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Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung mit einer Brennkraftmaschine, mit einer an die Brennkraftmaschine angeschlossenen Abgasanlage, die einen Katalysator zur Reinigung von Abgas der Brennkraftmaschine aufweist, und mit einer Heizvorrichtung zum Beheizen des Katalysators, wobei die Heizvorrichtung einen Brenner mit einer Gemischbildungskammer aufweist, in die eine Brennstoffzufuhrleitung und eine Luftzufuhrleitung einmünden.
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Eine Antriebseinrichtung der Eingangs genannten Art wird beispielsweise zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs eingesetzt. Die Antriebseinrichtung kann dabei Bestandteil einer Hybridantriebsvorrichtung sein, welche neben der Antriebseinrichtung über zumindest eine weitere Antriebseinrichtung verfügt, welche beispielsweise eine elektrische Maschine, insbesondere nur die elektrische Maschine, aufweist. Dabei kann es vorgesehen sein, dass die Antriebseinrichtung und die weitere Antriebseinrichtung ein auf das Antreiben des Kraftfahrzeugs gerichtetes Drehmoment wenigstens zeitweise gemeinsam erzeugen. Zu diesem Zweck sind die Antriebseinrichtung und die weitere Antriebseinrichtung beispielsweise mittels eines Getriebes miteinander wirkverbunden. Neben der Brennkraftmaschine weist die Antriebseinrichtung die Abgasanlage und die Heizvorrichtung auf. Die Abgasanlage dient dem Ableiten des von der Brennkraftmaschine erzeugten Abgases in Richtung einer Außenumgebung der Antriebseinrichtung. Um geltende Abgasvorschriften zu erfüllen, ist es notwendig, das Abgas wenigstens teilweise zur reinigen, bevor es in die Außenumgebung gelangt. Zu diesem Zweck weist die Abgasanlage den Katalysator auf. Das Abgas der Brennkraftmaschine wird beim Durchlaufen der Abgasanlage durch den Katalysator geleitet, in welchem eine katalytisch begünstige Reaktion, insbesondere eine Reduktion, abläuft. Nach dem Durchlaufen des Katalysators kann das Abgas von der Abgasanlage der Außenumgebung zugeführt werden.
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Der Katalysator muss üblicherweise zumindest eine bestimmte Arbeitstemperatur aufweisen, damit die Reaktion abläuft und die Reinigung des Abgases durchgeführt werden kann. Das Beheizen des Katalysators erfolgt dabei üblicherweise durch das ihn durchströmende Abgas, welches nach der Brennkraftmaschine eine hohe Temperatur aufweist. Insbesondere bei niedrigen Außenumgebungen und/oder einem Kaltstart der Antriebseinrichtung kann jedoch die Zeitspanne, welche bis zum Erreichen der Betriebtemperatur durch den Katalysator verstreicht, vergleichsweise lang sein. In dieser Zeitspanne kann die Reaktion nicht oder nur mit geringer Effizienz ablaufen, sodass die Reinigung des Abgases nicht zuverlässig beziehungsweise nicht vollständig erfolgt. Diese Problematik ist bei der Hybridantriebsvorrichtung besonders ausgeprägt, weil hier die Brennkraftmaschine nicht ständig in Betrieb ist. Das bedeutete, dass während Zeitabschnitten, in welchen nur die weitere Antriebseinrichtung zum Bereitstellen eines Drehmoments betrieben wird, während die Antriebseinrichtung und mithin die Brennkraftmaschine deaktiviert ist, der Katalysator nicht durch das Abgas beheizt wird. Entsprechend verringert sich seine Temperatur. Fällt sie dabei unter die Betriebstemperatur ab, so kann bei einem erneuten Aktivieren der Antriebseinrichtung beziehungsweise der Brennkraftmaschine das dabei entstehende Abgas nicht zuverlässig gereinigt werden. Entsprechend wird die Heizvorrichtung auch während solcher Abschnitte betrieben, um den Katalysator auf oder über seiner Betriebstemperatur zu halten.
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Aus diesem Grund ist insbesondere bei als Dieselbrennkraftmaschinen ausgebildeten Brennkraftmaschinen die Heizvorrichtung vorgesehen, mittels welcher der Katalysator unmittelbar oder zumindest mittelbar beheizbar ist. In ersterem Fall kann es vorgesehen sein, den Katalysator beispielsweise mittels einer Heizwicklung unmittelbar zu beheizen, wobei die Heizwicklung dabei insbesondere an dem Katalysator oder einem katalytisch wirkenden Element des Katalysators angeordnet ist. In letzterem Fall wird insbesondere das Abgas der Brennkraftmaschine stromaufwärts des Katalysators nochmals beheizt, mithin also auf eine höhere Temperatur gebracht. Das auf diese Weise beheizte Abgas durchströmt nachfolgend den Katalysator und erwärmt diesen stärker als dies bei nicht beheiztem Abgas möglich wäre. Für ein derartiges mittelbares Beheizen des Katalysators wird beispielsweise der Brenner eingesetzt. Dieser wird vorzugsweise mit flüssigem und/oder gasförmigem Brennstoff betrieben, welcher durch die Brennstoffzufuhrleitung der Gemischbildungskammer zugeführt wird. In die Gemischbildungskammer mündet zusätzlich die Luftzufuhrleitung ein. Entsprechend kann der Gemischbildungskammer sowohl Luft als auch Brennstoff zugeführt und nachfolgend zum Beheizen des Katalysators verbrannt werden. Auf diese Weise kann der Katalysator sehr schnell auf die gewünschte Betriebstemperatur gebracht werden, sodass eine Reinigung des Abgases mit hoher Effizienz durchführbar ist.
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Der Vorteil einer solchen Heizvorrichtung liegt in der sehr hohen Energiedichte, einer variablen Einbauposition und einer einfachen Bauweise. Andererseits muss der Brennstoff für die Heizvorrichtung beziehungsweise den Brenner zu der heißen Abgasanlage beziehungsweise durch sie hindurch transportiert werden. Entsprechend erhitzt sich der Brennstoff in der Brennstoffzufuhrleitung, bevor er in die Gemischbildungskammer eingebracht wird. Dies kann unter Umständen zu Dampfblasenbildung führen, welche eine Fehlfunktion der Heizvorrichtung bewirken können. Aus demselben Grund oder aufgrund von Kraftstoffalterung können zudem Fehlzündungen des Brenners auftreten. Weiterhin ist eine Sicherung der Heizvorrichtung gegen Verschmutzung und äußere Krafteinwirkung schwierig, insbesondere wenn sie in einem Unterboden des Kraftfahrzeugs verbaut ist, weil dort zum einen bereits Brennstoff führende Leitungen zur Versorgung der Brennkraftmaschine mit Brennstoff verlaufen und zudem die Bodenfreiheit, also der Abstand des Unterbodens von einem Untergrund des Kraftfahrzeugs, begrenzt ist. Auch ist es nachteilig, den Brenner im Bereich des Unterbodens des Kraftfahrzeugs anzuordnen, weil durch die von dem Brenner erzeugten hohen Temperaturen der unter dem Kraftfahrzeug befindliche Untergrund negativ beeinflusst werden kann.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Antriebseinrichtung bereitzustellen, welche die Eingangs genannten Nachteile nicht aufweist, sondern insbesondere stets einen zuverlässigen Betrieb ermöglicht und einen negativen Einfluss auf die Außenumgebung des Kraftfahrzeugs, insbesondere dessen Untergrund, auch bei langen Stehzeiten des Kraftfahrzeugs vermeidet.
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Dies wird erfindungsgemäß mit einer Antriebseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Dabei ist vorgesehen, dass zumindest eine der Mündungsstellen der Brennstoffzufuhrleitung und der Luftzufuhrleitung in die Gemischbildungskammer in einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Es ist also zunächst primäres Ziel der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung, wenigstens eine der Zufuhrleitungen derart anzuordnen, dass sie beziehungsweise das in ihr geführte Fluid nicht über Gebühr mit Wärme beaufschlagt wird. Aus diesem Grund wird mindestens ein Bereich der Gemischbildungskammer, insbesondere die gesamte Gemischbildungskammer derart in dem Zylinderkopf angeordnet, dass sich zumindest eine der an die Gemischbildungskammer angeschlossenen Zufuhrleitungen nicht derart erwärmt, dass es zu den vorstehend genannten Problemen kommt. Bedingt durch die Anordnung der Gemischbildungskammer kann entsprechend auch die wenigstens eine der Mündungsstellen der Brennstoffzufuhrleitung und der Luftzufuhrleitung ebenfalls in dem Zylinderkopf vorliegen, also von diesem eingeschlossen sein. Mithin ist vorzugsweise auch zumindest der im Bereich der Gemischbildungskammer verlaufende Abschnitt der jeweiligen Leitung in dem Zylinderkopf angeordnet und entsprechend temperaturgeschützt. Dies gilt insbesondere, wenn der Zylinderkopf gekühlt ist, also über eine Kühleinrichtung verfügt, die seine Temperatur auf eine bestimmte Maximaltemperatur nach oben begrenzt. Besonders bevorzugt ist es selbstverständlich, wenn zumindest die Brennstoffzufuhrleitung beziehungsweise ihre Mündungsstelle in dem Zylinderkopf angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich kann dies jedoch auch für die Luftzufuhrleitung beziehungsweise ihre Mündungsstelle in vorgesehen sein.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich in Strömungsrichtung an die Gemischbildungskammer eine Brennkammer anschließt, die außerhalb des Zylinderkopfes angeordnet ist. Der Brenner setzt sich zumindest aus der Gemischbildungskammer und der Brennkammer zusammen, die in Strömungsrichtung des Brennstoffs beziehungsweise des Brennstoff-Luft-Gemischs hintereinander angeordnet sind. Während die Gemischbildungskammer bevorzugt wenigstens teilweise in dem Zylinderkopf angeordnet ist, damit die zumindest eine Mündungsstelle ebenfalls in diesem angeordnet sein kann, soll die Brennkammer vollständig außerhalb des Zylinderkopfes vorliegen. In der Gemischbildungskammer erfolgt vor allem die Vermischung des durch die Brennstoffzufuhrleitung eingebrachten Brennstoffs mit der durch die Luftzufuhrleitung eingebrachten Luft. Das dabei entstehende Brennstoff-Luft-Gemisch strömt aus der Gemischbildungskammer in die Brennkammer und wird vorzugsweise erst dort gezündet beziehungsweise entzündet sich erst dort. Die eigentliche Verbrennung ist also bevorzugt ausschließlich in der Brennkammer beziehungsweise in sich an diese anschließenden Bereichen vorgesehen. Bedingt durch die Anordnung der Brennkammer außerhalb des Zylinderkopfs wird dieser nun nicht mit der bei der Verbrennung entstehenden Wärme beaufschlagt. Entsprechend kann mittels des Zylinderkopfs beziehungsweise dessen Kühleinrichtung die zuverlässige Kühlung der Gemischbildungskammer beziehungsweise der zumindest einen Mündungsstelle gewährleistet werden.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass strömungstechnisch zwischen dem Gemischbildungsraum und der Brennkammer ein Flammhalter angeordnet ist. Der Flammhalter sorgt für die Positionierung und Stabilisierung der Verbrennung. Insbesondere ist der Flammhalter derart ausgeführt, dass ein Überspringen der Flamme aus der Brennkammer in die Gemischbildungskammer verhindert wird. Der Flammhalter liegt mithin beispielsweise als Gitterstruktur oder dergleichen vor, welche den Gemischbildungsraum und die Brennkammer in Strömungsrichtung voneinander trennt.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in dem Zylinderkopf eine Brennstoffversorgungsleitung und/oder eine Luftversorgungsleitung zur Versorgung eines Zylinders der Brennkraftmaschine mit Brennstoff beziehungsweise Luft vorgesehen ist, wobei die Brennstoffzufuhrleitung an die Brennstoffversorgungsleitung und/oder die Luftzufuhrleitung an die Luftversorgungsleitung angeschlossen ist. Die Brennstoffversorgungsleitung führt also mithin zu einer Einbringvorrichtung für den Brennstoff in den wenigstens einen Zylinder, vorzugsweise zu den Einbringvorrichtungen aller Zylinder der Brennkraftmaschine. Entsprechendes gilt für die Luftversorgungsleitung. Die Einbringvorrichtung weist üblicherweise wenigstens ein Einbringventil oder dergleichen auf, mit welchem das jeweilige Fluid, also entweder der Brennstoff oder die Luft, gezielt in den Zylinder eingebracht werden kann. Es ist nun vorgesehen, dass der Brenner der Heizvorrichtung mit demselben Kraftstoff betrieben wird wie die Brennkraftmaschine. Bei einer derartigen Ausführungsform kann die Brennstoffversorgung der Brennkraftmaschine zur Versorgung des Brenners mit verwendet werden.
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Daher ist in zumindest einer Ausführungsform der Antriebseinrichtung die Brennstoffzufuhrleitung, welche zu dem Brenner führt, an die Brennstoffversorgungsleitung der Brennkraftmaschine angeschlossen. Zusätzlich oder alternativ kann dies ebenfalls für die Luftzufuhrleitung vorgesehen sein, welche mithin einerseits an die Gemischbildungskammer und andererseits an die Luftversorgungsleitung angeschossen ist. Besonders bevorzugt weist der Zylinderkopf also lediglich einen Brennstoffanschluss und/oder lediglich einen Luftanschluss auf. Von ersterem erstreckt sich die Brennstoffversorgungsleitung bis hin zu dem wenigstens einen Zylinder, bevorzugt zu allen Zylindern, wobei strömungstechnisch zwischen dem Brennstoffanschluss und dem wenigstens einen Zylinder die Brennstoffzufuhrleitung in die Brennstoffversorgungsleitung einmündet. Entsprechend geht von dem Luftanschluss die Luftversorgungsleitung aus, welche bis hin zu dem wenigstens einen Zylinder führt. Auch hier ist – auf analoge Weise – strömungstechnisch zwischen dem Luftanschluss und dem wenigstens einen Zylinder ein Einmünden der Luftzufuhrleitung in die Luftversorgungsleitung vorgesehen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Brennstoffversorgungsleitung eine Brennstofffördereinrichtung, insbesondere eine Hochdruckbrennstofffördereinrichtung zugeordnet ist, wobei die Brennstoffzufuhrleitung stromaufwärts der Brennstofffördereinrichtung an die Brennstoffversorgungsleitung angeschlossen ist. Die Brennstofffördereinrichtung dient dem Fördern des Brennstoffs in Richtung des wenigstens einen Zylinders. Die Brennstofffördereinrichtung ist beispielsweise als Hochdruckbrennstofffördereinrichtung ausgebildet. Das bedeutet, dass stromaufwärts von ihr eine Niederdruckbrennstofffördereinrichtung vorliegt, mit welcher zunächst eine Vorförderung des Brennstoffs vorgenommen wird. Mit Hilfe der Niederdruckbrennstofffördereinrichtung wird der Brennstoff dem Zylinderkopf und mithin der Brennstoffversorgungsleitung zugeführt. In der Brennstoffversorgungsleitung liegt nun die Hochdruckbrennstofffördereinrichtung vor, welche den Brennstoff auf einen höheren Druck bringt, als dies zuvor mit Hilfe der Niederdruckbrennstofffördereinrichtung erfolgte. Weil jedoch der Brenner üblicherweise mit einem relativ niedrigen Brennstoffdruck betrieben wird, soll er stromaufwärts der Brennstofffördereinrichtung an die Brennstoffversorgungsleitung angeschlossen sein beziehungsweise in diese einmünden. Die Brennstoffzufuhrleitung ist also strömungstechnisch zwischen der Niederdruckbrennstofffördereinrichtung und der Hochdruckbrennstofffördereinrichtung an die Brennstoffversorgungsleitung angeschlossen.
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Es kann jedoch vorgesehen sein, dass der Brennstoffzufuhrleitung eine weitere Brennstofffördereinrichtung zugeordnet ist, welche zusätzlich dem Fördern des Brennstoffs in Richtung der Gemischbildungskammer dient. Insgesamt können also beispielsweise drei Brennstofffördereinrichtungen vorgesehen sein, nämlich die Niederdruckbrennstofffördereinrichtung und die Hochdruckbrennstofffördereinrichtung sowie die weitere Brennstofffördereinrichtung, wobei die beiden letzteren strömungstechnisch parallel zueinander an die Niederdruckbrennstofffördereinrichtung angeschlossen sind. Entsprechend kann sowohl der wenigstens eine Zylinder als auch der Brenner mit Brennstoff bei dem jeweils gewünschten Brennstoffdruck beaufschlagt werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Brennstoffzufuhrleitung ein Schaltventil zum Einstellen des in den Gemischbildungsraum eingebrachten Brennstoffmassenstroms zugeordnet ist. Das Schaltventil liegt dabei bevorzugt unmittelbar an dem Gemischbildungsraum vor oder ragt zumindest bereichsweise sogar in diesen hinein. In letzter Ausführungsform ist das Schaltventil beispielsweise Bestandteil einer Einspritzvorrichtung, mit welcher der Brennstoff in den Gemischbildungsraum eingespritzt und mithin verwirbelt werden kann. Durch diese Verwirbelung wird eine Vermischung des Brennstoffs mit der Luft, also die Ausbildung des Brennstoff-Luft-Gemischs deutlich verbessert. Das Schaltventil kann nun beispielsweise als Magnetventil ausgeführt sein. Dabei kann es zum reinen Schalten oder alternativ zum stufenlosen Einstellen des Brennstoffmassenstroms vorgesehen sein.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Zylinderkopf eine Kühleinrichtung mit wenigstens einem Kühlelement aufweist, wobei das Kühlelement benachbart zu dem Gemischbildungsraum angeordnet ist. Das Kühlelement ist beispielsweise eine Kühlmittelleitung oder ein Kühlmittelraum. Das Kühlelement nimmt also Kühlmittel auf, welches zum Abführen der Wärme aus dem Zylinderkopf durch das Kühlelement hindurch gefördert wird. Das Kühlelement ist nun derart angeordnet, dass Wärme gezielt von dem Gemischbildungsraum abgeführt werden kann, sodass der Brenner wenigstens bereichsweise gekühlt ist. Das Kühlelement ist an eine Kühlmittelversorgung des Zylinderkopfs angeschlossen, welche bevorzugt auch dem Zuführen von Kühlmittel zu wenigstens einem weiteren Kühlelement dient, welches dem zumindest einen Zylinder zugeordnet ist. Beispielsweise ist das Kühlelement Bestandteil eines Wassermantels, welcher dem Zylinderkopf zugeordnet ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Kühlelement den Gemischbildungsraum wenigstens bereichsweise umgibt, beispielsweise in wenigstens einer Dimension vollständig umgreift. Beispielsweise ist die Gemischbildungskammer zylindrisch oder quaderförmig ausgebildet. Das Kühlelement kann nun die Mantelfläche der Gemischbildungskammer in Umfangsrichtung – beispielsweise bezogen auf eine Hauptströmungsrichtung des Brennstoff-Luft-Gemischs – wenigstens bereichsweise, insbesondere vollständig, umgreifen. Auf diese Weise wird ein besonders effizientes Kühlen des Brenners beziehungsweise der zumindest einen Mündungsstelle erreicht.
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Zusätzlich oder alternativ kann es vorgesehen sein, dass der Zylinderkopf, insbesondere der wenigstens eine Zylinder, über einen Abgaskrümmer mit einer Abgasleitung der Abgasanlage strömungsverbunden ist und der Abgaskrümmer einen Flammkanal aufweist, der an die Gemischbildungskammer angeschlossen ist und wenigstens einen Bereich des Brennraums ausbildet. Der Zylinderkopf verfügt also über den Krümmer beziehungsweise Abgaskrümmer. Der Abgaskrümmer dient üblicherweise dem Zusammenfassen des von mehreren Zylindern der Brennkraftmaschine ausgestoßenen Abgases und dem gesammelten Einleiten des Abgases in die Abgasleitung. Der Abgaskrümmer weist also mehrere Abgaskanäle auf, welche an die Zylinder der Brennkraftmaschine, insbesondere an diesen jeweils zugeordneten Auslassventile, angeschlossen sind. Die Abgaskanäle münden stromabwärts (bezogen auf eine Hauptströmungsrichtung des Abgases) gemeinsam in die Abgasleitung der Abgasanlage ein. Durch diese werden sie beispielsweise nachfolgend dem Katalysator zugeführt.
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Der Abgaskrümmer weist nun zusätzlich den Flammkanal auf, der strömungstechnisch an die Gemischbildungskammer angeschlossen ist. Er bildet dabei beispielsweise wenigstens einen Bereich des Brennraums. Besonders bevorzugt ist der Flammkanal strömungstechnisch von den Abgaskanälen des Abgaskrümmers getrennt, liegt also parallel zu diesen vor. Lediglich über einen stromabwärts des Abgaskrümmers gelegenen Bereich der Abgasleitung kann eine Strömungsverbindung zwischen den Abgaskanälen und dem Flammkanal vorliegen. Diese Strömungsverbindung ist jedoch lediglich mittelbar. Durch die zumindest bereichsweise Anordnung des Brennraums in dem Abgaskrümmer, findet die Verbrennung des in den Brenner eingebrachten Brennstoffs hauptsächlich in dem Abgaskrümmer statt. Dieser besteht bedingt durch die unmittelbare Beaufschlagung mit dem heißen Abgas der Brennkraftmaschine ohnehin aus einem hochwarmfesten beziehungsweise hitzebeständigen Material. Entsprechend können auf diese Weise weitere Kühlmaßnahmen stromabwärts des Gemischbildungsraums vermieden werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennkammer und/oder der Flammkanal wenigstens bereichsweise in einem Gehäuse eines Laders, insbesondere eines Abgasturboladers angeordnet sind. Die Brennkammer, der Flammkanal oder beide sollen also das Gehäuse des Laders durchgreifen beziehungsweise zumindest bereichsweise in ihm vorliegen. Dabei kann es analog zu den vorstehenden Ausführungen hinsichtlich des Abgaskrümmers vorgesehen sein, dass die Verbrennung des in den Brenner eingebrachten Brennstoffs hauptsächlich in dem Gehäuse des Laders stattfindet. Auch das Gehäuse des Laders besteht üblicherweise aus einem hochwarmfesten beziehungsweise hitzebeständigen Material, weil er ebenfalls im Bereich der Brennkraftmaschine angeordnet ist und im Falle des Abgasturboladers mit heißem Abgas der Brennkraftmaschine beaufschlagt wird.
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In einer alternativen Ausgestaltung kann es jedoch auch vorgesehen sein, dass der Flammkanal um den Lader beziehungsweise dessen Gehäuse strömungstechnisch herumgeführt sind. Zusätzlich kann der Flammkanal derart angeordnet sein, dass er im Wesentlichen thermisch von dem Lader isoliert ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Flammkanal stromaufwärts des Katalysators und/oder stromabwärts des Laders in die Abgasleitung einmündet. Um dem Katalysator die mittels des Brenners erzeugte thermische Energie zuzuführen, mündet der Flammkanal bevorzugt stromaufwärts des Katalysators in die Abgasleitung ein. Ist der Lader, insbesondere der Abgasturbolader vorgesehen, so kann es – gemäß den vorstehenden Ausführungen – vorgesehen sein, dass die Einmündung des Flammkanals in die Abgasleitung erst stromabwärts des Laders vorliegt. Bevorzugt wird also die mittels des Brenners erzeugte thermische Energie um den Lader herumgeführt, sodass mit ihr die dem Abgas in dem Abgasturbolader entnommene Enthalpie zumindest teilweise wieder ausgeglichen werden kann. Entsprechend kann der Katalysator deutlich schneller erwärmt werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Katalysator einen katalytisch wirkenden Tragkörper aufweist und der Flammkanal unmittelbar stromaufwärts oder im Bereich des Tragkörpers in den Katalysator einmündet. Der Tragkörper besteht beispielsweise aus Keramik und wird insbesondere durch Extrusion aus einer keramischen Masse gewonnen. Nachfolgend wird beispielsweise ein katalytisch wirkendes Material auf diesen Tragkörper aufgebracht. Der Tragkörper ist in einem Katalysatorgehäuse angeordnet, welches bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine von dem Abgas durchströmt wird, sodass der Tragkörper über- und/oder durchströmt wird. Bevorzugt weist der Tragkörper eine sehr große wirksame Oberfläche auf, auf welcher die katalytisch wirksame Beschichtung vorliegt. Entsprechend wird ein hoher Umwandlungsgrad der in dem Abgas enthaltenen Schadstoffe erzielt.
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Das Katalysatorgehäuse ist an die Abgasleitung der Abgasanlage stromaufwärts des Abgaskrümmers angeschlossen. Zusätzlich kann der Katalysator stromabwärts des Laders vorliegen. Um eine unmittelbare Beaufschlagung des Tragkörpers mit der in dem Brenner erzeugten Wärme zu erreichen, soll der Flammkanal unmittelbar stromaufwärts des Tragkörpers in den Katalysator beziehungsweise die Abgasleitung einmüden. Die Einmündung soll dabei derart angeordnet sein, dass der Tragkörper nicht lediglich punktuell mit der thermischen Energie beaufschlagt wird. Vielmehr soll bevorzugt eine vollflächige Beaufschlagung vorliegen. Selbstverständlich kann das Einbringen der thermischen Energie auch im Bereich des Tragkörpers vorgesehen sein, sodass also der Flammkanal – in Strömungsrichtung des Abgases gesehen – stromaufwärts eines Endes des Tragkörpers, jedoch stromabwärts eines Beginns des Tragkörpers in den Katalysator einmündet. Der Flammkanal beziehungsweise dessen Einmündung ist bevorzugt derart ausgerichtet, dass das durch ihn strömende Fluid unmittelbar auf den Tragkörper gerichtet ist.
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Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass der Katalysator über einen Abgasdiffusor an die Abgasleitung angeschlossen ist oder den an die Abgasleitung angeschlossenen Abgasdiffuser aufweist, wobei der Flammkanal in den Abgasdiffuser, insbesondere eine Diffusormantelfläche des Abgasdiffusors, einmündet. Im Bereich des Tragkörpers weist der Katalysator einen größeren Querschnitt auf als die Abgasleitung. Entsprechend muss eine Aufweitung des Strömungsquerschnitts ausgehend von der Abgasleitung hin zu dem Tragkörper vorgesehen sein. Entweder ist also zwischen der Abgasleitung und dem Katalysator der Abgasdiffusor vorgesehen oder dieser ist Bestandteil des Katalysators und bewirkt eine Aufweitung des Strömungsquerschnitts in Richtung des Tragkörpers. Um eine besonders unmittelbare Beaufschlagung des Katalysators beziehungsweise des Tragkörpers mit der mit Hilfe des Brenners erzeugten thermischen Energie zu bewirken, soll diese im Bereich des Abgasdiffusors eingebracht werden. Entsprechend mündet der Flammkanal in den Abgasdiffuser ein. Besonders bevorzugt durchgreift er dabei die Diffusormantelfläche. Um eine besonders gleichmäßige Verteilung der thermischen Energie zu erzielen, können über den Umfang des Abgasdiffusors beziehungsweise die Diffusormantelfläche verteilt mehrere Mündungsstellen des Flammkanals vorgesehen sein. Diese liegen besonders bevorzugt auf einer gemeinsamen Ringfläche und/oder sind in Umfangsrichtung gleichmäßig voneinander beabstandet. Vorzugsweise sind mindestens drei oder mindestens vier derartiger Mündungsstellen vorgesehen.
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Schließlich kann in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass der Abgaskrümmer einstückig mit dem Zylinderkopf ausgebildet ist. Beispielsweise wird der Abgaskrümmer bei der Herstellung des Zylinderkopfs mit ausgebildet. Besonders bevorzugt sind der Abgaskrümmer und der Zylinderkopf zudem materialeinheitlich, bestehen also aus demselben Material. Dies macht es auf besonders einfache Art und Weise möglich, sowohl den Abgaskrümmer als auch den Zylinderkopf mit einer gemeinsamen Kühleinrichtung zu kühlen, wobei sich wenigstens eine Kühlmittelleitung sowohl durch den Abgaskrümmer als auch durch den Zylinderkopf erstreckt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer Antriebseinrichtung mit einer Brennkraftmaschine, einer Abgasanlage sowie einer Heizvorrichtung zum Beheizen eines Katalysators der Abgasanlage, und
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2 eine weitere Ausführungsform der aus der 1 bekannten Antriebsvorrichtung.
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Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Antriebsvorrichtung 1 mit einer Brennkraftmaschine 2, die in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel über vier Zylinder 3 verfügt. Diese Zylinder 3 sind über jeweils mindestens ein Auslassventil 4 (hier: jeweils zwei Auslassventile 4) mit einem Abgaskrümmer 5 beziehungsweise mit Abgaskanälen 6 des Abgaskrümmers 5 strömungsverbunden. In dem Abgaskrümmer 5 werden die Abgaskanäle 6 zusammengeführt und münden nachfolgend gemeinsam in eine Abgasleitung 7 einer Abgasanlage 8 der Antriebeinrichtung 1 ein. Die Auslassventile 4 sind in einem Zylinderkopf 9 der Brennkraftmaschine 2 angeordnet, welcher besonders bevorzugt gemeinsam mit dem Abgaskrümmer 5, mithin also einstückig und materialeinheitlich, ausgebildet ist.
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Stromabwärts (mit Bezug auf eine Hauptströmungsrichtung von Abgas der Brennkraftmaschine 2, welches durch die Auslassventile 4 aus den Zylindern 3 ausgebracht wird) ist eine Turbine 10 eines Abgasturboladers 11 in der Abgasleitung 7 vorgesehen. Die Turbine 10 ist mit einem hier nicht dargestellten Verdichter des Abgasturboladers 11 wirkverbunden und dient mithin dessen Antrieb. Wird also die Turbine 10 von Abgas der Brennkraftmaschine 2 überströmt beziehungsweise durchströmt, so wird in der Turbine 10 zunächst Enthalpie des Abgases in Strömungsenergie umgewandelt. Diese Strömungsenergie wird nachfolgend wenigstens teilweise entnommen und in kinetische Energie, insbesondere Rotationsenergie, umgewandelt. Diese wird zum Antreiben des Verdichters verwendet. Mit Hilfe des Verdichters wird Luft, insbesondere Frischluft, verdichtet und nachfolgend der Brennkraftmaschine 2 zur Verfügung gestellt. Auf diese Weise kann die Leistungsdichte beziehungsweise der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine 2 deutlich erhöht werden. Stromabwärts der Turbine 10 des Abgasturboladers 11 ist ein Katalysator 12 an die Abgasleitung 7 angeschlossen. Der Katalysator 12 besteht zumindest aus einem Katalysatorgehäuse 13, einem darin angeordneten katalytisch wirkenden Tragkörper 14 sowie einem stromaufwärts des Tragkörpers 14 vorgesehenen Abgasdiffuser 15. Über den Abgasdiffuser 15 ist der Tragkörper 14 mit der Abgasleitung 7 strömungsverbunden, wobei er insbesondere dazu dient, den Durchströmungsquerschnitt ausgehend von der Abgasleitung 7 bis hin zu dem Tragkörper 14 aufzuweiten.
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Bei dem Betrieb der Antriebseinrichtung 1 ist für eine wirksame Reinigung des Abgases der Brennkraftmaschine 2 mit Hilfe des Katalysators 12 insbesondere dessen Temperatur zu beachten, welche zumindest einer Betriebstemperatur des Katalysators 12 entsprechen sollte. Dies ist insbesondere bei niedrigen Außentemperaturen und/oder bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine 2 nicht gewährleistet. Auch falls die Antriebseinrichtung 1 Bestandteil einer Hybridantriebsvorrichtung ist, bei welcher die Brennkraftmaschine 2 zumindest zeitweise außer Betrieb ist, kann die Temperatur des Katalysators 12 beziehungsweise des Tragkörpers 14 kleiner als die Betriebstemperatur werden, wenn keine zusätzliches Heizen vorgenommen wird. Entsprechend kann das Abgas der Brennkraftmaschine 2 zumindest so lange nicht effektiv gereinigt werden, bis die nach dem Abgasturbolader 11 noch in dem Abgas enthaltene thermische Energie den Katalysator 12 ausreichend weit, also zumindest bis auf die Betriebstemperatur aufgeheizt hat.
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Um diesen Vorgang des Aufheizens zu beschleunigen, ist der Antriebseinrichtung 1 eine Heizvorrichtung 16 mit einem Brenner 17 zugeordnet. Dieser weist eine Gemischbildungskammer 18 und eine Brennkammer 19 auf. In die Gemischbildungskammer 18 münden eine Brennstoffzufuhrleitung 20 und eine Luftzufuhrleitung 21 an den Mündungsstellen 22 und 23 ein. Im Falle der Brennstoffzufuhrleitung 20 geschieht dies über eine Einbringvorrichtung 24 mit einem Schaltventil beziehungsweise Dosierventil. Zudem ist eine Zündvorrichtung 25, beispielsweise in Form eines Glühstifts, vorgesehen. Um eine möglichst geringe Wärmebeaufschlagung der Brennstoffzufuhrleitung 20 und der Luftzufuhrleitung 21 zu erzielen, ist es nun vorgesehen, dass zumindest eine der Mündungsstellen 22 und 23, in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel beide Mündungsstellen 22 und 23 in dem Zylinderkopf 9 der Brennkraftmaschine 2 angeordnet sind.
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Besonders vorteilhaft ist die gesamte Gemischbildungskammer 18 in dem Zylinderkopf 9 aufgenommen, während die Brennkammer 19 außerhalb des Zylinderkopfs 9 vorliegt. Die Gemischbildungskammer 18 und die Brennkammer 19 sind nun derart ausgebildet, dass das Einbringen des Brennstoffs durch die Brennstoffzufuhrleitung 20 und das Einbringen der Luft durch die Luftzufuhrleitung 21 in die Gemischbildungskammer 18 erfolgt, die tatsächliche Verbrennung nach dem Zünden mit Hilfe der Zündvorrichtung 25 jedoch bevorzugt ausschließlich in der Brennkammer 19 abläuft. Entsprechend wird der Zylinderkopf 9 lediglich geringfügig mit Temperatur beaufschlagt. Zusätzlich ist jedoch ein Halteelement 26 vorgesehen, welches die Gemischbildungskammer 18 und die Brennkammer 19 in Umfangsrichtung vollständig umgreift, sodass es über den gesamten Umfang hinweg zwischen der Gemischbildungskammer 18 und dem Zylinderkopf 9 vorliegt. Das Halteelement 26 kann sich über die gesamte Längserstreckung von Gemischbildungskammer 18 und Brennkammer 19 erstrecken. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel erstreckt es sich in Längsrichtung jedoch lediglich jeweils über einen Bereich der Gemischbildungskammer 18 und der Brennkammer 19. Das Halteelement 26 besteht bevorzugt aus einem hitzebeständigen Material.
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Zusätzlich kann wenigstens ein Kühlelement im Bereich der Gemischbildungskammer 18 in dem Zylinderkopf 9 vorgesehen sein, um eine ausreichende Kühlung des Zylinderkopfs 9 auch um die Gemischbildungskammer 18 herum zu gewährleisten. Besonders bevorzugt umgreift ein derartiges Kühlelement, beispielsweise eine Kühlmittelleitung oder eine Kühlmittelkammer, die Gemischbildungskammer 18 in Umfangsrichtung wenigstens bereichsweise, insbesondere vollständig. Der durch die Brennstoffzufuhrleitung 20 in die Gemischbildungskammer 18 eingebrachte Brennstoff und die durch die Luftzufuhrleitung 21 zugeführte Luft werden in der Gemischbildungskammer 18 zu einem Brennstoff-Luft-Gemisch vermischt, welches nachfolgend in die Brennkammer 19 eintritt und dort verbrennt. Die Brennkammer 19 wird dabei wenigstens bereichsweise von einem Flammkanal 27 ausgebildet oder ist alternativ an diesen angeschlossen.
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Auf der der Brennkammer 19 abgewandten Seite mündet der Flammkanal 27 in den Katalysator 12 ein. Die Brennkammer 19 verfügt an ihrem Ausgang über eine Düse 28, also einen in Strömungsrichtung verkleinerten Querschnitt. Wie dargestellt liegt die Brennkammer 19 und ebenso zumindest ein Bereiche des Flammkanals 27 in dem Abgaskrümmer 5 vor. Dabei verlaufen sie jedoch parallel zu den Abgaskanälen 6, sind also nicht unmittelbar strömungstechnisch an diese angeschlossen. Auch zu der Turbine 10 des Abgasturboladers 1 ist der Flammkanal 27 parallel angeordnet. Erst in dem Katalysator 12 wird die mittels des Brenners 17 erzeugte thermische Energie dem Abgas zugeführt. Zu diesem Zweck durchgreift der Flammkanal 27 beispielsweise eine Diffusormantelfläche 29 des Abgasdiffusors 15. Mithin mündet also der Flammkanal 27 stromabwärts des Abgasturboladers 11, jedoch stromabwärts des Tragkörpers 14, in den Katalysator 12 beziehungsweise die Abgasleitung 7 ein. Nachfolgend des Katalysators 12 wird das Abgas beispielsweise in Richtung eines Auspuffs eines Kraftfahrzeugs, welchem die Antriebseinrichtung 1 zugeordnet ist, abgeführt. Durch diesen gelangt es in eine Außenumgebung der Antriebseinrichtung 1.
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Die 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Antriebseinrichtung 1 in einer schematischen Darstellung. Grundsätzlich wird auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen. Hier ist es jedoch nun nicht vorgesehen, die thermische Energie an dem Abgasturbolader 11 vorbeizuführen. Vielmehr ist der Abgasturbolader 11 derart angeordnet, dass die Brennkammer 19 wenigstens bereichsweise in seinem Gehäuse 30 angeordnet ist. Es ist nun vorgesehen, dass die thermische Energie noch in dem Gehäuse des Abgasturboladers 11, jedoch stromabwärts der Turbine 10, in das Abgas der Brennkraftmaschine 2 eingebracht wird. Somit wird durch die Abgasleitung 7 bereits wieder beheiztes Abgas dem Katalysator 12 zu dessen Beheizen zugeführt. Erneut ist erkennbar, dass in der Gemischbildungskammer 18 lediglich das Vermischen von Brennstoff und Luft zu dem Brennstoff-Luft-Gemisch erfolgen soll. Dieses wird erst nachfolgend in der Brennkammer 19 gezündet und verbrennt dort.
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Während die Gemischbildungskammer 18 vollständig in dem Zylinderkopf 9 aufgenommen ist, liegt die Brennkammer 19 außerhalb von diesem vor und ist stattdessen in dem Gehäuse 30 des Abgasturboladers 11 angeordnet. Um die Brennstoffzufuhrleitung 20 sowie die Gemischbildungskammer 18 zu kühlen, ist ein Kühlelement 31 vorgesehen, das die Gemischbildungskammer 18 in Umfangsrichtung vollständig umgreift und besonders bevorzugt an eine Kühleinrichtung beziehungsweise einen Wassermantel der Brennkraftmaschine 2 beziehungsweise des Zylinderkopfs 9 angeschlossen ist.
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Mit den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Antriebseinrichtung 1 wird ein zuverlässiger Betrieb der Heizvorrichtung 16 beziehungsweise des Brenners 17 ermöglicht, weil es in der Brennstoffzufuhrleitung 20 bedingt durch die Anordnung in dem vorzugsweise gekühlten Zylinderkopf 9 nicht zu einer Überhitzung des Brennstoffs und mithin zu einer Blasenbildung kommen kann. Auch wird insgesamt die Masse der durch den Brenner 17 erhitzten Elemente reduziert, sodass nach einem Deaktivieren der Heizvorrichtung 16 ihre Temperatur deutlich schneller reduziert werden kann als bei aus dem Stand der Technik bekannten Antriebseinrichtungen 1.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebseinrichtung
- 2
- Brennkraftmaschine
- 3
- Zylinder
- 4
- Auslassventil
- 5
- Abgaskrümmer
- 6
- Abgaskanal
- 7
- Abgasleitung
- 8
- Abgasanlage
- 9
- Zylinderkopf
- 10
- Turbine
- 11
- Abgasturbolader
- 12
- Katalysator
- 13
- Katalysatorgehäuse
- 14
- Tragkörper
- 15
- Abgasdiffusor
- 16
- Heizvorrichtung
- 17
- Brenner
- 18
- Gemischbildungskammer
- 19
- Brennkammer
- 20
- Brennstoffzufuhrleitung
- 21
- Luftzufuhrleitung
- 22
- Mündungsstelle
- 23
- Mündungsstelle
- 24
- Einbringvorrichtung
- 25
- Zündvorrichtung
- 26
- Haltelement
- 27
- Flammkanal
- 28
- Düse
- 29
- Diffusormantelfläche
- 30
- Gehäuse
- 31
- Kühlelement
