DE102012014621A1

DE102012014621A1 - Verbrennungskraftmaschine sowie Verfahren zum Betreiben einer solchen Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102012014621A1
Application number: DE102012014621A
Authority: DE
Inventors: Wolfram Schmid; Siegfried Sumser
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Daimler Truck Holding AG
Priority date: 2012-07-24
Filing date: 2012-07-24
Publication date: 2013-01-31

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine (10) für einen Kraftwagen, mit einer Turbine (26) mit einem von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) antreibbaren Turbinenrad (32), mit einem ersten Brennraum (14), welchem ein erstes Leitungselement (42) zum Abführen von Abgas aus dem ersten Brennraum (14) und zum Führen dieses Abgases zur Turbine (26) zugeordnet ist, mit einem zweiten Brennraum (18), welchem ein zweites Leitungselement (44) zum Abführen von Abgas aus dem zweiten Brennraum (18) und zum Führen dieses Abgases zur Turbine (26) zugeordnet ist, mit einer Abgasrückführleitung (48) zum Rückführen von Abgas, welche fluidisch mit dem ersten Leitungselement (42) verbunden ist, mit einer stromab der Turbine (26) angeordneten Abgasnachbehandlungseinrichtung (70) und mit einer Steuereinheit (68), welche dazu ausgelegt ist, zum Aufheizen der Abgasnachbehandlungseinrichtung (70) die Brennräume (14, 18) mit voneinander unterschiedlichen Leistungsabgaben (pme_AGR, pme_λ) zu betreiben, wobei ein stromauf des Turbinenrads (32) angeordnetes Ventilelement (74) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10.
Eine solche Verbrennungskraftmaschine und ein solches Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftwagens sind der EP 2 206 899 B1 als bekannt zu Entnehmen.
Die Verbrennungskraftmaschine umfasst wenigstens einen Abgasturbolader mit einer Turbine, welche ein von Abgas der Verbrennungskraftmaschine antreibbares Turbinenrad aufweist. Die Verbrennungskraftmaschine weist wenigstens einen ersten Brennraum, insbesondere einen ersten Zylinder, auf welchem wenigstens ein erstes Leitungselement zum Abführen von Abgas aus dem ersten Brennraum und zum Führen zumindest eines Teils dieses Abgases zur Turbine zugeordnet ist.
Ferner weist die Verbrennungskraftmaschine wenigstens einen zweiten Brennraum, insbesondere einen zweiten Zylinder auf, welchem wenigstens ein zweites Leitungselement zum Abführen von Abgas aus dem zweiten Brennraum und zum Führen zumindest eines Teils dieses Abgases zur Turbine zugeordnet ist.
Des Weiteren ist wenigstens eine Abgasrückführleitung zum Rückführen von Abgas vorgesehen, welche fluidisch mit dem ersten Leitungselement verbunden ist. Darüber hinaus ist stromab der Turbine wenigstens eine Abgasnachbehandlungseinrichtung der Verbrennungskraftmaschine angeordnet. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung dient dazu, das Abgas der Verbrennungskraftmaschine nachzubehandeln, um so beispielsweise den Anteil von Stickoxiden (NOx) und/oder Partikeln im Abgas zu senken.
Die Verbrennungskraftmaschine weist auch eine Steuereinheit zum Regeln und/oder Steuern der Verbrennungskraftmaschine auf, welche dazu ausgelegt ist, zum Aufheizen der Abgasnachbehandlungseinrichtung die Brennräume mit voneinander unterschiedlichen Leistungsabgaben zu betreiben.
Die Steuereinheit ist somit dazu ausgelegt, zum Bewirken einer hohen Abgastemperatur von der Abgasnachbehandlungseinrichtung zuzuführendem Abgas, beispielsweise während einer Warmlaufphase der Verbrennungskraftmaschine, die Brennräume mit voneinander unterschiedlichen Leistungsabgaben zu betreiben. Mit anderen Worten dient die Steuereinheit zum Durchführen des Verfahrens, bei welchem zum Aufheizen der Abgasnachbehandlungseinrichtung die Brennräume mit voneinander unterschiedlichen Leistungsabgaben betrieben werden.
Wird eine besonders hohe Abgastemperatur stromab der Turbine und stromauf der Abgasnachbehandlungseinrichtung erreicht, so kann dadurch die Abgasnachbehandlungseinrichtung während der Warmlaufphase schnell auf eine vorteilhafte Betriebstemperatur eingestellt werden, bei welcher die Abgasnachbehandlungseinrichtung vorteilhafte, sogenannte Umsetzungsgrade zum Senken des Stickoxid- und/oder Partikelanteils aufweist.
Bei der bekannten Verbrennungskraftmaschine und dem bekannten Verfahren besteht jedoch der Nachteil, dass es dort zu einer Kurzschlussströmung des Abgases aus den beiden Brennräumen kommen kann. Diese Kurzschlussströmung beeinträchtigt die Realisierung besonders hoher Abgastemperaturen stromab der Turbine und stromauf der Abgasnachbehandlungseinrichtung, da sich das kühlere Abgas aus dem ersten Brennraum mit dem demgegenüber heißeren Abgas aus dem zweiten Brennraum vermischen kann.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbrennungskraftmaschine sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass eine besonders hohe Abgastemperatur stromab der Turbine und stromauf der Abgasnachbehandlungseinrichtung realisierbar ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Um eine Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen, insbesondere einen Personenkraftwagen, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, bei welcher besonders hohe Abgastemperaturen stromab der Turbine und stromauf der Abgasnachbehandlungseinrichtung realisierbar sind, ist erfindungsgemäß wenigstens ein stromauf des Turbinenrads angeordnetes Ventilelement vorgesehen, mittels welchem ein das erste Leitungselement durchströmender Massenstrom des Abgases einstellbar ist.
Eine eingangs geschilderte und die Realisierung besonders hoher Abgastemperaturen beeinträchtigende Vermischung des jeweiligen Abgases aus den beiden Brennräumen infolge einer Kurzschlussströmung kann bei der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine vermieden oder zumindest besonders gering gehalten werden, da jeweilige, die Leitungselemente durchströmende Abgasströme streng voneinander getrennt sind und bleiben. Dies führt zu sehr hohen Abgastemperaturen, insbesondere in Abhängigkeit von der eingestellten Leistungsabgabe des zweiten Brennraums.
Dadurch kann die Abgasnachbehandlungseinrichtung insbesondere während einer Warmlaufphase der Verbrennungskraftmaschine mittels des Abgases aus dem zweiten Brennraum besonders schnell, d. h. in kurzer Zeit, beispielsweise nach einem der Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine, aufgeheizt und in einen günstigen Temperaturbereich gebracht werden, in dem sie eine sehr vorteilhafte Funktion hinsichtlich der Nachbehandlung des Abgases aufweist. Mit anderen Worten können besonders schnell sehr gute Umsetzungsgrade der Abgasnachbehandlungseinrichtung eingestellt werden, so dass beispielsweise der Stickoxid-(NOx-) und/oder Partikel-Anteil im Abgas bereits sehr kurz nach dem Start, insbesondere Kaltstart, der Verbrennungskraftmaschine effektiv und effizient mittels der Abgasnachbehandlungseinrichtung reduziert werden kann.
Vorzugsweise wird während der Warmlaufphase der zweite Brennraum mit einer höheren Leistungsabgabe als der erste Brennraum betrieben, um dadurch besondere hohe Abgastemperaturen zu realisieren. Hierbei werden die jeweiligen Leistungsabgaben der Brennräume derart mittels der Steuereinheit eingestellt, dass eine Summenleistungsabgabe, bestehend aus der Summe der Leistungsabgabe des ersten Brennraums und der Leistungsabgabe des zweiten Brennraums, zumindest im Wesentlichen einer Leistungsanforderung des Fahrers des Kraftwagens entspricht.
Somit können die Leistungsabgaben voneinander unterschiedlich sein, ohne dass dies der Fahrer, beispielsweise im Vergleich zu gleichen Leistungsabgaben der Brennräume, bemerkt. Unter Leistungsabgabe wird insbesondere die Bereitstellung von jeweiligen Teilkräften bzw. Teildrehmomenten durch die Brennräume verstanden, welche in Summe zu einer Gesamtkraft bzw. zu einem Gesamtdrehmoment führen, welche bzw. welches von der Verbrennungskraftmaschine über eine Abtriebswelle dieser bereitgestellt wird. Dementsprechend wird unter Leistungsanforderung insbesondere eine Kraft- bzw. Drehmomentenanforderung des Fahrers verstanden, welche er beispielsweise durch eine Fahrpedalstellung eines Fahrpedals des Kraftwagens vorgibt.
In einem Grenzfall kann die spezifische Leistungsabgabe des ersten Brennraums bis auf null abgesenkt werden, so dass die Leistungsanforderung des Fahrers durch die spezifische Leistungsabgabe des zweiten Brennraums befriedigt wird. Dadurch sind besonders hohe Abgastemperaturen darstellbar.
Durch die entsprechende Anordnung des Ventilelements sind besonders vorteilhafte und flexible Möglichkeiten geschaffen, auf eine vorgebbare und gewünschte Lieferung von Luft an die Verbrennungskraftmaschine von dem Abgasturbolader einzuwirken, welcher zum Verdichten von den Brennräumen zuzuführender Luft dient.
Ebenso ist es durch die Anordnung des Ventilelements möglich, das Durchströmen des zweiten Leitungselements durch das Abgas vom Rückführen des Abgases über die Rückführleitung zu einem Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine getrennt zu halten. Hierdurch kann – bei entsprechender Einstellung des Ventilelements – das Abgas aus dem ersten Brennraum getrennt vom das zweite Leitungselement durchströmenden Abgas über die Abgasrückführleitung, den Ansaugtrakt und den ersten Brennraum zirkulieren.
Beispielsweise in Abhängigkeit von der Einstellung der Leistungsabgabe des ersten Brennraums, d. h. in Abhängigkeit davon, ob dem ersten Brennraum Kraftstoff zugeführt und ob der erste Brennraum befeuert betrieben wird oder nicht, kann es sich um das Abgas aus dem ersten Brennraum auch um Verbrennungsluft handeln.
Durch entsprechendes Einstellen des Ventilelements kann der das erste Leitungselement durchströmende Massenstrom variabel eingestellt werden. Dabei ist es vorzugsweise auch möglich, den das erste Leitungselement durchströmenden Massenstrom auf null einzustellen. Hierzu wird das erste Leitungselement mittels des Ventilelements in einer entsprechenden Stellung des Ventilelements beispielsweise fluidisch versperrt. Wird somit ein Durchströmen des ersten Leitungselements von dem Massenstrom verhindert, so kann dadurch eine sogenannte Blindzirkulation des Abgases aus dem ersten Brennraum realisiert werden. Dies bedeutet, dass – beispielsweise bis auf technisch bzw. toleranzbedingte Leckagen – zumindest im Wesentlichen das gesamte Abgas, das auch reine Verbrennungsluft sein kann, über die Abgasrückführleitung zum Ansaugtrakt rückgeführt wird, in diesen einströmen kann und mittels des Absaugtrakts wieder zu den Brennräumen geführt wird.
Des Weiteren kann mittels des Ventilelements ein Aufstauverhalten des ersten Leitungselements bedarfsgerecht eingestellt werden, so dass dadurch auch während der Warmlaufphase hohe Mengen an Abgas rückführbar sind, wodurch die Stickoxid-Emissionen gering gehalten werden können.
Zur Erfindung gehört auch ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 10 angegebenen Art, bei welchem zur Realisierung besonders hoher Abgastemperaturen stromab der Turbine und stromauf der Abgasnachbehandlungseinrichtung erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass ein das erste Leitungselement durchströmender Massenstroms des Abgases mittels wenigstens eines stromauf des Turbinenrads angeordneten Ventilelements eingestellt wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen und umgekehrt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die eingangs geschilderte Kurzschlussströmung vermieden oder zumindest besonders gering gehalten werden. Dadurch sind sehr hohe Abgastemperaturen stromab der Turbine und stromauf der Abgasnachbehandlungseinrichtung realisierbar, so dass die Abgasnachbehandlungseinrichtung beispielsweise bei einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine sehr schnell aufgeheizt werden kann. Auch dies kommt der Realisierung geringer Stickoxid- und/oder Partikel- und/oder anderweitiger Schadstoff-Emissionen zugute.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Fig. alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
1 eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen, mit einem stromauf eines Turbinenrads einer in einem Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine angeordneten Turbine angeordnetes Ventilelement, mittels welchem ein ein dem Ventilelement zugeordnetes Leitungselement durchströmender Abgasmassenstroms einstellbar ist;
2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine;
3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine; und
4 eine schematische Längsschnittansicht einer Ausführungsform der Turbine.
1 zeigt eine Verbrennungskraftmaschine 10 für einen Kraftwagen. Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist eine erste Zylindergruppe 12 mit drei ersten Zylindern 14 als drei erste Brennräume und eine zweite Zylindergruppe 16 mit drei zweiten Zylindern 18 als drei zweite Brennräume auf. In den Zylindern 14, 18 ist ein jeweiliger Kolben aufgenommen, welcher relativ zu dem jeweiligen Zylinder 14, 18 translatorisch bewegbar und über ein jeweiliges Pleuel gelenkig mit einer Kurbelwelle 20 der als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine 10 gelenkig gekoppelt ist. So können translatorische Bewegungen des Kolbens in eine durch einen Richtungspfeil 22 angedeutete rotatorische Bewegung der Kurbelwelle 20 umgewandelt werden.
Über die Kurbelwelle 20 werden von der Verbrennungskraftmaschine 10 bereitgestellte Drehmomente von der Verbrennungskraftmaschine 10 abgeführt. Dabei stellen die Zylinder 14, 18 der jeweiligen Zylindergruppe 12, 16 jeweilige Teildrehmomente oder Teilleistungen bereit, welche in Summe zu einem von der Verbrennungskraftmaschine über die Kurbelwelle 20 bereitstellbaren Drehmoment bzw. zu einer bereitstellbaren Leistung führen. Mit anderen Worten weisen die Zylindergruppen 12, 16 jeweilige Drehmoment- oder Leistungsabgaben auf.
In einem Abgastrakt 24 der Verbrennungskraftmaschine ist eine Turbine 26 eines Abgasturboladers 28 der Verbrennungskraftmaschine 10 angeordnet. Wie in Zusammenschau mit 4 erkennbar ist, umfasst die Turbine 26 ein Turbinengehäuse 30, in welchem ein Turbinenrad 32 um eine Drehachse 34 relativ zu dem Turbinengehäuse 30 drehbar aufgenommen ist. Das Turbinengehäuse 30 gemäß 1 weist zwei Fluten 36, 38 auf, über welche dem Turbinenrad 32 Abgas der Verbrennungskraftmaschine aus den Zylindern 14, 18 zuführbar ist. Die Fluten 36, 38 sind in axialer Richtung des Turbinenrads 32 nebeneinander angeordnet und zumindest bereichsweise fluidisch voneinander getrennt. Dazu ist, wie 4 zu entnehmen ist, eine in axialer Richtung zwischen den Fluten 36, 38 angeordnete Zwischenwandung 40 des Turbinengehäuses 30 vorgesehen. Die Fluten 36, 38 sind vorliegend asymmetrisch ausgebildet, so dass die Turbine 26 als asymmetrische Zwillingsstromturbine ausgebildet ist.
Den ersten Zylindern 14 der ersten Zylindergruppe 12 ist ein erstes Leitungselement 42 zum Abführen von Abgas aus den ersten Zylindern 14 und zum Führen zumindest eines Teils dieses Abgases zur Turbine 26 zugeordnet. Das erste Leitungselement 42 ist dabei fluidisch mit der Flut 36 verbunden, so dass das Abgas aus den ersten Zylindern 14 wenigstens zum Teil der Flut 36 zuführbar ist.
Den zweiten Zylindern 18 der zweiten Zylindergruppe 16 ist ein zweites Leitungselement 44 zum Abführen von Abgas aus den zweiten Zylindern 18 und zum Führen zumindest eines Teils dieses Abgases zur Turbine 26 zugeordnet. Das zweite Leitungselement 44 ist dabei fluidisch mit der Flut 38 verbunden, so dass das Abgas aus den ersten Zylindern 18 wenigstens zum Teil der Flut 38 zuführbar ist. Das Abgas kann so dem Turbinenrad 32 zugeführt werden und dieses Antreiben.
Ferner ist eine Abgasrückführeinrichtung 46 vorgesehen. Die Abgasrückführeinrichtung 46 umfasst eine Abgasrückführleitung 48, welche an einer Abzweigstelle 50 fluidisch mit dem ersten Leitungselement 42 und an einer Zuführstelle 52 fluidisch mit einem Ansaugtrakt 54 der Verbrennungskraftmaschine 10 verbunden ist. An der Abzweigstelle 50 kann mittels der Abgasrückführleitung 48 Abgas aus dem ersten Leitungselement 42 abgezweigt, zu dem Ansaugtrakt 54 rückgeführt und an der Zuführstelle 52 in diesen eingeleitet werden.
Die Abgasrückführeinrichtung 46 umfasst auch ein in der Abgasrückführleitung 48 angeordnetes Abgasrückführventil 56 zum Einstellen einer Menge bzw. Masse des rückzuführenden Abgases und einen in der Abgasrückführleitung 48 angeordneten Abgasrückführkühler 58 zum Kühlen des rückzuführenden Abgases. Das Abgas aus den ersten Zylindern 14 dient insbesondere dazu, rückgeführt zu werden. Mit anderen Worten dienen die ersten Zylinder 14 insbesondere dazu, Abgas zum Rückführen bereitzustellen. Daher werden die ersten Zylinder 14 auch als AGR-Zylinder und das erste Leitungselement 42 mit der Flut 36 als AGR-Flut (AGR – Abgasrückführung) bezeichnet. Die zweiten Zylinder 18 dienen insbesondere dazu, ein vorgebbares Verbrennungsluftverhältnis λ einzustellen und ein vom Fahrer des Kraftwagens angefordertes und von der Verbrennungskraftmaschine 10 bereitzustellendes Drehmoment bzw. eine Leistung bereitzustellen. Daher werden die zweiten Zylinder 18 auch als λ-Zylinder und das zweite Leitungselement 44 mit der Flut 38 als λ-Flut bezeichnet.
Über den Ansaugtrakt 54 wird der Verbrennungskraftmaschine 10 von dieser angesaugte Luft zugeführt. Im Ansaugtrakt 54 ist ein Luftfilter 60 zum Filtern der Luft angeordnet. Außerdem ist im Ansaugtrakt 54 ein Verdichter 62 des Abgasturboladers 28 angeordnet. Der Verdichter 62 umfasst ein um die Drehachse 34 drehbares Verdichterrad 64 zum Verdichten der angesaugten Luft. Das Verdichterrad 64 ist über eine Welle 66, mit der das Turbinenrad 32 und das Verdichterrad 64 drehfest verbunden sind, von dem Turbinenrad 32 antreibbar. Zum Kühlen der durch das Verdichten erwärmten Luft in stromab des Verdichterrads 64 ein Ladeluftkühler 67 im Ansaugtrakt 54 angeordnet.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst auch eine Steuereinheit 68 zum Steuern oder Regeln der Verbrennungskraftmaschine 10. Wie durch gestrichelte Linien angedeutet ist, ist die Steuereinheit 68 mit dem Abgasrückführventil 56 gekoppelt, um so über das Abgasrückführventil 56 die Menge des rückzuführenden Abgases einzustellen.
Stromab der Turbine 26 ist im Abgastrakt 24 eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 70 der Verbrennungskraftmaschine 10 angeordnet, mittels welcher beispielsweise Partikel und/oder Stickoxide im Abgas von stromauf zu stromab der Abgasnachbehandlungseinrichtung 70 reduziert werden können. Dazu umfasst die Abgasnachbehandlungseinrichtung 70 beispielsweise einen entsprechenden Partikelfilter und/oder einen Katalysator, insbesondere einen SCR-Katalysator (SCR – selective catalytic reduction – selektive katalytische Reduktion).
Das Abgas weist stromauf der Turbine 26 eine sogenannte Turbineneintrittstemperatur T₄ auf. Durch das Antreiben der Turbine 26 bzw. des Turbinenrads 32 wird das Abgas expandiert und es kühlt sich ab, so dass es stromab der Turbine 26 eine sogenannte Turbinenaustrittstemperatur T₄ aufweist. Zum Erfassen der Turbinenaustrittstemperatur T₄ ist stromab der Turbine 26 und stromauf der Abgasnachbehandlungseinrichtung 70 ein Temperatursensor 72 vorgesehen, mittels welchem die Turbineneintrittstemperatur T₄ stromab der Turbine 26 und stromauf der Abgasnachbehandlungseinrichtung 70 erfassbar ist. Die Steuereinheit 68 ist dabei mit dem Temperatursensor 72 gekoppelt, um die Turbineneintrittstemperatur T₄ bzw. ein die Turbineneintrittstemperatur T₄ charakterisierendes Signal an die Steuereinheit 68 zu übermitteln. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung 70 weist einen Betriebstemperaturbereich oder eine Betriebstemperatur auf, in welchem bzw. bei welcher sie das Abgas besonders effizient und effektiv nachbehandeln kann.
Um nun die Abgasnachbehandlungseinrichtung 70, insbesondere in einer Warmlaufphase nach einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine 10, besonders schnell Aufzuheizen und in diesen günstigen Temperaturbereich oder auf diese günstige Temperatur zu bringen, ist die Steuereinheit 68 dazu ausgelegt, die ersten Zylinder 14 mit einer ersten Leistungsabgabe und die zweiten Zylinder 18 mit einer von der ersten Leistungsabgabe unterschiedlichen, zweiten Leistungsabgabe zu betreiben. Die erste Leistungsabgabe wird durch einen ersten effektiven Mitteldruck der ersten Zylinder 14 charakterisiert, welcher in 1 mit pme_AGR bezeichnet ist. Die zweite Leistungsabgabe wird durch einen zweiten effektiven Mitteldruck der zweiten Zylinder 18 charakterisiert, welcher in Fig. mit pme_λ bezeichnet ist.
Die Zylindergruppen 12, 16 stellen dabei in Summe ihrer jeweiligen Leistungsabgaben eine vom Fahrer geforderte Gesamtleistungsabgabe bereit. Dabei ist die zweite Leistungsabgabe höher als die erste Leistungsabgabe. Die erste Leistungsabgabe kann bis auf null eingestellt werden. Hierbei wird also die vom Fahrer geforderte Leistungsabgabe ausschließlich durch die Zylindergruppe 16 befriedigt.
Zur Realisierung einer besonders hohen Turbinenaustrittstemperatur T₄ und somit zum besonders schnellen Aufheizen der Abgasnachbehandlungseinrichtung 70 ist ein Ventilelement 74 vorgesehen, welches stromauf des Turbinenrads 32 und gemäß 1 außerhalb des Turbinengehäuses 30 stromauf der Turbine 26 angeordnet ist und mittels welchem ein das erste Leitungselement 42 bzw. die AGR-Flut durchströmbarer Massenstrom des Abgases einstellbar ist.
Bei vollständiger fluidischer Versperrung (evtl. bis auf etwaige Leckagen) der AGR-Flut mittels des Ventilelements 74 und bei geöffnetem Abgasrückführventil 56 erhält man (evtl. bis auf etwaige Leckageströme) eine sogenannte Blindrezirkulation des Abgases aus den ersten Zylindern 14, wobei das Abgas auch reine Verbrennungsluft sein kann. Diese Rezirkulationsströmung des Abgases aus den ersten Zylindern 14 über die Abgasrückführleitung 48 und den Ansaugtrakt 54 zurück zu den ersten Zylindern 14 ist in 1 durch eine Strich-Punkt-Linie 76 angedeutet. Eine Strich-Punkt-Punkt-Linie 78 deutet den Strömungsweg des Abgases durch die λ-Flut an.
Werden die zweiten Zylinder 18 insbesondere während der Warmlaufphase der Verbrennungskraftmaschine 10 bzw. während der Aufheizphase der Abgasnachbehandlungseinrichtung 70 im Vergleich mit den ersten Zylindern 14 mit hohen bzw. höheren spezifischen Leistungen und mit höheren Abgastemperaturen betrieben, während das Abgas der AGR-Flut niedrige Abgas- bzw. Lufttemperaturen aufweist, so kann durch die Anordnung des Ventilelements 74 stromauf des Turbinenrads 32 ein Vermischen des Abgas aus der AGR-Flut mit dem Abgas aus der λ-Flut vermieden oder besonders gering gehalten werden. Dies führt zu besonders hohen Abgaseintrittstemperaturen für die Abgasnachbehandlungseinrichtung 70.
Mittels der Regelung durch die Steuereinheit 68, welche auch mit dem Ventilelement 74 gekoppelt ist, lassen sich betreffende Einflussparameter wie beispielsweise die jeweilige Leistungsabgabe der Zylindergruppen 12, 16 sowie jeweilige Stellungen des Abgasrückführventils 56 und des Ventilelements 74 simultan einstellen, um hohe Turbinenaustrittstemperaturen T₄ zu realisieren.
Das Ventilelement 74 ist beispielsweise als Klappe ausgebildet, welche – wie in 1 durch einen Richtungspfeil 80 angedeutet ist – um eine Schwenkachse verschwenkbar ist. Mittels der Klappe ist dabei ein von dem Abgas durchströmbarer Strömungsquerschnitt der AGR-Flut einstellbar. Eine alternative Ausführungsform ist derartig, dass die Klappe als Ventilelement 74 innerhalb des Zulaufkanals der Turbinenflut 36 angeordnet und insofern als Bestandteil der Turbine 26 ausgebildet ist.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine 10, bei welcher das Ventilelement 74 an der Abzweigstelle 50 angeordnet ist. Hierdurch kann mittels des Ventilelements 74 nicht nur der Abgasmassenstrom durch die AGR-Flut sondern auch die Menge des rückzuführenden Abgases, d. h. ein die Abgasrückführleitung 48 durchströmender Abgasmassenstrom eingestellt werden. Wie in Zusammenschau mit 1 erkennbar ist, kann das Abgasrückführventil 56 entfallen. Dies führt zu besonders geringen Kosten der Verbrennungskraftmaschine 10. In jeweiligen Stellungen, insbesondere Grenzstellungen, kann das Ventilelement 74 gemäß 2 die Abgasrückführleitung 48 oder das erste Leitungselement 42 fluidisch vollständig versperren.
Ferner weist die Turbine 26 eine Umgehungseinrichtung 82 auf, welche üblicherweise auch als Abblaseeinrichtung bezeichnet wird. Die Umgehungseinrichtung 82 weist eine Umgehungsleitung 84 auf, welche an einer stromauf des Turbinenrads 32 angeordneten Abzweigstelle 86 und an einer stromab des Turbinenrads 32 und stromauf der Abgasnachbehandlungseinrichtung 70 angeordneten Zuführstelle 88 fluidisch mit dem Abgastrakt 24 verbunden ist.
Über die Umgehungsleitung 84 kann Abgas das Turbinenrad 32 umgehen, ohne dieses anzutreiben. Die Umgehungsleitung 84 stellt einen zusätzlichen Strömungsquerschnitt bereit, so dass die λ-Flut von einer besonders hohen Menge bzw. Masse an Abgas durchströmt werden kann, ohne dass es zu einem unerwünscht hohen Abgasgegendruck kommt. Gleichzeitig kann ein sehr gutes Ansprechverhalten des Turbinenrads 32 realisiert werden.
Die Umgehungseinrichtung 82 umfasst ein in der Umgehungsleitung 84 angeordnetes Ventilelement 90, welches von der Steuereinheit 68 gesteuert oder geregelt wird und mittels welchem eine Menge bzw. Masse des die Umgehungsleitung 84 durchströmenden Abgases einstellbar ist.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine 10, wobei die Turbine 26 als sogenannte variable Mehrsegment-Turbine ausgebildet ist. Die Turbine 26 bzw. ihr Turbinengehäuse 30 umfasst zwei in Umfangsrichtung des Turbinenrads 32 über dessen Umfang aufeinanderfolgende und zumindest bereichsweise fluidisch voneinander getrennte Strömungssegmente 92, 94 zum Führen des Abgases zum Turbinenrad 32. Das, Strömungssegment 92 ist dabei mit dem ersten Leitungselement 42 fluidisch verbunden, während das Strömungssegment 94 mit dem zweiten Leitungselement 44 fluidisch verbunden ist.
Die Turbine 26 gemäß 3 umfasst auch eine variable Turbinengeometrie, durch welche das Ventilelement 74 gebildet ist. Das Ventilelement 74 ist dabei in dem Turbinengehäuse 30 stromauf des Turbinenrads 32 angeordnet und – wie in 3 durch Richtungspfeile 96, 98 angedeutet ist – in axialer Richtung des Turbinenrads 32 translatorisch und/oder in Umfangsrichtung des Turbinenrads 32 relativ zum Turbinengehäuse 30 verschiebbar, um dadurch einen von dem die AGR-Flut durchströmendem Abgas durchströmbaren Strömungsquerschnitt und in der Folge den Massenstrom des das erste Leitungselement 42 durchströmenden Abgases einzustellen. Das Ventilelement 74 ist dabei beispielsweise durch einen sogenannten Zungen-Schieber gebildet.
Vorzugsweise ist der Massenstrom des das erste Leitungselement 42 und somit die AGR-Flut durchströmenden Abgases auf null einstellbar. Dies bedeutet, dass die AGR-Flut mittels des Ventilelements 74 vorzugsweise vollständig (evtl. bis auf etwaige Leckagen) fluidisch versperrbar ist.
4 zeigt eine Ausführungsform der Turbine 26, welche vorliegend als asymmetrische, zweiflutige variable Axialschieberturbine ausgebildet ist. Das Ventilelement 74 ist dabei durch eine Verstellmatrize gebildet, welche – wie durch einen Richtungspfeil 96 in 4 angedeutet ist – relativ zum Turbinengehäuse 30 in axialer Richtung des Turbinenrads 32 translatorisch verschiebbar ist.
Den Fluten 36, 38 ist ein Leitgitter 100 zugeordnet, welches das das Turbinenrad 32 anströmende Abgas entsprechend um- oder ablenken kann, so dass es das Turbinenrad 32 strömungsgünstig anströmt. Das Abgas aus der Flut 36 kann das Turbinenrad 32 über eine der Flut 36 zugeordnete Düse 102 anströmen, während das Abgas aus der Flut 38 das Turbinenrad 32 über eine der Flut 38 zugeordnete Düse 104 anströmen kann. Um einen von dem Abgas durchströmbaren Strömungsquerschnitt der Düse 102 variabel einzustellen, ist das Leitgitter 100 ist zumindest teilweise in der Verstellmatrize aufnehmbar. Dabei ist die Düse 102 mittels der Verstellmatrize, welche einen Axialschieber darstellt, vollständig fluidisch versperrbar.
Durch die Anordnung des Ventilelements 74 stromauf des Turbinenrads 32 ist eine Kurzschlussströmung, bei welcher sich das kühlere Abgas in der AGR-Flut mit dem heißeren Abgas in der λ-Flut vermischt, vermieden. Somit wird die hohe Abgastemperatur des Abgases in der λ-Flut nicht durch die demgegenüber geringere Abgastemperatur des Abgases in der AGR-Flut beeinträchtigt und die Abgasnachbehandlungseinrichtung 70 kann besonders schnell aufgeheizt werden.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungskraftmaschine
12: erste Zylindergruppe
14: erster Zylinder
16: zweite Zylindergruppe
18: zweiter Zylinder
20: Kurbelwelle
22: Richtungspfeil
24: Abgastrakt
26: Turbine
28: Abgasturbolader
30: Turbinengehäuse
32: Turbinenrad
34: Drehachse
36: Flut
38: Flut
40: Zwischenwandung
42: erstes Leitungselement
44: zweites Leitungselement
46: Abgasrückführeinrichtung
48: Abgasrückführleitung
50: Abzweigstelle
52: Zuführstelle
54: Ansaugtrakt
56: Abgasrückführventil
58: Abgasrückführkühler
60: Luftfilter
62: Verdichter
64: Verdichterrad
66: Welle
67: Ladeluftkühler
68: Steuereinheit
70: Abgasnachbehandlungseinrichtung
72: Temperatursensor
74: Ventilelement
76: Strich-Punkt-Linie
78: Strich-Punkt-Punkt-Linie
80: Richtungspfeil
82: Umgehungseinrichtung
84: Umgehungsleitung
86: Abzweigstelle
88: Zuführstelle
90: Ventilelement
92: Strömungssegment
94: Strömungssegment
96: Richtungspfeil
98: Richtungspfeil
100: Leitgitter
102: Düse
104: Düse
pme_AGR: erster effektiver Mitteldruck
pme_λ: zweiter effektiver Mitteldruck
T4: Turbinenaustrittstemperatur

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2206899 B1 [0002]

Claims

Verbrennungskraftmaschine (10) für einen Kraftwagen, mit wenigstens einem eine Turbine (26) mit einem von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) antreibbaren Turbinenrad (32) umfassenden Abgasturbolader (28), mit wenigstens einem ersten Brennraum (14), welchem wenigstens ein erstes Leitungselement (42) zum Abführen von Abgas aus dem ersten Brennraum (14) und zum Führen zumindest eines Teils dieses Abgases zur Turbine (26) zugeordnet ist, mit wenigstens einem zweiten Brennraum (18), welchem wenigstens ein zweites Leitungselement (44) zum Abführen von Abgas aus dem zweiten Brennraum (18) und zum Führen zumindest eines Teils dieses Abgases zur Turbine (26) zugeordnet ist, mit wenigstens einer Abgasrückführleitung (48) zum Rückführen von Abgas, welche fluidisch mit dem ersten Leitungselement (42) verbunden ist, mit wenigstens einer stromab der Turbine (26) angeordneten Abgasnachbehandlungseinrichtung (70) und mit einer Steuereinheit (68), welche dazu ausgelegt ist, zum Aufheizen der Abgasnachbehandlungseinrichtung (70) die Brennräume (14, 18) mit voneinander unterschiedlichen Leistungsabgaben (pme_AGR, pme_λ) zu betreiben, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein stromauf des Turbinenrads (32) angeordnetes Ventilelement (74) vorgesehen ist, mittels welchem ein das erste Leitungselement (42) durchströmender Massenstroms des Abgases einstellbar ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (74) stromauf der Turbine (26) in dem ersten Leitungselement (42) angeordnet ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (74) an einer Abzweigstelle (50) angeordnet ist, an welcher die Rückführleitung (48) mit dem ersten Leitungselement (42) fluidisch verbunden ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Ventilelements (74) ein die Rückführleitung (48) durchströmender Massenstrom des Abgases einstellbar ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (74) in einem Turbinengehäuse (30) der Turbine (26) aufgenommen ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (74) in axialer Richtung des Turbinenrads (32) relativ zu dem Turbinengehäuse (30) verschiebbar und/oder um eine Schwenkachse, insbesondere um eine Drehachse des Turbinenrads (32), relativ zu dem Turbinengehäuse (30) verschwenkbar ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (26) wenigstens zwei in axialer Richtung des Turbinenrads (32) zumindest bereichsweise nebeneinander angeordnete und zumindest teilweise voneinander fluidisch getrennte Fluten (36, 38) zum Führen des Abgases zum Turbinenrad (32) aufweist, wobei eine erste der Fluten (36, 38) mit dem ersten Leitungselement (42) und die zweite Flut (38) mit dem zweiten Leitungselement (44) fluidisch verbunden ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluten (36, 38) zumindest hinsichtlich ihres jeweiligen, von Abgas durchströmbaren Strömungsquerschnitt asymmetrisch zueinander ausgebildet sind.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (26) wenigstens zwei in Umfangsrichtung des Turbinenrads (32) über dessen Umfang aufeinanderfolgende und zumindest bereichsweise fluidisch voneinander getrennte Strömungssegmente (92, 94) zum Führen des Abgases zum Turbinenrad (32) aufweist, wobei ein erstes der Strömungssegmente (92, 94) mit dem ersten Leitungselement (42) und das zweite Strömungssegment (94) mit dem zweiten Leitungselement (44) fluidisch verbunden ist.
Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine (10) für einen Kraftwagen, mit wenigstens einem eine Turbine (26) mit einem von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) antreibbaren Turbinenrad (32) umfassenden Abgasturbolader (28), mit wenigstens einem ersten Brennraum (14), welchem wenigstens ein erstes Leitungselement (42) zum Abführen von Abgas aus dem ersten Brennraum (14) und zum Führen zumindest eines Teils dieses Abgases zur Turbine (26) zugeordnet ist, mit wenigstens einem zweiten Brennraum (18), welchem wenigstens ein zweites Leitungselement (44) zum Abführen von Abgas aus dem zweiten Brennraum (18) und zum Führen zumindest eines Teils dieses Abgases zur Turbine (26) zugeordnet ist, mit wenigstens einer Abgasrückführleitung (48) zum Rückführen von Abgas, welche fluidisch mit dem ersten Leitungselement (42) verbunden ist, und mit wenigstens einer stromab der Turbine (26) angeordneten Abgasnachbehandlungseinrichtung (70), wobei zum Aufheizen der Abgasnachbehandlungseinrichtung (70) die Brennräume (14, 18) mit voneinander unterschiedlichen Leistungsabgaben (pme_AGR, pme_λ) betrieben werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein das erste Leitungselement (42) durchströmender Massenstroms des Abgases mittels wenigstens eines stromauf des Turbinenrads (32) angeordneten Ventilelements (74) eingestellt wird.