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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 14.
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Brennkraftmaschinen der hier angesprochenen Art sind grundsätzlich bekannt. Sie weisen einen Abgasturbolader und ein Abgasnachbehandlungssystem auf. Ein solches Abgasnachbehandlungssystem weist wenigstens ein Abgasnachbehandlungselement, beispielsweise einen Oxidationskatalysator, einen Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden, einen Partikelfilter, eine Dosier- und/oder eine Mischeinrichtung auf. Der Abgasturbolader weist eine in einem Abgasstrang angeordnete Turbine auf, welche durch einen den Abgasstrang durchströmenden Abgasstrom angetrieben wird. Die Turbine ist vorzugsweise über eine Welle mit einem Verdichter wirkverbunden, der in einem Ladeluftstrang zur Zuführung von Ladeluft zu der Brennkraftmaschine angeordnet ist. In vorteilhafter Weise ist zumindest ein Abgasnachbehandlungselement stromaufwärts der Turbine des Abgasturboladers angeordnet, wobei der Abgasstrom zunächst das Abgasnachbehandlungselement und danach die Turbine durchströmt. Dadurch ist es möglich, das Abgasnachbehandlungselement näher an der Brennkraftmaschine und damit in einer Umgebung mit höherer Temperatur anzuordnen, wodurch sich bei gegebenem Abgasmassenstrom eine höhere Dichte des Abgases am Ort des Abgasnachbehandlungselements ergibt. Hierdurch sinkt bei gegebenem Abgasmassenstrom der Abgasvolumenstrom. Dies ermöglicht eine kleinere Bauweise des Abgasnachbehandlungselements, da die reale Raumgeschwindigkeit in diesem, die als Quotient des Abgasvolumenstroms geteilt durch das Volumen des Abgasnachbehandlungselements berechnet wird, gleich bleibt, wenn der Abgasvolumenstrom und in gleichem Maße das Volumen des Abgasnachbehandlungselements abnehmen. Zugleich ermöglicht das höhere Temperaturniveau vor der Turbine eine größere Aktivität einer Beschichtung des Abgasnachbehandlungselements und/oder eine bessere Verdampfung von im Rahmen der Abgasnachbehandlung einzudosierenden Medien, beispielsweise eines Reduktionsmittels für die selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden. In diesem Zusammenhang ist es bei der entsprechenden Anordnung des Abgasnachbehandlungselements auch möglich, die Turbine des Abgasturboladers als Mischeinrichtung zur Durchmischung des Reduktionsmittels mit dem Abgasstrom zu nutzen. Insgesamt ist es so insbesondere möglich, die selektive Katalyse auch in niedrigen Lastpunkten der Brennkraftmaschine, in denen das Temperaturniveau des Abgases generell niedriger ist, einzusetzen.
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Nachteilig hieran ist, dass das wenigstens eine Abgasnachbehandlungselement eine hohe Wärmekapazität aufweist und damit dem Abgasstrom eine vergleichsweise große Wärmemenge stromaufwärts der Turbine entzieht. Damit steht insbesondere bei transienten Lastanforderungen an die Brennkraftmaschine weniger Enthalpie in der Turbine zur Verfügung. Das Hochlaufverhalten der Brennkraftmaschine ist verschlechtert, und es kommt zu Leistungseinbußen.
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Um der Turbine insbesondere in einem transienten Betriebszustand der Brennkraftmaschine die volle von dem Abgasstrom umfasste Enthalpie zur Verfügung stellen zu können, ist es bekannt, einen Bypass oder eine Umgehungsleitung um das Abgasnachbehandlungselement herum vorzusehen, durch welche das Abgasnachbehandlungselement quasi überbrückbar ist. Dabei ist in der Umgehungsleitung eine Ventileinrichtung angeordnet, mit der die Umgehungsleitung freigebbar oder sperrbar ist. Auf diese Weise ist es möglich, den Abgasstrom insbesondere in einem transienten Betriebszustand der Brennkraftmaschine um das Abgasnachbehandlungselement herum zu der Turbine zu leiten, sodass keine oder höchstens eine deutlich reduzierte Enthalpiemenge an das Abgasnachbehandlungselement abgegeben wird. Es ist allerdings möglich, dass die auf diese Weise der Turbine zur Verfügung gestellte Enthalpie nicht ausreicht, um ein gewünschtes Hochlaufverhalten oder eine gewünschte Transientfähigkeit der Brennkraftmaschine zu gewährleisten.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine zu schaffen, welche diese Nachteile nicht aufweist. Zugleich liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit welchem eine Brennkraftmaschine derart betreibbar ist, dass die genannten Nachteile nicht auftreten.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen wird. Diese ist gekennzeichnet durch eine Leistungsbereitstellungseinrichtung, die eingerichtet ist zur Bereitstellung von zusätzlicher Leistung für die Turbine in wenigstens einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine.
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Der Begriff „zusätzliche Leistung“ bedeutet einen Überschuss an Leistung, welcher der Turbine des Abgasturboladers über die in dem wenigstens einen Betriebszustand in dem Abgasstrom insbesondere stromaufwärts des Abgasnachbehandlungselements enthaltene Enthalpie hinaus zugeführt wird. Insoweit stellt beispielsweise ein Bypass um das Abgasnachbehandlungselement herum keine Leistungsbereitstellungseinrichtung dar, weil hier lediglich von dem Abgasstrom stromaufwärts des Abgasnachbehandlungselements umfasste Enthalpie an diesem vorbei zu der Turbine geleitet wird. Dabei wird jedoch dem Abgasturbolader nicht über eine in dem Abgasstrom stromaufwärts des Abgasnachbehandlungselements – ohne die Leistungsbereitstellungseinrichtung – zur Verfügung stehende Enthalpie hinaus zusätzliche Leistung zugeführt. Die Leistungsbereitstellungseinrichtung bewirkt also in dem wenigstens einen Betriebszustand der Brennkraftmaschine, in welchem sie Leistung bereitstellt, keine Umverteilung von Leistung, sondern vielmehr eine Zufuhr von Überschussleistung. Damit ist es möglich, den Enthalpieverlust in dem Abgasnachbehandlungselement auszugleichen, gegebenenfalls sogar überzukompensieren, wobei das Hochlaufverhalten der Brennkraftmaschine und deren Transientfähigkeit aufgrund der zusätzlich dem Abgasturbolader zugeführten Leistung verbessert wird. Die Brennkraftmaschine reagiert agiler auf transiente Lastanforderungen und läuft schneller hoch. Leistungseinbußen aufgrund der hohen Wärmekapazität des Abgasnachbehandlungselements können ausgeglichen oder überkompensiert werden.
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Es wird ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Leistungsbereistellungseinrichtung eingerichtet ist zur Bereitstellung von zusätzlicher Leistung für den Abgasturbolader in einem transienten Betriebszustand. Bei dem wenigstens einen Betriebszustand handelt es sich also insbesondere um einen transienten Betriebszustand, insbesondere bei transienter Lastanforderung an die Brennkraftmaschine. Gerade bei dieser Ausgestaltung verwirklicht sich der Vorteil eines verbesserten Hochlaufverhaltens sowie einer verbesserten Transientfähigkeit der Brennkraftmaschine. Die zusätzliche Leistung wird durch die Leistungsbereitstellungseinrichtung also bevorzugt in einem Betriebszustand bereitgestellt, in welchem sie besonders benötigt wird oder einen besonders großen Effekt in Hinblick auf eine Verbesserung des Lastverhaltens der Brennkraftmaschine insgesamt zeigt.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Leistungsbereitstellungseinrichtung einen Wärmespeicher aufweist, der eingerichtet ist zur Aufnahme von Wärme aus dem Abgas in wenigstens einem ersten Betriebszustand und zur Abgabe von Wärme an das Abgasnachbehandlungssystem und/oder an die Turbine in wenigstens einem zweiten Betriebszustand. Die zusätzliche Leistung für den Abgasturbolader wird in diesem Fall bereitgestellt, indem Wärme aus dem Wärmespeicher an das Abgasnachbehandlungssystem und/oder die Turbine abgegeben wird. Insbesondere ist es möglich, in dem wenigstens einen ersten Betriebszustand Enthalpie in dem Wärmespeicher zu speichern, die in dem wenigstens einen zweiten Betriebszustand, besonders bevorzugt in einem transienten Betriebszustand, an das Abgasnachbehandlungssystem und/oder die Turbine des Abgasturboladers abgegeben wird. Mithilfe des Wärmespeichers wird auf kostengünstige und energiesparende Weise in Betriebszuständen, in denen an dem Abgasturbolader keine zusätzliche Leistung benötigt wird, Wärme in dem Wärmespeicher gespeichert, die dann in Betriebszuständen, in denen zusätzliche Leistung an dem Abgasturbolader benötigt wird, wieder freigegeben werden kann. Damit steht dem Abgasturbolader insbesondere in dem transienten Betriebszustand mehr Enthalpie zur Verfügung, als sie der Abgasstrom in diesem Betriebszustand stromaufwärts des Abgasnachbehandlungselements ohne die Leistungsbereitstellungseinrichtung umfassen würde.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine ist der Wärmespeicher stromaufwärts des Abgasnachbehandlungselements vorgesehen. Er nimmt dabei in dem ersten Betriebszustand Wärme aus dem Abgas auf und speichert diese. Dabei wirkt er als zusätzliche Wärmekapazität zu der Wärmekapazität des Abgasnachbehandlungselements. Dies ist allerdings in dem ersten Betriebszustand nicht nachteilig, da hier keine hohe Leistung des Abgasturboladers gefordert ist, wobei die stromabwärts des Wärmespeichers und des Abgasnachbehandlungselements noch von dem Abgasstrom umfasste Enthalpie ausreicht, um den Abgasturbolader in hinreichender Weise zu betreiben. In dem zweiten Betriebszustand, vorzugsweise in einem transienten Betriebszustand der Brennkraftmaschine, gibt der Wärmespeicher die gespeicherte Wärme zumindest teilweise an den Abgasstrom wiederum ab, wodurch das Abgas aufgeheizt wird, bevor es das Abgasnachbehandlungselement passiert. Aufgrund der hohen Wärmekapazität des Abgasnachbehandlungselements geht hier zwar wiederum Wärme verloren, gleichwohl kommt noch eine ausreichende Wärmemenge an der Turbine an. Außerdem zeigt sich, dass aufgrund des dann höheren Temperaturniveaus des Abgasnachbehandlungselements von der nachfolgenden Abgasströmung eine geringere Wärmemenge entnommen wird, wodurch so insgesamt eine größere Wärmemenge zu der Turbine gelangt und dort nutzbar gemacht werden kann.
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Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass der Wärmespeicher stromabwärts des Abgasnachbehandlungselements und stromaufwärts der Turbine angeordnet ist. In diesem Fall wird die durch den Wärmespeicher in dem zweiten Betriebszustand, insbesondere in dem transienten Betriebszustand der Brennkraftmaschine, abgegebene Wärmemenge dem Abgas stromabwärts des Abgasnachbehandlungselements zugeführt, wobei das derart aufgeheizte Abgas bevorzugt unmittelbar der Turbine zugeführt wird. Daher steht die zusätzliche Leistung in diesem Fall gleich in vollem Umfang für die Turbine zur Verfügung, vorzugsweise ohne dass ein weiteres Element zwischengeschaltet ist, welches zunächst aufgeheizt werden müsste. Dieses Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine spricht daher besonders schnell bei einer Lastanforderung an und zeigt ein besonders günstiges Hochlaufverhalten.
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Bevorzugt ist es möglich, dass der Wärmespeicher mit Wärme beladen wird, wenn die Brennkraftmaschine unter Volllast läuft. Der Abgasstrom ist in diesem Betriebszustand besonders heiß, sodass eine große Wärmemenge an den Wärmespeicher abgegeben werden kann. Diese Wärmemenge kann in anderen Betriebszuständen, insbesondere in transienten Betriebszuständen, die eine geringere Abgastemperatur aufweisen, wieder an den Abgasstrom abgegeben werden.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine ist vorgesehen, dass der Wärmespeicher ein Phasenwechselmaterial aufweist. Ein solcher Wärmespeicher wird auch als Latentwärmespeicher bezeichnet. Ein Phasenwechselmaterial kann besonders große Wärmemengen im Bereich seines zur Speicherung ausgewählten Phasenübergangs, typischerweise eines fest/flüssig-Phasenübergangs, speichern. Dabei ist es insbesondere möglich, dass die Wärme in Form von Gitterenergie oder Kristallisationswärme gespeichert wird, wobei das Phasenwechselmaterial während der Wärmespeicherung verflüssigt wird und Gitterenergie aufnimmt. Es gibt Wärme ab, wenn es wieder auskristallisiert.
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Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass als Wärmespeicher ein chemischer Wärmespeicher verwendet wird, welcher bevorzugt die Enthalpie einer reversiblen chemischen Reaktion ausnutzt, beispielsweise die Reaktionsenthalpie eines auf Chemiesorption beruhenden Absorptions- und Desorptionsprozesses. Dabei ist es besondere bevorzugt möglich, dass ein thermochemischer Wärmespeicher verwendet wird. Der Wärmespeicher weist in diesem Fall bevorzugt ein thermochemisches Material auf.
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Es ist möglich, dass zeitlich zwischen einem Betriebszustand, in welchem der Wärmespeicher geladen wird, insbesondere bei Volllast, und einem Betriebszustand, in welchem bestimmungsgemäß Wärme aus dem Wärmespeicher entnommen wird, Betriebszustände liegen, in denen weder Wärme an den Wärmespeicher abgegeben werden kann, noch Wärme aus diesem entnommen werden soll. Beispielsweise ist es möglich, dass auf einen Volllastbetrieb der Brennkraftmaschine ein Schwachlast-, Teillast- oder Leerlaufbetrieb folgt, in welchem es keiner zusätzlichen Leistung für den Abgasturbolader bedarf, und wobei andererseits die Abgastemperatur nicht ausreicht, um den Wärmespeicher weiter zu laden.
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Für einen solchen Fall ist bevorzugt vorgesehen, dass der Wärmespeicher mittels einer vorzugsweise abgastemperaturgeführten Steuerungseinrichtung von dem Abgasstrom thermisch isolierbar ist. Auf diese Weise ist es möglich, die gespeicherte Wärme zwischenzuspeichern und nicht etwa an das Abgas mit niedrigerem Temperaturniveau abzugeben. Die Steuerungseinrichtung ist vorzugsweise eingerichtet, um die thermische Isolation des Wärmespeichers aufzuheben, wenn entweder ein Betriebszustand vorherrscht, in welchem der Wärmespeicher weitergeladen werden kann, insbesondere also bei einer Abgastemperatur, welche einen vorherbestimmten Schwellwert überschreitet, oder in einem transienten Betriebszustand, in dem die zusätzliche Wärmemenge in dem Abgas benötigt wird, um sie dem Abgasturbolader zur Verfügung zu stellen.
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Die Steuerungseinrichtung ist hierzu vorzugsweise mit einem Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine wirkverbunden, in das Motorsteuergerät implementiert, oder als Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine (Engine Control Unit – ECU) ausgebildet.
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Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass der Wärmespeicher als metastabiler Wärmespeicher ausgebildet ist. In diesem Fall bleibt die in dem Speicher gespeicherte Wärme auch bei einem Temperaturgefälle zwischen dem Wärmespeicher und dem Abgasstrom in dem Wärmespeicher gespeichert, bis ein Auslöseereignis aktiviert wird. Insbesondere weist ein solcher metastabiler Wärmespeicher vorzugsweise ein Phasenwechselmaterial auf, welches in einem Zustand mit hohem Enthalpieinhalt metastabil ist. Beispielsweise ist es möglich, dass das Phasenwechselmaterial in dem metastabilen Zustand flüssig ist, wobei eine Kristallisation nicht spontan einsetzt, sondern nur nach Aktivierung des Auslöseereignisses. Als Auslöseereignis kann beispielsweise das Knicken eines Metallplättchens vorzugsweise in Kontakt mit dem Phasenwechselmaterial verwendet werden. Insoweit weist der Wärmespeicher vorzugsweise ein Aktivierungselement, besonders bevorzugt ein knickbares Metallplättchen auf. Eine Kristallisation in dem Phasenwechselmaterial wird in diesem Fall ausgelöst entweder durch Schallwellen aufgrund des Knickens, oder durch Freisetzen von Kristallisationskeimen aus dem geknickten Plättchen.
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Ein solcher metastabiler Wärmespeicher ist vorzugsweise mit einer Steuerungseinrichtung wirkverbunden, die eingerichtet ist zur Aktivierung des Auslöseereignisses in dem wenigstens einen Betriebszustand, insbesondere in einem transienten Betriebszustand, um die Wärme aus dem Wärmespeicher freizusetzen. Die Steuerungseinrichtung ist wiederum vorzugsweise mit einem Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine wirkverbunden, in das Motorsteuergerät integriert oder als Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine ausgebildet.
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Vorteilhaft an der Ausgestaltung des Wärmespeichers als metastabiler Wärmespeicher ist, dass auf eine Isolation gegenüber dem Abgasmassenstrom, insbesondere auf eine schaltbare Isolation, verzichtet werden kann.
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Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass der Wärmespeicher als sensibler Wärmespeicher ausgebildet ist, der wärmetemperaturgradientengeführt Wärme speichert und/oder abgibt. Hierbei regelt sich die Aufnahme und -abgabe von Wärme in beziehungsweise aus dem Wärmespeicher selbst, sodass ein solches Ausführungsbeispiel sehr einfach und kostengünstig ist.
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Es wird Folgendes deutlich: Bei einem Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine erfolgt die Wärmeabgabe aus dem Wärmespeicher gesteuert, insbesondere abhängig von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine und/oder der Abgastemperatur. Alternativ ist vorgesehen, dass die Wärmespeicherung und/oder die Wärmeabgabe in definierten Temperaturbereichen des Wärmespeichers und des Abgasstroms erfolgt. Insbesondere sind in diesem Fall bevorzugt definierte Temperaturbereiche für einen Phasenwechsel eines Phasenwechselmaterials vorgegeben, welches der Wärmespeicher aufweist. Die Wärmeabgabe oder Wärmespeicherung erfolgt dann bevorzugt abhängig von einem Temperaturgradienten zwischen dem Wärmespeicher einerseits und dem Abgasstrom andererseits.
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Der Wärmespeicher ist auch dann, wenn er stromaufwärts des Abgasnachbehandlungselements vorgesehen ist, nicht nachteilig für dessen Funktion, weil das Temperaturniveau stromaufwärts der Turbine viel höher ist als stromabwärts derselben. Daher steht auch stromabwärts des Wärmespeichers und stromaufwärts der Turbine genügend Wärme für eine hinreichende Funktion des Abgasnachbehandlungselements in dem Abgasstrom zur Verfügung.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Leistungsbereitstellungseinrichtung eine Zufuhreinrichtung zur Zufuhr von Energie und/oder Enthalpie aufweist, die nicht aus dem Abgasstrom stammt. Insofern ist die Zufuhreinrichtung bevorzugt eingerichtet zur Zufuhr externer Energie oder Enthalpie. Auf diese Weise ist es möglich, beispielsweise mechanische Energie der Brennkraftmaschine, mechanische oder elektrische Energie eines der Brennkraftmaschine zugeordneten Elements, beispielsweise eines Elektromotors, oder chemische Energie eines Brennstoffs in einem separaten Brenner, oder elektrische Energie in einem separaten Heizer für den Abgasturbolader nutzbar zu machen, ohne dass es zuvor einer Abzweigung von Leistung aus dem Abgasstrom bedarf. Selbstverständlich kann eine solche Zufuhreinrichtung auch mit einer Einrichtung kombiniert werden, die in einem Betriebszustand Leistung aus dem Abgasstrom abzweigt um sie ihm in einem anderen Betriebszustand wieder zuzuführen.
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Es wird ein Ausführungsbespiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Leistungsbereitstellungseinrichtung eine elektrische Maschine aufweist, die zur Bereitstellung von mechanischer Leistung an dem Abgasturbolader in dem wenigstens einen Betriebszustand eingerichtet ist. Auf diese Weise ist es sowohl schnell als auch einfach und kostengünstig möglich, dem Abgasturbolader zusätzliche Leistung zur Verfügung zu stellen. Die zusätzliche Leistung wird dabei von der Leistungsbereitstellungseinrichtung bereitgestellt, indem von der elektrischen Maschine mechanische Leistung erzeugt wird, welche dem Abgasturbolader zugeführt wird.
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Es ist bei einem Ausführungsbeispiel möglich, dass mit der Turbine des Abgasturboladers ein Elektromotor wirkverbunden ist, durch welchen der Turbolader antreibbar ist. Dieser kann in dem wenigstens einen Betriebszustand bestromt werden, um den Turbolader anzutreiben. Dabei handelt es sich um eine besonders einfache Ausgestaltung der Brennkraftmaschine.
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Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, dass eine elektrische Maschine in den Antriebsstrang der Brennkraftmaschine integriert ist, wobei beispielsweise ein diesel-elektrischer Antriebsstrang oder ein hybridisierter Antriebsstrang vorgesehen ist. Bei einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine des Antriebsstrangs mechanisch mit dem Abgasturbolader, insbesondere mit der Turbine, zu dessen Antrieb wirkverbunden ist. Alternativ ist bevorzugt vorgesehen, dass die elektrische Maschine des Antriebsstrangs elektrisch mit einem an dem Abgasturbolader, insbesondere an der Turbine oder auf der Welle vorgesehenen Elektromotor verbunden ist, sodass von der elektrischen Maschine erzeugte elektrische Energie dem Elektromotor des Turboladers zuführbar ist, wodurch diesem durch den Elektromotor mechanische Leistung zugeführt wird.
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Es ist möglich, dass die elektrische Maschine des Antriebsstrangs eingerichtet ist zur Bereitstellung von zusätzlicher Leistung in einem Rekuperations- und/oder Generatorbetrieb. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die elektrische Maschine durch die Brennkraftmaschine antreibbar ist, sodass sie elektrische Energie beziehungsweise Leistung erzeugt, welche dem Abgasturbolader als zusätzliche Leistung zugeführt werden kann. Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, dass sich dadurch auszeichnet, dass die elektrische Maschine mit einem Speicher für elektrische Energie verbunden ist. Auf diese Weise ist in dem wenigstens einen Betriebszustand elektrische Energie aus dem Speicher entnehmbar und durch die elektrische Maschine in mechanische Leistung wandelbar. Damit ist es möglich, die Speicherung von Energie zeitlich von deren Bereitstellung zur Zuführung zusätzlicher Leistung an den Abgasturbolader zu entkoppeln. In diesem Zusammenhang ist es möglich, dass die mit dem Speicher verbundene elektrische Maschine als mit dem Abgasturbolader wirkverbundener Elektromotor ausgebildet ist. Alternativ ist es möglich, dass die elektrische Maschine in den Antriebsstrang der Brennkraftmaschine integriert und mechanisch mit dem Abgasturbolader, insbesondere mit der Turbine, wirkverbunden ist.
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Besonders bevorzugt wird allerdings ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine, bei welchem eine erste elektrische Maschine in den Antriebsstrang integriert ist, wobei eine zweite elektrische Maschine als Elektromotor mit dem Abgasturbolader wirkverbunden ist. Bevorzugt ist die zweite elektrische Maschine unmittelbar auf einer Welle des Abgasturboladers angeordnet oder durch ein Getriebe mit dieser verbunden. Die erste elektrische Maschine und die zweite elektrische Maschine sind vorzugsweise beide mit einem Speicher für elektrische Energie, vorzugsweise mit demselben Speicher, verbunden. Es ist dann möglich, dass die von der ersten elektrischen Maschine erzeugte elektrische Energie insbesondere in Betriebszuständen, in denen die erste elektrische Maschine als Generator wirkt und/oder Energie rekuperiert, in dem Speicher gespeichert wird. In einem Betriebszustand, in dem zusätzliche Leistung für den Abgasturbolader bereitgestellt werden soll, ist es möglich, die elektrische Energie aus dem Speicher zu entnehmen und der zweiten elektrischen Maschine zum Antrieb des Turboladers zuzuführen. Durch den Speicher ist es zugleich möglich, dass in demselben Betriebszustand die erste elektrische Maschine zur Unterstützung der Brennkraftmaschine als Elektromotor betrieben wird. Diese muss dann nämlich nicht als Generator wirken, weil die elektrische Energie für den Abgasturbolader aus dem Speicher entnommen und nicht unmittelbar durch die erste elektrische Maschine erzeugt wird.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Leistungsbereitstellungseinrichtung eine mechanische Verbindung zwischen einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und dem Abgasturbolader aufweist. In diesem Fall ist in dem wenigstens einen Betriebszustand der Kurbelwelle mechanische Leistung entnehmbar und als zusätzliche Leistung dem Abgasturbolader zuführbar. Bevorzugt ist dabei der Abgasturbolader, insbesondere die Turbine und/oder die Welle des Abgasturboladers, über ein Getriebe, insbesondere ein mechanisches oder hydraulisches Getriebe, mit der Kurbelwelle mechanisch verbunden. Dies entspricht einer umgekehrten Turbo-Compound-Konfiguration, bei welcher üblicherweise ein Drehmoment von dem Abgasturbolader oder einer Nutzturbine über eine mechanische Wirkverbindung der Kurbelwelle zuführbar ist.
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Bevorzugt ist eine Kupplungseinrichtung vorgesehen, mit welcher die mechanische Verbindung geöffnet und geschlossen werden kann. Vorzugsweise ist eine Steuerungseinrichtung vorgesehen, die eingerichtet ist zum Öffnen und Schließen der mechanischen Verbindung, insbesondere abhängig von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine in einem Betriebszustand mechanische Leistung entzogen wird, indem es keiner Zufuhr zusätzlicher Leistung an den Abgasturbolader bedarf. Die mechanische Verbindung wird demnach bevorzugt nur in einem Betriebszustand geschlossen, in welchem dem Abgasturbolader zusätzliche Leistung zugeführt werden soll, insbesondere in einem transienten Betriebszustand.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die mechanische Verbindung als schaltbare Turbo-Compound-Einrichtung ausgebildet ist, sodass einerseits in einem Betriebszustand, in welchem dem Abgasturbolader zusätzliche Leistung zur Verfügung gestellt werden soll, diese der Kurbelwelle entnommen werden kann, wobei in einem anderen Betriebszustand, in welchem dem Abgasturbolader keine zusätzliche Leistung zugeführt werden soll, ein umgekehrter Leistungsfluss verwirklicht wird, nämlich ein Leistungsfluss im Sinne einer herkömmlichen Turbo-Compound-Einrichtung, wobei der Kurbelwelle zusätzliche Leistung von dem Abgasturbolader zugeführt wird.
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Allgemein wird ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, bei welchem die mechanische Verbindung abhängig von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine zur Beeinflussung eines Leistungsflusses schaltbar ist. Hierzu kann beispielsweise ein schaltbares Getriebe vorgesehen sein. Bevorzugt weist die Brennkraftmaschine eine Steuerungseinrichtung auf, die eingerichtet ist zum betriebspunktabhängigen Schalten der mechanischen Verbindung, um den Leistungsfluss zwischen dem Abgasturbolader und der Kurbelwelle zu beeinflussen. Vorzugsweise wird hierbei in stationären Betriebszuständen ein Leistungsfluss von dem Abgasturbolader zur Kurbelwelle realisiert, wobei in transienten Betriebszuständen, insbesondere bei einem Hochlaufen der Brennkraftmaschine, ein umgekehrter Leistungsfluss von der Kurbelwelle zu dem Abgasturbolader verwirklicht wird.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Leistungsbereitstellungseinrichtung eine Dosiereinrichtung für einen Brennstoff stromaufwärts des Abgasnachbehandlungselements aufweist. Durch die Zudosierung des Brennstoffs ist dem Abgasstrom zusätzliche Exothermie zuführbar, sodass dem Abgasturbolader eine größere Wärmemenge zugeführt wird. Eine solche Dosiereinrichtung ist besonders einfach und kostengünstig in den Abgasstrang integrierbar und darüber hinaus besonders einfach ansteuerbar.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Abgasnachbehandlungselement vorzugsweise als Oxidationskatalysator ausgebildet oder zumindest bereichsweise mit einem oxidativ katalytisch wirkenden Material beschichtet. Der eindosierte Brennstoff wird dann in dem Oxidationskatalysator oder an dem oxidativ katalytisch wirkenden Material umgesetzt, wodurch Reaktionswärme frei wird, durch welche das Abgas aufgeheizt wird. Als Brennstoff wird vorzugsweise derselbe Brennstoff verwendet, der auch zum Betrieb der Brennkraftmaschine eingesetzt wird.
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Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass Exothermie durch späte Einspritzung von Brennstoff in einen Brennraum der Brennkraftmaschine bereitgestellt wird. Der derart eingespritzte Brennstoff wird zumindest teilweise nicht mehr in dem Brennraum verbrannt, sondern ausgestoßen und schließlich in dem Oxidationskatalysator oder an dem oxidativ katalytisch wirkenden Material umgesetzt. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass auf eine separate Dosierungseinrichtung verzichtet werden kann, wobei vielmehr eine ohnehin vorgesehene Dosier- oder Injektionseinrichtung im Bereich des Brennraums einsetzbar ist. Eine separate Dosiereinrichtung stromaufwärts des Abgasnachbehandlungselements in dem Abgasstrang ist jedoch vorteilhaft, weil der zusätzlich eingebrachte Brennstoff hierdurch genauer dosierbar und effizienter nutzbar ist.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Leistungsbereitstellungseinrichtung ein Heizelement zur Bereitstellung von Wärme in dem Abgas aufweist. Das Heizelement kann bevorzugt als Brenner oder als elektrischer Heizer ausgebildet sein. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist es direkt an dem Abgasnachbehandlungselement, bevorzugt an einem Katalysator, insbesondere an einem Oxidationskatalysator, vorgesehen. Als Brennstoff für den Brenner wird vorzugsweise derselbe Brennstoff verwendet, der auch zum Betrieb der Brennkraftmaschine eingesetzt wird.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Leistungsbereitstellungseinrichtung einen Druckluftspeicher aufweist, durch den – vorzugsweise mittels eines Ventilelements bedarfsgerecht schaltbar – Druckluft in den Abgasstrom einbringbar ist. Auf diese Weise kann die Turbine des Abgasturboladers bei Bedarf zusätzlich angeblasen werden. Alternativ oder zusätzlich weist die Leistungsbereitstellungseinrichtung bevorzugt einen Kompressor auf, durch den Druckluft in den Abgasstrom einbringbar ist. Der Kompressor wird bevorzugt durch die Brennkraftmaschine mittels mechanischer oder elektrischer Wirkverbindung angetrieben.
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Die Leistungsbereitstellungseinrichtung ist vorzugsweise abhängig von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine zur Bereitstellung von Leistung ansteuerbar. Insbesondere ist es möglich, die Leistungsbereitstellungseinrichtung in einem Betriebszustand zu aktivieren oder zur Abgabe von Leistung zu veranlassen, in dem zusätzliche Leistung benötigt wird, und sie zu deaktivieren, wenn keine zusätzliche Leistung benötigt wird. Auf diese Weise sind besonders bevorzugt der Wärmespeicher, der elektrische Speicher und/oder die elektrische Maschine, die mechanische Verbindung zwischen der Kurbelwelle und dem Abgasturbolader, die Dosiereinrichtung, das Heizelement, der Druckluftspeicher und/oder der Kompressor ansteuer- beziehungsweise schaltbar.
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Schließlich wird ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass das Abgasnachbehandlungselement als Oxidationskatalysator, als Katalysator für eine selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden (SCR-Katalysator), als Partikelfilter, als Dosiereinrichtung für ein Agens, oder als Mischeinrichtung zur Durchmischung eines Agens mit dem Abgasstrom ausgebildet ist. Ein Agens kann beispielsweise ein Reduktionsmittel, insbesondere eine Harnstoff-Wasser-Lösung oder Ammoniak, sein. Das Agens kann auch ein Kohlenwasserstoff oder ein Kohlenwasserstoffgemisch sein. Auch eine Kombination der genannten Elemente stromaufwärts der Turbine ist möglich. Insbesondere ein Oxidationskatalysator und ein SCR-Katalysator profitieren von dem höheren Temperaturniveau im Abgas, welches stromaufwärts der Turbine zur Verfügung steht.
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Es zeigt sich auch, dass die verschiedenen, hier gemäß einzelner Ausführungsbeispiele dargestellten Ausgestaltungen der Leistungsbereitstellungseinrichtung miteinander kombiniert werden können. Dabei ist es sehr wohl möglich, dass die Brennkraftmaschine mehr als eine Leistungsbereitstellungseinrichtung aufweist. Hierbei können sich gegebenenfalls betriebspunktabhängig die einzelnen Leistungsbereitstellungseinrichtungen ersetzen oder ergänzen, oder sie können kumulativ gemeinsam eine große Menge zusätzlicher Leistung für den Abgasturbolader bereitstellen.
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Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Brennkraftmaschine in einem Personenkraftwagen oder einem Nutzfahrzeug, beispielsweise einem Lastkraftwagen, vorzugsweise zu dessen Antrieb, vorgesehen. Bei einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel dient die Brennkraftmaschine dem Antrieb insbesondere schwerer Land- oder Wasserfahrzeuge, beispielsweise von Minenfahrzeugen, Zügen, wobei die Brennkraftmaschine in einer Lokomotive oder einem Triebwagen eingesetzt wird, oder von Schiffen. Auch ein Einsatz der Brennkraftmaschine zum Antrieb eines der Verteidigung dienenden Fahrzeugs, beispielsweise eines Panzers, ist möglich. Ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine wird vorzugsweise auch stationär, beispielsweise zur stationären Energieversorgung im Notstrombetrieb, Dauerlastbetrieb oder Spitzenlastbetrieb eingesetzt, wobei die Brennkraftmaschine in diesem Fall vorzugsweise einen Generator antreibt. Auch eine stationäre Anwendung der Brennkraftmaschine zum Antrieb von Hilfsaggregaten, beispielsweise von Feuerlöschpumpen auf Bohrinseln, ist möglich. Weiterhin ist eine Anwendung der Brennkraftmaschine im Bereich der Förderung fossiler Roh- und insbesondere Brennstoffe, beispielswiese Öl und/oder Gas, möglich. Auch eine Verwendung der Brennkraftmaschine im industriellen Bereich oder im Konstruktionsbereich, beispielsweise in einer Konstruktions- oder Baumaschine, zum Beispiel in einem Kran oder einem Bagger, ist möglich. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Dieselmotor, als Benzinmotor, als Gasmotor zum Betrieb mit Erdgas, Biogas, Sondergas oder einem anderen geeigneten Gas, ausgebildet. Insbesondere wenn die Brennkraftmaschine als Gasmotor ausgebildet ist, ist sie für den Einsatz in einem Blockheizkraftwerk zur stationären Energieerzeugung geeignet.
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Es zeigt sich, dass die hier beschriebene Ausgestaltung der Brennkraftmaschine mit der Leistungsbereitstellungseinrichtung gerade auch bei stationär betriebenen Brennkraftmaschinen, beispielsweise zur Notstromversorgung, günstig ist. Insbesondere beim Anspringen der Notstromversorgung muss eine solche Brennkraftmaschine sehr schnell in transientem Betrieb hochlaufen, wobei es vorteilhaft ist, wenn dem Abgasturbolader zusätzliche Leistung zur Verfügung gestellt werden kann.
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Generell steigt aufgrund der zusätzlich am Abgasturbolader zur Verfügung stehenden Leistung der Ladedruck, wodurch auch mehr Brennstoff und insgesamt eine größere Frischladung in Brennräume der Brennkraftmaschine einbringbar sind. Hierdurch kann die Brennkraftmaschine selbst schneller und mehr Leistung abgeben.
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Es zeigt sich, dass das Abgasnachbehandlungssystem bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel nur einen Oxidationskatalysator aufweist. Bei einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das Abgasnachbehandlungssystem einen Oxidationskatalysator und einen SCR-Katalysator auf. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass das Abgasnachbehandlungssystem einen Partikelfilter aufweist.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine ist der Abgasturbolader einstufig ausgebildet. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist der Abgasturbolader bevorzugt mehrstufig, insbesondere zweistufig ausgebildet, wobei er besonders bevorzugt eine Hochdruckturbine und eine Niederdruckturbine aufweist, wobei die Hochdruckturbine einen Hochdruckverdichter antreibt, und wobei die Niederdruckturbine einen Niederdruckverdichter antreibt.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 14 geschaffen wird. Das Verfahren wird bevorzugt durchgeführt zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele. Bei der Brennkraftmaschine ist mindestens ein Abgasnachbehandlungselement stromaufwärts einer Turbine eines Abgasturboladers vorgesehen. Im Rahmen des Verfahrens wird dem Abgasturbolader in wenigstens einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine zusätzliche Leistung mittels einer Leistungsbereitstellungseinrichtung zugeführt. Bevorzugt wird dabei wenigstens eines der zuvor erläuterten Ausführungsbeispiele einer Leistungsbereitstellungseinrichtung in einer der zuvor erläuterten Weisen verwendet. Auch eine Kombination verschiedener Leistungsbereitstellungseinrichtungen ist möglich.
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Es wird ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass dem Abgasturbolader in einem transienten Betriebszustand der Brennkraftmaschine zusätzliche Leistung mittels der Leistungsbereitstellungseinrichtung zugeführt wird.
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Im Rahmen des Verfahrens ergeben sich die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine erläutert wurden.
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Die Beschreibung der Brennkraftmaschine einerseits und des Verfahrens andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Vorzugsweise sind Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine erläutert wurden, einzeln oder miteinander kombiniert Schritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Dieses zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens einen Verfahrensschritt aus, der durch wenigstens ein Merkmal der Brennkraftmaschine bedingt ist. In analoger Weise sind Merkmale der Brennkraftmaschine, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden, bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine. Diese zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens ein Merkmal aus, welches durch wenigstens einen Verfahrensschritt des Verfahrens bedingt ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine;
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2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine;
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3 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine;
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4 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine;
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5 eine schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine;
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6 eine schematische Darstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine, und
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7 eine schematische Darstellung eines siebten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine 1. Diese weist ein Abgasnachbehandlungssystem 3 – in Strömungsrichtung des Abgases gesehen – stromabwärts eines Motorbereichs 5 der Brennkraftmaschine 1 auf. Das Abgasnachbehandlungssystem 3 weist wenigstens ein Abgasnachbehandlungselement 7 auf, welches stromaufwärts einer Turbine 9 eines Abgasturboladers 11 angeordnet ist.
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Durch die hohe Wärmekapazität des Abgasnachbehandlungselements 7 steht in einem transienten Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 eine verringerte Enthalpie in der Turbine 9 zum Antrieb des Abgasturboladers 11 zur Verfügung.
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Um dies auszugleichen und das Hochlaufverhalten der Brennkraftmaschine 1 zu verbessern, weist diese eine Leistungsbereitstellungseinrichtung 13 auf, die eingerichtet ist zur Bereitstellung von zusätzlicher Leistung für den Abgasturbolader in wenigstens einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1, insbesondere in einem transienten Betriebszustand, besonders beim Hochlaufen der Brennkraftmaschine 1.
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Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Leistungsbereitstellungseinrichtung 13 einen Wärmespeicher 15 auf. Dieser ist hier stromaufwärts des Abgasnachbehandlungselements 7 und stromabwärts des Motorbereichs 5 angeordnet. Alternativ ist es bei einem anderen Ausführungsbeispiel möglich, dass der Wärmespeicher 15 stromabwärts des Abgasnachbehandlungselements 7 und stromaufwärts der Turbine 9 angeordnet ist. In dem Wärmespeicher 15 ist in stationären Betriebszuständen der Brennkraftmaschine 1, insbesondere unter Volllast, Wärme speicherbar, welche in einem transienten Betriebszustand aus dem Wärmespeicher 15 an den Abgasstrom abgebbar ist, sodass zusätzliche Enthalpie in der Turbine 9 zur Verfügung steht.
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Es ist möglich, dass der Wärmespeicher 15 als sensibler Wärmespeicher oder als schaltbarer Wärmespeicher ausgebildet ist. Bevorzugt weist der Wärmespeicher 15 ein Phasenwechselmaterial auf, wobei er besonders bevorzugt als metastabiler Wärmespeicher 15 mit einem metastabilen Phasenwechselmaterial ausgestaltet ist.
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Vorzugsweise ist eine Steuerungseinrichtung 17 vorgesehen, durch welche eine Wärmeabgabe aus dem Wärmespeicher 15 insbesondere abhängig von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 steuerbar ist.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Die Leistungsbereitstellungseinrichtung 13 weist hier eine elektrische Maschine 19 auf, die in einen hybriden Antriebsstrang der Brennkraftmaschine 1 integriert und eingerichtet ist, um Antriebsleistung an einen Verbraucher 21, beispielsweise einen Fahrmotor eines Kraftfahrzeugs, abzugeben. Die elektrische Maschine 19 ist mit einem Speicher 23 für elektrische Energie wirkverbunden. Der Speicher 23 ist bevorzugt als Akkumulator oder Batterie ausgebildet. Dabei ist es möglich, dass die elektrische Maschine 19 in einem Rekuperations- und/oder Generatorbetrieb elektrische Energie erzeugt, die in dem Speicher 23 gespeichert werden kann. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass dem Speicher 23, der vorzugsweise auch extern geladen werden kann, elektrische Energie entnehmbar und der elektrischen Maschine 19 zuführbar ist, wobei diese dann als Elektromotor betrieben wird. Im Generatorbetrieb wird die elektrische Maschine 19 vorzugsweise von dem Motorbereich 5 der Brennkraftmaschine 1 angetrieben.
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Der Abgasturbolader 11 weist vorzugsweise einen Elektromotor 25 auf, durch den er antreibbar ist. Auf diese Weise kann die Funktion des Abgasturboladers 11 durch den Elektromotor 25 unterstützt werden. Die zum Betrieb des Elektromotors 25 nötige elektrische Energie wird vorzugsweise aus dem Speicher 23 und/oder von der elektrischen Maschine 19 bereitgestellt. Auf diese Weise kann dem Abgasturbolader 11 zusätzliche Leistung zur Verfügung gestellt werden, insbesondere in einem transienten Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1, sodass deren Hochlaufverhalten verbessert wird. Der Elektromotor 25, der Speicher 23 und die elektrische Maschine 19 bilden bei diesem Ausführungsbeispiel eine Zufuhreinrichtung 26 für externe Energie, die nicht zuvor dem Abgasstrom entnommen wurde.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Die Leistungsbereitstellungseinrichtung 13 weist hier eine mechanische Verbindung 27 zwischen einer Kurbelwelle 29 der Brennkraftmaschine 1 und dem Abgasturbolader 11 auf. Der Abgasturbolader 11 weist dabei bevorzugt die Turbine 9 auf, welche über eine Welle 31 mit einem Verdichter 33 verbunden ist, wobei der Verdichter 33 durch die Turbine 9 vermittelt über die Welle 31 antreibbar ist. Die mechanische Verbindung 27 ist bevorzugt als Turbo-Compound-Verbindung ausgebildet, wobei hier mechanische Leistung von der Kurbelwelle 29 über die mechanische Verbindung 27 der Welle 31 und damit dem Abgasturbolader 11 zuführbar ist. Auf diese Weise kann das Hochlaufverhalten der Brennkraftmaschine 1 insbesondere in transienten Betriebszuständen verbessert werden. Die mechanische Verbindung 27 bildet bei diesem Ausführungsbeispiel eine Zufuhreinrichtung 26 für externe Energie, die nicht zuvor dem Abgasstrom entnommen wurde.
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Es ist möglich, dass zusätzlich eine Turbo-Compound-Verbindung vorgesehen ist, durch welche in anderen Betriebszuständen mechanische Energie von dem Abgasturbolader 11 an die Kurbelwelle 29 abgebbar ist. Besonders bevorzugt ist allerdings die mechanische Verbindung 27 abhängig von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 schaltbar ausgebildet, wodurch ein Leistungsfluss zwischen der Kurbelwelle 29 und dem Abgasturbolader 11 beeinflussbar ist.
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Hierfür ist bevorzugt die Steuerungseinrichtung 17 vorgesehen, durch welche die mechanische Verbindung 27 abhängig von dem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 1 derart umschaltbar ist, dass entweder mechanische Leistung von dem Abgasturbolader 11 zu der Kurbelwelle 29 oder in umgekehrter Richtung fließt.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Stromaufwärts des Abgasnachbehandlungselements 7 und stromabwärts des Motorbereichs 5 ist hier eine Dosiereinrichtung 35 für einen Brennstoff vorgesehen, die eingerichtet ist zum Einbringen des Brennstoffs in den Abgasstrom. Bevorzugt wird dabei derselbe Brennstoff verwendet, der auch zum Betrieb der Brennkraftmaschine 1 eingesetzt wird, insbesondere Benzin, Diesel, ein Gas, insbesondere Erdgas, Biogas oder Sondergas, oder ein Schweröl, insbesondere marines Rückstandsöl. Der Brennstoff wird in dem Abgasnachbehandlungselement 7 umgesetzt, insbesondere oxidiert, wobei Reaktionswärme frei wird, welche als zusätzliche Leistung in der Turbine 9 zur Verfügung steht. Dabei ist das Abgasnachbehandlungselement 7 in diesem Fall bevorzugt als Oxidationskatalysator ausgebildet oder mit einem oxidativ katalytisch wirkenden Material beschichtet. Die Dosiereinrichtung 35 bildet bei diesem Ausführungsbeispiel eine Zufuhreinrichtung 26 für externe Energie, die nicht zuvor dem Abgasstrom entnommen wurde.
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Dabei ist die Leistungsbereitstellungseinrichtung 13 hier als Heizelement 37 ausgebildet, beispielsweise als Brenner oder als elektrischer Heizer. Es ist möglich, dass das Heizelement 37 – wie hier dargestellt – stromaufwärts des Abgasnachbehandlungselements 7 angeordnet ist. Alternativ ist es möglich, dass es stromabwärts des Abgasnachbehandlungselements 7 angeordnet ist. Es ist auch möglich, dass das Heizelement 37 unmittelbar mit dem Abgasnachbehandlungselement 7 verbunden oder in dem Abgasnachbehandlungselement 7 angeordnet ist, um dieses und damit zumindest mittelbar das darin strömende Abgas zu heizen. Das Heizelement 37 bildet bei diesem Ausführungsbeispiel eine Zufuhreinrichtung 26 für externe Energie, die nicht zuvor dem Abgasstrom entnommen wurde.
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6 zeigt eine schematische Darstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Dabei ist die Leistungsbereitstellungseinrichtung 13 hier als Druckluftspeicher 39 ausgebildet. Dieser ist über ein Ventilelement 41 schaltbar mit dem Abgasstrom in Fluidverbindung. Mithilfe des Druckluftspeichers 39 ist die Turbine 9 bedarfsgerecht anblasbar, um dem Abgasturbolader 11 zusätzliche Leistung bereitzustellen. Der Druckluftspeicher 39 kann stromaufwärts oder – wie hier dargestellt – stromabwärts des Abgasnachbehandlungselements 7 angeordnet sein. Er bildet bei diesem Ausführungsbeispiel eine Zufuhreinrichtung 26 für externe Energie, die nicht zuvor dem Abgasstrom entnommen wurde.
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7 zeigt eine schematische Darstellung eines siebten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Dabei ist die Leistungsbereitstellungseinrichtung 13 hier als Kompressor 43 ausgebildet, der eingerichtet ist, um die Turbine 9 bedarfsgerecht anzublasen und so zusätzliche Leistung bereitzustellen. Eine Fluidverbindung des Kompressors 43 mit dem Abgasstrom kann stromaufwärts oder – wie hier dargestellt – stromabwärts des Abgasnachbehandlungselements 7 in diesen einmünden. Der Kompressor 43 bildet bei diesem Ausführungsbeispiel eine Zufuhreinrichtung 26 für externe Energie, die nicht zuvor dem Abgasstrom entnommen wurde.
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Insgesamt zeigt sich, dass die Brennkraftmaschine 1 und/oder eine mithilfe des Verfahrens betriebene Brennkraftmaschine ein verbessertes Transientverhalten aufweist, wobei sie durch die zusätzliche Leistung, welche dem Abgasturbolader 11 zur Verfügung gestellt wird, bei transienter Lastanforderung schneller hochläuft.
