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Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Eine solche Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen ist beispielsweise der
DE 10 2004 062 492 A1 als bekannt zu entnehmen. Die Verbrennungskraftmaschine weist dabei einen von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren Abgastrakt sowie wenigstens einen Abgasturbolader auf, der eine Turbine umfasst. Die Turbine ist in dem Abgastrakt angeordnet und von zumindest einem Teil des Abgases antreibbar. Ferner umfasst der Abgasturbolader einen Verdichter, mittels welchem der Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Luft zu verdichten ist. Ferner umfasst die Verbrennungskraftmaschine wenigstens eine in dem Abgastrakt angeordnete und von zumindest einem Teil des Abgases antreibbare Nutzturbine, welche bezogen auf die Strömungsrichtung des Abgases durch den Abgastrakt stromab der Turbine des Abgasturboladers angeordnet ist. Ferner ist die Nutzturbine mit einer Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine gekoppelt, so dass beispielsweise die Abtriebswelle von der Nutzturbine beziehungsweise einer Abtriebswelle der Nutzturbine antreibbar ist. Ferner umfasst die Verbrennungskraftmaschine wenigstens eine in dem Abgastrakt angeordnete Abgasnachbehandlungseinrichtung, mittels welcher das die Abgasnachbehandlungseinrichtung durchströmende Abgas nachbehandelt wird.
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Auch die
DE 10 2012 011 086 A1 offenbart eine Verbrennungskraftmaschine, mit einem Abgasturbolader, welcher eine Turbine aufweist. Der Turbine ist eine Umgehungseinrichtung mit wenigstens einem Umgehungskanal zugeordnet, über welchen die Turbine von Abgas zu umgehen ist. In dem Umgehungskanal ist dabei eine Nutzturbine angeordnet, welche von dem den Umgehungskanal durchströmenden und somit die Turbine umgehenden Abgas antreibbar ist.
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Im Rahmen der Entwicklung von modernen Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Ottomotoren, besteht das Streben nach immer höheren spezifischen Nennleistungen. Dieses Bestreben führt insbesondere dazu, die Verbrennungskraftmaschinen aufzuladen, das heißt mit Abgasturboladern auszustatten. Dadurch ist es möglich, mittels eines Verdichters des Abgasturboladers Luft zu verdichten, wobei die verdichtete Luft dann der Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird. Dieses Streben nach immer höheren spezifischen Nennleistungen führt jedoch auch zu einem schlechten Ansprechverhalten im Aufbau von sogenannten Low-End-Torques, das heißt im Aufbau von Drehmomenten im unteren Lastbereich. Der Einsatz von Turboladern ist jedoch erforderlich, da moderne Verbrennungskraftmaschinen nach dem sogenannten Motordownsizing-Konzept ausgebildet werden und demzufolge nur noch geringe Hubvolumina aufweisen, so dass zur Realisierung von hohen spezifischen Leistungen und Drehmomenten Abgasturbolader zum Einsatz kommen müssen.
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Um hierbei eine hinreichende Fahrbarkeit zu gewährleisten, muss ein frühes Ansprechen des jeweiligen Abgasturboladers sichergestellt werden, so dass auch bei geringen Drehzahlen und geringer Last, das heißt im niedrigen Lastbereichen, ein hinreichend hohes Drehmoment hinreichend schnell bereitgestellt werden kann. Üblicherweise wird dies dadurch gelöst, dass die Turbine und der Verdichter des Abgasturboladers sehr klein ausgestaltet werden. Jedoch ist die Nennleistung der Verbrennungskraftmaschine für die Fahrleistung entscheidend, so dass der Abgasturbolader, insbesondere dessen Turbine, möglichst groß ausgelegt werden müsste, um den Abgasgegendruck gering zu halten und einen hohen Luftdurchsatz realisieren zu können. Dieser Zielkonflikt mit einer entsprechenden Durchsatzspreizung lässt sich nicht ohne weiteres lösen, so dass üblicherweise komplexe Konzepte mit mehrstufiger Aufladung oder elektrischer Anfahrunterstützung entwickelt werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Verbrennungskraftmaschine derart weiterzuentwickeln, dass sich der genannte Zielkonflikt auf besonders einfache Weise lösen lässt.
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Diese Aufgabe wird durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um eine Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass sich der eingangs genannte Zielkonflikt mit einem nur geringen Aufwand lösen lässt, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der in Strömungsrichtung des Abgases stromab der Turbine des Abgasturboladers und stromauf der Nutzturbine angeordneten Abgasnachbehandlungseinrichtung eine Umgehungseinrichtung mit wenigstens einem Umgehungskanal zugeordnet ist, über welchen die Abgasnachbehandlungseinrichtung von zumindest einem Teil des Abgases zu umgehen ist. Darunter ist zu verstehen, dass das den Umgehungskanal durchströmende Abgas die Abgasnachbehandlungseinrichtung umgeht und somit nicht durchströmt. Mit anderen Worten kann zumindest ein Teil des Abgases über den Umgehungskanal an der Abgasnachbehandlungseinrichtung vorbeigeführt werden, ohne dass das den Umgehungskanal durchströmende Abgas die Abgasnachbehandlungseinrichtung durchströmt.
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Dadurch ist es möglich, einen einfachen und somit kostengünstigen Aufbau der Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, wobei der Aufwand bezüglich Luftführung und elektrischen Komponenten, insbesondere Antriebskomponenten, minimal gehalten werden kann bei gleichzeitiger, abgasseitiger Optimierung hinsichtlich des Abgasgegendrucks und der Temperaturbelastung von in dem Abgastrakt angeordneten Bauteilen, insbesondere bei spezifisch hohen Motorlasten. Durch die Möglichkeit, die Abgasnachbehandlungseinrichtung zu umgehen, kann der Abgasgegendruck an der Turbine des Abgasturboladers besonders gering gehalten werden. Dabei kann eine besonders hohe Spreizung im Drehmomentenaufbau dargestellt werden bei gleichzeitiger Realisierung einer besonders hohen Nennleistung, wobei insbesondere bei Volllast der Abgasgegendruck gering gehalten werden kann, indem die Abgasnachbehandlungseinrichtung insbesondere bei Volllast über den Umgehungskanal von dem Abgas umgangen wird. Darüber hinaus wird die Abgasnachbehandlungseinrichtung thermisch geschützt, da das Abgas, welches bei Volllast eine besonders hohe Temperatur aufweist, den Umgehungskanal und nicht etwa die Abgasnachbehandlungseinrichtung durchströmt. Dadurch kann eine Gemischanfettung zur Realisierung eines Bauteilschutzes vermieden oder zumindest gering gehalten werden, so dass sich der Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine gering halten lässt.
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Die Nutzturbine kann den Abgasgegendruck mit steigendem Durchsatz regeln, wodurch beispielsweise eine Umgehung der Turbine des Abgasturboladers vermieden oder gering gehalten werden kann, so dass ein besonders hoher Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine realisierbar ist. Mit anderen Worten ist eine Selbstregelung durch Staudruckaufbau an der Nutzturbine mit Steigerung des Gesamtwirkungsgrads darstellbar. Außerdem ist es möglich, eine besonders gute Fahrbarkeit der Verbrennungskraftmaschine zu realisieren, da bereits in geringen Lastbereichen hohe Drehmomente erreicht werden können. Insbesondere lässt sich ein sehr früh erreichbares Nennmoment bei hoher beziehungsweise höchster spezifischer Motorleistung realisieren.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Umgehungseinrichtung wenigstens ein Ventilelement, mittels welchem der Teil des die Abgasnachbehandlungseinrichtung umgehenden Abgases einstellbar ist. Mit anderen Worten kann mittels des Ventilelements eine Menge des den Umgehungskanal durchströmenden und somit die Abgasnachbehandlungseinrichtung umgehenden Abgases eingestellt werden, so dass die Abgasnachbehandlungseinrichtung besonders bedarfsgerecht von dem Abgas umgangen werden kann. Somit lässt sich ein besonders effizienter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisieren.
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Als weiterhin besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die Abgasnachbehandlungseinrichtung wenigstens einen Katalysator, insbesondere Oxidationskatalysator, umfasst. Dabei ist es möglich, den beispielsweise als Drei-Wege-Katalysator ausgebildeten Katalysator besonders effektiv vor einer thermischen Überbeanspruchung zu schützen und gleichzeitig den Abgasgegendruck gering zu halten, da der Katalysator über den Umgehungskanal von zumindest einem Teil des Abgases umgangen werden kann.
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Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Nutzturbine mit der Abtriebswelle über eine Freilaufeinrichtung gekoppelt ist. Hierdurch können unerwünschte gegenseitige Beeinflussungen der Abtriebswelle und der Nutzturbine vermieden werden. Dabei hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die Freilaufeinrichtung sperrt, wenn die Drehzahl einer über die Freilaufeinrichtung mit der Abtriebswelle gekoppelten Ausgangswelle der Nutzturbine größer als die Drehzahl der Abtriebswelle ist. Dadurch nimmt die Ausgangswelle beziehungsweise die Nutzturbine die Abtriebswelle mit, so dass die Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine von der Nutzturbine angetrieben wird. Ist jedoch die Drehzahl der Ausgangswelle der Nutzturbine kleiner als die Drehzahl der Abtriebswelle, so lässt die Freilaufeinrichtung eine Relativdrehung zwischen der Ausgangswelle und der Abtriebswelle zu, so dass die Ausgangswelle von der Abtriebswelle entkoppelt ist. Dadurch kann insbesondere vermieden werden, dass die Ausgangswelle der Nutzturbine beziehungsweise die Nutzturbine selbst die Abtriebswelle abbremst beziehungsweise die Abtriebswelle die Nutzturbine antreiben muss.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Nutzturbine mit der Abtriebswelle über ein Getriebe gekoppelt ist. Bei dem Getriebe handelt es sich vorzugsweise um ein Untersetzungsgetriebe, mittels welchem beispielsweise eine Drehzahl der Nutzturbine, insbesondere eine Drehzahl eines Turbinenrads der Nutzturbine, in eine demgegenüber geringere Drehzahl der Ausgangswelle der Turbine umgewandelt wird. Dadurch kann die Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine in einem besonders vorteilhaften Drehzahlbereich von der Nutzturbine angetrieben werden.
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Zur Realisierung eines besonders effizienten und bedarfsgerechten Betriebs der Verbrennungskraftmaschine ist es bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass der Nutzturbine eine zweite Umgehungseinrichtung mit wenigstens einem zweiten Umgehungskanal zugeordnet ist, über welchen die Nutzturbine von zumindest einem Teil des Abgases zu umgehen ist.
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Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der Turbine des Abgasturboladers eine dritte Umgehungseinrichtung mit wenigstens einem dritten Umgehungskanal zugeordnet ist, über welchen die Turbine von zumindest einem Teil des Abgases zu umgehen ist. Hierdurch kann beispielsweise ein von dem Abgasturbolader bereitzustellender Ladedruck gezielt und bedarfsgerecht eingestellt werden. Ferner kann der Abgasturbolader vor übermäßig hohen Drehzahlen und daraus resultierenden Schäden geschützt werden.
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In weiterer besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens eine zweite Abgasnachbehandlungseinrichtung vorgesehen, welche in dem Abgastrakt stromab der Nutzturbine angeordnet ist. Hierdurch ist es möglich, das Abgas auch dann nachzubehandeln, wenn das Abgas die erste Abgasnachbehandlungseinrichtung umgeht, so dass sich die Emissionen der Verbrennungskraftmaschine insgesamt gering halten lassen.
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Schließlich hat es sich zur Realisierung eines besonders effizienten Betriebs als vorteilhaft gezeigt, wenn wenigstens eine Lambda-Sonde vorgesehen ist, welche in dem Abgastrakt stromab der Turbine des Abgasturboladers und stromauf der Abgasnachbehandlungseinrichtung angeordnet ist.
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Zur Erfindung gehört auch ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine sind dabei als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen und umgekehrt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen, mit wenigstens einer in einem Abgastrakt stromab einer Turbine eines Abgasturboladers und stromauf einer Nutzturbine angeordneten Abgasnachbehandlungseinrichtung, welcher eine Umgehungseinrichtung mit wenigstens einem Umgehungskanal zugeordnet ist, über welchen die Abgasnachbehandlungseinrichtung von zumindest einem Teil von Abgas der Verbrennungskraftmaschine zu umgehen ist, wobei ein erster Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine gezeigt ist;
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2 eine weitere schematische Darstellung der Verbrennungskraftmaschine, wobei ein zweiter Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine gezeigt ist; und
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3 eine weitere schematische Darstellung der Verbrennungskraftmaschine, wobei ein dritter Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine gezeigt ist.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen, insbesondere einen Personenkraftwagen. Die Verbrennungskraftmaschine 10 ist Bestandteil eines Antriebsstrangs, welcher auch ein Getriebe 12 umfasst. Der Kraftwagen ist dabei mittels des Antriebsstrangs antreibbar.
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Vorliegend ist die Verbrennungskraftmaschine 10 als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildet und umfasst ein Zylindergehäuse 14, durch welches eine Mehrzahl von Brennräumen in Form von Zylindern 16 der Verbrennungskraftmaschine gebildet ist. Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist einen Ansaugtrakt 18 auf, welcher während eines Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 10 von Luft durchströmt wird und dazu dient, die Luft in die Zylinder 16 zu leiten. Darüber hinaus wird Kraftstoff in die Zylinder 16 eingespritzt, so dass in den jeweiligen Zylindern 16 Kraftstoff-Luft-Gemische entstehen. Diese Kraftstoff-Luft-Gemische werden gezündet und verbrannt, woraus Abgas resultiert. Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst dabei einen von dem Abgas durchströmbaren Abgastrakt 20, mittels welchem das Abgas aus den Zylindern 16 geführt wird.
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Die zuvor genannte Zündung des jeweiligen Kraftstoff-Luft-Gemisches erfolgt beispielsweise durch Fremdzündung mittels wenigstens einer Zündeinrichtung, insbesondere in Form einer Zündkerze, wobei jedem Zylinder 16 wenigstens eine solche Zündkerze zugeordnet ist. Bei dem Kraftstoff handelt es sich vorzugsweise um flüssigen Kraftstoff, insbesondere Ottokraftstoff beziehungsweise Benzin, so dass die Verbrennungskraftmaschine 10 vorzugsweise als Ottomotor ausgebildet ist. Vorzugsweise wird der Kraftstoff direkt in die Zylinder 16 eingespritzt, so dass die Verbrennungskraftmaschine 10 vorzugsweise als Ottomotor mit Direkteinspritzung ausgebildet ist.
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Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst wenigstens einen Abgasturbolader 22, welcher eine in dem Abgastrakt 20 angeordnete und von zumindest einem Teil des Abgases antreibbare Turbine 24 umfasst. Die Turbine 24 weist beispielsweise ein erstes Turbinenrad 26 auf, welches in dem Abgastrakt 20 angeordnet und von dem Abgas antreibbar ist. Ferner weist der Abgasturbolader 22 einen im Ansaugtrakt 18 angeordneten Verdichter 28 auf, welcher ein Verdichterrad 30 umfasst. Das Verdichterrad 30 ist über eine Welle 32 des Abgasturboladers 22 mit dem ersten Turbinenrad 26 gekoppelt, so dass der Verdichter 28 beziehungsweise das Verdichterrad 30 von der Turbine 24 beziehungsweise dem Turbinenrad 26 antreibbar ist.
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Aus 1 ist erkennbar, dass der Verdichter 28 beziehungsweise das Verdichterrad 30 bezogen auf die Strömungsrichtung der Luft durch den Ansaugtrakt 18 stromab eines Luftfilters 34 angeordnet ist, mittels welchem die von der Verbrennungskraftmaschine 10 angesaugte Luft gefiltert wird. Mittels des Verdichters 28 wird die angesaugte Luft verdichtet und dadurch erwärmt. In dem Ansaugtrakt 18 ist stromab des Verdichters 28 eine Kühleinrichtung in Form eines Ladeluftkühlers 36 angeordnet, mittels welchem die verdichtete und dadurch erwärmte Luft gekühlt wird. Im Ansaugtrakt 18 ist ferner ein Ladeluftverteiler 38 angeordnet, mittels welchem die verdichtete und gekühlte Luft auf die Zylinder 16 aufgeteilt und zu diesen geführt wird. Zum Einstellen einer Menge der den Ansaugtrakt 18 durchströmenden Luft ist im Ansaugtrakt 18 eine Drosselklappe 40 angeordnet, welche vorliegend stromab des Ladeluftkühlers 36 beispielsweise in dem Ladeluftverteiler 38 angeordnet ist. Dabei veranschaulichen Richtungspfeile die Strömung beziehungsweise Strömungsrichtung der Luft durch den Ansaugtrakt 18.
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Im Abgastrakt 20 ist ein Sammelelement in Form eines Abgaskrümmers 42 angeordnet, mittels welchem das Abgas aus den Zylindern 16 gesammelt wird. In Strömungsrichtung des Abgases durch den Abgastrakt 20 ist stromab der Turbine 24 eine im Ganzen mit 44 bezeichnete Nutzturbine angeordnet. Die Nutzturbine 44 ist von zumindest einem Teil des den Abgastrakt 20 durchströmenden Abgases antreibbar und weist hierzu ein im Abgastrakt 20 angeordnetes und von dem Abgas antreibbares zweites Turbinenrad 46 auf. Das Turbinenrad 46 ist beispielsweise mit einer Welle der Nutzturbine 44 gekoppelt, so dass die Welle über das Turbinenrad 46 von dem Abgas antreibbar ist. Die Nutzturbine 44 umfasst ein Getriebe 48, welches über die genannte Welle mit dem zweiten Turbinenrad 46 gekoppelt ist. Somit ist die genannte Welle beispielsweise eine Getriebeeingangswelle des Getriebes 48. Ferner umfasst Getriebe 48 eine Getriebeausgangswelle, welche mit einer Welle 50 gekoppelt ist.
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Die als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildete Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst eine in 1 nicht erkennbare Abtriebswelle in Form einer Kurbelwelle. In den Zylindern 16 sind jeweilige Kolben translatorisch bewegbar aufgenommen, wobei die Kolben über jeweilige Pleuel gelenkig mit der Kurbelwelle gekoppelt sind. Infolge dieser gelenkigen Kopplung sind die translatorischen Bewegungen der Kolben in eine rotatorische Bewegung der Kurbelwelle umwandelbar, welche an einem Gehäuseelement der Verbrennungskraftmaschine 10 um eine Drehachse relativ zu dem Gehäuseelement drehbar gelagert ist. Dabei ist die Nutzturbine 44 über das Getriebe 48 und somit über die Getriebeausgangswelle und die Welle 50 mechanisch mit der Kurbelwelle gekoppelt, so dass – wie im Folgenden noch erläutert wird – die Kurbelwelle von der Nutzturbine 44 antreibbar ist. Beispielsweise ist die Welle 50 drehfest mit der Kurbelwelle verbunden. Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass das Getriebe 48 eine Freilaufeinrichtung in Form eines Überholfreilaufs aufweist, so dass die Nutzturbine 44, insbesondere die Getriebeausgangswelle, über den Überholfreilauf mit der Welle 50 und somit der Kurbelwelle gekoppelt ist. Der Überholfreilauf wird auch als Freilauf bezeichnet. Ferner ist das Getriebe 48 vorzugsweise als Untersetzungsgetriebe ausgebildet, so dass die Getriebeausgangswelle eine geringere Drehzahl als die mit dem zweiten Turbinenrad 46 gekoppelte Getriebeeingangswelle aufweist, welche somit eine Abtriebswelle der Nutzturbine 44 ist.
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Solange die Drehzahl der Getriebeausgangswelle geringer als die Drehzahl der Welle 50 und somit der Kurbelwelle ist, entkoppelt der Freilauf die Getriebeausgangswelle von der Welle 50 und somit der Kurbelwelle, so dass sich die Kurbelwelle schneller als die Getriebeausgangswelle drehen kann. Sobald die Drehzahl der Getriebeausgangswelle die Drehzahl der Kurbelwelle überholt, sperrt der Freilauf und eine von der Nutzturbine 44 über die Getriebeausgangswelle bereitgestellte Leistung wird der Kurbelwelle über den sperrenden Freilauf zugeführt, so dass die Kurbelwelle mittels der Nutzturbine 44 angetrieben wird. Aufgrund der festen mechanischen Kopplung der Nutzturbine 44 und somit ihrer Drehzahl an die Drehzahl der Kurbelwelle beziehungsweise der Verbrennungskraftmaschine 10 kann die Nutzturbine 44 niemals überdrehen.
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Darüber hinaus umfasst die Verbrennungskraftmaschine 10 eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 52, welche eine Katalysator 54 insbesondere in Form eines Drei-Wege-Katalysators umfasst. Darüber hinaus umfasst die Verbrennungskraftmaschine 10 eine weitere Abgasnachbehandlungseinrichtung 56, welche in Strömungsrichtung des Abgases durch den Abgastrakt 20 stromab der ersten Abgasnachbehandlungseinrichtung 52 angeordnet ist. Die Verbrennungskraftmaschine 10 ist in einem Motorraum des Kraftwagens angeordnet, wobei der Motorraum in Fahrzeuglängsrichtung durch eine Stirnwand von dem Innenraum des Kraftwagens getrennt ist. Da der Katalysator 54 in Strömungsrichtung des Abgases in dem Motorraum und somit näher als die Abgasnachbehandlungseinrichtung 56 am Zylindergehäuse 14 sowie in der Nähe der Stirnwand und insbesondere in Strömungsrichtung des Abgases vor der Stirnwand angeordnet ist, wird der Katalysator 54 auch als Stirnwandkatalysator bezeichnet.
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Um nun einerseits eine besonders vorteilhafte Fahrbarkeit, das heißt besonders hohe Drehmomente auch schon bei geringen Lasten, und andererseits eine besonders hohe Nennleistung der Verbrennungskraftmaschine 10 zu realisieren, ist der in Strömungsrichtung des Abgases durch den Abgastrakt 20 stromab der Turbine 24 und stromauf der Nutzturbine 44 angeordneten Abgasnachbehandlungseinrichtung 52 eine im Ganzen mit 57 bezeichnete Umgehungseinrichtung mit wenigstens einem Umgehungskanal 58 zugeordnet, über welchen die Abgasnachbehandlungseinrichtung 52, insbesondere der Katalysator 54, von zumindest einem Teil des Abgases zu umgehen ist. Der Abgastrakt 20 umfasst dabei eine von dem Abgas durchströmbare Abgasverrohrung 60, wobei der Umgehungskanal 58 an einer stromauf der Abgasnachbehandlungseinrichtung 52 angeordneten Abzweigstelle 64 und an einer stromab der Abgasnachbehandlungseinrichtung 52 angeordneten Zuführstelle 66 mit der Abgasverrohrung 60 fluidisch gekoppelt ist. Dadurch ist an der Abzweigstelle 64 zumindest ein Teil des Abgases aus der Abgasverrohrung 60 abzweigbar, wobei das abgezweigte Abgas den Umgehungskanal 58 durchströmt. Das den Umgehungskanal 58 durchströmende Abgas umgeht die Abgasnachbehandlungseinrichtung 52. Dies bedeutet, dass das den Umgehungskanal 58 durchströmende Abgas an der Abgasnachbehandlungseinrichtung 52 vorbeiströmt und diese nicht durchströmt. An der Zuführstelle 66 kann das den Umgehungskanal 58 durchströmende Abgas aus dem Umgehungskanal 58 ausströmen und in die Abgasverrohrung 60 wieder einströmen.
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Um eine Menge des den Umgehungskanal 58 durchströmenden Abgases bedarfsgerecht einzustellen, umfasst die Umgehungseinrichtung 57 eine Ventileinrichtung 68, welche beispielsweise eine Klappe umfasst. Die Ventileinrichtung 68 beziehungsweise die Klappe ist zwischen einer in 1 gezeigten Umgehungsstellung und einer in 2 gezeigten Freigabestellung verstellbar. In der Umgehungsstellung wird vorzugsweise das gesamte Abgas aus der Abgasverrohrung 60 abgezweigt und in den Umgehungskanal 58 geleitet, so dass das Abgas den Umgehungskanal 58 und nicht etwa den Katalysator 54 durchströmt. 1 zeigt dabei einen ersten Betriebszustand, in welchem sich die Ventileinrichtung 68 in der Umgehungsstellung befindet. Dabei ist die Strömung des Abgases durch den Abgastrakt durch Richtungspfeile veranschaulicht. Aus 1 ist ferner erkennbar, dass der Nutzturbine 44 eine zweite Umgehungseinrichtung 70 mit wenigstens einem zweiten Umgehungskanal 72 zugeordnet ist, über welchen die Nutzturbine 44, insbesondere das zweite Turbinenrad 46, von zumindest einem Teil des Abgases zu umgehen ist. Die zweite Umgehungseinrichtung 70 umfasst dabei eine zweite Ventileinrichtung 74 zum Einstellen einer Menge des den Umgehungskanal 72 durchströmenden Abgases. Die zweite Ventileinrichtung 74 ist dabei zwischen einer in 2 gezeigten Umgehungsstellung und einer in 1 gezeigten Freigabestellung verstellbar. Im ersten Betriebszustand befindet sich die zweite Ventileinrichtung 74 in ihrer Freigabestellung, so dass beispielsweise das gesamte Abgas die Nutzturbine 44 durchströmt und dadurch antreibt und nicht etwa umgeht. Dabei ist der Umgehungskanal 72 mittels der Ventileinrichtung 74 fluidisch versperrt.
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Ferner ist der Turbine 24 des Abgasturboladers 22 eine dritte Umgehungseinrichtung 76 mit einem dritten Umgehungskanal 78 zugeordnet, über welchen die Turbine 24, insbesondere das erste Turbinenrad 26, von zumindest einem Teil des Abgases zu umgehen ist. Hierbei umfasst die dritte Umgehungseinrichtung 76 eine Ventileinrichtung 80 zum Einstellen einer Menge des den dritten Umgehungskanal 78 durchströmenden Abgases. Auch die dritte Ventileinrichtung 80 ist zwischen einer in 1 gezeigten Umgehungsstellung und einer in 2 gezeigten Freigabestellung verstellbar und befindet sich im ersten Betriebszustand in der Umgehungsstellung, in welcher beispielsweise ein Teil des Abgases den Umgehungskanal 78 durchströmt und ein weiterer Teil des Abgases die Turbine 24, insbesondere das Turbinenrad 26, durchströmt beziehungsweise umströmt.
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Ferner umfasst die Verbrennungskraftmaschine 10 eine erste Lambda-Sonde 82, welche stromab der Turbine 24 und stromauf des Katalysators 54, insbesondere der Abzweigstelle 64, angeordnet ist.
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Die zweite Abgasnachbehandlungseinrichtung 56 umfasst wenigstens einen Katalysator 84, welcher auch als Unterbodenkatalysator bezeichnet wird, da er im Bereich eines Unterbodens des Kraftwagens angeordnet ist. Ferner kann die Abgasnachbehandlungseinrichtung 56 ein zweites Abgasnachbehandlungselement 86 umfassen, welches beispielsweise ebenfalls ein Katalysator ist. Die Verbrennungskraftmaschine 10 kann dabei eine weitere Lambda-Sonde 88 umfassen, welche beispielsweise in Strömungsrichtung des Abgases zwischen dem Katalysator 84 und dem weiteren Abgasnachbehandlungselement 86 angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich zur Lambda-Sonde 88 umfasst die Verbrennungskraftmaschine 10 eine Lambda-Sonde 90, welche vorliegend stromab der Abgasnachbehandlungseinrichtung 56, das heißt stromab des Katalysators 84 und des weiteren Abgasnachbehandlungselements 86 angeordnet ist.
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Der abgasseitige Abgasturbolader 22 ist vorzugsweise als relativ kleiner Turbolader ausgebildet, welcher ein Zielmoment von circa 200 bis 250 Newtonmeter pro Liter Hubraum mit 90 Prozent bereits bei Drehzahlen um 1200 Umdrehungen pro Minute der Kurbelwelle ermöglicht.
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Die jeweilige Umgehungseinrichtung 57, 70 und 76 wird üblicherweise auch als Waste-Gate bezeichnet, wobei das jeweilige Umgehen auch als Bypassierung bezeichnet wird. Das Waste-Gate (Umgehungseinrichtung 76) der Turbine 24 dient insbesondere zur Realisierung einer Teilumgehung zur Leistungsregelung des Abgasturboladers 22 sowie dazu, um bei hohen Abgasdurchsätzen in einem ersten Schritt den Abgasgegendruck regeln zu können und den ein Aufladeaggregat darstellenden Abgasturbolader 22 vor zu hohen Drehzahlen des Verdichterrads 30 und des Turbinenrads 26 zu schützen.
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Die stromab angeordnete Lambda-Sonde 82 ist eine Regelsonde zur Einregelung des jeweiligen Kraftstoff-Luft-Gemisches. Die stromab angeordnete und beispielsweise eine Bypass-Klappe umfassende Ventileinrichtung 68 ermöglicht es, den vorzugsweise als Drei-Wege-Katalysator ausgebildeten Katalysator 54 insbesondere bei Abgastemperaturen von über 950 Grad Celsius zu umgehen. Dies hat den Vorteil, dass bei sehr hohen Motorlasten keine Anfettung des Gemisches für den Bauteilschutz des Katalysators 54 notwendig wird und der Abgasgegendruck für die Verbrennungskraftmaschine 10 abgesenkt werden kann. Beide Faktoren wirken sich verbrauchsreduzierend auf die Verbrennungskraftmaschine 10 aus.
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Die stromab angeordnete Nutzturbine 44 ist entsprechend groß ausgelegt und demzufolge in der Lage, den gesamten Abgasdurchsatz bei Nennleistung ohne Umgehung der Nutzturbine 44 aufzunehmen. Das vorzugsweise als Untersetzungsgetriebe ausgebildete Getriebe 48 der Nutzturbine 44 weist den integrierten Überholfreilauf mit einer direkten Ankopplung an die Kurbelwelle auf, wobei diese Ankopplung beispielsweise über einen mit der Kurbelwelle verbundenen Anlasserzahnkranz eines mit der Kurbelwelle verbundenen Schwungrads erfolgt. Über die Nutzturbine 44 kann eine weitere Abgasentspannung realisiert werden. Die über diese weitere Abgasentspannung eingebrachte mechanische Energie erhöht die sogenannte Peakleistung im Bereich des Nennleistungspunkts der Verbrennungskraftmaschine 10 um eben diesen Betrag.
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Trotz der zuvor geschilderten Tatsache, dass die Nutzturbine 44 niemals überdrehen kann, ist der Nutzturbine die Umgehungseinrichtung 70 zugeordnet. Hierdurch ist es möglich, in Bereichen, in denen nur der Abgasturbolader 22 arbeitet, den Abgasgegendruck gering zu halten, was beispielsweise bei Teillast der Fall ist. Ebenso kann verhindert werden, dass beispielsweise keramische Bestandteile, die sich vom Katalysator 54 ablösen könnten, die Nutzturbine 44 abrasiv beschädigen können. Der in 1 gezeigte erste Betriebszustand wird beispielsweise im Nennleistungspunkt und bei hohen Volllastdrehzahlen eingestellt.
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2 zeigt einen zweiten Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine 10, welcher beispielsweise bei hoher Teillast und niedriger Volllast Drehzahl eingestellt wird. Im zweiten Betriebszustand befindet sich die Umgehungseinrichtung 76 in ihrer Freigabestellung, in welcher das gesamte Abgas die Turbine 24 durchströmt und somit das Turbinenrad 26 antreibt. Dies bedeutet, dass der Umgehungskanal 78 mittels der Ventileinrichtung 80 fluidisch versperrt ist, so dass das Abgas nicht den Umgehungskanal 78 durchströmt. Auch die Ventileinrichtung 68 befindet sich in ihrer Freigabestellung, so dass beispielsweise das gesamte Abgas den Katalysator 54 durchströmt, während der Umgehungskanal 58 nicht von Abgas durchströmt wird. Hierbei ist der Umgehungskanal 58 mittels der Ventileinrichtung 68 fluidisch versperrt.
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Die Ventileinrichtung 74 der Umgehungseinrichtung 70 hingegen befindet sich im zweiten Betriebszustand in ihrer Umgehungsstellung, in welcher das gesamte Abgas stromauf der Nutzturbine 44 und stromab des Katalysators 54 abgezweigt wird, so dass das gesamte Abgas der den Umgehungskanal 72 durchströmt, während die Nutzturbine 44 nicht von dem Abgas durchströmt und demzufolge nicht angetrieben wird. Solange also der Stirnwandkatalysator über die Ventileinrichtung 68 direkt angeströmt wird, bleibt das Waste-Gate an der Nutzturbine 44 geöffnet, so dass die Nutzturbine 44 umgangen wird. Sobald die Nutzturbine 44 zur Leistungsabgabe durchströmt werden soll, wird das Waste-Gate (Umgehungseinrichtung 70) der Nutzturbine 44 geschlossen, und der Umgehungskanal 58 wird geöffnet.
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Der nachgeschaltete Unterbodenkatalysator, der in diesem Betriebszustand bei hoher Leistungsabgabe betriebswarm ist, übernimmt dann die Abgasreinigungsfunktion. Durch die weitere Entspannung des Abgases über die Nutzturbine 44 kühlt sich das Abgas weiter ab, so dass für den Unterbodenkatalysator trotz hoher Motorleistung und demzufolge hoher Abgastemperaturen auch im Nennleistungspunkt keine Abgaskühlung durch Anfettung notwendig ist bei gleichzeitiger Vermeidung von thermischer Überbeanspruch und daraus resultierenden thermischen Schäden des Unterbodenkatalysators.
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Die Ausgestaltung des Unterbodenkatalysators kann wahlweise mit einem oder zwei getrennten Katalysatorkörpern ausgeführt werden. Entsprechend der Ausführung wird dann die eine sogenannte Nachkatsonde darstellende Lambda-Sonde 88 beziehungsweise 90 zwischen den beiden Katalysatorkörpern (Katalysator 84 und Abgasnachbehandlungselement 86) oder nachgeschaltet (Lambda-Sonde 90) angeordnet. Hierbei empfiehlt sich die Anordnung von zwei getrennten Katalysatoren beziehungsweise Katalysatorkörpern, da für die Katalysatordiagnose und Trimmregelung ein Schutzvolumen gegen ein Übersprechen von ungereinigten Abgasbestandteilen vorhanden ist.
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Durch die thermische Entlastung des Stirnwandkatalysators unter Volllastbedingungen kann der Katalysator 54 sehr klein für ein günstiges Aufwärmverhalten ausgeführt werden, so dass gegebenenfalls Edelmetall eingespart werden kann. In weiterer Ausgestaltung sorgt der bei zugeschalteter Nutzturbine 44 ansteigende Abgasgegendruck für ein geringeres Druckgefälle an der Turbine 24 des Abgasturboladers 22, wodurch weniger Abgas bei hohen Motorleistungen im Bereich der Nennleistung an der Turbine 24 über das entsprechende Waste-Gate (Umgehungseinrichtung 76) bypassiert werden muss. Dadurch steigt der Gesamtwirkungsgrad des Aufladesystems.
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3 zeigt einen dritten Betriebszustand, welcher bei mittleren Vollastdrehzahlen eingestellt wird. Im dritten Betriebszustand befindet sich die Ventileinrichtung 80 in ihrer Freigabestellung, in welcher der Umgehungskanal 78 mittels der Ventileinrichtung 80 versperrt ist, so dass beispielsweise das gesamte Abgas die Turbine 24 durchströmt, während das Abgas nicht den Umgehungskanal 78 durchströmt. Im dritten Betriebszustand befindet sich die Ventileinrichtung 68 in ihrer Umgehungsstellung, in welcher das gesamte Abgas den Umgehungskanal 58 durchströmt, während der Katalysator 54 nicht von Abgas durchströmt wird. Ferner befindet sich die Ventileinrichtung 74 im dritten Betriebszustand in ihrer Freigabestellung, in welcher das gesamte Abgas die Nutzturbine 44 durchströmt, während der Umgehungskanal 72 mittels der Ventileinrichtung 74 fluidisch versperrt ist, so dass der Umgehungskanal 72 nicht von Abgas durchströmt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbrennungskraftmaschine
- 12
- Getriebe
- 14
- Zylindergehäuse
- 16
- Zylinder
- 18
- Ansaugtrakt
- 20
- Abgastrakt
- 22
- Abgasturbolader
- 24
- Turbine
- 26
- Turbinenrad
- 28
- Verdichter
- 30
- Verdichterrad
- 32
- Welle
- 34
- Luftfilter
- 36
- Ladeluftkühler
- 38
- Ladeluftverteiler
- 40
- Drosselklappe
- 42
- Abgaskrümmer
- 44
- Nutzturbine
- 46
- Turbinenrad
- 48
- Getriebe
- 50
- Welle
- 52
- Abgasnachbehandlungseinrichtung
- 54
- Katalysator
- 56
- Abgasnachbehandlungseinrichtung
- 57
- Umgehungseinrichtung
- 58
- Umgehungskanal
- 60
- Abgasverrohrung
- 64
- Abzweigstelle
- 66
- Zuführstelle
- 68
- Ventileinrichtung
- 70
- Umgehungseinrichtung
- 72
- Umgehungskanal
- 74
- Ventileinrichtung
- 76
- Umgehungseinrichtung
- 78
- Umgehungskanal
- 80
- Ventileinrichtung
- 82
- Lambda-Sonde
- 84
- Katalysator
- 86
- Abgasnachbehandlungselement
- 88
- Lambda-Sonde
- 90
- Lambda-Sonde
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004062492 A1 [0002]
- DE 102012011086 A1 [0003]
