DE102012020828B4

DE102012020828B4 - Internal combustion engine with two-stage supercharging and an integrated oxidation catalytic converter

Info

Publication number: DE102012020828B4
Application number: DE102012020828.6A
Authority: DE
Inventors: Ronny Werner; Hans Zellbeck
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2012-09-07
Filing date: 2012-10-16
Publication date: 2019-01-03
Anticipated expiration: 2032-10-17
Also published as: DE102012020828A1

Abstract

Brennkraftmaschine mit zweistufiger Abgasturboaufladung und Oxidationskatalysator bei der im Anschluss an einen Abgaskrümmer (3) eine Abgasleitung (2) zu einem Oxidationskatalysator (1) geführt ist und Abgas, das aus dem Oxidationskatalysator (1) austritt, zur Turbine (4.1) eines Niederdruckabgasturboladers (4) über eine weitere Abgasleitung (5) geführt ist, wobei mit dem Verdichter (4.2) des Niederdruckabgasturboladers (4) Ansaugluft in die Ansaugleitung (6) der Brennkraftmaschine komprimiert wird, wobei
an die Abgasleitung (2) zwischen dem Abgaskrümmer (3) und dem einzigen Oxidationskatalysator (1) eine weitere Abgasleitung (7), die zur Turbine (8.1) eines Hochdruckabgasturboladers (8) geführt ist, vorhanden ist, und
zwischen der Abgasleitung (2), die zwischen dem Abgaskrümmer (3) und dem Oxidationskatalysator (1) und der Abgasleitung (7), die zur Turbine (8.1) des Hochdruckabgasturboladers (8) geführt ist, angeordnet ist, ein regelbares Ventil (9) angeordnet ist, mit dem eine Regelung des Abgasvolumenstroms, der jeweils durch die Abgasleitung (2) und die Abgasleitung (7) führbar ist, erfolgt
dadurch gekennzeichnet, dass
der freie innere Querschnitt der Abgasleitung (7), die vom Abgaskrümmer (3) zur Turbine (8.1) des Hochdruckabgasturboladers (8) führt, kleiner ist als der freie Querschnitt der Abgasleitung (2), die vom Abgaskrümmer (3) zum Oxidationskatalysator (1) führt und
die Abgasleitung (7), die zur Turbine (8.1) des Hochdruckabgasturboladers (8) geführt ist, verschließbar ist, wenn der Oxidationskatalysator (1) die für seine Funktion erforderliche Temperatur nicht erreicht hat oder diese nicht aufweist.

Internal combustion engine with two-stage exhaust gas turbocharging and oxidation catalyst in which an exhaust pipe (2) is led to an oxidation catalyst (1) following an exhaust manifold (3) and exhaust gas leaving the oxidation catalyst (1) to the turbine (4.1) of a low-pressure exhaust gas turbocharger (4 ) is guided via a further exhaust pipe (5), wherein with the compressor (4.2) of the low pressure exhaust gas turbocharger (4) intake air is compressed in the intake pipe (6) of the internal combustion engine, wherein
to the exhaust pipe (2) between the exhaust manifold (3) and the single oxidation catalyst (1), a further exhaust pipe (7) which is guided to the turbine (8.1) of a Hochdruckabgasturboladers (8) is present, and
between the exhaust pipe (2) arranged between the exhaust manifold (3) and the oxidation catalyst (1) and the exhaust pipe (7) leading to the turbine (8.1) of the high-pressure exhaust gas turbocharger (8), a controllable valve (9) is arranged, with which a regulation of the exhaust gas flow rate, each of which through the exhaust pipe (2) and the exhaust pipe (7) is feasible, takes place
characterized in that
the free inner cross section of the exhaust pipe (7) leading from the exhaust manifold (3) to the turbine (8.1) of the Hochdruckabgasturboladers (8) is smaller than the free cross section of the exhaust pipe (2) from the exhaust manifold (3) to the oxidation catalyst (1 ) leads and
the exhaust pipe (7), which is guided to the turbine (8.1) of the Hochdruckabgasturboladers (8), is closable when the oxidation catalyst (1) has not reached the temperature required for its function or does not have.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine mit zweistufiger Abgasturboaufladung und Oxidationskatalysator.The invention relates to an internal combustion engine with two-stage turbocharging and oxidation catalyst.

Hohe spezifische Leistungen und niedrige Kraftstoffverbräuche sind die Hauptanforderungen moderner Dieselmotoren. Zur Begrenzung der limitierten Emissionen, ist ein erheblicher Abgasnachbehandlungsaufwand (Oxidationskatalysatoren, Partikelfilter, SCR-Systeme, Abgasrückführung) und eine permanente Weiterentwicklung und Suche nach Innovationen unumgänglich. Neben anderen Maßnahmen kann durch eine zweistufige Abgasturboaufladung zusätzlich zu den Emissionsvorteilen noch eine deutliche Verbesserung des transienten Motorbetriebsverhaltens erreicht werden.High specific performances and low fuel consumption are the main requirements of modern diesel engines. To limit the limited emissions, a significant amount of exhaust aftertreatment (oxidation catalysts, particulate filters, SCR systems, exhaust gas recirculation) and a permanent development and search for innovations is essential. In addition to other measures, in addition to the emission advantages, a significant improvement in the transient engine operating behavior can be achieved by a two-stage turbocharger.

Neben einem erwünschten maximales Drehmoment oder geringer spezifischer Kraftstoffverbräuche trat gerade in den letzten Jahren die Abgasnachbehandlung mehr und mehr in den Fokus der Dieselmotorenentwickler. Die immer weiter verschärfte Reglementierung der Abgasemission forderte eine hohe Anzahl an Innovationen, um die Auflagen zu erfüllen. Der Schwerpunkt der Dieselmotorenentwicklung liegt aktuell primär auf der Stickoxid- und Partikelemissionsreduktion. Mit den derzeitig eingesetzten Partikelfiltern werden Partikelabscheideraten von über 99% erzielt. Um die geforderten Grenzen der Stickoxidemissionen einzuhalten, werden bei modernen Dieselmotoren optimierte Brennverfahren mit hohen Abgasrückführraten angewendet.In addition to a desired maximum torque or low specific fuel consumption especially in recent years, the exhaust aftertreatment more and more in the focus of diesel engine developers. The ever stricter regulation of exhaust emissions demanded a high number of innovations in order to meet the requirements. The focus of diesel engine development is currently primarily on nitrogen oxide and particulate emission reduction. Particulate removal rates of over 99% are achieved with the currently used particulate filters. In order to meet the required limits of nitrogen oxide emissions, optimized combustion processes with high exhaust gas recirculation rates are used in modern diesel engines.

Einhergehend damit ist jedoch eine vergleichsweise hohe Kohlenwasserstoff-(HC) und Kohlenmonoxid- (CO) Rohemissionen zu berücksichtigen. Weiter ist bei aktuellen Brennkraftmaschinen, bedingt durch den gestiegenen Wirkungsgrad, eine Absenkung der Abgastemperatur festzustellen. Beide genannten Fakten tragen dazu bei, dass dementsprechend die Katalysatorsysteme und das Katalysatorvolumen und/oder die Edelmetallbeladung deutlich erhöht werden müssen, was letztendlich einen Anstieg der Kosten für die notwendige Abgasnachbehandlung bedeutet. Weiterführend werden zusätzliche Maßnahmen notwendig sein, die die katalytische Effektivität bei der Oxidation der HC- und CO-Emissionen trotz der gesunkenen Abgastemperaturen zu ermöglichen.Along with this, however, a comparatively high level of crude hydrocarbon (HC) and carbon monoxide (CO) emissions has to be considered. Further, in current internal combustion engines, due to the increased efficiency, a decrease in the exhaust gas temperature to determine. Both of these facts contribute to the fact that accordingly the catalyst systems and the catalyst volume and / or the noble metal loading must be significantly increased, which ultimately means an increase in the cost of the necessary exhaust aftertreatment. Further, additional measures will be necessary to allow the catalytic effectiveness in the oxidation of HC and CO emissions despite the decreased exhaust gas temperatures.

Hierzu wurden in letzter Zeit einige motorische Ansätze zum Heizen der Katalysatoren verfolgt, die eine Anhebung der Abgastemperatur für eine aktive Oxidation der HC-und CO-Emissionen sicherstellen. Sie haben jedoch einen negativen Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch. Gerade vor dem Hintergrund eines angestrebten Flottenverbrauchs von unter 120 g/km sind diese Maßnahmen kritisch zu bewerten.For this purpose, some engine approaches for heating the catalysts have recently been pursued, which ensure an increase in the exhaust gas temperature for active oxidation of HC and CO emissions. However, they have a negative impact on fuel consumption. Especially against the background of a targeted fleet consumption of less than 120 g / km, these measures should be critically evaluated.

Eine konstruktive Maßnahme, um möglichst schnell nach dem Motorstart hohe Umsatzraten zu erreichen, ist die motornahe Anordnung des Katalysators. Folglich wird in aktuellen Abgassystemen größtenteils eine Anbindung des Oxidationskatalysators direkt nach der Turbine des Abgasturboladers umgesetzt. Als Nachteil verbleibt jedoch, dass die Turbine mit ihrer hohen Wärmekapazität ein schnelles Aufheizen des Katalysators verhindert. Der neuartige und letztendlich konsequente Ansatz, den Katalysator vor die Turbine zu verlagern, wurde in den letzten Jahren bereits mehrfach vorgestellt. Dabei standen Vorturbokatalysatoren (PTC), beginnend bei einem Volumen von unter 0,1l bis hin zu einem Volumen von 1l, im Mittelpunkt der Untersuchungen. Die vom Motorstart an deutlich höhere Abgastemperatur sorgt für ein schnelles Erreichen der Anspringtemperatur des Katalysators. Das enorme Potential zur Emissionsabsenkung konnte in ausgiebigen Versuchsreihen nachgewiesen werden. Neben diesem Vorteil des Vorturboladerkatalysatorkonzeptes waren auch signifikante Nachteile gegenüber „konventionellen“ Systemen festzustellen. So war insbesondere bei einer spontanen Lastanforderung bei konstanter Motordrehzahl ein deutlich verzögerter Mitteldruckaufbau zu beobachten.A constructive measure to achieve high conversion rates as quickly as possible after starting the engine is the arrangement of the catalyst close to the engine. Consequently, in most current exhaust systems, a connection of the oxidation catalyst is implemented directly after the turbine of the exhaust gas turbocharger. The disadvantage, however, remains that the turbine with its high heat capacity prevents rapid heating of the catalyst. The novel and ultimately consistent approach of relocating the catalyst before the turbine has already been presented several times in recent years. Preliminary studies focused on preturbocatalysts (PTCs), starting from a volume of less than 0.1 l up to a volume of 1 l. The significantly higher exhaust gas temperature from the start of the engine ensures that the light-off temperature of the catalytic converter is reached quickly. The enormous potential for reducing emissions was proven in extensive series of experiments. In addition to this advantage of the pre-turbocharger catalyst concept, there were also significant disadvantages compared with "conventional" systems. In particular, a spontaneous load request at a constant engine speed resulted in a significantly delayed medium-pressure build-up.

Eine zweistufige Aufladegruppe bietet hier die eine Ergänzung zum Vorturboladerkatalysator. Durch die Integration des Katalysators zwischen die Hochdruck- und Niederdruckstufe können die Vorteile der zweistufigen Aufladegruppe mit der des Vorturbokatalysators kombiniert werden.A two-stage recharging group offers a supplement to the pre-turbocharger catalytic converter. By integrating the catalyst between the high pressure and low pressure stages, the advantages of the two stage charge group can be combined with that of the pre-turbo catalyst.

Es wurde auch versucht einen Abgaskrümmer zu entwickeln, der ein mögliches Katalysatorvolumen vor der Turbine von bis zu 1 Liter zulässt. Als Versuchsträger wurde ein 2.0-I-EU-V-Common-Rail-Motor eingesetzt. In der Serienkonfiguration sind bei diesem Motor Oxidationskatalysator und Partikelfilter in motornaher Lage direkt am Turboladeraustritt positioniert. Die nachfolgend präsentierten Ergebnisse wurden auf einem hochdynamischen Prüfstand ermittelt. Als Fahrzeug wurde dabei ein PKW mit einem Gewicht von 1645 kg und einem 6-Ganggetriebe modelliert und in ein eigenes Fahrzeugmodell integriert. Für eine sichere Vergleichbarkeit wurde vorab eine neue Abgasanlage hinsichtlich der Emissionseffektivität in verschiedenen Prüfzyklen vermessen. Jeder Test bestand dabei aus einer Regeneration, einer Abkühlphase des gesamten Motors bis auf 20°C und dem eigentlichen Emissionsprüfzyklus. Zur Bewertung der Dauerhaltbarkeit wurde der Katalysator nach Abschluss der ersten Messreihe 16 h bei 800°C hydro-thermal gealtert und erneut den Testzyklen unterzogen. Sehr deutlich ist der Einfluss der Alterung auf die Konvertierungsrate ersichtlich. Im gealterten Zustand können anstatt der ursprünglichen 75 % lediglich 33 % der CO-Masse oxidiert werden. Bei der HC-Emission zeigt sich ein ähnliches Verhalten. So werden hier statt der ursprünglichen 85 %-igen Absenkung der Rohemission lediglich 55 % erreicht. Ursache für dieses Verhalten ist die Verschiebung der Anspringtemperatur des Oxidationskatalysators hin zu höheren Werten. Mit der hier durchgeführten Alterung steigt die Aktivierungstemperatur um ca. 35 K. Um diesen Katalysator als Vorturboladerkatalysator zu vermessen, wurde dieser aus der Anlage entfernt, mit einer Luftspaltisolierung versehen und entsprechend der PTC-Konfiguration (Oxidationskatalysator mit einstufiger Aufladung) am Prüfstand verbaut.It has also been attempted to develop an exhaust manifold that allows up to a possible catalyst volume upstream of the turbine 1 Liters allowed. The experimental vehicle used was a 2.0 l EU V common rail engine. In the serial configuration, the oxidation catalyst and the particulate filter are positioned in the engine-mounted position directly at the turbocharger outlet. The results presented below were determined on a highly dynamic test bench. The vehicle was a car with a weight of 1645 kg and a 6 Gearbox modeled and integrated into a separate vehicle model. For a reliable comparability, a new exhaust system was previously measured with regard to the emission efficiency in various test cycles. Each test consisted of a regeneration, a cooling phase of the entire engine up to 20 ° C and the actual emission test cycle. To assess fatigue life, the catalyst was hydro-thermally aged at 800 ° C for 16 h after completion of the first series of measurements and again subjected to the test cycles. The influence of aging on the conversion rate is very clear. in the aged state can be oxidized instead of the original 75%, only 33% of the CO mass. The HC emission shows a similar behavior. Thus, instead of the original 85% reduction in gross emissions, only 55% are achieved. The reason for this behavior is the shift of the light-off temperature of the oxidation catalyst towards higher values. With the aging carried out here, the activation temperature rises by about 35 K. To measure this catalyst as a pre-turbocharger catalyst, this was removed from the system, provided with an air gap insulation and installed according to the PTC configuration (oxidation catalyst with single-stage charging) on the test bench.

Mit der Verlagerung des Oxidationskatalysators vor die Turbine verändert sich gleichzeitig der Temperaturbereich, in dem er betrieben wird. Somit können selbst im gealterten Zustand noch 57% der CO-Rohemission beziehungsweise 61% der HC-Rohemission oxidiert werden.With the displacement of the oxidation catalyst in front of the turbine, the temperature range in which it is operated changes simultaneously. Thus, even in the aged state still 57% of the raw CO emissions or 61% of the crude HC emissions can be oxidized.

Wie bekannt, besitzt die PTC-Konfiguration auch einen entscheidenden Nachteil: Im Fall einer spontanen Lastaufschaltung stellt der Vorturbokatalysator mit seiner vergleichsweise hohen Wärmekapazität eine erhebliche Wärmesenke dar. Die Auswirkungen sind eine geringere Turbinenleistung eines Abgasturboladers und ein damit verzögerter Lade- und Mitteldruckaufbau. Besonders bei Motordrehzahlen unter 2000min-1 ist dieser Effekt deutlich zu spüren.As is known, the PTC configuration also has a decisive disadvantage: in the case of spontaneous load application, the preturbocatalyst with its comparatively high heat capacity represents a considerable heat sink. The effects are a lower turbine output of an exhaust gas turbocharger and a delayed charge and medium pressure build-up. Especially at engine speeds below 2000min-1, this effect is clearly felt.

Bekannt ist es auch, dass gerade eine zweistufige Aufladeeinheit durch den Einsatz eines kleineren Hochdruckabgasturboladers (geringes polares Trägheitsmoment, hohes Aufstauverhalten) einen sehr schnellen Ladedruckaufbau bei niedrigen Motordrehzahlen ermöglicht.It is also known that just a two-stage charger through the use of a smaller high-pressure exhaust gas turbocharger (low polar moment of inertia, high Aufstauverhalten) allows a very fast boost pressure build-up at low engine speeds.

In der WO 2008/155268 A1 wird vorgeschlagen einen Oxidationskatalysator vor der Turbine eines Hochdruckturboladers anzuordnen und zur Umgehung des Oxidationskatalysators eine mit einem Ventil versehene Bypassleitung für das Abgas, um den Oxidationskatalysator herum, vorzusehen. Dadurch kann unter bestimmten Betriebsbedingungen dieser Oxidationskatalysator umgangen werden und das Abgas direkt vom Krümmer der Brennkraftmaschine ohne jegliche Abgasnachbehandlung der Turbine eines Hochdruckabgasturboladers zugeführt werden. Zur Einhaltung der Abgaswerte ist dabei aber ein zweiter Oxidationskatalysator erforderlich, der im Anschluss an die Turbine eines Niederdruckabgasturboladers angeordnet ist und den in jedem Fall das gesamte Abgas zu einer Nachoxidation von CO und CH-Verbindungen durchströmt. Dies bewirkt einen erhöhten Aufwand und erhöhte Kosten. Außerdem können durch die ggf. noch nicht ausreichende Temperatur des zweiten Oxidationskatalysators bei bestimmten Betriebsbedingungen die geforderten Abgasgrenzwerte zumindest zeitweise nicht eingehalten werden.In the WO 2008/155268 A1 It is proposed to place an oxidation catalyst in front of the turbine of a high pressure turbocharger and to provide a valved bypass line for the exhaust around the oxidation catalyst to bypass the oxidation catalyst. As a result, under certain operating conditions, this oxidation catalytic converter can be bypassed and the exhaust gas can be supplied directly from the manifold of the internal combustion engine without any exhaust gas aftertreatment of the turbine of a high-pressure exhaust gas turbocharger. In order to comply with the exhaust gas values but a second oxidation catalyst is required, which is arranged after the turbine of a low-pressure exhaust gas turbocharger and flows through the exhaust gas in any case to a post-oxidation of CO and CH compounds. This causes an increased effort and increased costs. In addition, due to the possibly not yet sufficient temperature of the second oxidation catalytic converter, the required exhaust gas limit values can not be maintained, at least temporarily, under certain operating conditions.

So sind in DE 10 2008 017 280 A1 eine Anordnung und Verfahren zur Beeinflussung des Umsatzverhaltens von Abgaskatalysatoren beschrieben, bei dem eine Bypassleitung um eine Turbine eines Hochdruckturboladers zu einem Katalysator geführt ist.So are in DE 10 2008 017 280 A1 describes an arrangement and method for influencing the conversion behavior of catalytic converters, in which a bypass line is guided around a turbine of a high-pressure turbocharger to a catalyst.

Die DE 10 2004 027 593 A1 betrifft eine Motoranlage mit Abgasturboaufladung und Betrieb eines SCR-Katalysators. Dabei ist eine Bypassleitung um den Katalysator herumgeführt.The DE 10 2004 027 593 A1 relates to an engine system with turbocharging and operation of an SCR catalyst. In this case, a bypass line is guided around the catalyst.

Aus EP 1396 619 A1 ist ein Aufladesystem für eine Brennkraftmaschine bekannt, bei der eine Rohrleitung zur Überbrückung einer Turbine eines Abgastorboladers mit einer Schaltvorrichtung vorhanden sind, über die Teilmengen an Abgas einstellbar sind, die über eine Turbine und einen Katalysator geführt werden können.Out EP 1396 619 A1 For example, a charging system for an internal combustion engine is known, in which a pipeline for bypassing a turbine of an exhaust gas turbocharger with a switching device are provided, are adjustable over the subsets of exhaust gas, which can be passed through a turbine and a catalyst.

In WO 2012/028768 A1 ist ein Abgassystem für eine selektive katalytische Reduktion beschrieben, bei der eine Bypassleitung um eine Turbine eines Abgasturboladers als sogenanntes „Wastegate“ herum geführt ist.In WO 2012/028768 A1 is described an exhaust system for a selective catalytic reduction, in which a bypass line is guided around a turbine of an exhaust gas turbocharger as a so-called "wastegate" around.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Emissionswerte einer Brennkraftmaschine für CO und HC-Verbindungen mit geringem konstruktiven Aufwand zu reduzieren sowie unter allen Betriebsbedingungen, außer innerhalb einer verkürzten Kaltstartphase, eine zumindest nahezu vollständige oxidative Nachbehandlung des Abgases einhalten zu können.The object of the invention is therefore to be able to reduce the emission values of an internal combustion engine for CO and HC compounds with little design effort and under all operating conditions, except within a shortened cold start phase, to be able to maintain an at least almost complete oxidative aftertreatment of the exhaust gas.

Dabei soll zu jeder Zeit der gesamte Abgasmassenstrom durch den einen Oxidationskatalysator strömen.It should flow at any time the entire exhaust gas mass flow through the one oxidation catalyst.

Als weitere Randbedingungen für die Konstruktion sollten ein möglichst geringer Bauraumbedarf sowie eine Minimierung der wärmeübertragenden Oberflächen sowie der Strömungsvolumina vor der Niederdruckturbine vorgegeben sein.As a further boundary conditions for the construction, the smallest possible space requirement and a minimization of the heat-transferring surfaces as well as the flow volumes in front of the low-pressure turbine should be specified.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Brennkraftmaschine, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Sie kann mit einem Verfahren nach Anspruch 6 betrieben werden.According to the invention this object is achieved with an internal combustion engine having the features of claim 1. It can be operated by a method according to claim 6.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.Advantageous embodiments and further developments of the invention can be realized with features described in the subordinate claims.

Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind eine zweistufige Abgasturboaufladung und ein Oxidationskatalysator vorhanden. Im Anschluss an einen Abgaskrümmer ist eine Abgasleitung zu einem Oxidationskatalysator geführt. Abgas, das aus dem Oxidationskatalysator austritt, wird zur Turbine eines Niederdruckabgasturboladers über eine weitere Abgasleitung geführt. Mit dem Verdichter des Niederdruckabgasturboladers wird Ansaugluft in die Ansaugleitung der Brennkraftmaschine komprimiert. In the internal combustion engine according to the invention, a two-stage exhaust gas turbocharging and an oxidation catalyst are present. Following an exhaust manifold, an exhaust pipe is routed to an oxidation catalyst. Exhaust gas exiting the oxidation catalyst is passed to the turbine of a low pressure exhaust gas turbocharger via another exhaust pipe. With the compressor of the low pressure exhaust gas turbocharger intake air is compressed in the intake pipe of the internal combustion engine.

An die Abgasleitung zwischen dem Abgaskrümmer und dem einzigen Oxidationskatalysator ist eine weitere Abgasleitung zur Turbine eines Hochdruckabgasturboladers geführt und zwischen der Abgasleitung, die zwischen dem Abgaskrümmer und dem Oxidationskatalysator und der Abgasleitung, die zur Turbine des Hochdruckturboladers geführt ist, ist ein regelbares Ventil angeordnet. Mit dem regelbaren Ventil erfolgt eine Regelung des Abgasvolumenstroms, der jeweils durch die Abgasleitung, die zwischen dem Abgaskrümmer und dem Oxidationskatalysator angeordnet ist, und die Abgasleitung,die zur Turbine des Hochdruckturboladers geführt ist. geführt wird.To the exhaust pipe between the exhaust manifold and the single oxidation catalyst, another exhaust pipe is routed to the turbine of a high pressure exhaust gas turbocharger and a controllable valve is interposed between the exhaust pipe passing between the exhaust manifold and the oxidation catalyst and the exhaust pipe leading to the turbine of the high pressure turbocharger. With the controllable valve is a regulation of the exhaust gas flow rate, respectively through the exhaust pipe, which is arranged between the exhaust manifold and the oxidation catalyst, and the exhaust pipe, which is guided to the turbine of the high-pressure turbocharger. to be led.

Das regelbare Ventil kann als Klappenventil ausgebildet sein. Solche Ventile können einfach, ausreichend genau und mit kleiner Zeitkonstante betrieben werden.The controllable valve may be designed as a flapper valve. Such valves can be operated simply, with sufficient accuracy and with a small time constant.

Das regelbare Ventil kann in Abhängigkeit des Motorkennfeldes und/oder der Temperatur des Oxidationskatalysators geregelt werden. So kann es generell die Abgasleitung, die zur Turbine des Hochdruckturboladers geführt ist, verschließen, wenn der Oxidationskatalysator die für seine Funktion erforderliche Temperatur nicht erreicht hat bzw. diese nicht aufweist. Ist diese Temperatur nicht erreicht, sollte das gesamte Abgas direkt in den Oxidationskatalysator strömen. Es kann geöffnet werden, wenn betriebsbedingt eine erhöhte Leistung der Brennkraftmaschine abgerufen wird.The controllable valve can be regulated as a function of the engine map and / or the temperature of the oxidation catalytic converter. Thus, it can generally close the exhaust pipe, which is guided to the turbine of the high-pressure turbocharger, when the oxidation catalyst has not reached the temperature required for its function or not. If this temperature is not reached, the entire exhaust gas should flow directly into the oxidation catalyst. It can be opened if, due to the operation, an increased power of the internal combustion engine is called up.

Aus der Turbine des Hochdruckabgasturboladers kann austretendes Abgas dem Oxidationskatalysator und/oder einer Abgasrückführung in die Brennkraftmaschine direkt, ohne weitere Verdichtung zugeführt werden. Dies kann mittels einer elektronischen Steuerung der Brennkraftmaschine bzw. eines Fahrzeugs erfolgen. Dabei kann der jeweils gewünschte Betriebszustand und das Kennfeld der Brennkraftmaschine berücksichtigt werden.Exhaust gas leaving the turbine of the high-pressure exhaust gas turbocharger can be fed directly to the oxidation catalytic converter and / or exhaust gas recirculation into the internal combustion engine without further compression. This can be done by means of an electronic control of the internal combustion engine or a vehicle. In this case, the respective desired operating state and the map of the internal combustion engine can be taken into account.

Es kann bei abgeforderter hoher Leistung der Brennkraftmaschine der gesamte von dem Verdichter des Niederdruckabgasturboladers vorverdichteter Ansaugluftvolumenstrom dem Verdichter des Hochdruckabgasturboladers zugeführt werden. Bei kleiner abgeforderter Leistung kann der gesamte vom Niederdruckabgasturbolader vorverdichtete Abgasvolumenstrom direkt den Ansaugkanälen der Brennkraftmaschine zugeführt werden. Es ist auch ein Mischbetrieb möglich, bei dem ein Teil des vorverdichteten Ansaugluftvolumenstroms dem Verdichter des Hochdruckabgasturboladers und ein Teil des Ansaugvolumenstroms den Ansaugkanälen direkt zugeführt werden kann.It can be supplied to the compressor of the high-pressure exhaust gas turbocharger at high demanded high performance of the internal combustion engine, the entire of the compressor of Niederdruckabgasturboladers precompressed Ansaugluftvolumenstrom. With a small demanded power, the entire exhaust gas volume flow pre-compressed by the low-pressure turbocharger can be fed directly to the intake passages of the internal combustion engine. A mixed operation is also possible in which a part of the pre-compressed intake air volume flow can be fed directly to the compressor of the high-pressure exhaust gas turbocharger and a part of the intake volume flow to the intake ducts.

Der freie innere Querschnitt der Abgasleitung, die vom Abgaskrümmer zur Turbine des Hochdruckabgasturboladers führt, soll kleiner als der freie Querschnitt der Abgasleitung sein die vom Abgaskrümmer zum Oxidationskatalysator führt, sein. Dadurch kann auch bei vollständig in Richtung Turbine des Hochdruckabgasturboladers geöffnetem regelbaren Ventil gesichert werden, dass immer ein Teil des Abgases direkt vom Abgaskrümmer in den Oxidationskatalysator strömt und dort nachbehandelt wird.The free inner cross section of the exhaust pipe leading from the exhaust manifold to the turbine of the high pressure exhaust gas turbocharger should be smaller than the free cross section of the exhaust pipe leading from the exhaust manifold to the oxidation catalyst. As a result, even when the controllable valve is open completely in the direction of the turbine of the high-pressure turbocharger, it can be ensured that part of the exhaust gas always flows directly from the exhaust manifold into the oxidation catalytic converter and is aftertreated there.

Die gesamte vorverdichtete Ansaugluft kann durch mindestens einen Ladeluftkühler geführt werden, bevor er in die Ansaugkanäle eintritt.The entire pre-compressed intake air can be passed through at least one intercooler before it enters the intake ducts.

In Strömungsrichtung des Abgases im Anschluss an die Turbine des Niederdruckabgasturboladers kann ein Dieselpartikelfilter angeordnet sein.In the flow direction of the exhaust gas following the turbine of the low-pressure exhaust gas turbocharger, a diesel particulate filter may be arranged.

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann so betrieben werden, dass das regelbare Ventil die Abgasleitung, die vom Abgaskrümmer zur Turbine des Hochdruckabgasturboladers führt, zumindest dann vollständig sperrt, wenn der Oxidationskatalysator, die für seinen Betrieb erforderliche Temperatur (Light off) nicht erreicht.The internal combustion engine according to the invention can be operated so that the controllable valve, the exhaust pipe leading from the exhaust manifold to the turbine of the Hochdruckabgasturboladers, at least then completely blocks when the oxidation catalyst, the required temperature for its operation (light off) is not reached.

Das regelbare Ventil kann die Abgasleitung, die vom Abgaskrümmer zur Turbine des Hochdruckabgasturboladers führt, teilweise oder vollständig öffnen, wenn die für den Betrieb des Oxidationskatalysators erforderliche Temperatur erreicht ist und von der Brennkraftmaschine eine erhöhte Leistung abgefordert wird.The controllable valve may partially or fully open the exhaust passageway leading from the exhaust manifold to the turbine of the high pressure exhaust gas turbocharger when the temperature required for operation of the oxidation catalyst is reached and the engine requests increased power.

Mit dem Verdichter des Niederdruckabgasturboladers kann verdichtete Ansaugluft dem Verdichter des Hochdruckturboladers und/oder über eine Bypassleitung direkt dem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine zugeführt werden.With the compressor of the low-pressure exhaust gas turbocharger, compressed intake air can be fed directly to the compressor of the high-pressure turbocharger and / or via a bypass line to the intake tract of the internal combustion engine.

Als Niederdruckstufe dient der Niederdruckabgasturbolader. Um den Regelaufwand möglichst gering zu halten, kann ein selbstregelndes Verdichterbypassventil eingesetzt werden.The low pressure stage is the low pressure turbocharger. To keep the control effort as low as possible, a self-regulating compressor bypass valve can be used.

Bei der Erfindung ist es auch vorteilhaft, dass erhöhte Temperaturen am Oxidationskatalysator erreicht werden können, mit denen eine durch Alterung reduzierte Konvertierbarkeit von CO und CH-Verbindungen kompensiert werden kann.In the invention, it is also advantageous that elevated temperatures can be achieved at the oxidation catalyst, with which one by aging reduced convertibility of CO and CH compounds can be compensated.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail by way of example in the following.

Dabei zeigen:

1 ein Blockschaltbild eines Beispiels einer Brennkraftmaschine;
2 Diagramme mit Daten, die bei einem NEFZ-Fahrzyklus für zwei herkömmlich ausgebildete Brennkraftmaschinen und die mit einer vergleichbaren erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ermittelt worden sind;
3 Diagramme mit Daten als Ergebnis einer Lastaufschaltung von 2 bar effektiver Mitteldruck auf Volllast bei einer Drehzahl von 1250 min^-1, die für zwei herkömmlich ausgebildete Brennkraftmaschinen und die mit einer vergleichbaren erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ermittelt worden sind und
4 Diagramme mit Daten als Ergebnis einer geregelten Lastaufschaltung bei einer Drehzahl von 1500 min^-1, die für zwei herkömmlich ausgebildete Brennkraftmaschinen (a, b) und die mit einer vergleichbaren erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine (c) ermittelt worden sind

Showing:

1 a block diagram of an example of an internal combustion engine;
2 Charts with data, which have been determined in a NEDC driving cycle for two conventionally designed internal combustion engines and those with a comparable internal combustion engine according to the invention;
3 Charts with data as a result of a load injection of 2 bar effective mean pressure to full load at a speed of 1250 min ^-1 , which have been determined for two conventionally designed internal combustion engines and those with a comparable internal combustion engine according to the invention and
4 Charts with data as a result of a regulated load application at a speed of 1500 min ^-1 , which have been determined for two conventionally designed internal combustion engines (a, b) and those with a comparable internal combustion engine according to the invention (c)

Dabei handelt es sich um einen 4-Zylinder Reihendieselmotor mit Kraftstoffdirekteinspritzung. Der Hubraum beträgt 1968 cm³ und das Verdichtungsverhältnis liegt bei 16,5 : 1 (Bohrung = 81 mm; Hub = 95,5 mm). Er erreichte eine maximale Leistung von 103 kW bei einer Drehzahl von 4000 min^-1 und ein maximales Drehmoment von 320 Nm bei Drehzahlen zwischen 1750 min^-1 und 2500 min^-1. Es ist ein Common-Rail-Einspritzsystem vorhanden, das einen maximalen Einspritzdruck von 1800 bar realisieren kann.This is a 4-cylinder inline diesel engine with direct fuel injection. The displacement is 1968 cm ³ and the compression ratio is 16.5: 1 (bore = 81 mm, stroke = 95.5 mm). It reached a maximum power of 103 kW at a speed of 4000 min ^-1 and a maximum torque of 320 Nm at speeds between 1750 and 2500 min ^-1 min ^-1. There is a common-rail injection system available, which can realize a maximum injection pressure of 1800 bar.

An die Auslasskanäle ist ein Abgaskrümmer 3 angeschlossen, der in die Abgasleitung 2 mündet. Durch die Abgasleitung 2 kann das gesamte Abgas aus der Brennkraftmaschine in und durch den Oxidationskatalysator 1 strömen, wenn mit dem regelbaren Ventil die Abgasleitung 7, die zur Turbine des Hochdruckabgasturboladers führt, geschlossen ist.To the exhaust ducts is an exhaust manifold 3 connected to the exhaust pipe 2 empties. Through the exhaust pipe 2 can the entire exhaust gas from the internal combustion engine into and through the oxidation catalyst 1 flow when with the controllable valve the exhaust pipe 7 , which leads to the turbine of the high pressure exhaust gas turbocharger, is closed.

Dieser Zustand soll zumindest in der Kaltstartphase eingehalten sein, bis der Oxidationskatalysator 1 seine für einen effektiven Betrieb erforderliche Temperatur von 250 °C erreicht hat. Der Oxidationskatalysator 1 hat ein Innenvolumen von 0,69 l und die aktive Oberfläche in seinem Inneren war mit Platin und Palladium als katalytisch wirkende Komponenten belegt. Dabei war ein Verhältnis von 2 zu1 für Platin zu Palladium eingehalten.This condition should be maintained at least in the cold start phase until the oxidation catalyst 1 has reached its required for effective operation temperature of 250 ° C. The oxidation catalyst 1 has an internal volume of 0.69 l and the active surface in its interior was occupied with platinum and palladium as catalytic components. There was a ratio of 2 zu1 for platinum to palladium complied.

Das aus dem Oxidationskatalysator 1 austretende Abgas gelangt über die Abgasleitung 5 in die Turbine 4.1 des Niederdruckabgasturboladers 4 eintritt und diese beschleunigen kann. In Strömungsrichtung des Abgases schließt sich bei diesem Beispiel ein Dieselpartikelfilter 13 an. Von der Turbine 4.1 wird der Verdichter 4.2 des Niederdruckabgasturboladers 4 über eine Welle angetrieben. Mit dem Verdichter 4.2 wird über eine Leitung 14 Ansaugluft aus der Umgebung und bevorzugt einem Luftfilter (nicht dargestellt) angesaugt und vorverdichtet. Die so vorverdichtete Ansaugluft kann dann über die Leitung 16 direkt dem Verdichter 8.2 des Hochdruckabgasturboladers 8 und/oder über die Bypassleitung 10 dem Ansaugtrakt 11 zugeführt werden. Der jeweilige Volumenstrom wird mittels des Ventils 15 geregelt.That from the oxidation catalyst 1 exiting exhaust gas passes through the exhaust pipe 5 in the turbine 4.1 the low-pressure exhaust gas turbocharger 4 and accelerate. In the flow direction of the exhaust gas, a diesel particulate filter closes in this example 13 at. From the turbine 4.1 becomes the compressor 4.2 the low-pressure exhaust gas turbocharger 4 driven by a shaft. With the compressor 4.2 is over a line 14 Inlet air from the environment and preferably an air filter (not shown) sucked and pre-compressed. The thus pre-compressed intake air can then via the line 16 directly to the compressor 8.2 the high-pressure exhaust gas turbocharger 8th and / or via the bypass line 10 the intake tract 11 be supplied. The respective volume flow is by means of the valve 15 regulated.

Bei diesem Beispiel ist an den Abgaskrümmer 3 auch eine Abgasrückführung 12 vorhanden. Der Anteil an in die Brennkraftmaschine rückgeführtem Abgas kann mit dem Ventil 17 geregelt werden.In this example is to the exhaust manifold 3 also an exhaust gas recirculation 12 available. The proportion of recirculated into the internal combustion engine exhaust gas can with the valve 17 be managed.

Bei diesem Beispiel verfügt der Niederdruckabgasturbolader 4 über verstellbare Schaufeln, so dass mit der Einstellbarkeit des Schaufelwinkels Einfluss auf die Vorverdichtung der Ansaugluft genommen werden kann.In this example, the low pressure turbocharger has 4 via adjustable blades, so that with the adjustability of the blade angle influence on the pre-compression of the intake air can be taken.

In nicht dargestellter Form kann das aus der Turbine 8.1 des Hochdruckabgasturboladers 8 austretende Abgas vollständig in den Oxidationskatalysator 1 geführt werden. Es besteht dabei aber auch die Möglichkeit zumindest einen Teil dieses Abgases in die Abgasrückführung 12 einzuspeisen.In unillustrated form, this may be from the turbine 8.1 the high-pressure exhaust gas turbocharger 8th escaping exhaust gas completely into the oxidation catalyst 1 be guided. But there is also the possibility at least a part of this exhaust gas in the exhaust gas recirculation 12 feed.

In ebenfalls nicht dargestellter Form kann eine Einspritzeinrichtung für einen katalytisch wirkenden Stoff, der bei einer selektiven katalytischen Reduktion (SCR) eingesetzt wird, vorgesehen werden. Diese Einspritzung kann vor oder nach dem Oxidationskatalysator 1 erfolgen. Die eigentliche selektive katalytische Reduktion kann im Anschluss an die Turbine 4.1 des Niederdruckabgasturboladers 4 erfolgen.In a likewise unillustrated form, a catalytically active substance injector used in a selective catalytic reduction (SCR) can be provided. This injection may be before or after the oxidation catalyst 1 respectively. The actual selective catalytic reduction may be following the turbine 4.1 the low-pressure exhaust gas turbocharger 4 respectively.

Zur Sicherung der Vergleichbarkeit zwischen einem herkömmlichen Aufbau und einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind bei den nachfolgenden vergleichenden Betrachtungen alle anderen Komponenten in gleicher Form beibehalten worden. Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine zeichnet sich durch geringen Bauraumbedarf und hohe Kompaktheit aus.To ensure the comparability between a conventional structure and an internal combustion engine according to the invention, all other components have been retained in the same form in the following comparative considerations. The internal combustion engine according to the invention is characterized by low space requirement and high compactness.

Um ein möglichst schnelles Aufheizen des Oxidationskatalysators zu erreichen, ist es vorteilhaft, zwischen verschiedenen Betriebsarten der zweistufigen Aufladung zu unterscheiden. So soll in der Aufheizphase des Oxidationskatalysators 1 die Aktivierung der Hochdruckabgasturboladerstufe 8 prinzipiell unterbunden werden. Das regelbare Ventil 9, das als Klappenventil, und besonders bevorzugt als ein 2/3-Wegeventil ausgebildet sein kann, bleibt in dieser Phase voll geöffnet, um möglichst wenig Strömungsverluste zu erzeugen. Das warme Abgas wird somit auf kurzem Weg direkt zum Oxidationskatalysator 1 geführt. Hat die mittlere Temperatur des Oxidationskatalysators 1 die Aktivierungstemperatur überschritten, kann die Hochdruckstufe „freigegeben“, also der Hochdruckabgasturbolader 8 werden, wenn dies betriebsbedingt erforderlich ist.In order to achieve the fastest possible heating of the oxidation catalyst, it is advantageous to distinguish between different modes of the two-stage charging. So should in the heating phase of the oxidation catalyst 1 the activation of the high pressure exhaust gas turbocharger stage 8th be prevented in principle. The controllable valve 9 as a flap valve, and particularly preferred as a 2 / 3-way valve can be fully open in this phase to generate as little flow losses. The warm exhaust gas thus becomes a direct route to the oxidation catalyst 1 guided. Has the mean temperature of the oxidation catalyst 1 exceeded the activation temperature, the high-pressure stage "released", so the high-pressure exhaust gas turbocharger 8th if necessary for operational reasons.

Ab diesem Zeitpunkt kann das regelbare Ventil 9 bzw. die Abgasklappe leicht geöffnet bzw. angestellt werden, um die Schließzeit im Fall einer spontanen Lastanforderung zu minimieren und am Hochdruckabgasturbolader 8 ein höheres Drehzahlniveau vorzuhalten. Diese Strategie hat sich im Versuch als vorteilhaft erwiesen.From this point on, the controllable valve 9 or the exhaust flap can be easily opened or turned on to minimize the closing time in the event of a spontaneous load request and on the high-pressure exhaust gas turbocharger 8th to maintain a higher speed level. This strategy has proved to be advantageous in the experiment.

Da der NEFZ-Fahrzyklus als zulassungsrelevanter Prüfzyklus gilt, werden die nachstehend genannten Ergebnisse vorrangig diesen Prüfzyklus betreffen. In Diagramm (2) sind die wichtigsten Messergebnisse im Vergleich zwischen einer herkömmlichen Ausführung mit einem vor einem Turbolader angeordneten Oxidationskatalysator und der erfindungsgemäßen Ausführung mit zweistufiger Aufladung dargestellt.As the NEDC driving cycle is considered to be an approval-relevant test cycle, the results given below will primarily concern this test cycle. In diagram ( 2 ) shows the most important measurement results in comparison between a conventional design with a turbocharger disposed oxidation catalyst and the embodiment according to the invention with two-stage charging.

Die in den 2 bis 4 gezeigten Messwertverläufe geben die Werte für eine unveränderte Basisvariante der Brennkraftmaschine - a, eine Variante mit vor einem Abgasturbolader angeordneten Oxidationskatalysator mit einstufiger Aufladung - b und für eine erfindungsgemäß ausgebildete Variante - c an.The in the 2 to 4 The measured value profiles shown indicate the values for an unchanged base variant of the internal combustion engine -a, a variant with an oxidation catalytic converter arranged in front of an exhaust-gas turbocharger with single-stage charging-b and for a variant -c designed according to the invention.

Das Light-Off-Verhalten der erfindungsgemäßen zweistufigen Aufladung mit integriertem Oxidationskatalysator list dem der herkömmlichen Ausführung deutlich überlegen. Bereits nach ca. 60 s können über 90 % der CO- und über 75 % der HC-Rohemission konvertiert werden. Für vergleichbare Konvertierungsraten benötigt die herkömmliche Version nahezu das 10-fache an Zeit. Dieser entscheidende Zeitgewinn wird eindeutig durch die Anordnung des Oxidationskatalysators 1 vor der Turbine 4.1 eines Niederdruckabgasturboladers 4 und dadurch erreicht, dass das Abgas zumindest in der Kaltstartphase durch keine Turbine eines Turboladers geführt werden muss und den Oxidationskatalysator 1 unmittelbar nach dem Austritt aus einem Abgaskrümmer 3 erreicht.The light-off behavior of the inventive two-stage supercharger with integrated oxidation catalyst list clearly superior to the conventional design. After approx. 60 s, more than 90% of the CO and over 75% of the HC raw emissions can be converted. For comparable conversion rates, the conventional version takes nearly 10 times more time. This crucial time gain is clearly due to the arrangement of the oxidation catalyst 1 in front of the turbine 4.1 a low pressure exhaust gas turbocharger 4 and thereby achieved that the exhaust gas, at least in the cold start phase by no turbine of a turbocharger must be performed and the oxidation catalyst 1 reached immediately after exiting an exhaust manifold 3.

Prinzipiell bekannt ist, dass sich jede Vergrößerung der Oberfläche oder des Volumens vor einer Turbine nachteilig auf die transiente Performance eines Motors im unteren Drehzahlbereich auswirkt. Vorrangiges Ziel der zweistufigen Aufladung mit integriertem Oxidationskatalysator 1 ist es bei der Erfindung folglich, diesen Nachteil zu minimieren, aufzuheben oder bestenfalls in einen Vorteil umzukehren.It is known in principle that any enlargement of the surface or of the volume in front of a turbine adversely affects the transient performance of an engine in the lower speed range. Primary objective of the two-stage turbocharger with integrated oxidation catalyst 1 Accordingly, it is in the invention to minimize, eliminate or at best reverse this disadvantage.

Als Untersuchungsfall wurde bei einem konkreten Beispiel, auf das nachfolgend noch eingegangen werden soll, eine Lastaufschaltung bei einer Motordrehzahl von 1250 min^-1 und einem effektivem Mitteldruck von 2 bar ohne Modellregelung gewählt. Die Regelung des Abgasstromes wurde zunächst nicht aktiviert, um das reine Potential der zweistufigen Abgasturboaufladung aufzuzeigen. Die Lastaufschaltung in diesem Betriebspunkt ist insofern interessant, da diese Brennkraftmaschine aufgrund der geringen Drehzahl nur wenig Masse durchsetzt. Im Test wurde die zweistufige Aufladung mit und ohne Oxidationskatalysator 1 im Vergleich zur herkömmlichen Brennkraftmaschine bewertet. Die Ergebnisse sind in 3 dargestellt.As an investigation case, a load application at an engine speed of 1250 min ^-1 and an effective mean pressure of 2 bar without model control selected. The control of the exhaust gas flow was initially not activated to show the pure potential of the two-stage turbocharger. The load connection in this operating point is interesting insofar as this internal combustion engine passes through only little mass due to the low speed. In the test, the two-stage charging was evaluated with and without oxidation catalyst 1 compared to the conventional internal combustion engine. The results are in 3 shown.

Wie zu erkennen ist, wurde mit Lastanforderung das regelbare Ventil 9 (Abgasregelklappe), das zwischen Abgaskrümmer 3 und Oxidationskatalysator langeordnet ist, vollständig geschlossen und für die VTG-Stellung, der Turbine 4.1 des Niederdruckabgasturboladers 4 eine optimale mittlere Position gewählt. Diese Erkenntnisse zur bestmöglichen VTG-Ansteuerung wurden in den Voruntersuchungen der herkömmlichen Konfiguration gewonnen. Hier zeigte sich, dass ein zu starkes Schließen der VTG-Schaufeln, der Turbine 4.1 des Niederdruckabgasturboladers 4, zwar das Aufstauverhalten der Turbine 4.1 erhöht, jedoch aufgrund des schlechten Wirkungsgrades der VTG-Turbine 4.1nicht zum schnelleren Hochlauf des Turboladerlaufzeugs beiträgt. Eine Ladungswechselanalyse zeigte zudem, dass sich durch das Öffnen der VTG die Ladungswechselverluste deutlich reduzieren ließen. Im Ergebnis der hier durchgeführten Lastaufschaltung ist zu erkennen, dass bereits nach 2 s der maximale effektive Mitteldruck der Basisbrennkraftmaschine überschritten wird. Dies liegt vor allem am schnellen Hochlauf der Turbine 8.1 des Hochdruckabgasturboladers 8, die bereits nach 2 s ausreichend Ladedruck bereitstellen kann. Bei der Interpretation der Ergebnisse ist zu beachten, dass die Einspritzmasse steuergeräteseitig begrenzt ist, sodass ab ca. 2 s eine weitere Anhebung des effektiven Mitteldruckes in diesem Versuch nicht möglich war. Der relativ hohe Wert für das Luftverhältnis (Basis 1,1 / zweistufig 1,3) zeigt, das hier noch erhebliches Potential für eine Anhebung des effektiven Mitteldrucks besteht. Deutlich wird auch, dass zwischen der zweistufigen Aufladung mit und ohne Oxidationskatalysator 1 in Bezug zur Basisbrennkraftmaschine kaum Unterschiede erkennbar sind.As can be seen, became with load request the controllable valve 9 (Exhaust control flap), between the exhaust manifold 3 and oxidation catalyst is long, completely closed and for the VTG position, the turbine 4.1 the low-pressure exhaust gas turbocharger 4 chosen an optimal middle position. These insights into the best possible VTG control were gained in the preliminary investigations of the conventional configuration. Here it turned out that too close the VTG blades, the turbine 4.1 the low-pressure exhaust gas turbocharger 4 , although the Aufstauverhalten the turbine 4.1 increased, but due to the poor efficiency of the VTG turbine 4.1 does not contribute to the faster startup of the turbocharger blade. A charge cycle analysis also showed that opening the VTG significantly reduced the charge cycle losses. As a result of the load connection performed here, it can be seen that the maximum effective mean pressure of the basic engine is exceeded after only 2 s. This is mainly due to the rapid startup of the turbine 8.1 the high-pressure exhaust gas turbocharger 8th , which can provide sufficient boost pressure after just 2 seconds. When interpreting the results, it should be noted that the injection quantity is limited on the ECU side, so that a further increase of the effective mean pressure in this test was not possible for approx. 2 s. The relatively high value for the air ratio (base 1.1 / two-stage 1.3) shows that there is still considerable potential here for increasing the mean effective pressure. It is also clear that between the two-stage charging with and without oxidation catalyst 1 There are hardly any differences in relation to the basic engine.

Nachdem das Potenzial der zweistufigen Abgasturboaufladung eindrucksvoll aufgezeigt werden konnte, wurde eine angepasste Steuerung zu dieser zweistufigen Aufladung entwickelt. Neben einer Erkennung eines „Boost-Bedarfs“, der das regelbare Ventil 9 (Abgasklappe), die zwischen der Turbine 8.1 des Hochdruckabgasturboladers 8 und des Oxidationskatalysators 1 angeordnet ist, schließt und die Hochdruckturboladerstufe aktiviert, wurde auch eine VTG-Stellungsüberwachung der Schaufeln des Niederdruckabgasturboladers 4, die aus Modelldaten eine aktuelle Leistungsoptimale VTG-Stellung berechnet, in die Steuerung implementiert. In 4 sind die Ergebnisse für eine Lastaufschaltung bei einer Motordrehzahl von 1500 min-1 dargestellt. Zum Vergleich sind die Daten der Basisbrennkraftmaschine und Ergebnisse eines Versuchs mit einer einstufigen Turboaufladung und vorab angeordneten Oxidationskatalysator (PTC) angegeben.After impressively demonstrating the potential of the two-stage turbo turbocharger, an adapted controller for this two-stage turbocharger was developed. In addition to a detection of a "Boost demand", the controllable valve 9 (Exhaust flap) between the turbine 8.1 the high-pressure exhaust gas turbocharger 8th and the oxidation catalyst 1 is arranged, closes and the high-pressure turbocharger stage is activated, was also a VTG position monitoring of the blades of the low-pressure exhaust gas turbocharger 4 that calculates a current optimal power VTG position from model data into the controller. In 4 are the results for a load application at an engine speed of 1500 min. 1 shown. For comparison, the data of the base engine and results of a trial with a single-stage turbocharging and pre-arranged oxidation catalyst (PTC) are given.

Durch die Verlagerung des Oxidationskatalysators vor eine Turbine 4.1 eines Niederdruckabgasturboladers 4 bei einer zweistufigen Aufladung konnten deutlich verbesserte Konvertierungsraten erreicht werden. Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit zweistufiger Abgasturboaufladung mit integriertem Oxidationskatalysator 1 können die Emissionsvorteile des nah an der Brennkraftmaschine angeordneten Oxidationskatalysators 1 vor der Turbine 8.1 eines Turboladers 8 mit den Vorteilen der zweistufigen Aufladung im transienten Motorbetrieb verbessert ausgenutzt werden. Es konnte gezeigt werden, dass die Aktivierungstemperatur für die Oxidation der HC- bzw. CO-Emissionen schon nach 60 s im NEFZ-Fahrzyklus erreicht werden kann. Der Wert für die Ausgangsbasisbrennkraftmaschine lag beim 6-10-Fachen, der mit der Erfindung erreichten Zeit bis zum Erreichen der für den effektiven Betrieb des Oxidationskatalysators 1 erforderlichen Temperatur. Im NEFZ-Fahrzyklus konnte eine Absenkung die CO-Emissionen um 36 % und die der HC-Emission um 19 % nachgewiesen werden. In den Versuchen konnte gezeigt werden, dass es durch den Einsatz des Hochdruckabgasturboladers 8 in Verbindung mit dem erfindungsgemäß angeordneten Oxidationskatalysator 1 das Response-Verhalten bei gleichzeitiger Anhebung des effektiven Mitteldrucks bei niedriger Motordrehzahl verbessert werden kann.By shifting the oxidation catalyst in front of a turbine 4.1 a low pressure exhaust gas turbocharger 4 in a two-stage charging significantly improved conversion rates could be achieved. In the internal combustion engine according to the invention with two-stage exhaust gas turbocharger with integrated oxidation catalyst 1 can the emission advantages of the arranged close to the engine oxidation catalyst 1 in front of the turbine 8.1 a turbocharger 8th to be exploited with the advantages of two-stage turbocharging in transient engine operation. It could be shown that the activation temperature for the oxidation of the HC or CO emissions can already be reached after 60 s in the NEDC driving cycle. The value for the home base engine was at 6 - 10 -Fachen, the time achieved with the invention until reaching the effective operation of the oxidation catalyst 1 required temperature. In the NEDC driving cycle, a reduction of CO emissions by 36% and HC emissions by 19% were detected. In the experiments it could be shown that it is through the use of the high-pressure exhaust gas turbocharger 8th in connection with the oxidation catalyst arranged according to the invention 1 the response behavior can be improved while increasing the effective mean pressure at low engine speed.

Die Zeit bis zum Erreichen des Volllastmitteldrucks der Basisbrennkraftmaschine konnte mit der zweistufigen Variante in etwa halbiert werden. Vorteile können sich auch durch die zusätzliche Integration eines SCR-Systems ergeben. Dabei kann die Zugabe von Ammoniak, Harnstoff oder eines anderen für die Reduktion von Stickoxiden geeigneten Reduktionsmittels vor der Turbine 4.1 des Niederdruckabgasturboladers 4 erfolgen.The time to reach the full load medium pressure of the base engine could be approximately halved with the two-stage variant. Advantages can also result from the additional integration of an SCR system. In this case, the addition of ammonia, urea or another suitable for the reduction of nitrogen oxides reducing agent before the turbine 4.1 the low-pressure exhaust gas turbocharger 4 respectively.

Zusätzlich zu den bisher genannten Maßnahmen bietet sich auch der Einsatz einer Niederdruckabgasrückführung 18 an.In addition to the measures mentioned above, the use of a low-pressure exhaust gas recirculation 18 is also suitable.

Claims

Internal combustion engine with two-stage exhaust gas turbocharging and oxidation catalyst in which an exhaust pipe (2) is led to an oxidation catalyst (1) following an exhaust manifold (3) and exhaust gas leaving the oxidation catalyst (1) to the turbine (4.1) of a low-pressure exhaust gas turbocharger (4 ) is guided via a further exhaust pipe (5), wherein with the compressor (4.2) of the low pressure exhaust gas turbocharger (4) intake air is compressed in the intake pipe (6) of the internal combustion engine, wherein to the exhaust pipe (2) between the exhaust manifold (3) and the single oxidation catalyst (1) a further exhaust pipe (7) which is guided to the turbine (8.1) of a high-pressure exhaust gas turbocharger (8) is present, and between the exhaust pipe (2) which between the exhaust manifold (3) and the oxidation catalyst (1) and the exhaust pipe (7), which is guided to the turbine (8.1) of the Hochdruckabgasturboladers (8) is arranged, a controllable valve (9) is arranged, with a e control of the exhaust gas flow rate, each by the exhaust pipe (2) and the exhaust pipe (7) can be guided, is characterized in that the free inner cross section of the exhaust pipe (7) from the exhaust manifold (3) to the turbine (8.1) of the Hochdruckabgasturboladers (8), is smaller than the free cross-section of the exhaust pipe (2) leading from the exhaust manifold (3) to the oxidation catalyst (1) and the exhaust pipe (7) which is guided to the turbine (8.1) of the high pressure exhaust gas turbocharger (8), is closable when the oxidation catalyst (1) has not reached the required temperature for his function or not.

Internal combustion engine after Claim 1 , characterized in that the controllable valve (9) is designed as a flap valve.

Internal combustion engine after Claim 1 or 2 , characterized in that the controllable valve (9) in dependence of the engine map and / or the temperature of the oxidation catalyst (1) is controllable.

Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that with the compressor (4.2) of the Niederdruckabgasturboladers (4) compressed intake air to the compressor (8.2) of the Hochdruckabgasturboladers (8) and / or via a bypass line (10) the intake tract (11) of the Internal combustion engine can be fed.

Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that from the turbine (8.1) of the Hochdruckggasturboladers (8) exiting exhaust gas to the oxidation catalyst (1) and / or an exhaust gas recirculation (12) can be fed into the internal combustion engine.

Method for operating an internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the controllable valve (9), the exhaust line (7) leading from the exhaust manifold (3) to the turbine (8.1) of the Hochdruckabgasturboladers (8), at least then completely blocks, if the oxidation catalyst (1) does not reach the temperature required for its operation and all of the exhaust gas flows via line (2) into the oxidation catalytic converter (1) and the controllable valve (9) is at least partially opened, if necessary for the operation of the Oxidation catalyst (1) required operating temperature is reached.

Method according to Claim 6 characterized in that the controllable valve (9) partially or completely opens the exhaust pipe (7) leading from the exhaust manifold to the turbine of the (8.1) high pressure exhaust gas turbocharger (8) when the temperature required for the operation of the oxidation catalyst (1) reaches is and by the internal combustion engine, an increased power is required and the exhaust pipe (7) leading from the exhaust manifold to the turbine of the (8.1) Hochdruckabgasturboladers (8) is closed when the oxidation catalyst (1) has not reached the required temperature for its function or not.