Die Erfindung betrifft ein Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art und ein Verfahren zum Betreiben eines Abgaskatalysators, der an eine einen ersten und einen zweiten Abgasturbolader aufweisende Aufladevorrichtung einer Verbrennungskraftmaschine angeschlossen ist.The invention relates to an exhaust system of an internal combustion engine specified in the preamble of claim 1 and a method for operating a catalytic converter, which is connected to a first and a second exhaust gas turbocharger having charging device of an internal combustion engine.
Die US 2009/0178406 offenbart ein Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine mit einem ersten Abgasturbolader und einem zweiten Abgasturbolader. Für den ersten Abgasturbolader ist eine durch ein Ventil gesteuerte Bypassleitung vorgesehen. Je nach Öffnungsgrad des Ventils kann das von der Verbrennungskraftmaschine abgegebene Abgas nur über die Turbine des ersten Turboladers oder sowohl über die Turbine des ersten Turboladers als auch über die Turbine des zweiten Abgasturboladers oder nur über die Turbine des zweiten Abgasturboladers geleitet werden. Zwischen der Turbine des ersten und des zweiten Abgasturboladers ist ein Abgaskatalysator angeordnet, welcher vom gesamten, über die Turbine des ersten Abgasturboladers geleiteten Abgas durchströmt wird.The US 2009/0178406 discloses an exhaust system of an internal combustion engine having a first exhaust gas turbocharger and a second exhaust gas turbocharger. For the first exhaust gas turbocharger, a bypass line controlled by a valve is provided. Depending on the degree of opening of the valve, the exhaust gas emitted by the internal combustion engine can only be conducted via the turbine of the first turbocharger or both via the turbine of the first turbocharger and via the turbine of the second exhaust gas turbocharger or only via the turbine of the second exhaust gas turbocharger. Between the turbine of the first and the second exhaust gas turbocharger, an exhaust gas catalyst is arranged, which is flowed through by the entire, guided via the turbine of the first exhaust gas turbocharger exhaust gas.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Abgassystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Abgassystems anzugeben, welche bei möglichst guter Leistungsentfaltung der zugehörigen Verbrennungskraftmaschine eine verbesserte Abgasreinigung insbesondere bei niedrigen Abgastemperaturen ermöglicht.The object of the invention is to provide an exhaust system and a method for operating an exhaust system, which allows for the best possible performance of the associated internal combustion engine improved exhaust gas purification, especially at low exhaust gas temperatures.
Diese Aufgabe wird durch ein Abgassystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.This object is achieved by an exhaust system having the features of claim 1 and by a method having the features of claim 8.
Das erfindungsgemäße Abgassystem umfasst einen ersten Abgasturbolader mit einer ersten von Abgas der Verbrennungskraftmaschine antreibbaren Turbine und einen zweiten Abgasturbolader mit einer zweiten, von Abgas der Verbrennungskraftmaschine antreibbaren Turbine, einen Abgaskatalysator sowie eine ventilgesteuerte Leitungsanordnung, mit welcher Abgas der Verbrennungskraftmaschine über die erste und/oder die zweite Turbine leitbar ist. Dabei weist der Abgaskatalysator ein erstes Katalysatorteil und ein in Bezug auf die Abgasströmungsrichtung nachgeschaltetes zweites Katalysatorteil auf und ein in Abhängigkeit von der Temperatur des von der Verbrennungskraftmaschine gelieferten Abgases und/oder ein in Abhängigkeit von einer Leistungsabgabe der Verbrennungskraftmaschine bestimmter Anteil von über die erste Turbine geleitetem Abgas ist direkt zum zweiten Katalysatorteil leitbar. Infolge dieser Ausführungsform ist ein rasches Anspringen des Abgaskatalysators bzw. eine hohe Reinigungswirkung des Abgaskatalysators speziell bei niedrigen Temperaturen ermöglicht. Unter einer direkten Zuleitung von Abgas zum zweiten Katalysatorteil ist dabei zu verstehen, dass aus dem Turbinengehäuse des zweiten Abgasturboladers ausströmendes Abgas über eine entsprechende Leitung der Leitungsanordnung dem zweiten Katalysatorteil unter Vermeidung einer Durchströmung des ersten Katalysatorteils oder der zweiten Turbine zugeführt wird. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass in der entsprechenden Leitungsstrecke kein weiteres der Abgasbehandlung dienendes Bauteil angeordnet ist.The exhaust system according to the invention comprises a first exhaust gas turbocharger with a first exhaust gas of the internal combustion engine drivable turbine and a second exhaust gas turbocharger with a second, driven by exhaust gas of the internal combustion engine turbine, an exhaust gas catalyst and a valve-controlled line arrangement, with which exhaust gas of the internal combustion engine via the first and / or second turbine is conductive. In this case, the exhaust gas catalytic converter has a first catalyst part and a second catalytic converter part connected downstream with respect to the exhaust gas flow direction and an exhaust gas supplied by the internal combustion engine depending on the temperature of the engine and / or a fraction of the first turbine directed according to a power output of the internal combustion engine Exhaust gas can be conducted directly to the second catalyst part. As a result of this embodiment, a rapid onset of the catalytic converter or a high cleaning effect of the catalytic converter is made possible especially at low temperatures. A direct supply of exhaust gas to the second catalyst part is understood to mean that exhaust gas flowing out of the turbine housing of the second exhaust gas turbocharger is fed to the second catalyst part via a corresponding line of the line arrangement while avoiding a flow through the first catalyst part or the second turbine. It is preferably provided that in the corresponding line section no further exhaust gas treatment component is arranged.
In Ausgestaltung der Erfindung ist Abgas der Verbrennungskraftmaschine nur über die erste Turbine oder über die erste und über die zweite Turbine oder nur über die zweite Turbine leitbar. Der erste und der zweite Abgasturbolader bilden eine zweistufige Aufladeeinrichtung, wobei ein einer jeweiligen Turbine zugeordneter Verdichter in einem Ansaugsystem der Verbrennungskraftmaschine derart angeordnet ist, dass von den Verdichtern verdichtete Verbrennungsluft der Brennkraftmaschine zugeführt werden kann. Dabei ist unter Verbrennungsluft hier wie im Folgenden auch ein durch Abgasrückführung gegebenenfalls gebildetes Abgas-Luftgemisch zu verstehen. Über Leitungen der Leitungsanordnung ist über die erste Turbine geleitetes Abgas in jeweils variablen und zueinander komplementären Anteilen direkt dem zweiten Katalysatorteil und der zweiten Turbine leitbar. Dabei können die Anteile zwischen 0% und 100% variieren. Vorgesehen ist es, dass bei niedriger Temperatur des von der Verbrennungskraftmaschine abgegebenen Abgases bzw. bei niedriger Last oder Leistung der Verbrennungskraftmaschine ein hoher Anteil von über die erste Turbine geleitetem Abgas direkt zum zweiten Katalysatorteil geleitet wird. Mit steigender Abgastemperatur bzw. Last nimmt dieser Anteil insbesondere kontinuierlich ab und es werden komplementär hierzu insbesondere kontinuierlich steigende Anteile zur zweiten Turbine geleitet. Dies ermöglicht einerseits eine rasche Erwärmung des zweiten Katalysatorteils bei einem Kaltstart bzw. Warmlauf und damit ein rasches Erreichen von dessen katalytischer Wirksamkeit (Anspringen). Ebenso wird ein Auskühlen bei niedriger Last vermieden. Gleichzeitig ist ein kontinuierlicher Hochlauf insbesondere der zweiten Turbine und damit des zugehörigen Verdichters ermöglicht. Ein so genanntes Turboloch, wie es typischerweise bei einer zweistufigen Aufladeeinrichtung bei einem abrupten Zuschalten des zweiten Abgasturboladers auftritt, wird dadurch ebenfalls wirksam vermieden. Die Leitungsanordnung umfasst hierfür ansaugseitig angeordnete schaltbare Leitungen für die anzusaugende bzw. zu verdichtende Verbrennungsluft. In Verbindung mit einer unterschiedlichen Durchströmung der Leitungen der abgasseitigen Leitungsanordnung sind unterschiedliche Betriebszustände darstellbar, welche eine wirksame und komfortable Leistungsfreisetzung der Verbrennungskraftmaschine und eine wirksame Abgasreinigung ermöglichen. In einem dieser Betriebszustände, welcher bei Niedriglast oder niedriger Teillast aktiv ist, wird der Verbrennungskraftmaschine zugeführte Verbrennungsluft entweder allein oder nahezu allein vom Verdichter des ersten Abgasturboladers verdichtet. In einem anderen Betriebszustand mit demgegenüber erhöhter Last (Teillast) erfolgt in einem seriellen Betrieb bei einer sequentiellen Anströmung der Verdichter von erstem und zweitem Abgasturbolader eine zweistufige Verdichtung der Verbrennungsluft. In einem weiteren Betriebszustand bei weiter erhöhter Last erfolgt in einem Parallelbetrieb mit einer zumindest überwiegend parallelen Anströmung der beiden Verdichter ein parallele Verdichtung. Schließlich erfolgt in einem weiteren Betriebzustand bei erhöhter Teillast bis Volllast eine Verdichtung der Verbrennungsluft hauptsächlich oder nahezu vollständig durch den Verdichter des zweiten Abgasturboladers. Dabei können die Übergänge zwischen diesen Betriebszuständen auch fließend erfolgen. Damit ergibt sich in Bezug Leistungsentfaltung der Verbrennungskraftmaschine ein besonders gutes Ansprechverhalten, speziell bei instationärem Fahrbetrieb.In an embodiment of the invention, exhaust gas of the internal combustion engine can only be conducted via the first turbine or via the first and the second turbine or only via the second turbine. The first and the second exhaust gas turbochargers form a two-stage supercharger, wherein a compressor associated with a respective turbine is arranged in an intake system of the internal combustion engine such that compressed air from the compressors can be supplied to the internal combustion engine. Here, combustion air is to be understood here as in the following also an exhaust gas recirculation optionally formed by exhaust gas recirculation. Via lines of the line arrangement, exhaust gas conducted via the first turbine can be conducted directly to the second catalyst part and the second turbine in respectively variable and mutually complementary proportions. The shares can vary between 0% and 100%. It is provided that at low temperature of the exhaust gas emitted by the internal combustion engine or at low load or power of the internal combustion engine, a high proportion of exhaust gas passed through the first turbine is passed directly to the second catalyst part. With increasing exhaust gas temperature or load, this proportion decreases in particular continuously and it is complementarily directed in particular continuously increasing proportions to the second turbine. On the one hand, this enables a rapid heating of the second catalyst part during a cold start or warm-up and thus a rapid achievement of its catalytic activity (light-off). Likewise, cooling at low load is avoided. At the same time a continuous run-up, in particular of the second turbine and thus of the associated compressor is made possible. A so-called turbo lag, as typically occurs in a two-stage supercharger with an abrupt connection of the second exhaust gas turbocharger, is thereby also effectively avoided. The line arrangement comprises switchable lines arranged on the intake side for the combustion air to be sucked or compressed. In connection with a different flow through the lines of the exhaust-gas line arrangement different operating states can be displayed, which is an effective and comfortable power release allow the internal combustion engine and an effective emission control. In one of these operating conditions, which is active at low load or low part load, the internal combustion engine supplied combustion air is compressed either alone or almost alone from the compressor of the first exhaust gas turbocharger. In another operating state with contrast increased load (partial load) takes place in a serial operation in a sequential flow to the compressor of the first and second exhaust gas turbocharger, a two-stage compression of the combustion air. In a further operating state with a further increased load, parallel compaction takes place in parallel operation with an at least predominantly parallel flow of the two compressors. Finally, in a further operating state at elevated partial load to full load, compression of the combustion air takes place mainly or almost completely through the compressor of the second exhaust gas turbocharger. The transitions between these operating states can also be fluent. This results in terms of power development of the internal combustion engine, a particularly good response, especially in unsteady driving.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist über die zweite Turbine geleitetes Abgas dem ersten Katalysatorteil zuführbar. Vom ersten Katalysatorteil gelangt das Abgas direkt und unmittelbar weiter zum zweiten Katalysatorteil. Hat der erste Katalysatorteil seine Anspringtemperatur bzw. seine volle Wirksamkeit noch nicht erreicht, so ist eine Schadstoffumsetzung im nachfolgenden zweiten Katalysatorteil ermöglicht, da dieser aufgrund der erfindungsgemäßen Abgasführung typischerweise bereits zu einem früheren Zeitpunkt eine Konvertierungsfähigkeit erreicht hat. Den oben genannten Betriebzuständen sind entsprechende, unterschiedliche Anströmungen des ersten und des zweiten Katalysatorteils zugeordnet. Mit zunehmender Last bzw. Leistungsabgabe der Verbrennungskraftmaschine werden im Wesentlichen abnehmende Anteile des über die erste Turbine geführten Abgases und damit des gesamten von der Verbrennungskraftmaschine abgegebenen Abgases von der ersten Turbine auf direktem Weg zum zweiten Katalysatorteil geführt. Hingegen wird vermehrt Abgas über die zweite Turbine und sodann zum ersten Katalysatorteil geführt und nach dessen Durchströmung weiter über den zweiten Katalysatorteil geleitet. Infolge dieser Strömungssteuerung ist ein besonders rasches Einsetzen einer Schadstoffkonvertierung ermöglicht. Insbesondere erfolgt ein sehr rasches Anspringen des zweiten Katalysatorteils, was für eine Schadstoffumsetzung des diesem Katalysatorteils direkt zugeführten, vergleichsweise niedrigen Abgasstroms ausreicht. Somit ist insbesondere in Verbindung mit einem Kaltstart oder Warmlauf aber auch allgemein bei niedriger Last und entsprechend niedrigen Abgastemperaturen eine besonders gute Schadstoffumsetzung ermöglicht.In a further embodiment of the invention, exhaust gas conducted via the second turbine can be fed to the first catalyst part. From the first catalyst part, the exhaust gas passes directly and immediately further to the second catalyst part. If the first catalyst part has not yet reached its light-off temperature or its full effectiveness, then pollutant conversion in the subsequent second catalytic converter part is made possible because it has typically already reached a conversion capability at an earlier point in time due to the exhaust system according to the invention. The above-mentioned operating conditions are associated with corresponding, different flows of the first and the second catalyst part. As the load or power output of the internal combustion engine increases, substantially decreasing portions of the exhaust gas guided via the first turbine and thus of the total exhaust gas emitted by the internal combustion engine are guided by the first turbine directly to the second catalytic converter part. On the other hand, exhaust gas is increasingly conducted via the second turbine and then to the first catalyst part and, after it has flowed through, passed on via the second catalyst part. As a result of this flow control a particularly rapid onset of pollutant conversion is possible. In particular, there is a very rapid start of the second catalyst part, which is sufficient for a pollutant conversion of this catalyst part directly supplied, comparatively low exhaust gas flow. Thus, especially in conjunction with a cold start or warm-up but also generally at low load and correspondingly low exhaust gas temperatures a particularly good pollutant conversion allows.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Leitungsanordnung eine durch ein erstes Ventil gesteuerte Bypassleitung für die erste Turbine und eine durch ein zweites Ventil gesteuerte Verbindungsleitung auf, mit welcher Abgas von der ersten Turbine direkt zum zweiten Katalysatorteil leitbar ist. Diese Ausführung ermöglicht eine gezielte Strömungssteuerung des Abgases. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Ventile selbststeuernd, d. h. infolge der über dem Ventil anliegenden Druckdifferenz betätigbar sind. Bevorzugt ist eine Ausführung in der Art eines federbelasteten Rückschlagventils. Dadurch entfallen aufwändige Ansteuerungsmittel.In a further embodiment of the invention, the line arrangement has a bypass line controlled by a first valve for the first turbine and a connection line controlled by a second valve, with which exhaust gas from the first turbine can be conducted directly to the second catalyst part. This embodiment allows a targeted flow control of the exhaust gas. It is particularly advantageous if the valves are self-controlling, d. H. can be actuated as a result of the applied across the valve pressure difference. Preferred is an embodiment in the nature of a spring-loaded check valve. This eliminates expensive control means.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Abgaskatalysator als brennkraftmaschinennah angeordneter Startkatalysator ausgelegt. Der Startkatalysator ist somit vorzugsweise das in Abgasströmungsrichtung gesehen erste katalytisch wirksame Abgasnachbehandlungsbauteil des Abgassystems. Bevorzugt ist eine Ausführung als Oxidationskatalysator. Dieser kann auch mit einer geringen oder ohne Sauerstoffspeicherfähigkeit ausgebildet sein. Infolge der motornahen Anordnung ist ein besonders rasches Anspringen ermöglicht.In a further embodiment of the invention, the exhaust gas catalytic converter is designed as a starting engine arranged close to the combustion engine. The starting catalyst is thus preferably the first catalytically effective exhaust aftertreatment component of the exhaust system, as seen in the exhaust gas flow direction. Preferred is an embodiment as an oxidation catalyst. This can also be designed with a low or no oxygen storage capacity. As a result of the arrangement close to the engine, a particularly rapid starting is possible.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind das erste Katalysatorteil und das zweite Katalysatorteil mit geringem Abstand in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Aufgrund dieser Anordnung ist ein besonders guter Wärmeübergang zwischen den beiden Katalysatorteilen ermöglicht. Insbesondere ist eine Aufheizung des ersten Katalysatorteils durch vom stromabwärtigen, zweiten Katalysatorteil ausgehende, auf den ersten Katalysatorteil einwirkende Wärmestrahlung ermöglicht.In a further embodiment of the invention, the first catalyst part and the second catalyst part are arranged at a small distance in a common housing. Due to this arrangement, a particularly good heat transfer between the two catalyst parts is possible. In particular, heating of the first catalyst part is made possible by heat radiation emitted from the downstream, second catalyst part and acting on the first catalyst part.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der erste Abgasturbolader kleiner dimensioniert ist als der zweite Abgasturbolader. Dies ermöglicht ein besonders rasches Ansprechen und Hochlaufen des ersten Abgasturboladers. Bevorzugt ist es, wenn der erste Abgasturbolader als so genannter VTG-Lader mit einer variablen Turbinengeometrie ausgebildet ist. Der zweite Abgasturbolader weist bevorzugt eine unveränderliche, feste Turbinen- und Verdichtergeometrie auf.In a further embodiment of the invention, the first exhaust gas turbocharger is dimensioned smaller than the second exhaust gas turbocharger. This allows a particularly rapid response and run-up of the first exhaust gas turbocharger. It is preferred if the first exhaust gas turbocharger is designed as a so-called VTG supercharger with a variable turbine geometry. The second exhaust gas turbocharger preferably has a fixed, fixed turbine and compressor geometry.
Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Abgassystems einer Verbrennungskraftmaschine mit einer einen ersten und einen zweiten Abgasturbolader aufweisenden Aufladevorrichtung und einem Abgaskatalysator mit einem ersten Katalysatorteil und einem in Bezug auf die Abgasströmungsrichtung nachgeschalteten zweiten Katalysatorteil. Dabei wird ein in Abhängigkeit von der Temperatur des von der Verbrennungskraftmaschine gelieferten Abgases und/oder ein in Abhängigkeit von einer Leistungsabgabe der Verbrennungskraftmaschine bestimmter Anteil von über die Turbine des ersten Abgasturboladers geleitetem Abgas direkt zum zweiten Katalysatorteil geleitet.Another aspect of the invention relates to a method for operating an exhaust system of an internal combustion engine having a first and a second exhaust gas turbocharger charging device and an exhaust gas catalyst having a first catalyst part and a downstream with respect to the exhaust gas flow direction second catalyst part. It is a function of the temperature of the Internal combustion engine delivered exhaust gas and / or a determined depending on a power output of the internal combustion engine portion of passed over the turbine of the first exhaust gas turbocharger exhaust passed directly to the second catalyst part.
Typischerweise nimmt der Anteil von über die Turbine des ersten Abgasturboladers direkt zum zweiten Katalysatorteil geführten Abgases mit zunehmend Abgastemperatur und/oder mit zunehmender Leistungsabgabe der Verbrennungskraftmaschine ab. Auf diese Weise ist ausgehend von niedrigen Katalysatortemperaturen ein sehr rasches Aufheizen insbesondere des zweiten Katalysatorteils ermöglicht. Dementsprechend rasch ist eine Schadstoffumsetzung am Abgaskatalysator, insbesondere an dessen zweitem Teil ermöglicht. Auch bei niedriger Teillast der Verbrennungskraftmaschine mit entsprechend weniger heißem Abgas ist eine effektive Schadstoffumsetzung ermöglicht.The proportion of exhaust gas led directly to the second catalytic converter part via the turbine of the first exhaust gas turbocharger typically decreases with increasing exhaust gas temperature and / or with increasing output of the internal combustion engine. In this way, starting from low catalyst temperatures, a very rapid heating, in particular of the second catalyst part, is made possible. Accordingly quickly a pollutant conversion on the catalytic converter, in particular on its second part allows. Even at low part load of the internal combustion engine with correspondingly less hot exhaust gas, effective pollutant conversion is possible.
In Ausgestaltung des Verfahrens wird der Anteil von über die Turbine des ersten Abgasturboladers geleitetem Abgas, welcher nicht direkt zum zweiten Katalysatorteil geleitet wird, über die Turbine des zweiten Abgasturboladers geleitet. Über die Turbine des zweiten Abgasturboladers geführtes Abgas wird bevorzugt unmittelbar weiter zum ersten Katalysatorteil geleitet. Dabei ist in weiterer Ausgestaltung des Verfahrens vorgesehen, dass über den ersten Katalysatorteil geleitetes Abgas vollständig über den zweiten Katalysatorteil geleitet wird. Bevorzugt erfolgt ein Zuleitung von über den ersten Katalysatorteil geströmten Abgases zum zweiten Katalysatorteil ebenfalls unmittelbar, d. h. ohne eine weitere Zwischenbehandlung. Der zweite Katalysatorteil erhält somit stets den gesamten von der Verbrennungskraftmaschine abgegebenen Abgasstrom, wobei insbesondere bei niedriger bis mittlerer Abgastemperatur bzw. Leistungsabgabe ein vergleichsweise hoher Anteil dem zweiten Katalysatorteil direkt, ohne Durchströmung des ersten Katalysatorteil zugeleitet wird. Demgegenüber erhält der erste Katalysatorteil bei niedriger bis mittlerer Abgastemperatur bzw. Leistungsabgabe eine vergleichsweise geringen Anteil des Abgases oder nur vernachlässigbare Abgasmengen. Mit steigender Abgastemperatur und/oder Leistungsabgabe nimmt dieser Anteil im Wesentlichen zu. Diese Vorgehensweise ermöglicht eine besonders effektive Temperierung des Abgaskatalysators, der somit auch bei niedriger Leistungsabgabe aktiv ist.In an embodiment of the method, the proportion of exhaust gas which is conducted via the turbine of the first exhaust-gas turbocharger and which is not conducted directly to the second catalytic-converter part is conducted via the turbine of the second exhaust-gas turbocharger. Exhaust gas routed via the turbine of the second exhaust gas turbocharger is preferably conducted directly further to the first catalyst part. It is provided in a further embodiment of the method that passed over the first catalyst part exhaust gas is passed completely over the second catalyst part. Preferably, a supply of exhaust gas which has flowed over the first catalyst part to the second catalyst part likewise takes place directly, d. H. without another intermediate treatment. The second catalyst part thus always receives the entire output from the internal combustion engine exhaust gas flow, in particular at low to medium exhaust gas temperature and power output a relatively high proportion of the second catalyst part is fed directly, without flow through the first catalyst part. In contrast, the first catalyst part receives at low to medium exhaust gas temperature or power output, a comparatively small proportion of the exhaust gas or only negligible amounts of exhaust gas. With increasing exhaust gas temperature and / or power output, this proportion increases substantially. This approach allows a particularly effective temperature of the catalytic converter, which is thus active even at low power output.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in den Figurenbeschreibungen genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegeben Kombination sondern auch in anderen Kombinationen oder in der Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments and from the drawings. The features and combinations of features mentioned above in the description as well as the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures can be used not only in the respectively indicated combination but also in other combinations or alone, without the scope of the To leave invention.
Die Figuren zeigen in:The figures show in:
1 eine Prinzipskizze einer bevorzugten Ausführung von Luftzufuhrsystem und Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine, 1 a schematic diagram of a preferred embodiment of the air supply system and exhaust system of an internal combustion engine,
2 eine weitere Prinzipskizze des Systems gemäß 1 ergänzt um Strömungspfeile entsprechend einem ersten Betriebszustand, 2 a further schematic diagram of the system according to 1 supplemented by flow arrows corresponding to a first operating state,
3 eine weitere Prinzipskizze des Systems gemäß 1 ergänzt um Strömungspfeile entsprechend einem zweiten Betriebszustand, 3 a further schematic diagram of the system according to 1 supplemented by flow arrows corresponding to a second operating state,
4 eine weitere Prinzipskizze des Systems gemäß 1 ergänzt um Strömungspfeile entsprechend einem dritten Betriebszustand, 4 a further schematic diagram of the system according to 1 supplemented by flow arrows corresponding to a third operating state,
5 eine weitere Prinzipskizze des Systems gemäß 1 ergänzt um Strömungspfeile entsprechend einem vierten Betriebszustand und 5 a further schematic diagram of the system according to 1 supplemented by flow arrows corresponding to a fourth operating state and
6 eine weitere Prinzipskizze des Systems gemäß 1 ergänzt um Strömungspfeile entsprechend einem fünften Betriebszustand. 6 a further schematic diagram of the system according to 1 supplemented by flow arrows corresponding to a fifth operating state.
Die 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine erfindungsgemäße, bevorzugte Ausführung von Luftzufuhrsystem und Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine wie beispielsweise einen Dieselmotor oder einen Ottomotor eines Kraftwagens, insbesondere eines Personenkraftwagens. Das Abgassystem umfasst einen ersten Abgasturbolader 12 mit einer in einem Abgastrakt 14 der Verbrennungskraftmaschine angeordneten ersten Turbine 16 und einem in einem Ansaugtrakt 18 der Verbrennungskraftmaschine angeordneten ersten Verdichter 20. Die erste Turbine 16 umfasst ein Turbinengehäuse, in welchem ein mit einer Welle 22 des ersten Abgasturboladers 12 drehfest verbundenes Turbinenrad drehbar aufgenommen ist. Der erste Verdichter 20 umfasst ein Verdichtergehäuse, in welchem ein ebenso mit der Welle 22 drehfest verbundenes Verdichterrad drehbar aufgenommen ist. Der erste Verdichter 20 dient dazu, der Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Luft zu verdichten.The 1 shows a schematic representation of an inventive preferred embodiment of air supply system and exhaust system of an internal combustion engine such as a diesel engine or a gasoline engine of a motor vehicle, in particular a passenger car. The exhaust system includes a first exhaust gas turbocharger 12 with one in an exhaust tract 14 the internal combustion engine arranged first turbine 16 and one in an intake tract 18 the internal combustion engine arranged first compressor 20 , The first turbine 16 includes a turbine housing, in which one with a shaft 22 of the first exhaust gas turbocharger 12 rotatably connected turbine wheel is rotatably received. The first compressor 20 includes a compressor housing in which one as well with the shaft 22 rotatably connected compressor wheel is rotatably received. The first compressor 20 serves to compress air to be supplied to the internal combustion engine.
Darüber hinaus umfasst das Abgassystem einen zweiten Abgasturbolader 24, welcher ebenso eine in dem Abgastrakt 14 angeordnete zweite Turbine 26 aufweist. Auch die zweite Turbine 26 umfasst ein Turbinengehäuse, in welchem ein drehfest mit einer weiteren Welle 28 des zweiten Abgasturboladers 24 verbundenes Turbinenrad drehbar aufgenommen ist. Der zweite Abgasturbolader 24 umfasst einen zweiten Verdichter 30 mit einem Verdichtergehäuse, in welchem ein mit der weiteren Welle 28 drehfest verbundenes Verdichterrad drehbar aufgenommen ist. Auch mittels des zweiten Verdichters 30 ist der Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Luft verdichtbar. Der erste Verdichter 20 und der zweite Verdichter 30 sind dabei von der jeweils korrespondierenden ersten Turbine 16 bzw. der zweiten Turbine 26 antreibbar. Die erste Turbine 16 und die zweite Turbine 26 sind infolge von über sie geleitetem Abgas antreibbar. Mit dem Abgas werden die Turbinenräder beaufschlagt und dadurch angetrieben, so dass über die Welle 22 und die weitere Welle 28 die Verdichterräder von erstem und zweitem Verdichter 20 bzw. 30 angetrieben werden.In addition, the exhaust system includes a second exhaust gas turbocharger 24 which also has one in the exhaust tract 14 arranged second turbine 26 having. Also the second turbine 26 includes a turbine housing, in which a rotationally fixed with another shaft 28 the second exhaust gas turbocharger 24 connected turbine wheel is rotatably received. The second turbocharger 24 includes a second compressor 30 with a compressor housing in which one with the other shaft 28 rotatably connected compressor wheel is rotatably received. Also by means of the second compressor 30 the air supplied to the internal combustion engine is compressible. The first compressor 20 and the second compressor 30 are of the corresponding first turbine 16 or the second turbine 26 drivable. The first turbine 16 and the second turbine 26 are driven as a result of exhaust gas passed over them. With the exhaust gas, the turbine wheels are acted upon and thereby driven, so that over the shaft 22 and the next wave 28 the compressor wheels of first and second compressor 20 respectively. 30 are driven.
Das Abgassystem umfasst weiter einen Abgaskatalysator 50, der erfindungsgemäß einen ersten Katalysatorteil 50a und einen strömungsmäßig nachgeschalteten zweiten Katalysatorteil 50b aufweist. Dem Abgaskatalysator 50 sind vorzugsweise ein oder mehrere der Abgasreinigung dienende Abgasnachbehandlungskomponenten nachgeschaltet, was nicht näher dargestellt ist. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Partikelfilter und/oder einen SCR-Katalysator und/oder einen Stickoxidspeicherkatalysator handeln. Der Abgaskatalysator 50 ist bevorzugt als motornah angeordneter Startkatalysator in der Art eines Oxidationskatalysators oder eines Drei-Wege-Katalysators ausgeführt, wobei die beiden Katalysatorteile 50a, 50b vorliegend in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Bevorzugt ist es, wenn der zweite Katalysatorteil 50b mit geringem Abstand zum ersten Katalysatorteil angeordnet ist. Infolge einer solchen eng benachbarten Anordnung kann von der Eintrittsseite des zweiten Katalysatorteils 50b ausgehende Wärmestrahlung den stromaufwärtigen ersten Katalysatorteil 50a verlustarm erreichen und diesen gegebenenfalls aufwärmen. Es ist außerdem bevorzugt, wenn die Katalysatorteile 50a und 50b annähernd gleich dimensioniert sind. Der zweite Katalysatorteil 50b kann jedoch auch etwas kleiner als der erste Katalysatorteil 50a ausgeführt sein, so dass er etwa 30% des Volumens des gesamten Abgaskatalysators 50 ausmacht. Dadurch ist gegebenenfalls ein verbessertes Anspringverhalten ermöglicht.The exhaust system further includes an exhaust gas catalyst 50 , which according to the invention a first catalyst part 50a and a downstream second catalyst part 50b having. The catalytic converter 50 are preferably downstream of one or more of the exhaust gas purification exhaust aftertreatment components, which is not shown in detail. This may be, for example, a particulate filter and / or an SCR catalytic converter and / or a nitrogen oxide storage catalytic converter. The catalytic converter 50 is preferably designed as a close-coupled starting catalyst in the manner of an oxidation catalyst or a three-way catalyst, wherein the two catalyst parts 50a . 50b in this case are arranged in a common housing. It is preferred if the second catalyst part 50b is arranged at a small distance from the first catalyst part. As a result of such a closely adjacent arrangement can from the inlet side of the second catalyst part 50b outgoing heat radiation the upstream first catalyst part 50a achieve low loss and warm it up if necessary. It is also preferred if the catalyst parts 50a and 50b are approximately the same size. The second part of the catalyst 50b However, it can also be slightly smaller than the first part of the catalyst 50a be carried out so that it is about 30% of the volume of the entire catalytic converter 50 accounts. As a result, an improved starting behavior is optionally possible.
Um das Abgas der Verbrennungskraftmaschine der ersten Turbine 16, der zweiten Turbine 26 und/oder dem Abgaskatalysator 50 zuführen zu können, ist eine Leitungsanordnung mit einer eine Mehrzahl von Abgasleitungen 32, 34, 36, 38, 40 und 42 vorgesehen, welche von Abgas durchströmbar sind.To the exhaust gas of the internal combustion engine of the first turbine 16 , the second turbine 26 and / or the exhaust gas catalyst 50 To be able to supply, is a line arrangement with a plurality of exhaust pipes 32 . 34 . 36 . 38 . 40 and 42 provided, which are flowed through by exhaust gas.
Ein Abgaskrümmer 44 der Verbrennungskraftmaschine sammelt das aus Brennräumen, insbesondere Zylindern, der Verbrennungskraftmaschine strömende Abgas, welches weiter der fluidisch mit dem Abgaskrümmer 44 verbundenen Abgasleitung 32 zugeführt wird.An exhaust manifold 44 the internal combustion engine collects the exhaust gas flowing from combustion chambers, in particular cylinders, of the internal combustion engine, which further fluidically with the exhaust manifold 44 connected exhaust pipe 32 is supplied.
Die erste Turbine 16 ist eingangsseitig fluidisch mit der Abgasleitung 34 verbunden, welche wiederum an einer Verbindungsstelle 48 fluidisch mit der Abgasleitung 32 verbunden ist. Ausgangsseitig ist die erste Turbine 16 fluidisch mit der Abgasleitung 40 verbunden, so dass das die erste Turbine 16 durchströmende Abgas von der ersten Turbine 16 abführbar und direkt zum zweiten Katalysatorteil 50b führbar ist.The first turbine 16 is on the input side fluidic with the exhaust pipe 34 connected, which in turn at a junction 48 fluidic with the exhaust pipe 32 connected is. On the output side is the first turbine 16 fluidic with the exhaust pipe 40 connected, so that's the first turbine 16 flowing exhaust gas from the first turbine 16 drained and directly to the second part of the catalyst 50b is feasible.
Die zweite Turbine 26 ist eingangsseitig mit der Abgasleitung 36 fluidisch verbunden, so dass Abgas der Verbrennungskraftmaschine auch direkt zur zweiten Turbine 26 geleitet werden kann. Ausgangsseitig ist die zweite Turbine 26 mit der Abgasleitung 42 verbunden, mittels welcher Abgas von der zweiten Turbine 26 abgeführt und zum ersten Katalysatorteil 50a geleitet werden kann.The second turbine 26 is on the input side with the exhaust pipe 36 fluidly connected, so that exhaust gas of the internal combustion engine also directly to the second turbine 26 can be directed. On the output side is the second turbine 26 with the exhaust pipe 42 connected by means of which exhaust gas from the second turbine 26 discharged and to the first part of the catalyst 50a can be directed.
Um verschiedene Betriebszustände realisieren zu können, umfasst die Leitungsanordnung ein Regelventil 52, welches in der Abgasleitung 36 angeordnet ist, sowie ein Ventil 54, welches in der Abgasleitung 40 angeordnet ist. Das Regelventil 52 und das Ventil 54 sind zwischen einer die Abgasleitung 36 bzw. 40 fluidisch versperrenden Schließstellung und einer die Abgasleitung 36 bzw. 40 fluidisch freigebende Freigabestellung verstellbar, so dass Abgas in der Freigabestellung die Abgasleitung 36 bzw. 40 durchströmen kann bzw. in der Schließstellung die Abgasleitung 36 bzw. 40 nicht durchströmen kann. Darüber hinaus ist es möglich, insbesondere das Ventil 54 und/oder gegebenenfalls das Regelventil 52 in wenigstens eine Zwischenstellung zu schalten, in welcher ein Strömungsquerschnitt der Abgasleitung 36 bzw. 40 mittels des Regelventils 52 bzw. des Ventils 54 dargestellt ist, welcher größer ist als in der Schließstellung jedoch geringer als in der Freigabestellung. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass das Abgas in der Zwischenstellung die Abgasleitung 36 bzw. 40 durchströmen kann, jedoch über einen geringeren Querschnitt als in der Freigabestellung, so dass es die Abgasleitung 36 bzw. 40 gegenüber der Freigabestellung gedrosselt durchströmen kann.In order to be able to realize different operating states, the line arrangement comprises a control valve 52 which is in the exhaust pipe 36 is arranged, as well as a valve 54 which is in the exhaust pipe 40 is arranged. The control valve 52 and the valve 54 are between one the exhaust pipe 36 respectively. 40 fluidly occluding closed position and one the exhaust pipe 36 respectively. 40 fluidly releasing release position adjustable, so that exhaust gas in the release position, the exhaust pipe 36 respectively. 40 can flow through or in the closed position, the exhaust pipe 36 respectively. 40 can not flow through. In addition, it is possible, especially the valve 54 and / or optionally the control valve 52 to switch in at least one intermediate position, in which a flow cross-section of the exhaust pipe 36 respectively. 40 by means of the control valve 52 or of the valve 54 is shown, which is larger than in the closed position but less than in the release position. In other words, this means that the exhaust gas in the intermediate position, the exhaust pipe 36 respectively. 40 can flow through, however, over a smaller cross-section than in the release position, making it the exhaust pipe 36 respectively. 40 can flow throttled against the release position.
Wie der 1 zu entnehmen ist, ist die Abgasleitung 38 einerseits an einer Verbindungsstelle 53 fluidisch mit der Abgasleitung 40 verbunden, wobei die Verbindungsstelle 53 stromab der ersten Turbine 16 und stromauf des Ventils 54 angeordnet ist. Andererseits ist die Abgasleitung 38 an einer Verbindungsstelle 56 fluidisch mit der Abgasleitung 36 verbunden, wobei die Verbindungsstelle 56 stromab des Regelventils 52 und stromauf der zweiten Turbine 26 angeordnet ist. Je nach Öffnungsgrad des Ventils 54 gelangt somit über die erste Turbine 16 geleitetes Abgas direkt zum zweiten Katalysatorteil 50b oder direkt zur zweiten Turbine 26.Again 1 it can be seen, is the exhaust pipe 38 on the one hand at a connection point 53 fluidic with the exhaust pipe 40 connected, the junction 53 downstream of the first turbine 16 and upstream of the valve 54 is arranged. On the other hand, the exhaust pipe 38 at a junction 56 fluidic with the exhaust pipe 36 connected, the junction 56 downstream of the control valve 52 and upstream of the second turbine 26 is arranged. Depending on the degree of opening of the valve 54 thus passes over the first turbine 16 guided Exhaust gas directly to the second catalyst part 50b or directly to the second turbine 26 ,
Im Ansaugtrakt 18 angeordnete Luftleitungen 58, 60, 62, 64 und 66 dienen dazu, dem ersten Verdichter 20 und dem zweiten Verdichter 30 zu verdichtende Luft zuführen und verdichtete Luft von diesen abzuführen.In the intake tract 18 arranged air ducts 58 . 60 . 62 . 64 and 66 serve to the first compressor 20 and the second compressor 30 To supply compressed air and remove compressed air from these.
Die Luftleitung 58 ist einerseits verbunden mit einem in dem Ansaugtrakt 18 angeordneten Luftfilter 68, mittels welchem von der Verbrennungskraftmaschine angesaugte Luft zu filtern ist. Andererseits ist die Luftleitung 58 fluidisch mit dem zweiten Verdichter 30 verbunden, so dass dem zweiten Verdichter 30 über die Luftleitung 58 zu verdichtende, gefilterte Luft zugeführt werden kann. Ausgangsseitig ist der zweite Verdichter 30 mit der Luftleitung 60 verbunden, um die von diesem verdichtete Luft abzuführen. Die Luftleitung 60 ist des Weiteren mit einem Ladeluftkühler 72 fluidisch verbunden. Mittels des Ladeluftkühlers 72 ist die infolge der Verdichtung erwärmte Luft abzukühlen, um den Aufladegrad zu erhöhen.The air line 58 On the one hand, it is connected to one in the intake tract 18 arranged air filter 68 by means of which is sucked by the internal combustion engine sucked air. On the other hand, the air line 58 fluidic with the second compressor 30 connected, leaving the second compressor 30 over the air line 58 to be compressed, filtered air can be supplied. On the output side is the second compressor 30 with the air line 60 connected to dissipate the compressed air from this. The air line 60 is also with a charge air cooler 72 fluidly connected. By means of the intercooler 72 Cool the heated air due to compression to increase the degree of turbocharging.
Der erste Verdichter 20 ist eingangsseitig mit der Luftleitung 64 verbunden, um dem Verdichter 20 zu verdichtende gefilterte Luft zuführen zu können. Ausgangsseitig ist der erste Verdichter 20 mit der Luftleitung 66 verbunden, um die von dem ersten Verdichter 20 verdichtete Luft von diesem abführen zu können.The first compressor 20 is on the input side with the air line 64 connected to the compressor 20 to be able to supply compressed air to be compressed. On the output side is the first compressor 20 with the air line 66 connected to that of the first compressor 20 be able to dissipate compressed air from this.
Die Luftleitung 62 ist einerseits an einer Verbindungsstelle 74 fluidisch mit der Luftleitung 58 und andererseits an einer Verbindungsstelle 76 mit der Luftleitung 60 fluidisch verbunden. An der Verbindungsstelle 76 ist auch die Luftleitung 64 fluidisch mit der Luftleitung 60 verbunden. Zur Darstellung unterschiedlicher Betriebszustände umfasst der Ansaugtrakt 18 ferner ein vorliegend als selbstregelndes Rückschlagventil ausgebildetes Ventil 78, welches in der Luftleitung 62 zwischen der Verbindungsstelle 74 und der Verbindungsstelle 76 angeordnet ist. Außerdem ist ein vorliegend ebenfalls als selbstregelndes Rückschlagventil ausgebildetes weiteres Ventil 80 vorgesehen, welches in der Luftleitung 60 angeordnet ist. Das Rückschlagventil 80 ist dabei stromab der Verbindungsstelle 76 und stromauf einer weiteren Verbindungsstelle 82 angeordnet, an welcher die Luftleitung 66 fluidisch mit der Luftleitung 60 verbunden ist. Die Rückschlagventile 78 und 80 sind dabei selbstregelend zwischen einer die Luftleitung 62 bzw. 60 fluidisch versperrenden Schließstellung und einer die Luftleitung 62 bzw. 60 fluidisch freigebenden Freigabestellung durch den anliegenden Differenzdruck betätigbar bzw. verstellbar.The air line 62 is on the one hand at a junction 74 fluidic with the air line 58 and on the other hand at a junction 76 with the air line 60 fluidly connected. At the junction 76 is also the air line 64 fluidic with the air line 60 connected. To illustrate different operating conditions, the intake system comprises 18 Furthermore, a valve designed here as a self-regulating non-return valve 78 which is in the air line 62 between the junction 74 and the connection point 76 is arranged. In addition, a present also designed as a self-regulating non-return valve another valve 80 provided, which in the air line 60 is arranged. The check valve 80 is downstream of the connection point 76 and upstream of another junction 82 arranged at which the air line 66 fluidic with the air line 60 connected is. The check valves 78 and 80 are self-regulating between one the air line 62 respectively. 60 fluidly occluding closed position and one the air line 62 respectively. 60 fluid-releasing release position actuated by the applied differential pressure or adjustable.
Die erste Turbine 16 weist vorliegend eine so genannte variable Turbinengeometrie auf und ist dadurch an unterschiedliche Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine, das heißt an unterschiedliche Massenströme des den Abgastrakt 14 durchströmenden Abgases anpassbar. Mittels der variablen Turbinengeometrie kann ein effektiver Strömungsquerschnitt der ersten Turbine 16 eingestellt, d. h. vergrößert und demgegenüber verkleinert werden.The first turbine 16 In the present case, it has a so-called variable turbine geometry and is therefore at different operating points of the internal combustion engine, that is to different mass flows of the exhaust tract 14 adaptable exhaust gas. By means of the variable turbine geometry can be an effective flow cross-section of the first turbine 16 set, ie increased and reduced in contrast.
Die zweite Turbine 26 weist vorliegend eine feste Turbinengeometrie auf. Die zweite Turbine 26 ist, wie in der 1 schematisch dargestellt ist, hinsichtlich ihres effektiven Strömungsquerschnitts größer ausgestaltet und auf besonders große Massenströme des den Abgastrakt 14 durchströmenden Abgases ausgelegt. Dementsprechend weist das Turbinenrad eine gegenüber der Trägheit des Turbinenrads der ersten Turbine 16 höhere Trägheit auf, stellt jedoch aufgrund ihres gegenüber der ersten Turbine 16 größeren Strömungsquerschnitt einen geringeren Strömungswiderstand für das Abgas dar als die erste Turbine 16. Demgegenüber weist die erste Turbine 16 den Vorteil auf, dass ihr Turbinenrad eine geringere Trägheit als das Turbinenrad der zweiten Turbine 26 aufweist und dementsprechend schneller zu beschleunigen ist, was insbesondere bei geringeren Massenströmen des Abgases von Vorteil ist.The second turbine 26 in this case has a fixed turbine geometry. The second turbine 26 is like in the 1 is shown schematically, designed larger in terms of their effective flow cross-section and particularly large mass flows of the exhaust tract 14 designed by flowing exhaust gas. Accordingly, the turbine wheel has a relation to the inertia of the turbine wheel of the first turbine 16 higher inertia, however, due to its opposite the first turbine 16 larger flow cross section is a lower flow resistance for the exhaust gas than the first turbine 16 , In contrast, the first turbine 16 the advantage that their turbine wheel less inertia than the turbine of the second turbine 26 and accordingly is faster to accelerate, which is particularly advantageous at lower mass flows of the exhaust gas.
Nachfolgend wird anhand der 2 bis 6 für unterschiedliche Betriebszustände der Betrieb des erfindungsgemäßen Abgassystems näher erläutert. Dabei wird ohne Einschränkung der Allgemeinheit davon ausgegangen, dass ausgehend von einem kalten Zustand der Verbrennungskraftmaschine und des Abgassystems die Verbrennungskraftmaschine in Bezug auf ihre Leistungsabgabe ausgehend von niedrigen Werten auf Nennleistung hochgefahren wird, so dass der gesamte Lastbereich abgedeckt ist. Hierfür wird zunächst Bezug auf 2 genommen, in welcher das in 1 dargestellte System ergänzt um Strömungspfeile entsprechend einem Betriebszustand mit niedriger Last bzw. Abgastemperatur skizziert ist.The following is based on the 2 to 6 for different operating conditions, the operation of the exhaust system according to the invention explained in more detail. It is assumed without loss of generality that starting from a cold state of the internal combustion engine and the exhaust system, the internal combustion engine is increased in terms of their output from low values to nominal power, so that the entire load range is covered. This will be referred to first 2 taken in which the in 1 illustrated system is supplemented by flow arrows corresponding to an operating condition with low load or exhaust gas temperature is outlined.
In diesem nachfolgend als ersten Betriebszustand bezeichneten Betrieb, welcher von Leerlauf bis zu einer niedrigen Last von etwa 30% bis 40% der Nennlast und vergleichsweise niedrigen Drehzahlen reicht, ist ausschließlich oder nahezu ausschließlich der erste Abgasturbolader 12 in Betrieb. Somit erfolgt eine Verdichtung von der Verbrennungskraftmaschine zugeführter Verbrennungsluft lediglich mittels des ersten Verdichters 20. In diesem ersten Betriebszustand befindet sich das Regelventil 52 in seiner Schließstellung, während sich das Ventil 54 in seiner Freigabestellung befindet. In diesem Betriebszustand strömt das Abgas aus dem Abgaskrümmer 44 in die Abgasleitung 32 gemäß dem Richtungspfeil 46 ein und strömt aufgrund des geschlossenen Regelventils 52 weiter über die Verbindungsstelle 48 in die Abgasleitung 34 gemäß einem Richtungspfeil 84 und in die erste Turbine 16, wodurch das Turbinenrad der ersten Turbine 16 und damit das Verdichterrad des ersten Verdichters 20 angetrieben wird. Nach Durchströmen der ersten Turbine 16 strömt das Abgas weiter in die Abgasleitung 40 gemäß einem Richtungspfeil 86. Die Abgasleitung 40 leitet das Abgas weiter über das geöffnete Ventil 54 gemäß einem Richtungspfeil 88 zum zweiten Katalysatorteil 50b.In this operation referred to below as the first operating state, which ranges from idling to a low load of about 30% to 40% of the rated load and comparatively low speeds, is exclusively or almost exclusively the first exhaust gas turbocharger 12 in operation. Thus, a compression of the internal combustion engine supplied combustion air only by means of the first compressor 20 , In this first operating state is the control valve 52 in its closed position, while the valve 54 is in its release position. In this operating state, the exhaust gas flows from the exhaust manifold 44 in the exhaust pipe 32 according to the directional arrow 46 and flows due to the closed control valve 52 continue via the connection point 48 in the exhaust pipe 34 according to a directional arrow 84 and in the first turbine 16 , whereby the turbine wheel of the first turbine 16 and thus the compressor wheel of the first compressor 20 is driven. After flowing through the first turbine 16 the exhaust gas flows further into the exhaust pipe 40 according to a directional arrow 86 , The exhaust pipe 40 directs the exhaust gas over the open valve 54 according to a directional arrow 88 to the second catalyst part 50b ,
Aufgrund des gegebenen Druckgefälles strömt das Abgas nicht oder ein nur sehr geringer Teil des Abgases von der Abgasleitung 40 über die Verbindungsstelle 53 in die Abgasleitung 38, so dass die zweite Turbine 26 nicht von dem Abgas angetrieben wird. Dies bedeutet, dass lediglich der erste Abgasturbolader 12 mit der ersten Turbine 16 aktiv ist, während der zweite Abgasturbolader 24 mit der zweiten Turbine 26 inaktiv ist.Due to the given pressure gradient, the exhaust gas does not flow or only a very small part of the exhaust gas from the exhaust pipe 40 over the junction 53 in the exhaust pipe 38 so that the second turbine 26 not driven by the exhaust gas. This means that only the first turbocharger 12 with the first turbine 16 is active while the second exhaust gas turbocharger 24 with the second turbine 26 is inactive.
Somit gelangt das gesamte von der Verbrennungskraftmaschine gelieferte Abgas oder zumindest dessen weit überwiegender über die erste Turbine 16 direkt zum zweiten Katalysatorteil 50b, wobei dieses ausgehend von einem kalten Zustand aufgewärmt wird. Da lediglich der typischerweise etwa die Hälfte oder einen kleinern Teil des gesamten Volumens des Abgaskatalysators 50 umfassende zweite Katalysatorteil 50b mit dem Abgas des Verbrennungskraftmaschine beaufschlagt wird, erfolgt trotz eines entsprechend der niedrigen Last der Verbrennungskraftmaschine niedrigen Abgastemperatur dennoch eine effektive und rasche Aufwärmung des zweiten Katalysatorteils 50b. Einen weiteren, insbesondere für die niedrigen Lasten im ersten Betriebszustand wichtigen Vorteil stellt der gegenüber einer Durchströmung des gesamten Abgaskatalysators 50 verminderte Druckverlust dar.Thus, the entire exhaust gas supplied by the internal combustion engine, or at least its far more predominantly passes over the first turbine 16 directly to the second catalyst part 50b , which is warmed up from a cold state. Since only the typically about half or a smaller part of the total volume of the catalytic converter 50 comprehensive second catalyst part 50b is acted upon with the exhaust gas of the internal combustion engine, takes place despite a correspondingly low load of the internal combustion engine low exhaust gas temperature yet effective and rapid warming of the second catalyst part 50b , Another advantage that is particularly important for the low loads in the first operating state is the advantage over a flow through the entire exhaust gas catalytic converter 50 reduced pressure loss.
Auf Seiten des Ansaugtrakts 18 befindet sich das Rückschlagventil 80 in seiner Schließstellung, während sich das Rückschlagventil 78 in seiner Offenstellung befindet. Dadurch strömt die Luft aus dem Luftfilter 68 gemäß einem Richtungspfeil 70 in die Luftleitung 58 und aufgrund des geschlossenen Rückschlagventils 80 und des inaktiven zweiten Abgasturboladers 24 über die Verbindungsstelle 74 in die Luftleitung 62 und weiter über das geöffnete Rückschlagventil 78 gemäß einem Richtungspfeil 90 zum ersten Verdichter 20, welcher von der ersten Turbine 16 angetrieben wird und mittels welchem die Luft verdichtet wird. Nachdem der erste Verdichter 20 die Luft verdichtet hat, strömt diese weiter gemäß einem Richtungspfeil 92 zur Verbindungsstelle 82, strömt in die Luftleitung 60 stromab des Rückschlagventils 80 ein und gemäß einem Richtungspfeil 94 weiter zum Ladeluftkühler 72.On the side of the intake 18 is the check valve 80 in its closed position, while the check valve 78 is in its open position. As a result, the air flows out of the air filter 68 according to a directional arrow 70 in the air line 58 and due to the closed check valve 80 and the inactive second exhaust gas turbocharger 24 over the junction 74 in the air line 62 and continue over the open check valve 78 according to a directional arrow 90 to the first compressor 20 , which from the first turbine 16 is driven and by means of which the air is compressed. After the first compressor 20 the air has compressed, this flows according to a directional arrow 92 to the connection point 82 , flows into the air line 60 downstream of the check valve 80 one and according to a directional arrow 94 on to the intercooler 72 ,
In diesem ersten Betriebszustand kann somit die Luft auch bei niedrigen Lasten und/oder Drehzahlen und bei niedrigen Massenströmen des Abgases besonders effizient verdichtet werden, da die erste Turbine 16, wie geschildert, besonders gut bei diesen Bedingungen angetrieben werden kann. Vorzugsweise ist bei derartig niedrigen Drehzahl- und/oder Lastbereichen der Verbrennungskraftmaschine mittels der variablen Turbinengeometrie der ersten Turbine 16 ein effektiver Strömungsquerschnitt der ersten Turbine 16 eingestellt, welcher gegenüber einem mittels der variablen Turbinengeometrie einstellbaren maximalen Strömungsquerschnitt geringer ist. So liegt ein gedrosselter Betrieb der ersten Turbine 16 vor, in welchem sie auch mit besonders geringen Massenströmen des Abgases besonders gut antreibbar ist.In this first operating state, therefore, the air can be compressed particularly efficiently even at low loads and / or rotational speeds and at low mass flows of the exhaust gas, since the first turbine 16 As described, it can be driven very well under these conditions. Preferably, in such low speed and / or load ranges of the internal combustion engine by means of the variable turbine geometry of the first turbine 16 an effective flow cross section of the first turbine 16 set, which is lower compared to a variable by means of the variable turbine geometry adjustable flow cross-section. So is a throttled operation of the first turbine 16 before, in which it is particularly good drivable even with very low mass flows of the exhaust gas.
Die Verhältnisse bei Steigerung der Leistungsabgabe und somit ansteigender Temperatur des von der Verbrennungskraftmaschine abgegebenen Abgases eines zweiten Betriebszustands sind in 3 skizziert. In dem auch als Übergangszustand oder Zwischenbereich zu bezeichnenden zweiten Betriebszustand mit gegenüber dem ersten Betriebszustand erhöhter Abgastemperatur bzw. Last von etwa 40% bis 50% der Nennlast und typischerweise erhöhter, mittlerer Drehzahl ist der erste Abgasturbolader 12 in Betrieb und der zweite Abgasturbolader 24 befindet sich in einem Anlaufzustand mit etwa 0% bis 20% seiner Nenndrehzahl. Im zweiten Betriebszustand verbleibt das Regelventil 52 in seiner die Abgasleitung 36 fluidisch versperrenden Schließstellung. Auch das Rückschlagventil 78 verbleibt in seiner Freigabestellung, und das Rückschlagventil 80 verbleibt in seiner Schließstellung.The conditions for increasing the power output and thus the increasing temperature of the exhaust gas emitted by the internal combustion engine of a second operating state are in 3 outlined. In the second operating state, which may also be referred to as a transition state or intermediate region, with an exhaust gas temperature or load of approximately 40% to 50% of the nominal load and typically increased average rotational speed, which is higher than the first operating state, the first exhaust gas turbocharger is 12 in operation and the second turbocharger 24 is in a start-up condition at about 0% to 20% of its rated speed. In the second operating state, the control valve remains 52 in his the exhaust pipe 36 fluidly occlusive closed position. Also the check valve 78 remains in its release position, and the check valve 80 remains in its closed position.
Im Gegensatz zum mit Bezug zu 2 geschilderten ersten Betriebszustand wird das Ventil 54 in seine Zwischenstellung überführt, so dass Abgas die Abgasleitung 40 nur noch gedrosselt durchströmen kann. Dies bewirkt einen gegenüber dem ersten Betriebszustand höheren Widerstand für das Abgas, wodurch bewirkt ist, dass ein Teil von über die erste Turbine 16 geleitetem Abgas über die Verbindungsstelle 53 von der Abgasleitung 40 in die Abgasleitung 38 gemäß einem Richtungspfeil 96 einströmt. Der hierzu komplementäre, typischerweise größere Anteil des von der Verbrennungskraftmaschine insgesamt abgegebenen und über die erste Turbine 16 geführten Abgases gelangt weiterhin direkt von der ersten Turbine 16 zum zweiten Katalysatorteil 50b.Unlike with respect to 2 described first operating state is the valve 54 transferred to its intermediate position, so that exhaust the exhaust pipe 40 can only flow through throttled. This causes a higher resistance to the exhaust gas than the first operating state, thereby causing a portion of the first turbine 16 led exhaust gas via the connection point 53 from the exhaust pipe 40 in the exhaust pipe 38 according to a directional arrow 96 flows. The complementary, typically larger proportion of the total delivered by the internal combustion engine and the first turbine 16 guided exhaust gas continues to arrive directly from the first turbine 16 to the second catalyst part 50b ,
In die Abgasleitung 38 einströmendes Abgas strömt weiter über die Verbindungsstelle 56 in die Abgasleitung 36 und in die zweite Turbine 26, wodurch die zweite Turbine 26 bzw. dessen Turbinenrad angetrieben werden und anlaufen kann. Nach Durchströmen der zweiten Turbine 26 strömt das Abgas gemäß einem Richtungspfeil 98 in die Abgasleitung 42, mittels welcher das Abgas zum ersten Katalysatorteil 50a und nach dessen Durchströmung durch den zweiten Katalysatorteil 50b geleitet wird. Typischerweise ist zumindest der zweite Katalysatorteil 50b bereits derart aktiv, dass das gesamte von der Verbrennungskraftmaschine gelieferte und über den zweiten Katalysatorteil 50b geleitete Abgas entsprechend der Reinigungsfunktion des Abgaskatalysators 50 katalytisch gereinigt wird. Der zweite Katalysatorteil 50b wird dabei weiter, insbesondere durch das ihm direkt von der ersten Turbine 16 zugeführte, nunmehr deutlich heißere Abgas aufgeheizt. Der erste Katalysatorteil 50a wird durch das ihm von der zweiten Turbine 26 zugeführte Abgas aufgewärmt. Zusätzlich erfolgt eine Aufwärmung des ersten Katalysatorteils 50a durch vom nahe angeordneten zweiten Katalysatorteil 50b ausgehende Wärmestrahlung. Dadurch ist eine effektive Aufheizung des gesamten Abgaskatalysators 50 ermöglicht.In the exhaust pipe 38 inflowing exhaust gas continues to flow over the junction 56 in the exhaust pipe 36 and into the second turbine 26 , causing the second turbine 26 or whose turbine wheel can be driven and start. After flowing through the second turbine 26 the exhaust gas flows according to a directional arrow 98 in the exhaust pipe 42 , by means of which the exhaust gas to the first catalyst part 50a and after the flow through the second catalyst part 50b is directed. Typically, at least the second catalyst part 50b already so active that all delivered by the internal combustion engine and the second catalyst part 50b guided exhaust gas according to the cleaning function of the catalytic converter 50 is purified catalytically. The second part of the catalyst 50b will continue, especially by him directly from the first turbine 16 supplied, now heated much hotter exhaust gas. The first part of the catalyst 50a is by him from the second turbine 26 supplied exhaust gas warmed up. In addition, a heating of the first catalyst part takes place 50a through from the nearby second catalyst part 50b outgoing heat radiation. This is an effective heating of the entire catalytic converter 50 allows.
Im zweiten Betriebszustand wird die variable Turbinengeometrie der ersten Turbine 16 vorzugsweise derart eingestellt, dass sie gegenüber dem ersten Betriebszustand einen größeren Strömungsquerschnitt aufweist. Dies hat den Vorteil, dass der vergrößerte Strömungsquerschnitt nun für den größeren Massenstrom des Abgases keinen unerwünscht großen Strömungswiderstand darstellt, wie es beispielsweise bei einem demgegenüber kleineren und im ersten Betriebszustand vorzugsweise vorliegenden Strömungsquerschnitt der Fall wäre.In the second operating state, the variable turbine geometry of the first turbine 16 preferably set such that it has a larger flow cross-section than the first operating state. This has the advantage that the enlarged flow cross section does not represent an undesirably large flow resistance for the larger mass flow of the exhaust gas, as would be the case, for example, with a flow cross section that is smaller and preferably present in the first operating state.
Durch diesen Übergangsbetriebszustand ist es ermöglicht, die zweite Turbine 26 und damit den zweiten Abgasturbolader 24 allmählich zu starten und auf Drehzahl zu bringen, ohne dass ein unerwünscht abrupter Übergang vor einem ersten zu einem weiteren Betriebszustand gegeben ist. Jedoch ist zu beachten, dass auch in dem Übergangszustand der Verbrennungskraftmaschine zugeführte Verbrennungsluft vollständig oder zumindest zum weit überwiegenden Teil nur mittels des ersten Verdichters 20 verdichtet wird. Der zweite Verdichter 30 trägt in diesem Übergangszustand noch nicht oder nur geringfügig zu der Verdichtung der Verbrennungsluft bei.This transitional state makes it possible to use the second turbine 26 and thus the second exhaust gas turbocharger 24 gradually start and bring to speed without an undesirable abrupt transition is given before a first to another operating state. However, it should be noted that even in the transition state of the internal combustion engine supplied combustion air completely or at least for the most part only by means of the first compressor 20 is compressed. The second compressor 30 contributes in this transitional state not or only slightly to the compression of the combustion air.
Die Verhältnisse bei weiterer Steigerung der Leistungsabgabe und somit weiter ansteigender Temperatur des von der Verbrennungskraftmaschine abgegebenen Abgases eines dritten Betriebszustands sind in 4 skizziert. In diesem Betriebszustand mit gegenüber dem zweiten Betriebszustand weiter erhöhter Abgastemperatur bzw. Last von etwa 50% bis 60% der Nennlast und typischerweise weiter erhöhter Drehzahl ist eine zweistufige serielle Verdichtung der Verbrennungsluft durch den ersten Verdichter 20 und den zweiten Verdichter 30 gegeben. Das Regelventil 52 befindet sich nach wie vor in seiner Schließstellung, während sich das Ventil 54 in seiner Zwischenstellung befindet. Somit strömt analog zum ersten und zum zweiten Betriebszustand das gesamte von der Verbrennungskraftmaschine gelieferte Abgas über die erste Turbine 16. Dabei weist die variable Turbinengeometrie der ersten Turbine 16 einen größeren Strömungsquerschnitt auf als im ersten Betriebszustand. Ebenso kann vorgesehen sein, dass die variable Turbinengeometrie zur Darstellung eines maximal einstellbaren effektiven Strömungsquerschnitts der ersten Turbine 16 maximal geöffnet ist.The conditions with further increase in the power output and thus further increasing temperature of the exhaust gas emitted by the internal combustion engine of a third operating state are in 4 outlined. In this operating state, with the exhaust gas temperature or load of about 50% to 60% of the rated load and typically further increased rotational speed being further increased compared with the second operating state, a two-stage serial compression of the combustion air by the first compressor 20 and the second compressor 30 given. The control valve 52 is still in its closed position, while the valve 54 located in its intermediate position. Thus, analogous to the first and the second operating state, the entire exhaust gas supplied by the internal combustion engine flows via the first turbine 16 , In this case, the variable turbine geometry of the first turbine 16 a larger flow area than in the first operating state. Likewise, it can be provided that the variable turbine geometry for displaying a maximum adjustable effective flow cross section of the first turbine 16 is open at most.
Typischerweise ist der Öffnungsgrad des Ventils 54 gegenüber dem zweiten Betriebszustand vermindert und es wird ein entsprechend verminderter Anteil des über die erste Turbine 16 geleiteten Abgases über die Abgasleitung 40 entsprechend den Richtungspfeilen 86, 88 direkt weiter zum zweiten Katalysatorteil 50b geleitet. Dadurch wird eine unerwünscht hohe, insbesondere thermische Belastung des zweiten Katalysatorteils 50b vermieden. Der komplementäre, typischerweise größere Anteil des von der Verbrennungskraftmaschine insgesamt abgegebenen und über die erste Turbine 16 geführten Abgases gelangt über die Abgasleitung 38 zur zweiten Turbine 26. Somit erfolgt ein Hochlaufen des zweiten Abgasturboladers 24 und die zweite Turbine 26 bzw. deren Turbinenrad weist eine nicht unerhebliche Drehzahl auf, so dass der dadurch angetriebene zweite Verdichter 30 zur Verdichtung von Verbrennungsluft in nicht unerheblichem Maße beitragen kann. Eine katalytische Abgasreinigung durch den Abgaskatalysator 50 kann problemlos erfolgen, da dieser voll aktiv ist und für den größeren Teil des gesamten Abgasstroms das volle Katalysatorvolumen zur Verfügung steht.Typically, the degree of opening of the valve 54 reduced compared to the second operating state and it is a correspondingly reduced proportion of the first turbine 16 guided exhaust gas via the exhaust pipe 40 according to the directional arrows 86 . 88 directly to the second part of the catalyst 50b directed. As a result, an undesirably high, in particular thermal load of the second catalyst part 50b avoided. The complementary, typically larger proportion of the total delivered by the internal combustion engine and the first turbine 16 guided exhaust gas passes through the exhaust pipe 38 to the second turbine 26 , Thus, a run-up of the second exhaust gas turbocharger takes place 24 and the second turbine 26 or the turbine wheel has a considerable speed, so that the thus driven second compressor 30 contribute to the compression of combustion air to a considerable extent. A catalytic exhaust gas purification by the catalytic converter 50 can be done easily, as it is fully active and for the greater part of the total exhaust gas flow the full catalyst volume is available.
Im Unterschied zu den vorhergehenden Betriebszuständen sind nun jedoch die Rückschlagventile 78 und 80 in ihre Schließstellungen eingestellt. Dies bewirkt, dass die Luft nun nicht über die Verbindungsstelle 74 in die Luftleitung 62 einströmt, sondern gemäß einem Richtungspfeil 100 über die Luftleitung 58 zum zweiten Verdichter 30 strömt und in diesen einströmt. Nachdem der zweite Verdichter 30 die Luft verdichtet hat, strömt diese weiter gemäß einem Richtungspfeil 102 durch die Luftleitung 60 und strömt aufgrund des geschlossenen Rückschlagventils 80 über die Verbindungsstelle 76 in die Luftleitung 64 gemäß einem Richtungspfeil 90 ein und wird dem ersten Verdichter 20 des ersten Abgasturboladers 12 zugeführt.In contrast to the previous operating states, however, now the check valves 78 and 80 set in their closed positions. This causes the air now not over the junction 74 in the air line 62 flows in, but according to a directional arrow 100 over the air line 58 to the second compressor 30 flows and flows into them. After the second compressor 30 the air has compressed, this flows according to a directional arrow 102 through the air line 60 and flows due to the closed check valve 80 over the junction 76 in the air line 64 according to a directional arrow 90 one and becomes the first compressor 20 of the first exhaust gas turbocharger 12 fed.
In dem in der 4 gezeigten dritten Betriebszustand wird die Verbrennungsluft somit zunächst durch den zweiten Verdichter 30 als erste Stufe und anschließend durch den seriell zu dem zweiten Verdichter 30 geschalteten und in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft durch den Ansaugtrakt 18 stromab dieses angeordneten ersten Verdichters 20 als zweite Stufe zweistufig nacheinander verdichtet.In the in the 4 shown third operating state, the combustion air is thus first through the second compressor 30 as a first stage and then through the serial to the second compressor 30 switched and in the direction of flow of combustion air through the intake 18 downstream of this arranged first compressor 20 compressed as a second stage in two stages successively.
In diesem Betriebszustand sind nicht nur der erste Verdichter 20 und der zweite Verdichter 30 sondern, wie schon in dem Übergangsbetriebszustand gemäß 3, auch die erste Turbine 16 und die zweite Turbine 20 seriell zueinander geschaltet. Dies bedeutet, dass Abgas zunächst die erste Turbine 16 und danach anschließend die zweite Turbine 26 durchströmt. So wird dieses Abgas zunächst durch die erste Turbine 16 und anschließend nochmals durch die zweite Turbine 26 expandiert. Da das Abgas stromauf der ersten Turbine 16 einen höheren Druck aufweist als stromauf der zweiten Turbine 26 und stromab der ersten Turbine 16, werden die erste Turbine 16 in derartigen Betriebszuständen als Hochdruck-Turbine und damit der erste Abgasturbolader 12 als Hochdruck-Abgasturbolader und die zweite Turbine 26 als Niederdruck-Turbine und damit der zweite Abgasturbolader 24 als Niederdruck-Abgasturbolader bezeichnet. Dabei sei angemerkt, dass sich die zweite Turbine 26 bzw. dessen Turbinenrad wie schon in dem zweiten Betriebszustand gemäß 3 noch in einer so genannten Anlauf- bzw. Hochlaufphase befindet, in welcher die zweite Turbine 26 bzw. das entsprechende Turbinenrad hinsichtlich seiner Drehzahl noch beschleunigt wird.In this operating condition, not only the first compressor 20 and the second compressor 30 but, as already in the Transitional operating state according to 3 , also the first turbine 16 and the second turbine 20 connected in series with each other. This means that first exhaust gas is the first turbine 16 and then the second turbine afterwards 26 flows through. So this exhaust is first through the first turbine 16 and then again through the second turbine 26 expanded. Because the exhaust gas upstream of the first turbine 16 has a higher pressure than upstream of the second turbine 26 and downstream of the first turbine 16 , become the first turbine 16 in such operating conditions as a high pressure turbine and thus the first exhaust gas turbocharger 12 as a high-pressure exhaust gas turbocharger and the second turbine 26 as a low-pressure turbine and thus the second exhaust gas turbocharger 24 referred to as low-pressure exhaust gas turbocharger. It should be noted that the second turbine 26 or its turbine wheel as in the second operating state according to 3 is still in a so-called start-up or run-up phase, in which the second turbine 26 or the corresponding turbine wheel is still accelerated in terms of its speed.
Bei ausgehend vom unter Bezug auf 4 geschilderten Betriebszustand erfolgender weiteren Erhöhung der Lasten und/oder der Drehzahlen der Verbrennungskraftmaschine wird ein weiterer, vierter Betriebszustand aktiv, welcher anhand der 5 nachfolgend erläutert ist.Starting from the reference to 4 described operating condition further increasing the loads and / or the rotational speeds of the internal combustion engine is another, fourth operating state active, which is based on the 5 is explained below.
In diesem Betriebszustand, welcher mit einem zugeordneten typischerweise relativ schmalen Leistungsband um etwa 65% der Nennlast auch als Übergangszustand betrachtet werden kann, befindet sich das Regelventil 52 in seiner Schließstellung. Das gesamte von der Verbrennungskraftmaschine gelieferte Abgas wird über die erste Turbine 16 geleitet. Dabei ist die variable Turbinengeometrie der Turbine 16 vorzugsweise auf ihren maximal einstellbaren, d. h. größtmöglichen effektiven Strömungsquerschnitt eingestellt, so dass sie für den mit den erhöhten Drehzahlen und/oder Lasten einhergehenden erhöhten Massenstrom des Abgases keinen unerwünscht hohen Strömungswiderstand darstellt.In this operating state, which can also be considered as a transitional state with an associated typically relatively narrow power band of about 65% of the nominal load, the control valve is located 52 in its closed position. All of the exhaust gas delivered by the internal combustion engine is via the first turbine 16 directed. Here is the variable turbine geometry of the turbine 16 preferably set to their maximum adjustable, ie maximum effective flow area, so that it is not undesirable high flow resistance for the associated with the increased speeds and / or loads increased mass flow of the exhaust gas.
Im Unterschied zu den oben erläuterten Betriebszuständen befindet sich nun das Ventil 54 in seiner Schließstellung, so dass Abgas die Abgasleitung 40 nicht durchströmen kann. Das gesamte von der Verbrennungskraftmaschine gelieferte Abgas gelangt somit von der ersten Turbine 16 weiter über die Abgasleitung 38 entsprechend dem Richtungspfeil 96 zur zweiten Turbine 26. Dabei steigert sich die Drehzahl der zweiten Turbine 26 bzw. die Drehzahl des entsprechenden Turbinenrads weiter in Richtung Nenndrehzahl. Der erste Abgasturbolader 12 und der zweite Abgasturbolader 24 sind daher abgasseitig bzw. turbinenseitig seriell betrieben bzw. geschaltet, woraus eine besonders gute Leistungsentfaltung der Verbrennungskraftmaschine resultiert. Infolge des geschlossenen Ventils 54 gelangt der nunmehr weiter in Bezug auf Menge und Temperatur angestiegene Abgasstrom vollständig über die Abgasleitung 42 gemäß dem Richtungspfeil 98 zur Eingangsseite des ersten Katalysatorteils 50a. Somit wird zur Abgasreinigung das gesamte Volumen des Abgaskatalysators 50 genutzt. Dadurch ist eine besonders gute Reinigungswirkung ermöglicht, da eine Überlastung des zweiten Katalysatorteils 50b vermieden ist.In contrast to the operating conditions explained above, the valve is now located 54 in its closed position, leaving exhaust gas the exhaust pipe 40 can not flow through. The entire exhaust gas supplied by the internal combustion engine thus passes from the first turbine 16 continue over the exhaust pipe 38 according to the directional arrow 96 to the second turbine 26 , This increases the speed of the second turbine 26 or the speed of the corresponding turbine wheel in the direction of rated speed. The first exhaust gas turbocharger 12 and the second exhaust gas turbocharger 24 are therefore operated on the exhaust side or turbine side serially or connected, resulting in a particularly good power delivery of the internal combustion engine results. As a result of the closed valve 54 The now further increased in terms of quantity and temperature exhaust gas flow passes completely through the exhaust pipe 42 according to the directional arrow 98 to the input side of the first catalyst part 50a , Thus, the entire volume of the exhaust gas catalyst for exhaust gas purification 50 used. This allows a particularly good cleaning effect, since an overload of the second catalyst part 50b is avoided.
Das Rückschlagventil 78 befindet sich indes differenzdruckbedingt in seiner Schließstellung, während sich das Rückschlagventil 80 in seiner Offenstellung befindet. Die gesamte der Verbrennungskraftmaschine zugeführte Verbrennungsluft wird zunächst über die Luftleitung 58 zum zweiten Verdichter 30 geführt, durch welchen die Verbrennungsluft verdichtet wird. Anschließend strömt ein typischerweise größerer Teil der bereits verdichteten Verbrennungsluft über die Luftleitung 60 zum Ladeluftkühler 72 gemäß einem Richtungspfeil 106. Ein typischerweise kleinerer Anteil der vom zweiten Verdichter 30 verdichteten Verbrennungsluft gelangt über Verbindungsstelle 76 und die Luftleitung 64 zum ersten Verdichter 20, durch welchen sie weiter verdichtet wird und gemäß dem Richtungspfeil 92 weiter durch die Luftleitung 66 und über die Verbindungsstelle 82 in die Luftleitung 60 strömt und gemäß dem Richtungspfeil 94 ebenso zu dem Ladeluftkühler 72.The check valve 78 However, is due to differential pressure in its closed position, while the check valve 80 is in its open position. The entire combustion air supplied to the internal combustion engine is first via the air line 58 to the second compressor 30 passed, through which the combustion air is compressed. Subsequently, a typically larger part of the already compressed combustion air flows over the air line 60 to the intercooler 72 according to a directional arrow 106 , A typically smaller proportion of the second compressor 30 compressed combustion air passes through junction 76 and the air line 64 to the first compressor 20 through which it is further compressed and according to the directional arrow 92 continue through the air line 66 and over the junction 82 in the air line 60 flows and according to the directional arrow 94 as well to the intercooler 72 ,
Dadurch ist ein paralleler Betrieb des ersten Verdichters 20 und des zweiten Verdichters 30 dargestellt, welche Verbrennungsluft gleichzeitig verdichten. Die Turbinen 16 und 26 sind indes nach wie vor seriell zueinander geschaltet und werden nacheinander von Abgas durchströmt. Beide Abgasturbolader, der erste Abgasturbolader 12 und der zweite Abgasturbolader 24 sind aktiv. Infolge dieser Verdichterschaltung ist eine besonders gute Leistungsentfaltung der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht.This is a parallel operation of the first compressor 20 and the second compressor 30 shown, which compress combustion air at the same time. The turbines 16 and 26 Meanwhile, however, are still connected in series with each other and are sequentially flowed through by exhaust gas. Both turbochargers, the first turbocharger 12 and the second exhaust gas turbocharger 24 are active. As a result of this compressor circuit a particularly good power delivery of the internal combustion engine is possible.
Bei weiterer Erhöhung der Last bzw. der Leistung und/oder der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine gelangt diese in den oder in die Nähe des Volllastbereichs mit typischerweise wenigstens 70% der Nennleistung und es wird ein weiterer, fünfter Betriebszustand aktiv, welcher anhand der 6 nachfolgend erläutert ist.Upon further increase of the load or the power and / or the speed of the internal combustion engine, this reaches at or near the full load range with typically at least 70% of the rated power and it is another, fifth operating state active, which is based on 6 is explained below.
In diesem fünften Betriebszustand verbleibt das Ventil 54 in seiner Schließstellung wohingegen das Regelventil 52 in seine Freigabestellung verstellt wird. Von der Verbrennungskraftmaschine abgegebenes Abgas umgeht daher weitestgehend die erste Turbine 16 und strömt insbesondere aufgrund von gegebenen Druckgefällen über die Abgasleitung 36 und das geöffnete Regelventil 52 zumindest im Wesentlichen direkt zur zweiten Turbine 26 und treibt diese an. In diesem fünften Betriebszustand ist eine besonders hohe Leistung und ein besonders hohes Drehmoment darstellbar, da die insbesondere hinsichtlich ihrer Dimensionen, und insbesondere ihres Strömungsquerschnitts, im Verhältnis zur ersten Turbine 16 größere zweite Turbine 26 alleinig aktiv ist und vom Abgas angetrieben wird. Das Abgas muss in derartigen Volllastbereichen oder volllastnahen Betriebsbereichen nicht durch einen gegenüber der zweiten Turbine 26 vergleichsweise geringen Strömungsquerschnitt der ersten Turbine 16 strömen, was einen unerwünscht hohen Strömungswiderstand darstellen würde.In this fifth operating state, the valve remains 54 in its closed position whereas the control valve 52 is adjusted in its release position. Exhaust gas emitted by the internal combustion engine therefore largely bypasses the first turbine 16 and flows in particular due to given pressure gradients over the exhaust pipe 36 and the open control valve 52 at least substantially directly to the second turbine 26 and drives them. In this fifth operating state a particularly high performance and a particularly high torque can be displayed, since the particular in terms of their dimensions, and in particular their flow cross-section, in relation to the first turbine 16 larger second turbine 26 is solely active and driven by the exhaust gas. The exhaust gas must not in such full-load areas or full-load-related operating areas by one opposite the second turbine 26 comparatively small flow cross-section of the first turbine 16 flow, which would represent an undesirably high flow resistance.
Analog zum vierten Betriebszustand gelangt das gesamte Abgas der Verbrennungskraftmaschine über die Abgasleitung 42 gemäß dem Richtungspfeil 98 zur Eingangsseite des ersten Katalysatorteils 50a. Somit steht für den hohen Abgasmassenstrom des fünften Betriebszustands das gesamte Volumen des Abgaskatalysators 50 zur Abgasreinigung zur Verfügung.Analogous to the fourth operating state, the entire exhaust gas of the internal combustion engine reaches via the exhaust gas line 42 according to the directional arrow 98 to the input side of the first catalyst part 50a , Thus stands for the high exhaust gas mass flow of the fifth operating state, the entire volume of the catalytic converter 50 available for exhaust gas purification.
Auf der Seite des Ansaugtrakts 18 verbleibt das Rückschlagventil 78 in seiner Schließstellung, während das Rückschlagventil 80 in seiner Offenstellung verbleibt. Somit wird der erste Verdichter 20 zumindest im Wesentlichen umgangen und es erfolgt nun eine Verdichtung der gesamten der Verbrennungskraftmaschine zugeführten Verbrennungsluft zumindest im Wesentlichen lediglich mittels des zweiten Verdichters 30 und nicht mehr auch und/oder zusätzlich durch den Verdichter 20, wie es bei den Betriebszuständen gemäß 4 und 5 der Fall ist. Im fünften Betriebszustand erfolgt somit eine Verdichtung der Verbrennungsluft ebenso wie im ersten Betriebszustand lediglich durch einen einzelnen Abgasturbolader. Im Gegensatz zum ersten Betriebszustand gemäß 2 erfolgt nun allerdings die Verdichtung der Luft nicht durch den ersten Verdichter 20 des ersten, kleineren Abgasturboladers 12, sondern durch den der zweiten Turbine 26 zugeordneten zweiten Verdichter 30 des größeren, leistungsfähigeren zweiten Abgasturboladers 24.On the side of the intake 18 the check valve remains 78 in its closed position while the check valve 80 remains in its open position. Thus, the first compressor 20 at least substantially bypassed and now there is a compression of the entire combustion air supplied to the internal combustion engine, at least substantially only by means of the second compressor 30 and no longer and / or additionally by the compressor 20 , as in the operating conditions according to 4 and 5 the case is. In the fifth operating state, therefore, a compression of the combustion air takes place just as in the first operating state only by a single exhaust gas turbocharger. In contrast to the first operating state according to 2 Now, however, the compression of the air does not take place through the first compressor 20 the first, smaller exhaust gas turbocharger 12 but by the second turbine 26 associated second compressor 30 the larger, more powerful second exhaust gas turbocharger 24 ,
Wie den 1 bis 6 zu entnehmen ist, ist das Abgassystem besonders flexibel an unterschiedliche Betriebszustände der Kraftmaschine und des Abgaskatalysators anpassbar und weist ein besonders gutes und geringes Ansprechverhalten auf, sodass bei Betriebspunktübergängen das so genannte Turboloch zumindest im Wesentlichen vermieden wird und die Verbrennungskraftmaschine zumindest nahezu in ihrem gesamten Kennfeld vorteilhaft mit verdichteter Luft versorgt werden kann. Dies kommt dem Fahrverhalten der Verbrennungskraftmaschine zugute, da so zumindest nahezu in dem gesamten Kennfeld gewünschte Leistungen und/oder Drehmomente zu realisieren sind. Dies bedeutet insbesondere eine sehr gute Anpassbarkeit des Fahrverhaltens der Verbrennungskraftmaschine an unterschiedliche Fahrsituationen wie beispielsweise das Fahren im Stadtverkehr oder über Land. In Bezug auf die Abgasreinigung resultiert ein besonders rasches Anspringen, wodurch ein besonders schadstoffarmer Kaltstart und Warmlauf ermöglicht ist.Like that 1 to 6 can be seen, the exhaust system is particularly flexible adaptable to different operating conditions of the engine and the catalytic converter and has a particularly good and low response, so at operating point transitions, the so-called turbo lag is at least substantially avoided and the internal combustion engine at least almost in their entire map advantageous can be supplied with compressed air. This is beneficial to the driving behavior of the internal combustion engine, since at least virtually all of the characteristic map desired performances and / or torques are to be realized. This means in particular a very good adaptability of the driving behavior of the internal combustion engine to different driving situations such as driving in city traffic or over land. In terms of exhaust gas cleaning results in a particularly rapid onset, which is a particularly low-emission cold start and warm-up is possible.
Selbstverständlich können zusätzliche und/oder anderweitige Ventileinrichtungen als die in den 1 bis 6 gezeigten vorgesehen sein, um die geschilderten Betriebszustände zu realisieren. Auch eine anderweitige Anordnung ist möglich. Beispielsweise kann stromauf der ersten Turbine 16 eine Ventileinrichtung, insbesondere ein selbstregelndes Rückschlagventil vorgesehen sein. Ferner ist es möglich, stromab der ersten Turbine 16 und stromauf der zweiten Turbine 26 ein als Wastegate fungierendes Ventil einzusetzen, um den Ladedruck zu regeln. Alternativ oder zusätzlich ist möglich dass der erste Turbine 16 und/oder der zweite Turbine 26 ein als Wastegate fungierendes Ventil zugeordnet ist. Es ist selbstredend, dass die Ventile, Regelventil und Rückschlagventil, regelbar sind oder selbstregelnd ausgestaltet sein können.Of course, additional and / or other valve devices than those in the 1 to 6 may be provided shown to realize the described operating conditions. Another arrangement is possible. For example, upstream of the first turbine 16 a valve device, in particular a self-regulating non-return valve may be provided. Further, it is possible to downstream of the first turbine 16 and upstream of the second turbine 26 to use a valve acting as a wastegate to control the boost pressure. Alternatively or additionally, it is possible that the first turbine 16 and / or the second turbine 26 a valve acting as wastegate is assigned. It goes without saying that the valves, control valve and check valve, are adjustable or can be configured self-regulating.
Es versteht sich weiter, dass das dargestellt System auch in zweifacher Ausführung sinngemäß aufgebaut sein kann, um Abgase von zwei Zylindergruppen getrennt voneinander zu verarbeiten bzw. diesen getrennt voneinander Verbrennungsluft zuzuführen.It is further understood that the illustrated system can also be constructed analogously in a double embodiment, in order to process exhaust gases from two cylinder groups separately from one another or to supply them combustion air separately from one another.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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US 2009/0178406 [0002] US 2009/0178406 [0002]
