auspuffrohrs 16 erstreckt, in das der Oxidationskatalysator 34 und die Turbine 22 des Hochdruckturboladers 18 eingebaut sind. Die Bypassleitung 46 zweigt vor dem Oxidationskatalysator 34 ab und mündet zwischen den Turbinen 22 und 24 wieder in das Abgas- oder Auspuffrohr 16. Die Bypassleitung 46 enthält eine stufenlos verstellbare Bypassklappe 48, die drehzahl- und/oder lastabhängig regelbar ist, um die Abgase aus den Zylindern 6 entweder bei geschlossener Klappe 48 durch den Oxidationskatalysator 34 und die Turbine 22, bei geöffneter Klappe 48 durch die Bypassleitung 46 am Katalysator 46 und an der Turbine 22 vorbei zu leiten oder bei teilweise geöffneter Klappe 48 jeweils einen Teil der Abgase durch den Katalysator 34 und die Turbine 22 bzw. an diesen vorbei zu leiten. Im zuletzt genannten Fall befinden sich beide Turbinen 22 und 24 im Betrieb, wobei jedoch die Turbine 22 nur anteilig von den Abgasen durchströmt wird. Die Turbine 24 kann einen integrierten Bypass (nicht dargestellt) aufweisen, der ebenfalls mit einer drehzahl- und/oder lastabhängig regelbaren Bypassklappe in Form eines sogenannten Wastegate (nicht dargestellt) versehen ist, durch die mindestens ein Teil der Abgase an der Turbine 24 vorbeigeleitet werden kann.The exhaust tract 8th further includes a bypass line 46 that are parallel to a portion of the exhaust or exhaust pipe 16 extends into which the oxidation catalyst 34 and the turbine 22 of the high pressure turbocharger 18 are installed. The bypass line 46 branches in front of the oxidation catalyst 34 and flows between the turbines 22 and 24 back into the exhaust or exhaust pipe 16 , The bypass line 46 contains a continuously adjustable bypass flap 48 , which is speed and / or load-dependent adjustable to the exhaust gases from the cylinders 6 either with the flap closed 48 through the oxidation catalyst 34 and the turbine 22 , with the flap open 48 through the bypass line 46 on the catalyst 46 and at the turbine 22 to pass by or with partially open flap 48 each part of the exhaust gases through the catalyst 34 and the turbine 22 or to pass them by. In the latter case, both turbines are located 22 and 24 in operation, but with the turbine 22 only proportionate flows through the exhaust gases. The turbine 24 may comprise an integrated bypass (not shown), which is also provided with a speed-dependent and / or load-controllable bypass flap in the form of a so-called wastegate (not shown) through which at least a portion of the exhaust gases to the turbine 24 can be bypassed.

Der erste Oxidationskatalysator 34 ist näher bei den Zylindern 6 und vor den als Wärmesenken wirkenden Turbinen 22 und 24 der Abgasturbolader 18 und 20 angeordnet, so dass er nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine 2 schneller seine Light-Off-Temperatur erreicht und frühzeitig für eine Oxidation von unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxids sorgt. Da die Oxidation im Oxidationskatalysator 34 exotherm verläuft, wird außerdem die Temperatur der in die Turbine 22 eintretenden Abgase erhöht. Dadurch kann bei niedrigen Drehzahlen und niedriger Last das Verdichtungsverhältnis der Frischluft durch den Turbolader 18 gesteigert und so das Ansprechverhalten der Brennkraftmaschine 2 in diesem Drehzahlbereich verbessert bzw. das sogenannte "Turboloch" vermieden werden. Der erste Turbolader 18 arbeitet in diesem Drehzahlbereich vorzugsweise alleine, um die Temperatur der Abgase am Eintritt des zweiten Oxidationskatalysators 36 möglichst hoch zu halten. Dieser Katalysator 36 wird wie der Katalysator 34 von den Abgasen durchströmt und sorgt für eine vollständige Umsetzung der unverbrannten Kohlenwasserstoffe und des Kohlenmonoxids vor dem Austritt aus dem Auspuff 14.The first oxidation catalyst 34 is closer to the cylinders 6 and before the turbines acting as heat sinks 22 and 24 the exhaust gas turbocharger 18 and 20 arranged so that he after a cold start of the internal combustion engine 2 achieves its light-off temperature more quickly and provides early oxidation of unburned hydrocarbons and carbon monoxide. As the oxidation in the oxidation catalyst 34 In addition, the temperature of the turbine is exothermic 22 entering exhaust gases increased. As a result, at low speeds and low load, the compression ratio of the fresh air through the turbocharger 18 increased and so the response of the internal combustion engine 2 improved in this speed range or the so-called "turbo lag" can be avoided. The first turbocharger 18 preferably operates alone in this speed range to the temperature of the exhaust gases at the inlet of the second oxidation catalyst 36 keep as high as possible. This catalyst 36 becomes like the catalyst 34 flows through the exhaust gases and ensures complete conversion of unburned hydrocarbons and carbon monoxide before exiting the exhaust 14 ,

In einem mittleren Drehzahl- und Lastbereich wird der zweite Abgasturbolader 20 durch Schließen der Abgasklappe der Turbine 24 zum ersten Abgasturbolader 18 zugeschaltet, so dass in diesem Drehzahlbereich beide Turbinen 22 und 24 gleichzeitig laufen und ebenfalls beide Oxidationskatalysatoren 34 und 36 von den Abgasen durchströmt werden.In a medium speed and load range, the second exhaust gas turbocharger 20 by closing the exhaust flap of the turbine 24 to the first exhaust gas turbocharger 18 switched on, so that in this speed range both turbines 22 and 24 run simultaneously and also both oxidation catalysts 34 and 36 be traversed by the exhaust gases.

Bei hohen Drehzahlen und hoher Last wird die Abgasklappe 48 in der Bypassleitung 46 geöffnet, so dass die Abgase am Oxidationskatalysator 34 und an der Turbine 22 vorbei geleitet werden. Auf diese Weise können in diesem Betriebszustand die Druckverluste im Abgastrakt 8 und damit die Leistungsverluste der Brennkraftmaschine 2 niedrig gehalten und die Alterung des Oxidationskatalysators 34 infolge hoher Abgastemperaturen bei hoher Motorlast verlangsamt werden. Die Abgase strömen in diesem Betriebszustand durch die Bypassleitung 46, die Turbine 24 und den Oxidationskatalysator 36, der dann alleine die Umsetzung der unverbrannten Kohlenwasserstoffe und des Kohlenmonoxids übernimmt.At high speeds and high load becomes the exhaust flap 48 in the bypass line 46 open so that the exhaust gases on the oxidation catalyst 34 and at the turbine 22 passed by. In this way, in this operating condition, the pressure losses in the exhaust system 8th and thus the power losses of the internal combustion engine 2 kept low and the aging of the oxidation catalyst 34 slowed due to high exhaust gas temperatures at high engine load. The exhaust gases flow in this operating state through the bypass line 46 , the turbine 24 and the oxidation catalyst 36 which then alone takes over the conversion of unburned hydrocarbons and carbon monoxide.

Die in 2 dargestellte Brennkraftmaschine 2 weist vier zusätzliche Oxidationskatalysatoren 50, 52, 54, 56 auf, die jeweils hinter einem der vier Zylinder 6 in den Abgaskrümmer 12 eingebaut sind. Infolge ihrer großen Nähe zu den Zylindern 6 werden die Oxidationskatalysatoren 50, 52, 54, 56 sehr schnell bis zur Light-Off-Temperatur erhitzt, wodurch die Oxidation von unverbrannten Kohlenwasserstoffen und von Kohlenmonoxid in den Abgasen frühzeitig einsetzt und damit der Schadstoffausstoß nach einem Kaltstart verringert wird. Außerdem kann durch die Oxidationskatalysatoren 50, 52, 54, 56 bei niedrigen Drehzahlen und bei niedriger Motorlast der Wirkungsgrad der Oxidation insgesamt verbessert werden, da am Eingang der Katalysatoren 50, 52, 54, 56 erheblich höhere Temperaturen als am Eingang der beiden Katalysatoren 34 bzw. 36 herrschen. Darüber hinaus führt die zusätzliche Oxidation von unverbrannten Kohlenwasserstoffen und von Kohlenmonoxid in den vier Oxidationskatalysatoren 50, 52, 54, 56 zu einer weiteren Erhöhung der Temperatur der Abgase vor deren Eintritt in die Turbine 22 und damit zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades des Hochdruck-Abgasturboladers 18 im Vergleich zu der Brennkraftmaschine 2 aus 1, wo vor der Turbine 22 nur im Oxidationskatalysator 34 eine Oxidation von unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid stattfindet.In the 2 illustrated internal combustion engine 2 has four additional oxidation catalysts 50 . 52 . 54 . 56 on, each behind one of the four cylinders 6 in the exhaust manifold 12 are installed. Because of their close proximity to the cylinders 6 become the oxidation catalysts 50 . 52 . 54 . 56 heated very rapidly to the light-off temperature, whereby the oxidation of unburned hydrocarbons and carbon monoxide in the exhaust gases used early and thus the emission of pollutants is reduced after a cold start. In addition, by the oxidation catalysts 50 . 52 . 54 . 56 At low speeds and at low engine load, the overall oxidation efficiency can be improved because at the entrance of the catalysts 50 . 52 . 54 . 56 significantly higher temperatures than at the entrance of the two catalysts 34 respectively. 36 to rule. In addition, the additional oxidation of unburned hydrocarbons and carbon monoxide in the four oxidation catalysts 50 . 52 . 54 . 56 to further increase the temperature of the exhaust gases before they enter the turbine 22 and thus to an increase in the efficiency of the high-pressure exhaust gas turbocharger 18 in comparison to the internal combustion engine 2 out 1 where in front of the turbine 22 only in the oxidation catalyst 34 an oxidation of unburned hydrocarbons and carbon monoxide takes place.

Um die Kühlleistung des Abgasrückführkühlers 44 zu verringern, können die in den Ansaugtrakt 4 zurückgeführten Abgase auch bereits vor dem Hindurchtritt durch einen der Katalysatoren 50, 52, 54, 56 aus dem Abgaskrümmer 12 abgeführt werden, wie in 3 dargestellt. Allerdings sinkt dann der Abgasvolumenstrom durch die Katalysatoren 50, 52, 54, 56, so dass sie etwas langsamer aufgeheizt werden und das Erreichen der Light-Off-Temperatur nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine etwas verzögert wird.To the cooling capacity of the exhaust gas recirculation cooler 44 can reduce the intake into the intake 4 recycled exhaust even before passing through one of the catalysts 50 . 52 . 54 . 56 from the exhaust manifold 12 be dissipated, as in 3 shown. However, the exhaust gas volume flow then drops through the catalysts 50 . 52 . 54 . 56 , so that they are heated a little slower and the achievement of the light-off temperature after a cold start of the engine is delayed somewhat.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (11)

Brennkraftmaschine mit einem Abgastrakt und mit zweistufiger Turboaufladung, wobei der Abgastrakt zwei Turbinen eines ersten und eines zweiten Abgasturboladers und mindestens einen Oxidationskatalysator in Reihenschaltung und eine Bypassleitung in Parallelschaltung zur Turbine des ersten Abgasturboladers umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Oxidationskatalysator (34) vor der Turbine (22) des ersten Turboladers (18) und hinter dem Abzweig der Bypassleitung (46) angeordnet ist.Internal combustion engine with an exhaust tract and with two-stage turbocharging, wherein the exhaust tract comprises two turbines of a first and a second exhaust gas turbocharger and at least one oxidation catalyst in series and a bypass line in parallel to the turbine of the first exhaust gas turbocharger, characterized in that the oxidation catalyst ( 34 ) in front of the turbine ( 22 ) of the first turbocharger ( 18 ) and behind the branch of the bypass line ( 46 ) is arranged. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (46) eine last- und/oder drehzahlgeregelte Abgasklappe (48) enthält.Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the bypass line ( 46 ) a load- and / or speed-controlled exhaust flap ( 48 ) contains. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (46) zwischen den Turbinen (22, 24) des ersten und des zweiten Abgasturboladers (18, 20) mündet.Internal combustion engine according to claim 1 or 2, characterized in that the bypass line ( 46 ) between the turbines ( 22 . 24 ) of the first and the second exhaust gas turbocharger ( 18 . 20 ) opens. Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen weiteren, hinter einer Einmündung der Bypassleitung (46) angeordneten Oxidationskatalysator (36).Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized by a further, behind an opening of the bypass line ( 46 ) arranged oxidation catalyst ( 36 ). Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Oxidationskatalysator (36) hinter der Turbine (24) des zweiten Abgasturboladers (20) angeordnet ist.Internal combustion engine according to claim 4, characterized in that the further oxidation catalyst ( 36 ) behind the turbine ( 24 ) of the second exhaust gas turbocharger ( 20 ) is arranged. Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens einen noch weiteren, in einem Abgaskrümmer (12) angeordneten Oxidationskatalysator (50, 52, 54, 56).Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized by at least one more still, in an exhaust manifold ( 12 ) arranged oxidation catalyst ( 50 . 52 . 54 . 56 ). Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass hinter jedem Zylinder (6) ein weiterer Oxidationskatalysator (50, 52, 54, 56) im Abgaskrümmer (12) angeordnet ist.Internal combustion engine according to claim 6, characterized in that behind each cylinder ( 6 ) another oxidation catalyst ( 50 . 52 . 54 . 56 ) in the exhaust manifold ( 12 ) is arranged. Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine vor dem Oxidationskatalysator (34) aus dem Abgastrakt (8) abzweigende, zu einem Ansaugtrakt (4) führende Abgasrückführleitung (40).Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized by a front of the oxidation catalyst ( 34 ) from the exhaust tract ( 8th ) branching off to an intake tract ( 4 ) leading exhaust gas recirculation line ( 40 ). Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (2) ein Dieselmotor ist, der mit einem HCCI-Verfahren oder mit einem bedeutenden Anteil an rückgeführtem Abgas betrieben wird.Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the internal combustion engine ( 2 ) is a diesel engine operated by a HCCI process or with a significant amount of recirculated exhaust gas. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (46) bei niedrigen Drehzahlen und/oder niedriger Motorlast geschlossen und bei hohen Drehzahlen und/oder hoher Motorlast geöffnet wird, um die Abgase an der Turbine (22) des ersten Abgasturboladers (18) und dem vor der Turbine (22) angeordneten Oxidationskatalysator (34) vorbei zu leiten.Method for operating an internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the bypass line ( 46 Closed at low speeds and / or low engine load and opened at high speeds and / or high engine load to the exhaust gases on the turbine ( 22 ) of the first exhaust gas turbocharger ( 18 ) and in front of the turbine ( 22 ) arranged oxidation catalyst ( 34 ) to pass by. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (46) bei mittleren Drehzahlen und/oder mittlerer Motorlast teilweise geschlossen wird, einen Teil der Abgase an der Turbine (22) des ersten Abgasturboladers (18) und dem vor der Turbine (22) angeordneten Oxidationskatalysator (34) vorbei zu leiten.A method according to claim 10, characterized in that the bypass line ( 46 ) is partially closed at medium speeds and / or average engine load, a portion of the exhaust gases at the turbine ( 22 ) of the first exhaust gas turbocharger ( 18 ) and in front of the turbine ( 22 ) arranged oxidation catalyst ( 34 ) to pass by.
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