DE102011015255A1

DE102011015255A1 - Eng gekoppelte Abgasnachbehandlungsvorrichtung für eine turboaufgeladene Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102011015255A1
Application number: DE102011015255A
Authority: DE
Inventors: David Bennet; Brian G. Cooper; Huntly W. Thomas; Nick Winder
Original assignee: Ricardo Inc; GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: Ricardo Inc; GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-03-30
Filing date: 2011-03-28
Publication date: 2011-11-10
Anticipated expiration: 2031-03-29
Also published as: US20110239644A1; CN102287250A; CN102287250B; US8443602B2; DE102011015255B4

Abstract

Ein Abgasnachbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine umfasst einen Abgaskrümmer, der zur Fluidkommunikation mit einem Abgaskanal konfiguriert ist, um eine Abgasströmung aufzunehmen. Es umfasst auch einen Primärturbolader mit einem Turbineneinlass, der zur Fluidkommunikation mit dem Abgaskrümmer konfiguriert ist, um die Abgasströmung aufzunehmen und diese an einen Auslass zu führen. Es umfasst auch ein Abgasbypassventil, das zur Bewegung zwischen einer offenen Position und einer geschlossenen Position betätigbar ist, wobei das Abgasbypassventil einen Einlass aufweist, der zur Fluidkommunikation mit dem Abgaskrümmer in der offenen Position konfiguriert ist, um die Abgasströmung aufzunehmen und diese an einen Auslass zu führen. Noch weiter umfasst es eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung, die zur thermischen Kommunikation mit dem Abgaskrümmer konfiguriert ist, wobei die Vorrichtung einen Einlass aufweist, der zur Fluidkommunikation mit der Turbine und Bypassauslässen konfiguriert ist, um die Abgasströmungen davon aufzunehmen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen ein Abgasnachbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine und einen Turbolader und insbesondere ein Abgasnachbehandlungssystem, das eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung aufweist, die eng mit der Maschine und dem Turbolader gekoppelt ist.
HINTERGRUND
Die Verwendung eines Turboladers oder eines Doppelturboladers ist gängiger geworden, da Hersteller versuchen, die Ausgangsleistung verschiedener Brennkraftmaschinenkonfigurationen zu verbessern. Dem Turbolader wird häufig Vorzug in dem Abgasnachbehandlungssystem gegenüber verschiedenen Abgasnachbehandlungsvorrichtungen gegeben. Mit Vorzug ist gemeint, dass der Turbolader stromaufwärts der verschiedenen Abgasnachbehandlungsvorrichtungen, wie dem Oxidationskatalysator, angeordnet ist, um den Energieeingang zu und verfügbaren Ausgang von dem Turbolader zu maximieren. Bei dieser Anordnung wird ein Anspringen eines Katalysators durch die thermische Beladung, die dem Turbolader zugeordnet ist, und durch Anordnung der Abgasnachbehandlungsvorrichtungen, insbesondere des Oxidationskatalysators, weiter weg von den Abgaskanälen verzögert. Somit dauert es bei Maschineninbetriebnahme länger, damit die Abgasnachbehandlungsvorrichtungen ihre Betriebstemperaturen erreichen und ihre Emissionsbehandlungsfunktionen ausführen.
Diese Verzögerung kann bei Doppelturboladerkonfigurationen, insbesondere sequentiellen Doppelturboladerkonfigurationen, noch weiter verschlimmert werden, wo es erwünscht ist, beide Turbolader eng zu koppeln, um deren Energieausgang zu maximieren. Derartige Konfigurationen können erfordern, dass die Abgasnachbehandlungsvorrichtungen sogar noch weiter stromabwärts angeordnet werden, was ein Anspringen des Katalysators aufgrund der erhöhten Distanz dieser Vorrichtungen von den Abgaskanälen weiter verzögert. Diese Charakteristik der turboaufgeladenen Brennkraftmaschinen, insbesondere von Maschinenkonfigurationen mit sequentiellem Doppelturbolader, steht dem allgemeinen Wunsch bei gegenwärtigen Abgasbehandlungssystemen nach einem so schnell als möglich oder innerhalb einer vorbestimmten Zeitperiode erfolgenden Anspringen des Katalysators entgegen, um eine Erfüllung von Auspuffemissionsanforderungen insbesondere bei Maschineninbetriebnahme sicherzustellen.
Demgemäß ist es erwünscht, turboaufgeladene Brennkraftmaschinenkonfigurationen bereitzustellen, die auch Abgasnachbehandlungssysteme vorsehen, die für ein schnelles Katalysatoranspringen sorgen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Abgasnachbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine vorgesehen. Das Abgasnachbehandlungssystem umfasst einen Abgaskrümmer, der zur Fluidkommunikation mit einem Abgaskanal oder einer Mehrzahl von Abgaskanälen einer Brennkraftmaschine konfiguriert ist, um eine Abgasströmung davon aufzunehmen. Es umfasst auch einen Primärturbolader, der eine Primärturbine mit einem Primärturbinenabgaseinlass aufweist, der zur Fluidkommunikation mit dem Abgaskrümmer der Maschine konfiguriert ist, um die Primärturbinenabgasströmung davon aufzunehmen und diese Strömung zu einem Primärturbinenabgasauslass zu führen. Es umfasst auch ein Abgasbypassventil, das zur Bewegung zwischen einer offenen Position und einer geschlossenen Position betätigbar ist, wobei das Abgasbypassventil einen Abgasbypassventileinlass aufweist, der zur Fluidkommunikation mit dem Abgaskrümmer in der offenen Position konfiguriert ist, um eine Bypassabgasströmung davon aufzunehmen und diese Strömung an einen Abgasbypassventilauslass zu führen. Es umfasst noch weiter eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung, die zur thermischen Kommunikation mit dem Abgaskrümmer konfiguriert ist, wobei die Vorrichtung einen Vorrichtungseinlass, der zur Fluidkommunikation mit dem Primärturbinenabgasauslass zur Aufnahme der Primärturbinenabgasströmung davon und mit dem Bypassauslass zur Aufnahme der Bypassabgasströmung davon konfiguriert ist, wenn das Bypassventil in der offenen Position ist, und einen Vorrichtungsauslass aufweist.
Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Brennkraftmaschine vorgesehen, die ein Abgasnachbehandlungssystem aufweist. Sie umfasst eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem Abgaskanal und mit einer Mehrzahl von Abgaskanälen und zumindest einem Ansaugkanal und mit einer Mehrzahl von Ansaugkanälen. Sie umfasst auch einen Abgaskrümmer, der zur Fluidkommunikation mit dem/den Abgaskanal/Abgaskanälen konfiguriert ist, um eine Abgasströmung davon aufzunehmen. Sie umfasst ferner einen Primärturbolader mit einer Primärturbine, die einen Primärturbinenabgaseinlass aufweist, der zur Fluidkommunikation mit dem Abgaskrümmer der Maschine konfiguriert ist, um eine Primärturbinenabgasströmung davon aufzunehmen und diese Strömung an den Primärturbinenabgasauslass zu führen. Sie umfasst auch ferner ein Abgasbypassventil, das zur Bewegung zwischen einer offenen Position und einer geschlossenen Position betätigbar ist, wobei das Abgasbypassventil einen Abgasbypassventileinlass aufweist, der zur Fluidkommunikation mit dem Abgaskrümmer in der offenen Position konfiguriert ist, um eine Bypassabgasströmung davon aufzunehmen und diese Strömung an einen Abgasbypassventilauslass zu führen. Ferner umfasst sie eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung, die zur thermischen Kommunikation mit dem Abgaskrümmer konfiguriert ist, wobei die Vorrichtung einen Vorrichtungseinlass, der zur Fluidkommunikation mit dem Primärturbinenabgasauslass zur Aufnahme der Primärabgasströmung davon und dem Bypassauslass zur Aufnahme der Bypassabgasströmung davon konfiguriert ist, wenn das Bypassventil in der offenen Position ist, und einen Vorrichtungsauslass aufweist.
Die obigen Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen leicht offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Andere Aufgaben, Merkmale, Vorteile und Einzelheiten sind nur beispielhaft in der folgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsformen dargestellt, wobei die detaillierte Beschreibung Bezug auf die Zeichnungen nimmt, in welchen:
1 eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Abgasnachbehandlungssystems für eine Brennkraftmaschine ist;
2 eine perspektivische Schnittansicht von 1 entlang dem Schnitt 2-2 ist;
3 eine schematische Ansicht des Abgasnachbehandlungssystems und der Brennkraftmaschine von 1 ist;
4 eine perspektivische Schnittansicht von 1 entlang Schnitt 4-4 ist;
5 eine perspektivische Schnittansicht von 1 entlang Schnitt 5-5 ist;
6 eine Schnittansicht einer zweiten beispielhaften Ausführungsform eines Abgaskrümmers und einer eng gekoppelten Abgasbehandlungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine ist, wie hier offenbart ist; und
7 eine Schnittansicht einer dritten beispielhaften Ausführungsform eines Abgaskrümmers und einer eng gekoppelten Abgasbehandlungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine ist, wie hier offenbart ist.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung umfasst eine eng gekoppelte Abgasnachbehandlungsvorrichtung zur Verwendung in einem Abgasnachbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine, die zumindest einen Turbolader als Teil eines Zwangsbeatmungsansaugluftsystems aufweist. Die eng gekoppelte Abgasnachbehandlungsvorrichtung der Erfindung kann auch in dem Abgasnachbehandlungssystem für Brennkraftmaschinen mit Zwangsbeatmungsansaugluftsystem verwendet werden, das mehr als einen Turbolader aufweist, einschließlich Zwangsbeatmungsansaugluftsystemen mit sequentiellem Doppelturbolader.
Wie hier verwendet ist, bedeutet ”Fluidkommunikation” den Durchgang einer Fluidströmung von einer Vorrichtung oder einer Stelle zu einer anderen Vorrichtung oder Stelle. Beispielsweise bezeichnet eine Fluidkommunikation einer Abgasströmung eine Kommunikation der Abgasströmung von einer Abgasbehandlungsvorrichtung zu einer anderen. Ähnlicherweise bedeutet Fluidkommunikation einer Ansaugluftströmung eine Kommunikation der Strömung von einer Ansaugluftsystemvorrichtung zu einer anderen. Allgemein wird eine Fluidkommunikation innerhalb eines abgedichteten Systems durchgeführt, obwohl es auch eine Kommunikation von Fluiden, wenn das System nicht abgedichtet ist, oder eine Kommunikation des Fluides an eine Außenumgebung umschließt. Wenn in Verbindung mit verschiedenen Vorrichtungen oder Zwischenvorrichtungen verwendet, wie beispielsweise Abgasnachbehandlungsvorrichtungen oder Zwangsbeatmungssystemvorrichtungen, kann Fluidkommunikation die Verwendung verschiedener Leitungen, Rohre, Befestigungsflansche, Abdichtungen, Dichtungselementen und anderen Strukturen und Merkmalen zum Erreichen der Kommunikation des Fluides umschließen.
Bezug nehmend auf die 1 und 2 umfasst eine Brennkraftmaschine 1 ein Abgasnachbehandlungssystem 10. Das Abgasnachbehandlungssystem 10 weist einen Abgaskrümmer 12 mit einem Sammler 14 (2) auf, durch den der Krümmer in Fluidkommunikation mit zumindest einem Abgaskanal 16 steht, durch den die Abgasströmung 18 von einem jeweiligen Brennraum (nicht gezeigt) die Maschine 1 verlässt, wenn sie betrieben wird. Die Brennkraftmaschine 1 kann alle Arten von Ein- und Mehrzylindermaschinenkonfigurationen aufweisen, einschließlich verschiedener Reihen- und V-Konfigurationen (nicht gezeigt), die auch eine Mehrzahl von Abgaskanälen 16 und entsprechenden Abgasströmungen 18 in Fluidkommunikation mit dem Sammler 14 aufweisen können, wie in 2 gezeigt ist. Diese umfassen alle Arten von Maschinen 1 für Fahrzeuganwendungen, umfassen jedoch auch alle Arten von Brennkraftmaschinen, die in verschiedenen Nicht-Fahrzeug-Anwendungen verwendet sind, einschließlich ortsfester Anwendungen. Die Abgasströmungen 18 werden in dem Sammler 14 gemischt. Der Sammler 14 öffnet sich in einen Primärturbinenauslass 20 und einen Bypassventilauslass 22. Der Abgaskrümmer 12 und der Sammler 14 umschließen auch ein Gehäuse 24, das die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 26 aufnimmt. Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 26 ist hier als zumindest teilweise in dem Abgaskrümmer 12 und dem Sammler 14 angeordnet gezeigt, so dass sie in direkter thermischer Kommunikation mit den Abgasströmungen 18 steht. Somit sind das Gehäuse 24 und die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 26, die darin angeordnet ist, diesen Strömungen ausgesetzt und stehen in thermischer Kommunikation damit, unmittelbar nachdem sie die jeweiligen Brennräume verlassen haben und bevor sie verschiedenen Verlusten an thermischer Energie ausgesetzt werden, die in dem Abgasnachbehandlungssystem 10 an Stellen auftreten, die von der Maschine 1 weiter entfernt sind. Dies ist eine besonders vorteilhafte Stelle zur Anordnung des Gehäuses 24 und der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 26, da die Temperatur der Abgasströmungen 18 an dieser Stelle höher als an denen innerhalb eines anderen Abschnitts des Abgasnachbehandlungssystems 10 ist, mit Ausnahme derjenigen Stellen, an denen exotherme Reaktionen in dem System stattfinden, um dem System Wärme zurück hinzuzufügen. Der Sammler 14 kann auch eine oder mehrere Innenwände 30 aufweisen, die so geformt sein können, dass sie Abgasströmungen 18 in dem Abgaskrümmer 12 und dem Sammler 14 lenken.
Wie in 3 gezeigt ist, umfasst die Maschine 1 zumindest einen Turbolader 32, der als ein Primär- oder erster Turbolader 32 bezeichnet werden kann. Der Primärturbolader 32 umfasst eine Primärturbine 34, die einen Abschnitt des Abgasnachbehandlungssystems 10 umfasst und in Fluidkommunikation damit steht, und einen Primärverdichter bzw. -kompressor 36, der einen Abschnitt des Zwangsbeatmungsansaugluftsystems 37 umfasst und in Fluidkommunikation damit steht Die Primärturbine 34 steht in Fluidkommunikation mit einer Primärturbinenabgasströmung 38 von einem Abgaskrümmer 12 durch einen Primärturbinenauslass 20 davon und ist derart konfiguriert, eine Primärturbinenabgasströmung 38 von dem Abgaskrümmer 12 durch den Primärturbinenauslass 20 davon aufzunehmen. Diese Fluidkommunikation kann durch ein beliebiges geeignetes Mittel erreicht werden, einschließlich der direkten Befestigung des Primärturbinenabgaseinlasses 40 an dem Abgaskrümmer 12 nahe dem Primärturbinenauslass 20. Eine Fluidkommunikation kann auch durch die Verwendung einer Zwischenstruktur, wie einer Leitung oder eines Befestigungsflansches unterstützt werden, wie eines oberen Befestigungsflansches 41, an dem sowohl der Primärturbinenabgaseinlass 40 als auch der Primärturbinenauslass 20 des Abgaskrümmers 12 befestigt sein können, um eine derartige Kommunikation bereitzustellen, wie in den 1 und 2 gezeigt ist. Wie in 3 gezeigt ist, wird die Primärturbinenabgasströmung 38 durch einen Turbinensammler (nicht gezeigt) und über ein Turbinenrad (nicht gezeigt) geführt, um das Turbinenrad in Rotation zu versetzen und dadurch die Antriebskraft durch die Turbinenwelle (nicht gezeigt) zum Antrieb eines Kompressorrades (nicht gezeigt) des Primärkompressors 36 auf eine herkömmliche Art und Weise bereitzustellen. Die Primärturbinenabgasströmung 38 verlässt die Primärturbine 34 durch den Primärturbinenabgasauslass 42. Der Primärturbinenabgasauslass 42 steht in Fluidkommunikation mit der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 26 durch den Vorrichtungseinlass 44, so dass die Primärturbinenabgasströmung 38 durch das Gehäuse 24 und die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 26 als einen Abschnitt des Abgasnachbehandlungssystems 10 geführt werden kann.
Bezug nehmend auf die 1 bis 5 umfasst die Erfindung auch ein Abgasbypassventil 46 als ein Teil eines Abgasnachbehandlungssystems 10, das zur Bewegung zwischen einer offenen Position 47 und einer geschlossenen Position 49 um eine Achse X des Ventilkörpers 51 (5) betätigbar ist. Das Abgasbypassventil 46 besitzt einen Abgasbypassventileinlass 48, der zur Fluidkommunikation mit dem Abgaskrümmer 12 in der offenen Position 47 konfiguriert ist, um eine Bypassabgasströmung 50 davon aufzunehmen und diese Strömung an einen Abgasbypassventilauslass 52 zu führen. Der Bypassventilauslass 52 steht in Fluidkommunikation mit der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 26 durch den Vorrichtungseinlass 44, um die Bypassabgasströmung 50 davon aufzunehmen. Wenn das Abgasbypassventil 46 in der geschlossenen Position 49 ist, existiert keine Bypassabgasströmung 50, die an die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 26 geliefert wird. Stattdessen wird in der geschlossenen Position die Primärturbinenabgasströmung 38 unterstützt, und die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 26 nimmt diese Strömung durch die oben beschriebene Fluidkommunikationsanordnung auf. Eine Fluidkommunikation von einer oder beiden aus Primärturbinenabgasströmung 38 und Bypassabgasströmung 50 zu dem Vorrichtungseinlass 44 kann durch eine geeignete Anordnung aus verbundenen Leitungen, wie einem Y-Rohr 53, erreicht werden. Wenn das Abgasbypassventil 46 in der offenen Position ist, wird die Bypassabgasströmung 50 unterstützt, und die Primärturbinenabgasströmung 38 wird signifikant reduziert oder beseitigt, und zwar aufgrund der Tatsache, dass die Primärturbine 34 einen größeren Widerstand gegenüber der Strömung aufgrund der hier beschriebenen Merkmale bietet, die dazu verwendet sind, Energie von der Abgasströmung zum Antrieb des Turbinenrades zu entnehmen. Daher nimmt, wenn das Abgasbypassventil 46 in der offenen Position ist, die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 26 eine Bypassabgasströmung 50 bevorzugt zu der Primärturbinenabgasströmung 38 auf.
Die Erfindung kann auch einen Sekundärturbolader mit einem ähnlichen Aufbau und ähnlichen Betriebscharakteristiken wie der Primärturbolader 32 aufweisen. Der Sekundärturbolader 54 weist eine Sekundärturbine 56 und einen Sekundärkompressor 58 auf. Der Sekundärturbolader 54 weist eine Sekundärturbine 56, die einen Abschnitt des Abgasnachbehandlungssystems 10 umfasst und in Fluidkommunikation damit steht, und einen Sekundärkompressor 58 auf, der einen Abschnitt des Zwangsbeatmungsansaugluftsystems 37 umfasst und in Fluidkommunikation damit steht. Die Sekundärturbine 56 steht in Fluidkommunikation mit einer Sekundärturbinenabgasströmung 60 von dem Gehäuse 24 und der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 26 durch den Abgasnachbehandlungsvorrichtungsauslass 62 und ist derart konfiguriert, eine Sekundärturbinenabgaströmung 60 von dem Gehäuse 24 und der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 26 durch den Abgasnachbehandlungsvorrichtungsauslass 62 aufzunehmen. Diese Fluidkommunikation kann durch ein beliebiges geeignetes Mittel erreicht werden, einschließlich der direkten Befestigung des Sekundärturbinenabgaseinlasses 64. Die Fluidkommunikation kann auch durch die Verwendung einer Zwischenstruktur, wie einer Leitung oder eines Befestigungsflansches unterstützt werden, wie einem unteren Befestigungsflansch 66, an dem sowohl der Sekundärturbinenabgaseinlass 64 als auch der Abgasnachbehandlungsvorrichtungsauslass 62 befestigt sein können, um eine derartige Kommunikation bereitzustellen, wie in den 1 und 5 dargestellt ist. Wie in 3 gezeigt ist, wird die Sekundärturbinenabgasströmung 60 durch einen Sekundärturbinensammler (nicht gezeigt) und über ein Sekundärturbinenrad (nicht gezeigt) geführt, um das Sekundärturbinenrad in Rotation zu versetzen und die Antriebskraft durch eine Sekundärturbinenwelle (nicht gezeigt) bereitzustellen, um ein Sekundärkompressorrad (nicht gezeigt) eines Sekundärkompressors 58 auf eine herkömmliche Art und Weise anzutreiben. Die Sekundärturbinenabgasströmung 60 verlässt die Sekundärturbine 56 durch einen Sekundärturbinenabgasauslass 68. Von dem Sekundärturbinenabgasauslass 68 kann die Sekundärturbinenabgasströmung 60 zu anderen Abgasbehandlungsvorrichtungen (nicht gezeigt) geführt werden, die ein Abgasnachbehandlungssystem 10 umfassen, einschließlich verschiedener Kombinationen von Oxidationskatalysatoren, Katalysatoren für selektive katalytische Reduktion, Partikelfiltern und dergleichen.
Das Zwangsbeatmungsansaugsystem 37 umfasst den Primärturbolader 32 und den Sekundärturbolader 54. Der Primärturbolader 32 umfasst einen Primärkompressor 36, der einen Primärkompressorauslass 70 aufweist, der zur Fluidkommunikation mit einer Primär-Zwangsbeatmungsansaugluftströmung 72 zu dem Ansaugkanal/den Ansaugkanälen 74 der Maschine 1 konfiguriert ist, wie durch Kommunikation einer Primär-Zwangsbeatmungsansaugluftströmung 72 zu dem Ansaugkrümmer 76. Der Primärkompressor weist auch einen Primärkompressoreinlass 78 zum Ziehen von Primäransaugluft auf. Der Sekundärturbolader 54 weist einen Sekundärkompressor 58 mit einem Sekundärkompressorauslass 80 auf, der zur Fluidkommunikation einer Sekundär-Zwangsbeatmungsansaugluftströmung 82 zu dem Primärkompressoreinlass und zu einem Ansaugbypassventil 84 konfiguriert ist, das zur Bewegung zwischen einer offenen Position 86 und einer geschlossenen Position 88 betätigbar ist. Das Ansaugbypassventil 84 ist in der offenen Position 86 konfiguriert, um die Sekundär-Zwangsbeatmungsluftströmung 82 zu dem Ansaugkanal/den Ansaugkanälen zu führen und in der geschlossenen Position die Sekundär-Zwangsbeatmungsluftströmung zu dem Primärkompressoreinlass 90 zu führen. Der Primärturbolader 32 und der Sekundärturbolader 54 in der in den 1 bis 5 gezeigten Konfiguration bilden ein Zwangsbeatmungsluftansaugsystem für sequentiellen Doppelturbolader für die Maschine 1.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann das Gehäuse 24 der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 26 entweder teilweise in dem Sammler 14 des Abgaskrümmers 12 angeordnet sein, wie in den 1, 2 und 4 gezeigt ist. Bei einer andren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann das Gehäuse 24 und die Abgasbehandlungsvorrichtung 26 vollständig in dem Sammler 14 und dem Krümmer 12 angeordnet sein, wie in 6 gezeigt ist. Bei dieser Ausführungsform kann das Gehäuse 24 separat geformt (nicht gezeigt) oder integral mit dem Abgaskrümmer 12 geformt sein. Bei dieser Ausführungsform steht das Gehäuse 24 auch in enger thermischer Kommunikation mit Abgasströmungen 18 in dem Sammler 14 des Krümmers und kann derart konfiguriert sein, dass es von diesen Strömungen in den Ausführungsformen der 4 und 6 vollständig umgeben ist. Bei einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung, wie in 7 gezeigt ist, können das Gehäuse 24 und die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 26 an dem Abgaskrümmer 12 angeordnet sein, so dass sich das Gehäuse 24 immer noch in enger thermischer Kommunikation mit den Abgasströmungen 18 befindet, jedoch im Gegensatz zu den Ausführungsformen der 4 und 6 das Gehäuse 24 durch die Abgasströmungen 18 in dem Sammler 14 des Abgaskrümmers 12 entweder teilweise (4) oder vollständig (6) nicht umgeben ist. Bei der Ausführungsform von 7 befindet sich der Sammler 14 nahe einem Abschnitt der Seitenwand 92 des Gehäuses 24, der den Abgasströmungen 18 ausgesetzt ist, um eine enge thermische Kommunikation der Wärme in den Abgasen bereitzustellen, ist jedoch nicht von den Abgasströmungen 18 umgeben. Bei der Ausführungsform von 7 kann das Gehäuse 24 separat (nicht gezeigt) oder integral mit dem Abgaskrümmer 12 geformt sein, wie in 7 gezeigt ist. Bei den Ausführungsformen der 4, 6 und 7 kann das Gehäuse 24 ein Metallgehäuse sein und kann integral mit dem Abgaskrümmer 12 geformt sein, wie durch Gießen. Alternativ dazu kann das Gehäuse 24 separat geformt und mit dem Abgaskrümmer 12 verbunden sein oder kann anderweitig in enger thermischer Kommunikation mit dem Abgaskrümmer 12 angeordnet sein.
Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 26 kann ein beliebiger geeigneter Typ einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung sein, die verschiedene Typen von Katalysatoren aufweist. Bei einer beispielhaften Ausführungsform umfasst die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 26 einen Oxidationskatalysator (OC) eines Typs, der zur Verwendung mit dem bestimmten Typ von Maschine 1, die gewählt ist, geeignet ist, einschließlich verschiedener Typen von Benzin- oder Dieselmaschinen. Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform umfasst, wenn die Maschine 1 eine Dieselmaschine ist, die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 26 einen Dieseloxidationskatalysator (DOC).
Bei Ausführungsformen, wenn die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 26 einen OC aufweist, steht der OC in Fluidkommunikation mit der Maschine 1 und ist in Bezug auf die Abgasströmungen 38, 50 stromabwärts von der Maschine 1 angeordnet und derart konfiguriert, dass er bestimmte Bestandteile dieser Abgasströmungen oxidiert, um nicht regulierte Nebenprodukte oder Bestandteile zu erzeugen, die zur Weiterbehandlung in anderen Komponenten des Abgasnachbehandlungssystems 10 angepasst sind, wie hier beschrieben ist. Allgemein ist der OC eine Durchströmvorrichtung, die einen metallischen oder keramischen Monolithen oder ein metallisches oder keramisches Substrat aufweist, das eine wabenartige Struktur besitzt, die eine Mehrzahl allgemein paralleler, sich in Längsrichtung erstreckender verbundener Zellen aufweist, die ein Netzwerk bereitstellen, das eine Mehrzahl von Strömungskanälen zur Aufnahme von Abgasströmungen 38, 50 umfasst, die durch ein entsprechendes Netzwerk von Zellenwänden getrennt sind. Das Substrat besitzt eine große Oberfläche entlang der Zellenwände. Die Zellenwände besitzen einen Washcoat, der eine poröse keramische Matrix mit einer Oberfläche 94 aufweist, die mit einer katalytisch aktiven Menge eines Metallkatalysators der Pt-Gruppe beschichtet ist. Geeignete Platingruppenmetalle umfassen Pt, Pd, Rh, Ru, Os oder Ir oder eine Kombination daraus. Von diesen sind Pt oder Pd oder Kombinationen daraus, einschließlich deren Legierungen, besonders nützlich. Diejenigen, die sowohl Pt als auch Pd aufweisen, sind besonders nützlich, wie diejenigen mit Verhältnissen von Pt:Pd von etwa 2:1 bis etwa 4:1. Wenn die Abgasströmungen 38, 50 die Länge des OC, insbesondere die Strömungskanäle und die mit Washcoat beschichteten Zellenwände durchqueren, katalysiert der Katalysator aus Metall der Platingruppe die Oxidation von CO zu CO₂ und katalysiert auch die Oxidation verschiedener HC's, einschließlich gasförmiger HC's und flüssiger HC-Partikel, einschließlich nicht verbranntem Kraftstoff oder ÖL oder Kraftstoff oder anderen HC-Reaktanden, die in das Abgasnachbehandlungssystem 10 eingeführt werden, um CO₂ und H₂O zu bilden, wodurch schädliche Emissionen reduziert und Wärme zur Verwendung mit einer anderen Abgasnachbehandlungsvorrichtung erzeugt wird, wie Wärme, die zur Regeneration eines Partikelfilters (PF) verwendet wird. Der OC, wie ein DOC in dem Fall eines Abgasnachbehandlungssystems 10 für eine Dieselmaschine 1, kann derart konfiguriert sein, dass er verschiedene regulierte Abgasbestandteile in andere regulierte oder nicht regulierte Abgasbestandteile durch Oxidation umwandelt. Beispielsweise kann der OC derart konfiguriert sein, dass er HC zu Kohlendioxid (CO₂) und Wasser (H₂O) oxidiert, CO zu Kohlendioxid (CO₂) umwandelt, Schwefeldioxid (SO₂) zu Schwefeldioxid (SO₃) und/oder Schwefelsäure (H₂SO₄) umwandelt und Stickoxid (NO) zu Stickstoffdioxid (NO₂) umwandelt, oder anderweitiges.
Wenn die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 26 einen OC umfasst, sind beispielhafte Oxidationsreaktionen, die in dem OC denkbar sind, nachfolgend dargestellt: HC + O₂ = CO₂ + H₂O (1) CO + 1/2O2 = CO₂ (2) 2SO₂ + O₂ = 2SO₃ (3) SO₃ + H₂O = H₂SO₄ (4) NO + 1/2O₂ = NO₂ (5)
Es sei angemerkt, dass der OC derart konfiguriert sein kann, dass er eine der obigen Umwandlungen, Kombinationen der obigen Umwandlungen oder sogar alle der obigen Umwandlungen abhängig von den Reaktandenverbindungen und deren Konzentrationen, die in den Abgasströmungen 38, 50 auftreten, der Temperatur des OC wie auch der Platingruppenmetalle, die als Katalysator gewählt sind, ausführen kann. Andere Oxidationen sind ebenfalls denkbar, wie eine Oxidation von Aldehyden, polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen oder anderen. Ferner können die Reaktionen in dem OC dazu verwendet werden, den Geruch gewisser Emissionskomponenten zu reduzieren.
Wie hier beschrieben ist, kann der OC in einem separaten Gehäuse 24 untergebracht sein, einschließlich einem Metallgehäuse, wie einer Metalldose mit einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung, oder anderem, das zur Bereitstellung einer Abstützung und zum Führen einer Fluidströmung zu dem OC konfiguriert ist, wie hier gezeigt ist. Das Gehäuse 24 kann eine beliebige geeignete Form oder Größe einschließlich eines zylindrisch geformten Faches umfassen. Das Fach kann Befestigungsmerkmale aufweisen, wie einen Halter 96, um den OC in dem Gehäuse 24 zu halten. Es sei angemerkt, dass der OC einschließlich des Gehäuses 24 eine oder mehrere zusätzliche Komponenten zur Unterstützung eines Betriebs des OC oder des Abgasnachbehandlungssystems 10 oder eines Maschinensteuersystems 98 aufweisen kann, wie ein Maschinensteuermodul, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, verschiedene Gassensoren 100, Temperatursensoren 102, Injektoren 104 (beispielsweise Kraftstoffinjektoren) oder andere. Derartige zusätzliche Merkmale können zur Überwachung von Charakteristiken der Abgasströmung 38, 50 besonders vorteilhaft sein, wie der Durchfluss gewisser Emissionsbestandteile (beispielsweise Partikelmaterial oder anderes), das besonders vorteilhaft zur Bestimmung der Notwendigkeit der Auslösung bestimmter Systemprozesse sein kann, wie beispielsweise der Regeneration eines PF (nicht gezeigt) oder eines anderen Katalysators (nicht gezeigt) in dem Abgasbehandlungssystem 10.
Gemäß der Erfindung ist ein erster Betriebmodus definiert, wenn das Abgasbypassventil 46 in der geschlossenen Position 49 ist und das Ansaugbypassventil 84 in der geschlossenen Position 88 ist. Diese Ventile können durch Signalkommunikation von dem Maschinensteuersystem 98 gesteuert werden. In diesem Modus ist die Abgasbehandlungsvorrichtung 26, wie ein OC, derart konfiguriert, dass er die Primärturbinenabgasströmung 38 aufnimmt, und die Sekundär-Zwangsbeatmungsluftströmung 82 des Sekundärkompressors 58 wird durch den Primärkompressoreinlass 78 geführt. In dieser Konfiguration wird der Druck der Sekundär-Zwangsbeatmungsluftströmung 82 in dem Primärkompressor 36 erhöht und an den Ansaugkanal/die Ansaugkanäle 74 der Maschine 1 geliefert. Dies sieht eine maximale Aufladungsanordnung in dem Zwangsbeatmungsansaugluftsystem 37 vor. Ein zweiter Betriebsmodus ist definiert, wenn das Abgasbypassventil 46 in der offenen Position 47 ist und das Ansaugbypassventil 84 in der offenen Position 86 ist, die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 26, wie ein OC, derart konfiguriert ist, die Bypassabgasströmung 50 aufzunehmen und die Sekundär-Zwangsbeatmungsluftströmung 82 durch das Ansaugbypassventil 84 direkt zu denn Ansaugkanal/den Ansaugkanälen 74 der Maschine 1 geführt wird. Dies sieht eine Anordnung mit minimaler Aufladung innerhalb des Zwangsbeatmungsansaugluftsystems 37 vor.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben worden ist, sei dem Fachmann verständlich, dass verschiedene Änderungen durchgeführt und Äquivalente gegen Elemente derselben ohne Abweichung von dem Schutzumfang der Erfindung ersetzt werden können. Zusätzlich können viele Modifikationen durchgeführt werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von dem wesentlichen Schutzumfang derselben abzuweichen. Daher ist es beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die bestimmten Ausführungsformen beschränkt ist, die als die beste Art offenbart sind, die zur Ausführung dieser Erfindung denkbar ist, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen umfasst, die in den Schutzumfang der vorliegenden Anmeldung fallen.

Claims

Abgasnachbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine, umfassend: einen Abgaskrümmer, der zur Fluidkommunikation mit einem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine konfiguriert ist, um eine Abgasströmung davon aufzunehmen; einen Primärturbolader mit einer Primärturbine, die einen Primärturbinenabgaseinlass aufweist, der zur Fluidkommunikation mit dem Abgaskrümmer der Maschine konfiguriert ist, um eine Primärturbinenabgasströmung davon aufzunehmen und diese Strömung zu einen Primärturbinenabgasauslass zu führen; ein Abgasbypassventil, das zur Bewegung zwischen einer offenen Position und einer geschlossenen Position betätigbar ist, wobei das Abgasbypassventil einen Abgasbypassventileinlass aufweist, der zur Fluidkommunikation mit dem Abgaskrümmer in der offenen Position konfiguriert ist, um eine Bypassabgasströmung davon aufzunehmen und diese Strömung an einen Abgasbypassventilauslass zu führen; und eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung, die zur thermischen Kommunikation mit dem Abgaskrümmer konfiguriert ist, wobei die Vorrichtung einen Vorrichtungseinlass, wobei der Vorrichtungseinlass zur Fluidkommunikation mit dem Primärturbinenabgasauslass zur Aufnahme der Primärturbinenabgasströmung davon und mit dem Bypassauslass zur Aufnahme der Bypassabgasströmung davon konfiguriert ist, wenn sich das Bypassventil in der offenen Position befindet, und einen Vorrichtungsauslass aufweist.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, ferner mit: einem Sekundärturbolader mit einer Sekundärturbine, die einen Sekundärturbinenabgaseinlass aufweist, der zur Fluidkommunikation mit dem Vorrichtungsauslass konfiguriert ist, um eine Vorrichtungsabgasströmung davon aufzunehmen und diese Strömung an einen Sekundärturbinenabgasauslass zu führen.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 2, wobei der Primärturbolader ferner einen Primärkompressor mit einem Primärkompressorauslass, der zur Fluidkommunikation mit einer Primär-Zwangsbeatmungsansaugluftströmung zu dem Ansaugkanal der Maschine konfiguriert ist, und einem Primärkompressoreinlass aufweist, und der Sekundärturbolader ferner einen Sekundärkompressor mit einem Sekundärkompressorauslass umfasst, der zur Fluidkommunikation einer Sekundär-Zwangsbeatmungsansaugluftströmung zu dem Primärkompressoreinlass und zu einem Ansaugbypassventil konfiguriert ist, das zur Bewegung zwischen einer offenen Position und einer geschlossenen Position betätigbar ist, wobei das Ansaugbypassventil in der offenen Position so konfiguriert ist, dass es die Sekundär-Zwangsbeatmungsluftströmung zu dem Ansaugkanal führt, und in der geschlossenen Position die Sekundär-Zwangsbeatmungsluftströmung zu dem Primärkompressoreinlass führt.
Brennkraftmaschine mit einem Abgasnachbehandlungssystem, umfassend: eine Brennkraftmaschine mit einem Abgaskanal und einem Ansaugkanal; einen Abgaskrümmer, der zur Fluidkommunikation mit dem Abgaskanal konfiguriert ist, um eine Abgasströmung davon aufzunehmen; einen Primärturbolader mit einer Primärturbine, die einen Primärturbinenabgaseinlass aufweist, der zur Fluidkommunikation mit dem Abgaskrümmer der Maschine konfiguriert ist, um eine Primärturbinenabgasströmung davon aufzunehmen und diese Strömung an den Primärturbinenabgasauslass zu führen; ein Abgasbypassventil, das zur Bewegung zwischen einer offenen Position und einer geschlossenen Position betätigbar ist, wobei das Abgasbypassventil einen Abgasbypassventileinlass besitzt, der zur Fluidkommunikation mit dem Abgaskrümmer in der offenen Position konfiguriert ist, um eine Bypassabgasströmung davon aufzunehmen und diese Strömung an einen Abgasbypassventilauslass zu führen; und eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung, die zur thermischen Kommunikation mit dem Abgaskrümmer konfiguriert ist, wobei die Vorrichtung einen Vorrichtungseinlass, wobei der Vorrichtungseinlass zur Fluidkommunikation mit dem Primärturbinenabgasauslass zur Aufnahme der Primärabgasströmung davon und mit dem Bypassauslass zur Aufnahme der Bypassabgasströmung davon konfiguriert ist, wenn das Bypassventil in der offenen Position ist, und einen Vorrichtungsauslass aufweist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, ferner mit: einem Sekundärturbolader mit einer Turbine, die einen Sekundärturbinenabgaseinlass aufweist, der zur Fluidkommunikation mit dem Vorrichtungsauslass konfiguriert ist, um eine Vorrichtungsabgasströmung davon aufzunehmen und diese Strömung an einen Sekundärturbinenabgasauslass zu führen.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, wobei der Primärturbolader ferner einen Primärkompressor mit einem Primärkompressorauslass, der zur Fluidkommunikation mit einer Primär-Zwangsbeatmungsansaugluftströmung zu dem Ansaugkanal der Maschine konfiguriert ist, und einem Primärkompressoreinlass umfasst, und der Sekundärturbolader ferner einen Sekundärkompressor mit einem Sekundärkompressorauslass umfasst, der zur Fluidkommunikation einer Sekundär-Zwangsbeatmungsansaugluftströmung zu dem Primärkompressoreinlass und zu einem Ansaugbypassventil konfiguriert ist, das zur Bewegung zwischen einer offenen Position und einer geschlossenen Position betätigbar ist, wobei das Ansaugbypassventil in der offenen Position so konfiguriert ist, dass die Sekundär-Zwangsbeatmungsluftströmung zu dem Ansaugkanal geführt wird und in der geschlossenen Position die Sekundär-Zwangsbeatmungsluftströmung zu dem Primärkompressoreinlass geführt wird.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, wobei das Abgasnachbehandlungssystem an dem Abgaskrümmer angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, wobei das Abgasnachbehandlungssystem in dem Abgaskrümmer angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, wobei ein erster Betriebsmodus definiert ist, wenn das Abgasbypassventil in der geschlossenen Position ist und das Ansaugbypassventil in der geschlossenen Position ist, der OC derart konfiguriert ist, dass er die Primärturbinenabgasströmung aufnimmt und die Sekundär-Zwangsbeatmungsluftströmung durch den Primärkompressoreinlass geführt wird, wobei ein Druck der Sekundär-Zwangsbeatmungsluftströmung in dem Primärkompressor erhöht wird und dem Ansaugkanal der Maschine bereitgestellt wird.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, wobei ein zweiter Betriebsmodus definiert ist, wenn das Abgasbypassventil in der offenen Position ist und das Ansaugbypassventil in der offenen Position ist, der OC derart konfiguriert ist, dass er die Bypassabgasströmung aufnimmt und die Sekundär-Zwangsbeatmungsluftströmung durch das Ansaugbypassventil an den Ansaugkanal der Maschine geführt wird.