DE102008036157A1

DE102008036157A1 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102008036157A1
Application number: DE102008036157A
Authority: DE
Inventors: Roland Dipl.-Ing. Dold; Julius Dr. Dipl.-Ing. Pretterebner
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-08-02
Filing date: 2008-08-02
Publication date: 2010-02-04

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (1), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, umfassend einen mehrere Zylinder aufweisenden Motorblock (2), eine Frischluftanlage (3) zum Zuführen von Frischluft zu den Zylindern des Motorblocks (2), eine Abgasanlage (4) zum Abführen von Abgas aus den Zylindern des Motorblocks (2), ein in der Abgasanlage (4) angeordnetes Abgasreinigungssystem (7), das wenigstens eine Abgasreinigungseinrichtung (8, 10, 14) aufweist, eine in der Abgasanlage (4), stromab des Abgasreinigungssystems angeordneten Abgasturbine (18) zur Umwandlung von Abgasenergie in mechanische und/oder elektrische Energie. Der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine (1) lässt sich erhöhen, wenn in der Frischluftanlage (3) ein Verdichter (5) angeordnet ist, um das Druckniveau, auf dem die Brennkraftmaschine (1) betrieben wird, anzuheben, wenn dem Verdichter (5) ein Eingangsdruckspeicher (6) zugeordnet ist, der stromab des Verdichters (5) an die Frischluftanlage (3) angeschlossen ist, und wenn der Abgasturbine (18) ein Ausgangsdruckspeicher (21) zugeordnet ist, der stromauf der Abgasturbine (18) an die Abgasanlage (4) angeschlossen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Aus der FR 2 875 267 A1 ist eine Brennkraftmaschine bekannt, die einen Motorblock mit mehreren Zylindern, eine Frischluftanlage zum Zuführen von Frischluft zu den Zylindern des Motorblocks sowie eine Abgasanlage zum Abführen von Abgas aus den Zylindern des Motorblocks aufweist. In der Abgasanlage ist eine Abgasreinigungseinrichtung angeordnet. Ferner befindet sich stromab der Abgasreinigungseinrichtung eine Abgasturbine zur Umwandlung von Abgasenergie in mechanische und/oder elektrische Energie. Bei der bekannten Brennkraftmaschine kann mit der Abgasturbine eine Pumpe angetrieben werden, um einen Druckspeicher mit Frischluft zu beladen. Besagter Frischluftspeicher ist an die Frischluftanlage angeschlossen.
Aus der GB 2 332 180 A ist eine Brennkraftmaschine bekannt, deren Abgasanlage mit Druckspeichern ausgestattet ist. Das gespeicherte Abgas kann bedarfsabhängig einer Abgasturbine zugeführt werden, um die Antriebsleistung der Brennkraftmaschine zu steigern.
Aus der US 2006/0107662 A1 ist eine Brennkraftmaschine bekannt, die mit einem Abgasturbolader ausgestattet ist. Ferner ist ein Druckspeicher vorgesehen, mit dem bedarfsabhängig ein Druckmedium auf das Laufrad der Turbine aufgebracht werden kann, um vorübergehend die Leistung des Abgasturboladers und somit die Leistung der Brennkraftmaschine zu erhöhen. Zum Aufladen des Druckspeichers ist eine separate Pumpe vorgesehen.
Aus der DE 102 39 110 A1 ist eine Brennkraftmaschine bekannt, die zwei Abgasturbolader aufweist. Außerdem ist ein Druckspeicher mit separatem Verdichter vorgesehen.
Um bei Brennkraftmaschinen den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren, ist es erforderlich, deren Effizienz zu verbessern. Ein Weg zur Wirkungsgradsteigerung ist die Nutzung der im Abgas enthaltenen Energie beispielsweise mittels einer Abgasturbine.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass sich eine bessere Nutzbarkeit der Abgasenergie ergibt.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Brennkraftmaschine insgesamt auf einem höheren Druckniveau zu betreiben und den Motorbetrieb von der Abwärmenutzung zu entkoppeln. Der Betrieb auf dem erhöhten Druckniveau wird mit Hilfe eines Verdichters erreicht, der in der Frischluftanlage angeordnet ist. Durch das erhöhte Druckniveau, auf dem die Brennkraftmaschine einschließlich des Abgasreinigungssystems betrieben werden kann, stehen an der stromab des Abgasreinigungssystems angeordneten Abgasturbine höhere Druckdifferenzen und höhere Temperaturdifferenzen zur Verfügung, die eine Umwandlung der Abgasenergie in mechanische und/oder elektrische Energie mit höherer Effizienz erlauben. Um nun den Motorbetrieb von der Abgasenergienutzung entkoppeln zu können, ist einerseits dem Verdichter ein Eingangsdruckspeicher zugeordnet, der stromab des Verdichters an die Frischluftanlage angeschlossen ist. Andererseits ist der Abgasturbine ein Ausgangsdruckspeicher zugeordnet, der stromauf der Abgasturbine an die Abgasanlage angeschlossen ist. Mit Hilfe der Druckspeicher kann unabhängig vom aktuellen Betrieb des Motors Abgasenergie in elektrische und/oder mechanische Energie umgewandelt werden. Bei einem geringen Bedarf an Abgasenergienutzung und/oder bei einem Leistungsüberschuss der Brennkraftmaschine können die Speicher geladen werden.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Die einzige 1 zeigt eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung einer Brennkraftmaschine.
Entsprechend 1 umfasst eine Brennkraftmaschine 1, wie sie bevorzugt bei Kraftfahrzeugen zur Anwendung kommt, einen Motorblock 2, der mehrere, hier nicht gezeigte Zylinder aufweist. Eine Frischluftanlage 3 dient zur Versorgung der Zylinder bzw. der Brennräume des Motorblocks 2 mit Frischluft. Ferner ist eine Abgasanlage 4 vorgesehen, die Abgas von den Zylindern bzw. von den Brennräumen des Motorblocks 2 abführt.
Die Frischluftanlage 3 enthält einen Verdichter 5, mit dessen Hilfe das Druckniveau, auf dem die Brennkraftmaschine 1 bzw. der Motorblock 2 betrieben wird, angehoben werden kann. Ferner ist diesem Verdichter 5 ein Eingangsdruckspeicher 6 zugeordnet. Dieser ist an die Frischluftanlage 3 stromab des Verdichters 5 angeschlossen. Im Übrigen kann die Frischluftanlage 3 wie eine konventionelle Frischluftanlage 3 mit weiteren, nicht gezeigten Komponenten ausgestattet sein, wie zum Beispiel ein Frischluftfilter, eine Frischluftverteileranlage, eine Frischluftdrossel und dergleichen.
Die Abgasanlage 4 enthält ein Abgasreinigungssystem 7, das zumindest eine Abgasreinigungseinrichtung enthält. Im Beispiel der 1 sind drei Abgasreinigungseinrichtungen dargestellt, nämlich ein Oxidationskatalysator 8 mit einem Voroxidationskatalysatorelement 9, eine Einspritzeinrichtung 10 mit einer Einspritzdüse 11, einer Einspritzpumpe 12 und einem Edukttank 13 sowie ein SCR-Katalysator 14 mit einem Hydrolysekatalysatorelement 15, einem SCR-Katalysatorelement 16 und einem Oxidationskatalysatorelement 17. Mit Hilfe der Einspritzeinrichtung 10 kann ein geeignetes Edukt in die Abgasanlage 4 bzw. in das Abgas eingespritzt werden. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um Harn stoff bzw. um eine wässrige Harnstofflösung. Diese wird im Hydrolysekatalysatorelement 15 in Ammoniak umgesetzt. Mit dem Ammoniak kann am SCR-Katalysatorelement 16 eine Umwandlung von Stickoxiden in Stickstoff und Wasser realisiert werden. Es ist klar, dass das Abgasreinigungssystem 7 noch weitere, hier nicht dargestellte Komponenten enthalten kann. Beispielsweise kann stromab des SCR-Katalysators 14 noch ein Partikelfilter in der Abgasanlage 4 angeordnet sein.
Stromab des Abgasreinigungssystems 7 ist in der Abgasanlage 4 eine Abgasturbine 18 angeordnet, mit deren Hilfe Abgasenergie in mechanische und/oder elektrische Energie umgewandelt werden kann. Hierzu treibt die Abgasturbine 18 eine Antriebswelle 19 an, die auf geeignete Weise mit einem entsprechenden Verbraucher 20 gekoppelt ist. Beim Verbraucher 20 kann es sich dabei beispielsweise um einen Generator handeln, mit dessen Hilfe elektrische Energie generiert werden kann. Grundsätzlich kann es sich beim Verbraucher 20 auch um einen beliebigen anderen Verbraucher von mechanischer bzw. elektrischer Energie handeln. Ferner kann zwischen der Antriebswelle 19 und dem jeweiligen Verbraucher 20 auch eine Kupplungseinrichtung vorgesehen sein.
Des Weiteren weist die Abgasanlage 4 einen der Abgasturbine 18 zugeordneten Ausgangsdruckspeicher 21 auf. Dieser Ausgangsdruckspeicher 21 ist dabei stromauf der Abgasturbine 18 an die Abgasanlage 4 angeschlossen. Ferner ist der Ausgangsdruckspeicher 21 stromab des Abgasreinigungssystems 7 an die Abgasanlage 4 angeschlossen.
Mit Hilfe des Verdichters 5 kann quasi der Umgebungsdruck, bei dem die Brennkraftmaschine 1 betrieben wird, erhöht werden. Dies führt zu einer erhöhten Abgasenthalpie, so dass über die Abgasturbine 18 mit erhöhtem Wirkungsgrad Energie aus dem Abgas entzogen werden kann. Insgesamt lässt sich somit die Effektivität der Brennkraftmaschine 1 steigern. Die mit Hilfe des Verdichters 5 erzeugte Druckerhöhung dient dabei in erster Linie nicht einer verbesserten Aufladung der Brennräume des Motorblocks 2, vielmehr soll mit dieser Druckerhöhung eine bessere bzw. effektivere Nutzbarkeit der Abgasenergie erreicht werden.
Dementsprechend ist es auch grundsätzlich möglich, den Verdichter 5 mit dem Eingangsdruckspeicher 6 und die Abgasturbine 18 mit dem Ausgangsdruckspeicher 21 bei einer aufgeladenen Brennkraftmaschine 1 zu verwenden. Der Verdichter 5 arbeitet dann als Vorverdichter und ist stromauf einer entsprechenden Ladeeinrichtung in der Frischluftanlage 3 angeordnet. Sofern die Brennkraftmaschine 1 mit einem Abgasturbolader (ATL) aufgeladen ist, befindet sich eine entsprechende Turbine des ATL üblicherweise stromauf des Abgasbehandlungssystems 7 in der Abgasanlage 4. Dementsprechend befindet sich die hier gezeigte Abgasturbine 18 zur Abwärmenutzung stromab dieser ATL-Turbine.
Der Ausgangsdruckspeicher 21 kann zweckmäßig auch als Wärmespeicher ausgestaltet sein. Beispielsweise kann er hierzu mit einer thermischen Isolierung 22 versehen sein. Auf diese Weise kann nicht nur der Druck, sondern auch die Temperatur des Abgases stromauf der Abgasturbine 18 bevorratet werden.
Die mit Hilfe des Verdichters 5 realisierte Anhebung des Umgebungsdrucks kann beispielsweise auf etwa 10 bar erfolgen. Der jeweilige Druckspeicher 6, 21 kann beispielsweise ein Volumen von etwa 30 l aufweisen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- FR 2875267 A1 [0002]
- GB 2332180 A [0003]
- US 2006/0107662 A1 [0004]
- DE 10239110 A1 [0005]

Claims

Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, – mit einem mehrere Zylinder aufweisenden Motorblock (2), – mit einer Frischluftanlage (3) zum Zuführen von Frischluft zu den Zylindern des Motorblocks (2), – mit einer Abgasanlage (4) zum Abführen von Abgas aus den Zylindern des Motorblocks (2), – mit einem in der Abgasanlage (4) angeordneten Abgasreinigungssystem (7), das wenigstens eine Abgasreinigungseinrichtung (8, 10, 14) aufweist, – mit einer in der Abgasanlage (4), stromab des Abgasreinigungssystems (7) angeordneten Abgasturbine (18) zur Umwandlung von Abgasenergie in mechanische und/oder elektrische Energie, dadurch gekennzeichnet, dass – in der Frischluftanlage (3) ein Verdichter (5) angeordnet ist, um das Druckniveau, auf dem die Brennkraftmaschine (1) betrieben wird, anzuheben, – dem Verdichter (5) ein Eingangsdruckspeicher (6) zugeordnet ist, der stromab des Verdichters (5) an die Frischluftanlage (3) angeschlossen ist, – der Abgasturbine (18) ein Ausgangsdruckspeicher (21) zugeordnet ist, der stromauf der Abgasturbine (18) an die Abgasanlage (4) angeschlossen ist.