DE102012200012A1

DE102012200012A1 - Aufgeladene Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102012200012A1
Application number: DE102012200012A
Authority: DE
Inventors: Albert Breuer; Bert Pingen; Helmut Ruhland; Norbert Schorn
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2012-01-02
Filing date: 2012-01-02
Publication date: 2013-07-04

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (1) mit mindestens einem eine Turbine (5a) umfassenden Abgasturbolader (5) und mindestens einem Zylinder (2), der mindestens eine Auslaßöffnung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem (3) aufweist, bei der – sich an jede Auslaßöffnung eine Abgasleitung anschließt, – die Turbine (5a) des mindestens einen Abgasturboladers (5) im Abgasabführsystem (3) angeordnet ist, – eine Abblaseleitung (6) zur Umgehung der Turbine (5a) vorgesehen ist, die unter Ausbildung einer Gabelung (9) stromaufwärts der Turbine (5a) aus dem Abgasabführsystem (3) abzweigt, und – ein Katalysator (7) im Abgasabführsystem (3) stromaufwärts der Turbine (5a) vorgesehen ist. Es soll eine Brennkraftmaschine (1) bereitgestellt werden, bei der eine Überhitzung des Katalysators (7) vermieden wird. Erreicht wird dies durch eine Brennkraftmaschine (1) der oben genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Bypaßleitung (8) vorgesehen ist, die stromaufwärts des Katalysators (7) von dem Abgasabführsystem (3) abzweigt und stromabwärts des Katalysators (7) und stromaufwärts der Gabelung (9) wieder in das Abgasabführsystem (3) einmündet und in der ein erstes Absperrelement (8a) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem eine Turbine umfassenden Abgasturbolader und mindestens einem Zylinder, der mindestens eine Auslaßöffnung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem aufweist, bei der

– sich an jede Auslaßöffnung eine Abgasleitung anschließt,
– die Turbine des mindestens einen Abgasturboladers im Abgasabführsystem angeordnet ist,
– eine Abblaseleitung zur Umgehung der Turbine vorgesehen ist, die unter Ausbildung einer Gabelung stromaufwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem abzweigt, und
– ein Katalysator im Abgasabführsystem stromaufwärts der Turbine vorgesehen ist.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfaßt der Begriff Brennkraftmaschine sowohl Ottomotoren als auch Dieselmotoren.
Die Aufladung von Brennkraftmaschinen gewinnt zunehmend an Bedeutung, wobei für die Aufladung häufig ein Abgasturbolader eingesetzt wird, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind. Der heiße Abgasstrom wird der Turbine zugeführt und entspannt sich unter Energieabgabe in dieser Turbine, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird.
Die Vorteile des Abgasturboladers beispielsweise im Vergleich zu herkömmlichen mechanischen Ladern bestehen darin, dass keine mechanische Verbindung zwischen Lader und Brennkraftmaschine besteht bzw. erforderlich ist.
Die Aufladung dient in erster Linie der Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine. Die für den Verbrennungsprozeß benötigte Luft wird verdichtet, so dass jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und folglich der Mitteldruck p_me gesteigert werden.
Zwar kann die Leistung einer Brennkraftmaschine grundsätzlich auch durch Erhöhung der Drehzahl n gesteigert werden. Es muß aber berücksichtigt werden, dass die mechanische Belastung der Brennkraftmaschine zwar proportional zum effektiven Mitteldruck p_me ist, welcher durch die Aufladung gesteigert werden kann, aber proportional zum Quadrat der Drehzahl n zunimmt, so dass es oberhalb einer bestimmten Drehzahl hinsichtlich der Materialausnutzung sinnvoller ist, die Leistung mittels Aufladung, d. h. über die Steigerung des Mitteldruckes p_me anzuheben.
Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. Bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen läßt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Letzteres wird auch als Downsizing bezeichnet.
Die Aufladung einer Brennkraftmaschine unterstützt folglich die Bemühungen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.
Ein weiteres grundsätzliches Ziel ist es, die Schadstoffemissionen zu reduzieren. Bei der Lösung dieser Aufgabe kann die Aufladung ebenfalls zielführend sein. Bei gezielter Auslegung der Aufladung können nämlich Vorteile im Wirkungsgrad und bei den Abgasemissionen erzielt werden.
Schwierigkeiten bereitet insbesondere die Auslegung der Abgasturboaufladung, wobei grundsätzlich eine spürbare Leistungssteigerung in allen Drehzahlbereichen angestrebt wird. Nach dem Stand der Technik wird aber ein starker Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet. Dieser Effekt ist unerwünscht, da der Fahrer im Vergleich mit einem nicht aufgeladenen Motor gleicher Maximalleistung auch im unteren Drehzahlbereich ein entsprechend großes Drehmoment erwartet. Das sogenannte Turboloch bei niedrigen Drehzahlen zählt daher auch zu den gravierendsten Nachteilen der Abgasturboaufladung.
Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird beispielsweise bei einem Dieselmotor die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis. Dies hat zur Folge, dass zu niedrigeren Drehzahlen hin das Ladedruckverhältnis ebenfalls abnimmt, was gleichbedeutend ist mit einem Drehmomentabfall. Ähnliches gilt auch für den Ottomotor, bei dem die Abgasmenge nicht nur von der Motordrehzahl, sondern aufgrund der Quantitätsregelung auch von der Last, d. h. der Drosselklappenstellung, abhängt. Aber auch bei vollständig geöffneter Drosselklappe ist das Drehmomentangebot bei niedrigen Drehzahlen, beispielsweise beim Anfahren, aufgrund der geringen Abgasmenge bzw. der niedrigen Abgasenthalpie nicht zufriedenstellend.
Grundsätzlich kann dem Abfall des Ladedruckes durch eine Verkleinerung des Querschnitts der Turbine und der damit einhergehenden Steigerung des Turbinendruckverhältnisses entgegengewirkt werden. Abgasturbolader mit einer variablen Turbinengeometrie werden bei Dieselmotoren eingesetzt, sind aber wegen ihrer Komplexität sehr kostenintensiv und bei Ottomotoren aufgrund der prinzipbedingt höheren Abgastemperaturen kritisch zu betrachten.
In der Praxis führen die beschriebenen Zusammenhänge häufig dazu, dass ein kleiner Abgasturbolader, d. h. ein Abgasturbolader mit einem kleinen Turbinenquerschnitt eingesetzt wird, um auch bei kleinen Abgasströmen einen ausreichenden Ladedruck generieren zu können. Letztendlich wird damit dem Drehmomentabfall nur in geringem Maße entgegengewirkt und der Drehmomentabfall zu geringeren Drehzahlen hin verschoben. Zudem sind dieser Vorgehensweise, d. h. der Verkleinerung des Turbinenquerschnittes Grenzen gesetzt, da die gewünschte Aufladung und Leistungssteigerung auch bei hohen Drehzahlen uneingeschränkt und in dem gewünschten Maße möglich sein soll.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine wird nach dem Stand der Technik durch unterschiedliche Maßnahmen zu verbessern versucht.
Beispielsweise durch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnittes und gleichzeitiger Abgasabblasung, wobei die Abgasabblasung mittels Ladedruck oder mittels Abgasdruck gesteuert werden kann.
Der Abgasturbolader kann aber auch auf hohe Drehzahlen abgestimmt mit einem großen Turbinenquerschnitt ausgelegt werden. Dabei wird das Saugsystem dann in der Weise gestaltet, dass durch Wellenvorgänge bei niedrigen Drehzahlen eine dynamische Aufladung erfolgt. Nachteilig sind dabei der hohe Bauaufwand und das träge Verhalten bei Drehzahländerungen.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann des Weiteren durch eine Registeraufladung verbessert werden. Dabei werden mehrere parallel angeordnete Turbolader mit entsprechend kleinen Turbinenquerschnitten mit steigender Last zugeschaltet.
Bei Verwendung mehrerer Abgasturbolader können die Turbinen bzw. die Abgasturbolader auch in Reihe geschaltet werden. Durch das in Reihe Schalten von zwei Abgasturboladern, von denen ein Abgasturbolader als Hochdruckstufe und ein Abgasturbolader als Niederdruckstufe dient, kann das Verdichterkennfeld in vorteilhafter Weise aufgeweitet werden und zwar sowohl hin zu kleineren Verdichterströmen als auch hin zu größeren Verdichterströmen.
Insbesondere ist bei dem als Hochdruckstufe dienenden Abgasturbolader ein Verschieben der Pumpgrenze hin zu kleineren Verdichterströmen möglich, wodurch auch bei kleinen Verdichterströmen hohe Ladedruckverhältnisse erzielt werden können, was im unteren Teillastbereich die Drehmomentcharakteristik deutlich verbessert. Erreicht wird dies durch eine Auslegung der Hochdruckturbine auf kleine Abgasmassenströme und Vorsehen einer Bypaßleitung, mit der bei zunehmendem Abgasmassenstrom zunehmend Abgas an der Hochdruckturbine vorbeigeführt wird. Die Bypaßleitung zweigt hierzu stromaufwärts der Hochdruckturbine vom Abgasabführsystem ab und mündet stromabwärts der Turbine wieder in das Abgasabführsystem ein. In der Bypaßleitung ist ein Absperrelement angeordnet, um den an der Hochdruckturbine vorbeigeführten Abgasstrom zu steuern.
Des Weiteren ist das Ansprechverhalten einer derartig aufgeladenen Brennkraftmaschine – insbesondere im Teillastbereich – deutlich verbessert gegenüber einer vergleichbaren Brennkraftmaschine mit einstufiger Aufladung. Der Grund hierfür ist darin zu finden, dass die kleinere Hochdruckstufe weniger träge ist als ein im Rahmen einer einstufigen Aufladung verwendeter größerer Abgasturbolader, weil sich das Laufzeug eines kleiner dimensionierten Abgasturboladers schneller beschleunigen und verzögern läßt.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann auch dadurch verbessert werden, dass der mindestens eine Abgasturbolader durch einen mechanischen Lader, d. h. einen Kompressor, ergänzt wird. Derartige Konzepte sind aber kostenintensiv. Zudem erhöht der mechanische Lader bzw. der für den Lader notwendigerweise vorzusehende Antrieb, beispielsweise mittels Zugmitteltrieb, die Reibleistung und damit den Kraftstoffverbrauch im gesamten Kennfeld der Brennkraftmaschine und dies auch bei Vorsehen einer Kupplung zur mechanischen Deaktivierung dieses Antriebs.
Neben einer konzeptionellen Verbesserung der Abgasturboaufladung, wie vorstehend beschrieben, finden sich im Stand der Technik auch Verfahren zum Betreiben einer mittels Abgasturbolader aufgeladenen Brennkraftmaschine, mit denen das Drehmoment erhöht, insbesondere die Drehmomentschwäche bei niedrigen Drehzahlen überwunden werden soll.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 199 44 190 A1 beschreibt ein Verfahren zur Verbesserung der Drehmomentschwäche. Der DE 199 44 190 A1 liegt dabei die Aufgabe zugrunde, das Ansprechverhalten der Brennkraftmaschine im unteren Drehzahlbereich zu verbessern, insbesondere der beim Anfahren beobachteten Drehmomentschwäche entgegenzuwirken, die bei niedrigen Drehzahlen durch den zu geringen Abgasmassenstrom bzw. die zu geringe Abgasenergie hervorgerufen wird.
Erreicht werden soll dies mit der Nacheinspritzung von zusätzlichem Kraftstoff in einen oder mehrere Zylinder der Brennkraftmaschine, durch dessen Verbrennung die Enthalpie des durch die Turbine des Abgasturboladers hindurchzuführenden Abgasstromes unmittelbar vor und während des Anfahrvorganges sprungartig erhöht wird, so dass das Ansprechverhalten der Brennkraftmaschine durch den auf diese Weise gesteigerten Ladedruck verbessert wird.
Um die Luft für die Verbrennung des nacheingespritzten Kraftstoffes bereitzustellen, wird die Brennkraftmaschine nicht stöchiometrisch, sondern mager, d. h. mit einem Luftüberschuß betrieben. Die überschüssige Luftmenge dient der Oxidation des nacheingespritzten Kraftstoffes, wobei das aus Luftüberschuß und nacheingespritztem Kraftstoff gebildete Gemisch infolge der in demselben Zylinder noch ablaufenden Hauptverbrennung bzw. der hohen Temperaturen der bereits gebildeten Verbrennungsgase entzündet wird.
Vorteilhaft an dem beschriebenen Verfahren ist, dass keine zusätzlichen Bauteile zur Durchführung des Verfahrens erforderlich sind und die Drehmomentcharakteristik alleine durch eine gezielte und bedarfsgerechte Steuerung der Nacheinspritzung von zusätzlichem Kraftstoff verbessert wird. Die Realisierung dieses Verfahrens ist deshalb mit wenig Aufwand möglich und eignet sich daher insbesondere zur Nachrüstung bereits auf dem Markt befindlicher Brennkraftmaschinen.
Der zwingend erforderliche Magerbetrieb schränkt aber die Wahl der Betriebsparameter der Brennkraftmaschine ein und kann einem hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemissionen vorteilhaften Betrieb der Brennkraftmaschine entgegen stehen bzw. verhindern. Zudem nutzt das Verfahren Verbrennungsluft, die aus der ursprünglichen Zylinderfüllung stammt, d. h. Verbrennungsluft, die an der überstöchiometrisch ablaufenden Hauptverbrennung teilnimmt, erwärmt wird und den Verbrennungsgasen in kontraproduktiver Weise sogar Energie entzieht.
Insofern sind Verfahren vorteilhaft, bei denen die im Rahmen der mindestens einen Nacheinspritzung zugeführte Kraftstoffmenge mit zusätzlicher Verbrennungsluft verbrannt wird, die nicht aus der ursprünglichen Zylinderfüllung stammt, sondern separat zugeführt wird.
Ein derartiges Verfahren beschreibt die deutsche Offenlegungsschrift DE 102 17 238 A1 . Zum Zuführen zusätzlicher Verbrennungsluft wird gezielt eine Ventilüberschneidung mittels Nockenwellenverstellung generiert, bei der das mindestens eine Einlaßventil bereits geöffnet wird, obwohl das mindestens eine Auslaßventil noch nicht geschlossen wurde. Aufgrund des bei niedrigen Drehzahlen und hoher Last zwischen Einlaßseite und Auslaßseite vorliegenden Druckgefälles strömt während der herbeigeführten Ventilüberschneidung zusätzliche Luft in die Zylinder, gegebenenfalls bis in den Abgastrakt. Nachteilig an dem in der DE 102 17 238 A1 beschriebenen Verfahren ist, dass der nacheingespritzte Kraftstoff im Zylinder gezündet und damit zumindest teilweise im Zylinder verbrannt wird. Als Folge der Zündung im Zylinder, d. h. im Brennraum, muß ein Energieverlust bzw. ein Enthalpieverlust in Kauf genommen werden, welcher aus einem Wärmeübergang von den heißen Verbrennungsgasen auf die Brennraumwände resultiert, was der vorgegebenen Zielsetzung, nämlich der Drehmomentsteigerung durch Erhöhung der Abgasenthalpie, entgegensteht und somit kontraproduktiv ist.
Die Zündung des aus der zusätzlichen Luft und dem nacheingespritztem Kraftstoff gebildeten Gemisches mittels der in demselben Zylinder noch ablaufenden Hauptverbrennung bzw. die Zündung unter Ausnutzung der hohen Temperaturen der im Rahmen der Hauptverbrennung gebildeten Verbrennungsgase schränkt die Wahl des Einspritzzeitpunktes für die mindestens eine Nacheinspritzung erheblich ein. Die Nacheinspritzung muß während des Expansionshubes des Kolbens erfolgen, so dass eine Zündung infolge der Hauptverbrennung bzw. der hohen Temperaturen sichergestellt ist.
Aus den genannten Gründen werden Verfahren präferiert, bei denen der nacheingespritzte Kraftstoff im Abgastrakt gezündet und verbrannt wird. Dies gewährleistet die effektivste Erhöhung der Abgasenthalpie an der Stelle, wo Bedarf hierfür besteht, nämlich im Abgasabführsystem unmittelbar stromaufwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers. Die Zündung des im Abgasabführsystem bereitgestellten Kraftstoff-Luft-Gemisches kann auf unterschiedliche Art erfolgen, beispielsweise durch eine im Abgastrakt vorgesehene Zündkerze bzw. Glühkerze. Der nacheingespritzte Kraftstoffmenge kann auch mittels der Verbrennungsgase eines anderen Zylinders der Brennkraftmaschine im Abgastrakt gezündet werden oder durch Ausstattung des Abgastraktes mit katalytischen Materialien, die eine Selbstzündung einleiten.
Die vorliegende Erfindung geht von einem Verfahren aus, bei dem ein im Abgasabführsystem bereitgestelltes Kraftstoff-Luft-Gemisch mittels katalytischer Unterstützung, vorliegend in Gestalt eines Katalysators, stromaufwärts der Turbine gezündet und verbrannt wird, so dass die Abgasenthalpie des der Turbine zugeführten Abgases erhöht wird, wodurch sich das Drehmomentangebot im unteren Drehzahlbereich verbessern läßt. Dabei muß der Kraftstoff nicht zwingend mittels Nacheinspritzung bereitgestellt werden. Vielmehr wird erfindungsgemäß ganz allgemein von einem – wie auch immer bereitgestellten – zündfähigen und brennbaren Kraftstoff-Luft-Gemisch im Abgasabführsystem ausgegangen.
Die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches mittels Katalysator hat den Vorteil, dass der Katalysator aufgrund seiner motornahen Anordnung nach einem Kaltstart vergleichsweise schnell seine Anspringtemperatur erreicht und gegebenenfalls in einem frühen Stadium der Warmlaufphase unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid oxidiert, was die Emission dieser Schadstoffe deutlich absenkt.
Die motornahe Anordnung des Katalysators kann aber auch zu einer thermischen Überlastung führen, so dass der Katalysator überhitzt, und zwar selbst dann, wenn kein zusätzliches Kraftstoff-Luft-Gemisch im Abgasabführsystem verbrannt wird, aber die in den Katalysator eingebrachte Wärmemenge einen kritischen Wert übersteigt. Eine geminderte Konvertierung bzw. eine vollständige Funktionsuntüchtigkeit des Katalysators sind die Folge.
Um eine thermische Überlastung des Katalysators zu vermeiden, wird nach dem Stand der Technik häufig immer dann eine Anfettung (λ < 1) vorgenommen, wenn mit hohen Abgastemperaturen zu rechnen ist. Dabei wird mehr Kraftstoff eingespritzt als mit der bereitgestellten Luftmenge überhaupt verbrannt werden kann, wobei der überschüssige Kraftstoff ebenfalls erwärmt und verdampft wird, so dass die Temperatur der Verbrennungsgase sinkt.
Die Abgastemperaturen können grundsätzlich auch durch eine Abmagerung (λ > 1) des Kraftstoff-Luft-Gemisches verringert werden. Die Wirkungsweise ist ähnlich wie bei einer Anfettung.
Beide Vorgehensweisen sind unter energetischen Aspekten, insbesondere hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs der Brennkraftmaschine, und hinsichtlich der Schadstoffemissionen als nachteilig anzusehen.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, bei der eine Überhitzung des Oxidationskatalysators vermieden wird, so dass eine thermische Überlastung sicher verhindert wird.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem eine Turbine umfassenden Abgasturbolader und mindestens einem Zylinder, der mindestens eine Auslaßöffnung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem aufweist, bei der

– sich an jede Auslaßöffnung eine Abgasleitung anschließt,
– die Turbine des mindestens einen Abgasturboladers im Abgasabführsystem angeordnet ist,
– eine Abblaseleitung zur Umgehung der Turbine vorgesehen ist, die unter Ausbildung einer Gabelung stromaufwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem abzweigt, und
– ein Katalysator im Abgasabführsystem stromaufwärts der Turbine vorgesehen ist, und die dadurch gekennzeichnet ist, dass
– eine Bypaßleitung vorgesehen ist, die stromaufwärts des Katalysators von dem Abgasabführsystem abzweigt und stromabwärts des Katalysators und stromaufwärts der Gabelung wieder in das Abgasabführsystem einmündet und in der ein erstes Absperrelement angeordnet ist.

Der Katalysator der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist mit einer Bypaßleitung ausgestattet, in der ein Absperrelement angeordnet ist. Durch Öffnen des Absperrelementes kann das Abgas bei Umgehung des Katalysators via Bypaßleitung direkt in das stromabwärts gelegene Abgasabführsystem geleitet werden.
Eine Überhitzung des Katalysators kann erfindungsgemäß dadurch verhindert werden, dass die durch den Katalysator geführte Abgasmenge reduziert wird. Diese Maßnahme nutzt den Umstand, dass die in den Katalysator eingebrachte Wärmemenge maßgeblich von der Abgasmenge und der Temperatur des Abgases und damit vom momentanen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine abhängt. Zudem wird durch die Konvertierung der im Abgas enthaltenen unvollständig oxidierten Verbrennungsprodukte Wärme in den Katalysator eingebracht, wobei auch diese durch Oxidation freigesetzte Wärmemenge durch Reduzierung der durch den Katalysator geführten Abgasmenge abgesenkt werden kann bzw. wird.
Durch die erfindungsgemäße Ausstattung des Katalysators mit einer Bypaßleitung wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe gelöst, nämlich eine Brennkraftmaschine bereitgestellt, bei der eine Überhitzung des Katalysators, d. h. eine thermische Überlastung sicher verhindert wird.
Katalysatoren erhöhen unter Verwendung katalytischer Materialien die Geschwindigkeit bestimmter Reaktionen bzw. senken die Mindesttemperatur, bei der bestimmte Reaktionen einsetzen, beispielsweise die Oxidation von unverbrannten Kohlenwasserstoffen. Insofern wird vorliegend ein Katalysator verwendet, um eine Selbstentzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Abgasabführsystem zu initiieren, und zwar in der Weise, dass die Zündtemperatur, d. h. die erforderliche Mindesttemperatur zur Einleitung der Zündung katalytisch abgesenkt wird. Durchströmt das Kraftstoff-Luft-Gemisch den Katalysator wird die Selbstzündung initiiert, gegebenenfalls und vorzugsweise in mehreren Bereichen des Gemisches.
Ungeachtet der erfindungsgemäßen Vorgehensweise, den Katalysator via Bypaßleitung zu umgehen, kann eine Anfettung erfolgen bzw. durchgeführt werden, beispielsweise eine Anfettung zur Kühlung der den Brennraum eines Zylinders begrenzenden Wandungen, beispielsweise des Zylinderkopfes und/oder des Zylinderblocks.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen in der Abblaseleitung ein zweites Absperrelement angeordnet ist.
Mindestens eine Turbine im Abgasabführsystem der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist als Waste-Gate-Turbine ausgebildet, d. h. mit einer Leitung zur Abgasabblasung ausgestattet. Überschreitet der Abgasmassenstrom eine kritische Größe, wird ein Teil des Abgasstromes im Rahmen der sogenannten Abgasabblasung an der Turbine vorbei geführt. Das zweite Absperrelement dient der Einstellung und Steuerung der abgeblasenen Abgasmenge.
Wie bereits erwähnt, leiden sowohl Dieselmotoren als auch Ottomotoren trotz unterschiedlicher Arbeitsverfahren an einer Drehmomentschwäche bei niedrigen Drehzahlen. Insofern besteht bei beiden Motortypen Bedarf für ein Verfahren zur Erhöhung des Drehmomentes bei niedrigen Drehzahlen. Zielführend kann in beiden Fällen das Zünden und Verbrennen eines Kraftstoff-Luft-Gemisches im Abgasabführsystem unter Verwendung eines Katalysators sein.
Folglich kann sowohl ein Dieselmotor als auch ein Ottomotor als erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ausgebildet werden, bei der im Abgasabführsystem stromaufwärts der Turbine ein Katalysator vorgesehen ist, der via Bypaßleitung umgangen werden kann.
Vorteilhaft sind daher Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Brennkraftmaschine ein Ottomotor bzw. ein Dieselmotor ist.
Das Kraftstoff-Luft-Gemisch kann auf unterschiedliche Weise im Abgasabführsystem bereitgestellt, d. h. generiert werden. Dies gilt sowohl für den Kraftstoff als auch für die Luft des Gemisches, die gemeinsam durch eine einzelne Maßnahme oder getrennt voneinander durch unabhängige Maßnahmen bereitgestellt werden können.
Bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen kann der Kraftstoff mittels Nacheinspritzung in mindestens einen Zylinder bereitgestellt werden. Dies ist aber nicht zwingend erforderlich, da das direkte Einspritzen von Kraftstoff in das Abgasabführsystem stromaufwärts des Oxidationskatalysators ebenfalls zielführend ist, d. h. der Bereitstellung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches im Abgasabführsystem dienen kann.
Vorteilhaft sind daher unter anderem Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen zur Einbringung von Kraftstoff eine Direkteinspritzung vorgesehen ist.
Ist die Brennkraftmaschine mit einer Saugrohreinspritzung ausgestattet kann durch geeignete Steuerzeiten, d. h. das Realisieren einer Ventilüberschneidung, unverbranntes Gemisch von der Ansaugseite in das Abgasabführsystem gespült werden.
Vorteilhaft können daher auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen zur Einbringung von Kraftstoff eine Saugrohreinspritzung vorgesehen ist.
Der Kraftstoff des Gemisches kann auch durch eine Anfettung (λ < 1) bereitgestellt werden, bei der mehr Kraftstoff zur Verfügung gestellt wird als verbrannt werden kann. Der überschüssige Kraftstoff wird in das Abgasabführsystem ausgeschoben und dient der Bildung und Bereitstellung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Abgasabführsystem.
Die Luft zur Bildung des Kraftstoff-Luft-Gemisches kann, insbesondere bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen, separat als zusätzliche Verbrennungsluft bereitgestellt werden, die nicht aus der ursprünglichen Zylinderfüllung stammt.
Zusätzliche Verbrennungsluft kann während einer Ventilüberschneidung, bei der das mindestens eine Einlaßventil bereits geöffnet wird, obwohl das mindestens eine Auslaßventil noch nicht geschlossen wurde, in das Abgasabführsystem gespült werden.
Mittels variabler Ventilsteuerung kann die Ventilüberschneidung, d. h. der Kurbelwinkelbereich, in dem der Auslaß bei geöffnetem Einlaß noch nicht geschlossen ist, variiert werden. Eine Möglichkeit, die Ventilüberschneidung zu variieren, besteht in der Verwendung eines Nockenwellenverstellers, mit dem die Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle um einen gewissen Winkel verdreht werden kann, so dass die Steuerzeiten nach früh oder spät verschoben werden, ohne dass die Öffnungsdauer der Ventile variiert wird. Ein Verdrehen der Nockenwelle und der auf ihr angeordneten Nocken verschiebt die Öffnungszeit und die Schließzeit um denselben Kurbelwinkelbetrag in dieselbe Richtung.
Dabei kann die Ventilüberschneidung durch Verdrehen der Einlaßnockenwelle und/oder durch Verdrehen der Auslaßnockenwelle verändert bzw. eingestellt werden.
Bei Brennkraftmaschinen, bei denen jede Auslaßöffnung mit einem Auslaßventil ausgestattet ist, das mittels Ventilbetätigungseinrichtung steuerbar ist und die Auslaßöffnung freigibt oder verschließt, und die Ventilbetätigungseinrichtung eine Auslaßnockenwelle umfaßt, sind aus den vorstehend genannten Gründen Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Phase zwischen einer Kurbelwelle und der Auslaßnockenwelle verstellbar ist.
Bei Brennkraftmaschinen, bei denen jeder Zylinder mindestens eine Einlaßöffnung zum Zuführen von Frischluft bzw. Frischgemisch aufweist, wobei jede Einlaßöffnung mit einem Einlaßventil ausgestattet ist, das mittels Ventilbetätigungseinrichtung steuerbar ist und die Einlaßöffnung freigibt oder verschließt, und die Ventilbetätigungseinrichtung eine Einlaßnockenwelle umfaßt, sind ebenfalls aus den vorstehend genannten Gründen Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Phase zwischen einer Kurbelwelle und der Einlaßnockenwelle verstellbar ist.
Die zusätzliche Verbrennungsluft kann auch ganz oder teilweise durch eine mechanische Sekundärlufteinblasung bereitgestellt werden. Eine gegebenenfalls bereits vorhandene Sekundärlufteinblasung, die der Nachoxidation von Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Abgastrakt dient, kann hierzu verwendet werden. Dabei kann die Sekundärlufteinblasung alternativ zu einer Ventilüberschneidung oder aber zusammen mit einer Überschneidung für die Zufuhr zusätzlicher Luft genutzt werden.
Wird der Kraftstoff mittels Nacheinspritzung oder direkt in das Abgasabführsystem eingebracht, kann die Luft für die Verbrennung des Kraftstoffes auch dadurch bereitgestellt werden, dass die Brennkraftmaschine nicht stöchiometrisch, sondern mager, d. h. mit einem Luftüberschuß betrieben wird. Die überschüssige Luftmenge dient der Oxidation des eingespritzten Kraftstoffes.
Bei Brennkraftmaschine mit einer zumindest teilweise variablen Ventilbetätigungseinrichtung zur Steuerung mindestens eines Hubventils, sind Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Ventilbetätigungseinrichtung in der Art verstellbar ist, dass ein zweites Öffnen des mindestens einen Hubventils realisierbar ist.
Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere für Dieselmotoren, bei denen die Ventilüberschneidung zum Zwecke des Spülens aufgrund des hohen Verdichtungsverhältnisses nicht beliebig steuerbar bzw. vergrößerbar ist. Zur Durchführung eines Spülvorgangs wird dann ein zusätzlicher Öffnungsvorgang mindestens eines Ventils realisiert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Katalysator auf Abgasmengen ausgelegt ist, die kleiner sind als ein Drittel der maximalen Abgasmenge.
Diese Ausführungsform trägt dem Umstand Rechnung, dass das Drehmoment der Brennkraftmaschine primär bei niedrigen Drehzahlen erhöht werden soll, bei denen in der Regel vergleichsweise kleine Abgasmengen vorliegen, mit denen ein ausreichend hoher Ladedruck und ein befriedigendes Ansprechverhalten ohne zusätzliche Maßnahmen nur schwer bzw. nicht zu realisieren sind.
Hat der Katalysator – wie im Rahmen der vorliegenden Erfindung – primär die Funktion, ein im Abgasabführsystem bereitgestelltes Kraftstoff-Luft-Gemisch zu zünden, um das Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen anzuheben, kann es ausreichen, den Katalysator auf kleine Abgasmengen auszulegen. Bei größeren Abgasmengen wird der Katalysator dann teilweise oder vollständig via Bypaßleitung umgangen.
Das erste und/oder zweite Absperrelement kann zweistufig oder mehrstufig schaltbar oder stufenlos verstellbar sein.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine einer zuvor beschriebenen Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, bei dem im Abgasabführsystem stromaufwärts des Katalysators ein brennfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch bereitgestellt wird, das mittels Katalysator gezündet und verbrannt wird, um die Enthalpie des Abgases zu erhöhen.
Das bereits für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt in analoger Weise auch für das erfindungsgemäße Verfahren. Es wird insbesondere Bezug genommen auf die Beschreibung der Ausführungsformen der Brennkraftmaschine.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Brennkraftmaschine mit einer Ventilüberschneidung betrieben wird. Die Ventilüberschneidung kann zur Bereitstellung eines zündfähigen Kraftstoff-Luft-Gemisches im Abgasabführsystem dienen, wobei mittels bzw. während einer Ventilüberschneidung sowohl Kraftstoff, beispielsweise nacheingespritzter Kraftstoff, als auch zusätzliche Luft, aber auch ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in das Abgasabführsystem eingebracht werden kann.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen mindestens eine Nacheinspritzung in mindestens einen Zylinder der Brennkraftmaschine vorgenommen wird und die im Rahmen der mindestens einen Nacheinspritzung zugeführte Kraftstoffmenge zusammen mit Luft stromaufwärts der Turbine im Abgasabführsystem gezündet und verbrannt wird.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen das erste Absperrelement in Richtung Offenstellung verstellt wird, sobald die Temperatur T_cat des Katalysators eine vorgebbare Grenztemperatur T_Grenz überschreitet.
Um eine thermische Überlastung des Katalysators zu vermeiden, wird Abgas via Bypaßleitung am Katalysator vorbeigeführt, sobald eine kritische Temperatur überschritten wird. Dadurch wird die durch den Katalysator hindurchgeführte Abgasmenge beschränkt bzw. reduziert, was den Wärmeeintrag per se mindert. Zudem verringert sich aufgrund der reduzierten Abgasmenge auch die durch Oxidation in den Katalysator eingebrachte Wärmemenge.
Die Temperatur des Katalysators kann mittels Simulationsrechnung abgeschätzt oder meßtechnisch erfaßt werden.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen das erste Absperrelement in Richtung Offenstellung verstellt wird, sobald die Temperatur T_cat des Katalysators eine vorgebbare Grenztemperatur T_Grenz überschreitet und für eine vorgebbare Zeitspanne Δt₁ größer ist als diese vorgegebene Grenztemperatur T_Grenz.
Die Einführung einer zusätzlichen Bedingung für das Öffnen des Absperrelements soll ein zu häufiges Verstellen verhindern, wenn die Temperatur T_cat nur kurzzeitig eine vorgebbare Grenztemperatur überschreitet und dann wieder fällt bzw. um den vorgegebenen Wert für die Grenztemperatur schwankt, ohne dass das Überschreiten ein Öffnen der Bypaßleitung rechtfertigen würde.
Beim Schließen des Absperrelements wird vorteilhafterweise analog vorgegangen. Das heißt, das Absperrelement wird wieder in Richtung Schließstellung verstellt, sobald die Temperatur T_cat eine vorgebbare Grenztemperatur unterschreitet.
Vorteilhaft sind dabei Verfahrensvarianten, bei denen das Schließen vorgenommen wird, wenn die Temperatur die vorgegebene Grenztemperatur unterschreitet und für eine vorgebbare Zeitspanne Δt₂ kleiner ist als die vorgegebene Grenztemperatur.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen das erste Absperrelement in Richtung Offenstellung verstellt wird, sobald die Abgasmenge m_Abgas, mit der der Katalysator beaufschlagt wird, eine vorgebbare Abgasmenge m_Grenz überschreitet.
Vorteilhaft sind dabei Verfahrensvarianten, bei denen die Bypaßleitung durch Öffnen des ersten Absperrelements nur dann geöffnet wird, wenn die Abgasmenge eine vorgebbare Abgasmenge überschreitet und für eine vorgebbare Zeitspanne Δt₃ größer ist als diese vorgegebene Abgasmenge.
Beim Schließen wird vorteilhafterweise analog vorgegangen. Das heißt, die Bypaßleitung wird wieder geschlossen, sobald die Abgasmenge eine vorgebbare Abgasmenge unterschreitet.
Vorteilhaft sind dabei Verfahrensvarianten, bei denen das Schließen vorgenommen wird, wenn die Abgasmenge die vorgegebene Abgasmenge unterschreitet und für eine vorgebbare Zeitspanne Δt₄ kleiner ist als die vorgegebene Abgasmenge.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsform gemäß 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1 schematisch eine erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine 1. Die dargestellte Brennkraftmaschine 1 weist drei in Reihe angeordnete Zylinder 2 auf, verfügt über ein Ansaugsystem 4, über welches den Zylindern 2 Ladeluft zugeführt wird, und über ein Abgasabführsystem 3 zum Abführen der Abgase.
Die Brennkraftmaschine 1 ist zwecks Aufladung mit einem Abgasturbolader 5 ausgestattet, dessen Verdichter 5b auf der Einlaßseite 4 und dessen Turbine 5a in einer Gesamtabgasleitung 3a des Abgasabführsystems 3 angeordnet ist.
Die Turbine 5a ist als Waste-Gate-Turbine 5a ausgebildet, bei der eine Abblaseleitung 6 unter Ausbildung einer Gabelung 9 stromaufwärts der Turbine 5a aus der Gesamtabgasleitung 3a des Abgasabführsystem 3 abzweigt. In der Abblaseleitung 3a ist ein zweites Absperrelement 6a angeordnet, das der Einstellung und Steuerung der abgeblasenen Abgasmenge dient.
Stromaufwärts der Turbine 5a befindet sich ein Katalysator 7 in der Gesamtabgasleitung 3a, welcher der Zündung eines im Abgasabführsystem 3 bereitgestellten Kraftstoff-Luft-Gemisches dient. Eine Bypaßleitung 8 ist vorgesehen, die stromaufwärts des Katalysators 7 von dem Abgasabführsystem 3 abzweigt und stromabwärts des Katalysators 7 und stromaufwärts der Gabelung 9 wieder in das Abgasabführsystem 3 einmündet, so dass stromaufwärts der Gabelung 9 wieder das gesamte Abgas zur Verfügung steht. In der Bypaßleitung 8 ist ein erstes Absperrelement 8a angeordnet.
Bezugszeichenliste

1: Brennkraftmaschine
2: Zylinder
3: Abgasabführsystem
3a: Gesamtabgasleitung
4: Ansaugsystem, Einlaßseite
5: Abgasturbolader
5a: Turbine
5b: Verdichter
6: Abblaseleitung
6a: zweites Absperrelement
7: Katalysator
8: Bypaßleitung
8a: erstes Absperrelement
9: Gabelung
T_cat: Temperatur des Katalysators
T_Grenz: vorgebbare Grenztemperatur für den Katalysator
m_Abgas: Abgasmenge im Abgasabführsystem
m_Grenz: vorgebbare Abgasmenge
n: Drehzahl
p_me: effektiver Mitteldruck

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19944190 A1 [0024, 0024]
DE 10217238 A1 [0030, 0030]

Claims

Brennkraftmaschine (1) mit mindestens einem eine Turbine (5a) umfassenden Abgasturbolader (5) und mindestens einem Zylinder (2), der mindestens eine Auslaßöffnung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem (3) aufweist, bei der – sich an jede Auslaßöffnung eine Abgasleitung anschließt, – die Turbine (5a) des mindestens einen Abgasturboladers (5) im Abgasabführsystem (3) angeordnet ist, – eine Abblaseleitung (6) zur Umgehung der Turbine (5a) vorgesehen ist, die unter Ausbildung einer Gabelung (9) stromaufwärts der Turbine (5a) aus dem Abgasabführsystem (3) abzweigt, und – ein Katalysator (7) im Abgasabführsystem (3) stromaufwärts der Turbine (5a) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Bypaßleitung (8) vorgesehen ist, die stromaufwärts des Katalysators (7) von dem Abgasabführsystem (3) abzweigt und stromabwärts des Katalysators (7) und stromaufwärts der Gabelung (9) wieder in das Abgasabführsystem (3) einmündet und in der ein erstes Absperrelement (8a) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abblaseleitung (6) ein zweites Absperrelement (6a) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) ein Ottomotor ist.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) ein Dieselmotor ist.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einbringung von Kraftstoff eine Saugrohreinspritzung vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einbringung von Kraftstoff eine Direkteinspritzung vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der jede Auslaßöffnung mit einem Auslaßventil ausgestattet ist, das mittels Ventilbetätigungseinrichtung steuerbar ist und die Auslaßöffnung freigibt oder verschließt, und die Ventilbetätigungseinrichtung eine Auslaßnockenwelle umfaßt, dadurch gekennzeichnet, dass die Phase zwischen einer Kurbelwelle und der Auslaßnockenwelle verstellbar ist.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der jeder Zylinder (2) mindestens eine Einlaßöffnung zum Zuführen von Frischluft bzw. Frischgemisch aufweist, wobei jede Einlaßöffnung mit einem Einlaßventil ausgestattet ist, das mittels Ventilbetätigungseinrichtung steuerbar ist und die Einlaßöffnung freigibt oder verschließt, und die Ventilbetätigungseinrichtung eine Einlaßnockenwelle umfaßt, dadurch gekennzeichnet, dass die Phase zwischen einer Kurbelwelle und der Einlaßnockenwelle verstellbar ist.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche mit einer zumindest teilweise variablen Ventilbetätigungseinrichtung zur Steuerung mindestens eines Hubventils, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilbetätigungseinrichtung in der Art verstellbar ist, dass ein zweites Öffnen des mindestens einen Hubventils realisierbar ist.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (7) auf Abgasmengen ausgelegt ist, die kleiner sind als ein Drittel der maximalen Abgasmenge.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasabführsystem (3) stromaufwärts des Katalysators (7) ein brennfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch bereitgestellt wird, das mittels Katalysator (7) gezündet und verbrannt wird, um die Enthalpie des Abgases zu erhöhen.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) mit einer Ventilüberschneidung betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Nacheinspritzung in mindestens einen Zylinder (2) der Brennkraftmaschine (1) vorgenommen wird und die im Rahmen der mindestens einen Nacheinspritzung zugeführte Kraftstoffmenge zusammen mit Luft stromaufwärts der Turbine (5a) im Abgasabführsystem (3) gezündet und verbrannt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Absperrelement (8a) in Richtung Offenstellung verstellt wird, sobald die Temperatur T_cat des Katalysators (7) eine vorgebbare Grenztemperatur T_Grenz überschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Absperrelement (8a) in Richtung Offenstellung verstellt wird, sobald die Abgasmenge m_Abgas, mit der der Katalysator (7) beaufschlagt wird, eine vorgebbare Abgasmenge m_Grenz überschreitet.