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Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit einem Ansaugsystem zur Versorgung mindestens eines Zylinders mit Ladeluft und einem Abgasabführsystem zur Abführung des Abgases aus dem mindestens einen Zylinder und mit mindestens zwei in Reihe angeordneten Abgasturboladern, die jeweils eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfassen und von denen ein erster Abgasturbolader als Niederdruckstufe dient und ein zweiter Abgasturbolader als Hochdruckstufe dient, wobei
- – die zweite Turbine des zweiten Abgasturboladers stromaufwärts der ersten Turbine des ersten Abgasturboladers im Abgasabführsystem angeordnet ist und der zweite Verdichter des zweiten Abgasturboladers stromabwärts des ersten Verdichters des ersten Abgasturboladers im Ansaugsystem angeordnet ist,
- – eine erste Bypassleitung vorgesehen ist, die stromaufwärts der zweiten Turbine vom Abgasabführsystem abzweigt und unter Ausbildung eines Knotenpunktes zwischen den Turbinen wieder in das Abgasabführsystem einmündet und in der ein Absperrelement angeordnet ist, und
- – mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem im Abgasabführsystem zwischen den Turbinen angeordnet ist.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine der oben genannten Art.
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Eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Ottomotoren, Dieselmotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, und Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
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Die Aufladung dient in erster Linie der Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine. Die für den Verbrennungsprozess benötigte Luft wird verdichtet, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden.
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Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Wird der Hubraum verringert, lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Durch Aufladung in Kombination mit einer geeigneten Getriebeauslegung kann auch ein sogenanntes Downspeeding realisiert werden, bei dem ebenfalls ein geringerer spezifischer Kraftstoffverbrauch erzielt werden kann.
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Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Brennkraftmaschinen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.
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Häufig wird für die Aufladung ein Abgasturbolader eingesetzt, 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 der 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. Vorteilhafterweise wird ein Ladeluftkühler stromabwärts des Verdichters im Ansaugsystem vorgesehen, mit dem die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in den mindestens einen Zylinder gekühlt wird. Der Kühler senkt die Temperatur und steigert damit die Dichte der Ladeluft, so dass auch der Kühler zu einer besseren Füllung der Zylinder, d. h. zu einer größeren Luftmasse, beiträgt. Es erfolgt eine Verdichtung durch Kühlung.
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Der Vorteil des Abgasturboladers beispielsweise im Vergleich zu einem mechanischen Lader besteht darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine besteht bzw. erforderlich ist. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie vollständig von der Brennkraftmaschine bezieht und somit die bereitgestellte Leistung mindert und auf diese Weise den Wirkungsgrad nachteilig beeinflusst, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase.
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Schwierigkeiten bereitet die Auslegung der Abgasturboaufladung, wobei grundsätzlich eine spürbare Leistungssteigerung in allen Drehzahlbereichen angestrebt wird. Bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen mit einem Abgasturbolader wird bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl ein starker Drehmomentabfall beobachtet. Dieser Effekt ist unerwünscht und zählt daher auch zu den gravierendsten Nachteilen der Abgasturboaufladung.
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Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird beispielsweise 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.
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Die Drehmomentcharakteristik einer mittels Abgasturboaufladung aufgeladenen Brennkraftmaschine wird nach dem Stand der Technik durch unterschiedliche Maßnahmen zu verbessern versucht.
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Beispielsweise durch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnittes und gleichzeitiger Abgasabblasung. Hierzu wird die Turbine mit einer Bypassleitung ausgestattet, die stromaufwärts der Turbine vom Abgasabführsystem abzweigt und in der ein Absperrelement angeordnet ist. Eine derartige Turbine wird auch als Waste-Gate-Turbine bezeichnet. Überschreitet der Abgasmassenstrom eine kritische Größe wird ein Teil des Abgasstromes im Rahmen der sogenannten Abgasabblasung via Bypassleitung an der Turbine vorbei geführt, d. h. abgeblasen. Diese Vorgehensweise hat den Nachteil, dass das energiereiche abgeblasene Abgas ungenutzt bleibt und das Aufladeverhalten bei höheren Drehzahlen regelmäßig unzureichend ist.
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Eine Turbine mit variabler Turbinengeometrie gestattet eine weitergehende Anpassung an den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine durch Verstellen der Turbinengeometrie bzw. des wirksamen Turbinenquerschnittes, wobei in einem gewissen Umfang eine drehzahlabhängige bzw. lastabhängige Regelung der Turbinengeometrie erfolgen kann.
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Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann auch durch mehrere parallel angeordnete Turbolader, d. h. durch mehrere parallel angeordnete Turbinen von kleinerem Turbinenquerschnitt verbessert werden, wobei mit steigender Abgasmenge Turbinen sukzessive zugeschaltet werden; ähnlich einer Registeraufladung.
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Die Drehmomentcharakteristik kann auch mittels mehrerer in Reihe geschalteter Abgasturbolader vorteilhaft beeinflusst 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.
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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 Hochdruckturbine und stromaufwärts der Niederdruckturbine, d. h. zwischen den beiden Turbinen, wieder in das Abgasabführsystem, wobei in der Bypassleitung ein Absperrelement angeordnet ist, um den an der Hochdruckturbine vorbeigeführten Abgasstrom zu steuern.
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Zwei in Reihe geschaltete Abgasturbolader bieten aber darüber hinaus noch weitere Vorteile. Die Leistungssteigerung durch Aufladung kann weiter erhöht werden. Des Weiteren ist das Ansprechverhalten einer derart 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 bzw. Laufrad eines kleiner dimensionierten Abgasturboladers schneller beschleunigen und verzögern lässt.
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Dies hat auch hinsichtlich der Partikelemissionen Vorteile. Da bei einer Beschleunigung die notwendige Zunahme der den Zylindern zugeführten Luftmasse der erhöhten Kraftstoffmenge infolge der Trägheit der Laufräder nur verzögert erfolgt, wird die Ladeluft bei einem kleineren Hochdruckturbolader nahezu verzögerungsfrei dem Motor zugeführt, und somit werden Betriebszustände mit erhöhter Partikelemission häufiger vermieden.
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Zusätzlich zu einem Abgasturbolader kann grundsätzlich auch ein mechanischer Lader vorgesehen werden.
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Die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, verfügt über mindestens zwei in Reihe angeordnete Turbolader.
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Als problematisch erweist sich die Abgasturboaufladung in Kombination mit einer Abgasnachbehandlung. Beim Einsatz eines Abgasturboladers ist man grundsätzlich bemüht, die Turbine des Laders möglichst motornah, d. h. nahe an den Auslassöffnungen der Zylinder, anzuordnen, um auf diese Weise die Abgasenthalpie der heißen Abgase, die maßgeblich vom Abgasdruck und der Abgastemperatur bestimmt wird, optimal nutzen zu können und ein schnelles Ansprechverhalten des Turboladers zu gewährleisten. Zudem soll auch der Weg der heißen Abgase zu den verschiedenen Abgasnachbehandlungssystemen möglichst kurz sein, damit den Abgasen wenig Zeit zur Abkühlung eingeräumt wird und die Abgasnachbehandlungssysteme möglichst schnell ihre Betriebstemperatur bzw. Anspringtemperatur erreichen, insbesondere nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine.
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Die thermische Trägheit des Teilstücks der Abgasleitungen zwischen Auslassöffnung am Zylinder und Turbine bzw. zwischen Auslassöffnung am Zylinder und Abgasnachbehandlungssystem sollte daher auch möglichst gering sein, was durch Reduzierung der Masse und der Länge der entsprechenden Teilstücke erreicht werden kann.
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Um die genannten Ziele zu erreichen, ist es beispielsweise sinnvoll, die Abgasleitungen weitestgehend innerhalb des Zylinderkopfes zusammenzuführen. Die Länge der Abgasleitungen wird durch die Integration in den Zylinderkopf verringert, wodurch nicht nur die thermische Trägheit des relevanten Teilstücks verringert wird, sondern auch das Leitungsvolumen, sich das Ansprechverhalten einer Turbine verbessert und die Enthalpie der Abgase am Eintritt in die Turbine erhöht.
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Während sich eine einzelne Turbine motornah positionieren lässt, erweist es sich als problematisch, mehrere Turbinen gleichzeitig motornah anzuordnen, wenn beispielsweise wie bei der Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, zwei in Reihe angeordnete Turbinen vorgesehen sind.
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Die
EP 1 396 619 A1 hat die gleichzeitige Verwendung einer Abgasturboaufladung und einer Abgasnachbehandlung zum Gegenstand, wobei die möglichst nahe Anordnung des Abgasnachbehandlungssystems am Auslass der Brennkraftmaschine angestrebt wird. Gemäß einer Ausführungsform der
EP 1 396 619 A1 kann der Abgasstrom mittels geeigneter Umschalteinrichtung und Bypassleitung an beiden Turbinen vorbei geführt werden. Dies bietet hinsichtlich eines im Abgasabführsystem stromabwärts der Turbinen angeordneten Katalysators, insbesondere nach einem Kaltstart bzw. in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine, Vorteile, da die heißen Abgase direkt dem Katalysator zugeführt werden und nicht erst unter Wärmeabgabe durch die als Temperatursenke anzusehenden Turbinen geleitet werden. Auf diese Weise erreicht der Katalysator nach einem Kaltstart bzw. in der Warmlaufphase schneller seine Anspringtemperatur. Eine weitere Ausführungsform sieht die Anordnung eines zweiten Katalysators, d. h. eines Vorkatalysators, in der die beiden Turbinen umgehenden Bypassleitung vor.
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Nachteilig an dem in der
EP 1 396 619 A1 beschriebenen Konzept ist, dass in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine das gesamte Abgas zwecks Aufheizung dem mindestens einen Katalysator zugeführt wird und kein Abgas durch die Turbinen geleitet wird, so dass während der Warmlaufphase mangels Ladedruck keine Aufladung erfolgt.
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Die
US 2009/0178406 A1 und die
US 2012/0216529 A1 beschreiben eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, bei der ein Abgasnachbehandlungssystem zwischen den Turbinen angeordnet ist. Eine Bypassleitung, die stromaufwärts der Hochdruckturbine vom Abgasabführsystem abzweigt, mündet unter Umgehung der Hochdruckturbine und des erwähnten Abgasnachbehandlungssystems stromaufwärts der Niederdruckturbine wieder in das Abgasabführsystem.
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Bei kleinen Abgasmengen, insbesondere nach einem Kaltstart bzw. in der Warmlaufphase, wird das Abgas der kleinen Hochdruckturbine zugeführt, wodurch eine Aufladung der Brennkraftmaschine unter diesen Betriebsbedingungen erreicht wird. Das stromabwärts der Hochdruckturbine angeordnete Abgasnachbehandlungssystem sorgt dabei für die erforderliche Konvertierung der Schadstoffe.
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Wird bei zunehmendem Abgasstrom zunehmend Abgas an der Hochdruckturbine vorbeigeführt, wird der Niederdruckturbine zunehmend unbehandeltes Abgas zugeführt, weshalb zwingend ein weiteres Abgasnachbehandlungssystem stromabwärts der Niederdruckturbine vorzusehen ist.
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Die Verwendung von Edelmetallen ist ursächlich verantwortlich für die hohen Herstellungskosten eines Abgasnachbehandlungssystems. Die Notwendigkeit mehr als ein Abgasnachbehandlungssystem einer Art vorsehen zu müssen, beispielsweise zwei Abgasnachbehandlungssysteme derselben Art, ist daher als gravierender Nachteil anzusehen. Zudem ergeben sich aufgrund des erhöhten Raumbedarfs der Abgasnachbehandlung Nachteile beim Packaging.
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Der aufgezeigte Konflikt zwischen Abgasturboaufladung und Abgasnachbehandlung kann nach dem Stand der Technik nicht aufgelöst werden.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, mit der die nach dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden und mit der insbesondere eine kostengünstige Abgasnachbehandlung sowie ein kompaktes Packaging realisiert werden können.
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Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine der oben genannten Art aufzuzeigen.
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Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit einem Ansaugsystem zur Versorgung mindestens eines Zylinders mit Ladeluft und einem Abgasabführsystem zur Abführung des Abgases aus dem mindestens einen Zylinder und mit mindestens zwei in Reihe angeordneten Abgasturboladern, die jeweils eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfassen und von denen ein erster Abgasturbolader als Niederdruckstufe dient und ein zweiter Abgasturbolader als Hochdruckstufe dient, wobei
- – die zweite Turbine des zweiten Abgasturboladers stromaufwärts der ersten Turbine des ersten Abgasturboladers im Abgasabführsystem angeordnet ist und der zweite Verdichter des zweiten Abgasturboladers stromabwärts des ersten Verdichters des ersten Abgasturboladers im Ansaugsystem angeordnet ist,
- – eine erste Bypassleitung vorgesehen ist, die stromaufwärts der zweiten Turbine vom Abgasabführsystem abzweigt und unter Ausbildung eines Knotenpunktes zwischen den Turbinen wieder in das Abgasabführsystem einmündet und in der ein Absperrelement angeordnet ist, und
- – mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem im Abgasabführsystem zwischen den Turbinen angeordnet ist,
und die dadurch gekennzeichnet ist, dass - – das mindestens eine Abgasnachbehandlungssystem zwischen dem Knotenpunkt und der ersten Turbine des ersten Abgasturboladers vorgesehen ist.
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Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist das mindestens eine zwischen den Turbinen angeordnete Abgasnachbehandlungssystem nicht in der die Hochdruckturbine umgehenden Bypassleitung vorgesehen, sondern vielmehr stromabwärts der Hochdruckturbine und der die Hochdruckturbine umgehenden Bypassleitung.
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Diese Anordnung des Abgasnachbehandlungssystems hat den technischen Effekt, dass das gesamte Abgas unter sämtlichen Betriebsbedingungen vollständig das mindestens eine Abgasnachbehandlungssystem passiert, so dass kein weiteres zusätzliches Abgasnachbehandlungssystem derselben Art stromabwärts der Niederdruckturbine vorgesehen werden muss, d. h. erforderlich ist. Es ergeben sich somit Vorteile hinsichtlich der Kosten und des Packagings.
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Dass ein Abgasnachbehandlungssystem grundsätzlich auf einen zu erwartenden Volumenstrom auszulegen ist, um eine erforderliche Mindestverweilzeit des Abgases im Abgasnachbehandlungssystem beim Durchströmen sicher zu stellen, erweist sich dabei als unproblematisch. Die Gründe sind die Folgenden.
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Bei kleinen Abgasmengen, insbesondere nach einem Kaltstart bzw. in der Warmlaufphase, wird das Abgas vollständig bzw. überwiegend der kleinen Hochdruckturbine zugeführt. Das der Hochdruckturbine zugeführte Abgas entspannt sich beim Durchströmen der Hochdruckturbine, wodurch die Dichte des Abgases vermindert wird und sich der Volumenstrom vergrößert.
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Bei zunehmendem Abgasstrom hingegen wird zunehmend Abgas an der Hochdruckturbine vorbeigeführt. Das an der Hochdruckturbine vorbeigeführte Abgas durchläuft keine Expansion, d. h. erfährt keine Druckminderung in der Hochdruckturbine, so dass stromaufwärts des Abgasnachbehandlungssystems sowie der Niederdruckturbine ein Abgas bereitsteht, dessen Druck höher ist und dessen Dichte größer ist. Eine größere Dichte begründet einen – im Vergleich – geringeren Volumenstrom.
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Die vorstehend beschriebenen Effekte betreffend den Abgasvolumenstrom führen dazu, dass ein Abgasnachbehandlungssystem einer Art sowohl bei kleinen Abgasmassen als auch bei größeren Abgasmassen zur Nachbehandlung des gesamten Abgases ausreichend ist.
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Dass die Niederdruckturbine aufgrund der Anordnung des mindestens einen Abgasnachbehandlungssystems zwischen den Turbinen im Einzelfall nicht besonders motornah angeordnet werden kann, sondern gegebenenfalls weiter stromabwärts im Abgasabführsystem, erweist sich dabei nicht als nachteilig, da eine Abgasnachbehandlung in der Regel bzw. häufig mit einer exothermen Reaktion verbunden ist, d. h. einhergeht, und die Abgastemperatur somit infolge Abgasnachbehandlung vor Eintritt in die Niederdruckturbine nochmals erhöht wird. Ein Beispiel für ein entsprechendes Abgasnachbehandlungssystem ist der Oxidationskatalysator; ein weiteres Beispiel der Partikelfilter.
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Dadurch, dass das gesamte Abgas stromaufwärts der Niederdruckturbine nachbehandelt wird, kann ein vergleichsweise kleinvolumiges Abgasnachbehandlungssystem zum Einsatz kommen, d. h. kleinvolumig im Vergleich zu einem stromabwärts der Niederdruckturbine vorgesehenen Abgasnachbehandlungssystem derselben Art. Dies ist sowohl vorteilhaft hinsichtlich der Kosten als auch hinsichtlich des Packagings der gesamten Antriebseinheit.
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Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, mit der die nach dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden und mit der insbesondere eine kostengünstige Abgasnachbehandlung sowie ein kompaktes Packaging realisiert werden können.
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Das mindestens eine Abgasnachbehandlungssystem kann ein Oxidationskatalysator, ein Dreiwegekatalysator, ein Speicherkatalysator, ein selektiver Katalysator und/oder ein Partikelfilter sein.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine zweite Bypassleitung vorgesehen ist, die stromaufwärts des zweiten Verdichters des zweiten Abgasturboladers vom Ansaugsystem abzweigt und stromabwärts des zweiten Verdichters wieder in das Ansaugsystem einmündet und in der ein Absperrelement angeordnet ist.
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Diese Bypassleitung gestattet die Umgehung des Hochdruckverdichters. Dies ermöglicht die Abstimmung des durch den Hochdruckverdichter geführten Ladeluftmassenstroms auf den durch die Hochdruckturbine geführten Abgasmassenstrom und damit an die zur Verfügung stehende Turbinenleistung der Hochdruckstufe.
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In den Fällen, in denen das Abgas überwiegend bzw. vollständig der ersten Turbine unter Umgehung der Hochdruckturbine zugeführt wird und daher die zweite Turbine nahezu keine bzw. keine Leistung abgibt, generiert der erste Verdichter den notwendigen Ladedruck, wohingegen der zweite Verdichter lediglich einen Strömungswiderstand für die vom ersten Verdichter angesaugte und komprimierte Ladeluft auf dem Weg zu den Zylindern darstellt. Die zweite Bypassleitung gestattet dann die Umgehung des zweiten Verdichters.
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Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der zweite Verdichter eine variable Verdichtergeometrie aufweist. Diese Ausführungsform ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Turbine des zweiten Abgasturboladers über eine variable Turbinengeometrie verfügt und eine variable Verdichtergeometrie somit auf die Turbinengeometrie kontinuierlich abstimmbar ist.
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Insbesondere, wenn nur ein geringer Abgasmassenstrom durch die zweite Turbine geleitet wird, erweist sich eine variable Verdichtergeometrie als vorteilhaft, da durch Verstellen der Schaufeln die Pumpgrenze des Verdichters im Verdichterkennfeld hin zu kleinen Verdichterströmen verschoben werden kann und so ein Arbeiten des Verdichters jenseits der Pumpgrenze vermieden wird.
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Vorteile bietet die veränderbare Verdichtergeometrie des zweiten Verdichters aber auch in den Betriebszuständen, in denen das Abgas überwiegend bzw. vollständig die erste Turbine durchströmt und der erste Verdichter den notwendigen Ladedruck generiert. In diesen Fällen stellt der zweite Verdichter lediglich einen Strömungswiderstand dar.
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Eine variable Verdichtergeometrie kann die zweite Bypaßleitung entbehrlich machen, da der Verdichterquerschnitt dem Ladeluftstrom angepasst werden kann. Hierzu muss die Geometrie des Verdichters bzw. der Strömungsquerschnitt des Verdichters aber in einem weiten Bereich verstellbar sein, so dass der Verdichter sowohl sehr kleinen als auch sehr großen Ladeluftströmen angepasst werden kann.
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Vorteilhaft können aber nichtsdestotrotz Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen der zweite Verdichter eine feste, nicht veränderbare Verdichtergeometrie aufweist. Im Gegensatz zu dem zuvor beschriebenen Verdichter mit variabler Geometrie entfällt hier prinzipbedingt eine Steuerung. Im Ganzen weist diese Ausführungsform insbesondere Kostenvorteile auf.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die zweite Turbine des zweiten Abgasturboladers eine variable Turbinengeometrie aufweist.
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Eine variable Turbinengeometrie erhöht die Flexibilität der Aufladung. Sie gestattet eine Anpassung der Turbinengeometrie an den momentanen Abgasstrom. Dabei sind stromaufwärts des Laufrades der Turbine Leitschaufeln zur Beeinflussung der Strömungsrichtung angeordnet. Im Gegensatz zu den Laufschaufeln des umlaufenden Laufrades rotieren die Leitschaufeln nicht mit der Welle der Turbine, d. h. dem Laufrad. Die Leitschaufeln sind zwar stationär angeordnet, aber nicht völlig unbeweglich, sondern um ihre Achse drehbar, so dass auf die Anströmung der Laufschaufeln Einfluss genommen werden kann.
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Verfügt eine Turbine hingegen über eine feste unveränderliche Geometrie, sind die Leitschaufeln nicht nur stationär, sondern zudem völlig unbeweglich, d. h. starr fixiert, soweit überhaupt Leitschaufeln vorgesehen sind.
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Insbesondere gestattet die Kombination aus Turbine mit variabler Turbinengeometrie und einer diese Turbine umgehenden Bypassleitung die Auslegung der Hochdruckturbine auf sehr kleine Abgasströme und damit auf den unteren Teillastbereich. Folglich können auch bei niedrigen Drehzahlen bzw. auch bei sehr geringen Abgasmengen hohe Turbinendruckverhältnisse erzielt werden.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine dritte Bypassleitung vorgesehen ist, die stromabwärts des ersten Verdichters vom Ansaugsystem abzweigt und in der ein Absperrelement angeordnet ist. Diese Bypassleitung kann der Ladeluftabblasung dienen und kann stromaufwärts des ersten Verdichters wieder in das Ansaugsystem münden, wodurch die im ersten Verdichter komprimierte Ladeluft nicht abgeblasen, sondern lediglich zurückgeführt wird. Zur Steuerung der abgeblasenen bzw. rückgeführten Ladeluftmenge ist ein Absperrelement in der Bypassleitung vorgesehen.
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Die dritte Bypassleitung kann aber auch zum Ansaugen von Ladeluft dienen und zwar in den Fällen, in denen kaum bzw. kein Abgas die erste große Turbine durchströmt und daher die zweite, kleinere Turbine die Verdichterarbeit leistet. Dann stellt der erste Verdichter lediglich einen Strömungswiderstand für die vom zweiten Verdichter angesaugte Ladeluft dar. Eine Bypassleitung gestattet dann die Umgehung des ersten Verdichters und damit eine Entdrosselung des Ansaugsystems.
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Aus dem vorstehend Gesagten folgt, dass die Niederdruckturbine ebenfalls mit einer Bypassleitung ausgestattet sein kann.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das mindestens eine Abgasnachbehandlungssystem einen Oxidationskatalysator umfasst.
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Zwar findet auch ohne zusätzliche Maßnahmen während der Expansion und des Ausschiebens der Zylinderfüllung bei einem ausreichend hohen Temperaturniveau und dem Vorhandensein genügend großer Sauerstoffmengen eine Oxidation der unverbrannten Kohlenwasserstoffe und von Kohlenmonoxid statt. Diese Reaktionen kommen aber aufgrund der stromabwärts schnell abnehmenden Abgastemperatur und der infolgedessen rapide sinkenden Reaktionsgeschwindigkeit schnell zum Erliegen.
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Aus diesem Grunde kommen katalytische Reaktoren zum Einsatz, die unter Verwendung katalytischer Materialien, die die Geschwindigkeit bestimmter Reaktionen erhöhen und eine Oxidation auch bei niedrigen Temperaturen sicherstellen. Sollen zusätzlich Stickoxide reduziert werden, kann dies bei Ottomotoren durch den Einsatz eines Dreiwegekatalysators erreicht werden, der dazu aber einen in engen Grenzen ablaufenden stöchiometrischen Betrieb (λ ≈ 1) des Ottomotors erfordert. Dabei werden die Stickoxide mittels der vorhandenen nicht oxidierten Abgaskomponenten, nämlich den Kohlenmonoxiden und den unverbrannten Kohlenwasserstoffen, reduziert, wobei gleichzeitig diese Abgaskomponenten oxidiert werden.
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Bei Brennkraftmaschinen, die mit einem Luftüberschuss betrieben werden, also beispielsweise im Magerbetrieb arbeitende Ottomotoren, insbesondere aber direkteinspritzende Dieselmotoren und direkteinspritzende Ottomotoren, können die im Abgas befindlichen Stickoxide prinzipbedingt aufgrund der fehlenden Reduktionsmittel nicht reduziert werden. Zur Oxidation der unverbrannten Kohlenwasserstoffe und von Kohlenmonoxid wird dann ein Oxidationskatalysator im Abgasabführsystem vorgesehen.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das mindestens eine Abgasnachbehandlungssystem einen Partikelfilter umfasst.
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Zur Minimierung der Emission von Rußpartikeln werden sogenannte regenerative Partikelfilter eingesetzt, die die Rußpartikel aus dem Abgas herausfiltern und speichern, wobei diese Rußpartikel im Rahmen der Regeneration des Filters intermittierend verbrannt werden. Hierzu ist Sauerstoff bzw. ein Luftüberschuss im Abgas erforderlich, um den Ruß im Filter zu oxidieren.
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Der Filter muss regelmäßig, d. h. in fest vorgegebenen Abständen, in der Regel bei Erreichen einer vorgegebenen Fahrleistung bzw. Betriebsdauer, regeneriert werden. Die zur Regeneration des Partikelfilters hohen Temperaturen von etwa 550°C bei nicht vorhandener katalytischer Unterstützung werden im Betrieb nur bei hohen Lasten und hohen Drehzahlen erreicht. Daher erweist es sich als vorteilhaft, dass erfindungsgemäß das gesamte Abgas direkt dem mindestens einen motornah angeordneten Abgasnachbehandlungssystem, d. h. vorliegend dem Partikelfilter, zugeführt werden kann.
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Jedes der vorstehend genannten Abgasnachbehandlungssysteme kann auch als Komponente eines kombinierten Abgasnachbehandlungssystems zur Anwendung kommen, d. h. ausgebildet sein. Folglich können auch mehrere Abgasnachbehandlungssysteme unterschiedlicher Art zur Anwendung kommen.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der erste Verdichter größer ausgelegt ist als der zweite Verdichter, weil der erste Verdichter im Rahmen einer zweistufigen Verdichtung die Niederdruckstufe bildet, wohingegen der zweite Verdichter die bereits vorverdichtete Luft komprimiert und somit die Hochdruckstufe darstellt.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die erste Turbine größer ausgelegt ist als die zweite Turbine. Die zweite Turbine dient im Rahmen einer zweistufigen Verdichtung als Hochdruckturbine, so dass sich in der ersten Turbine ein Abgasstrom entspannt, der bereits infolge des Durchlaufens der Hochdruckstufe einen geringeren Druck und eine geringere Dichte aufweist. Bei größeren Abgasmengen hingegen wird das Abgas zumindest überwiegend unter Umgehung der Hochdruckturbine der Niederdruckturbine zugeführt, die daher groß bzw. größer auszulegen ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen ein Absperrelement elektrisch, hydraulisch, pneumatisch, mechanisch oder magnetisch steuerbar ist, vorzugsweise mittels Motorsteuerung.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen ein Absperrelement stufenlos oder in Stufen steuerbar, d. h. schaltbar ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine Abgasrückführung vorgesehen ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen in der Leitung zur Abgasrückführung ein zusätzlicher Kühler vorgesehen ist. Dieser zusätzliche Kühler senkt die Temperatur im heißen Abgasstrom und steigert damit die Dichte der Abgase. Die Temperatur der Zylinderfrischladung, die sich bei der Mischung der Frischluft mit den rückgeführten Abgasen einstellt, wird hierdurch folglich weiter gesenkt, wodurch auch der zusätzliche Kühler zu einer besseren Füllung des Brennraums mit Frischgemisch beiträgt.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen in der Leitung zur Abgasrückführung ein Absperrelement vorgesehen ist. Das Absperrelement dient der Steuerung der Abgasrückführrate.
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Um zukünftige Grenzwerte für Stickoxidemissionen einzuhalten, wird zunehmend häufig eine Abgasrückführung eingesetzt, d. h. die Rückführung von Abgasen von der Auslassseite auf die Einlassseite, bei der mit zunehmender Abgasrückführrate die Stickoxidemissionen deutlich gesenkt werden können. Die Abgasrückführrate xAGR bestimmt sich dabei zu xAGR = mAGR/(mAGR + mFrischluft), wobei mAGR die Masse an zurückgeführtem Abgas und mFrischluft die zugeführte durch einen Verdichter geführte und komprimierte Frischluft bezeichnet.
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Die Abgasrückführung eignet sich auch zur Reduzierung der Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Teillastbereich.
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Um eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen zu erreichen, sind hohe Abgasrückführraten erforderlich, die in der Größenordnung von xAGR ≈ 60% bis 70% liegen können.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine Abgasrückführung vorgesehen ist, welche eine Leitung umfasst, die stromaufwärts der Turbinen aus dem Abgasabführsystem abzweigt und in das Ansaugsystem mündet, vorzugsweise stromabwärts der Verdichter.
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Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine Abgasrückführung vorgesehen ist, welche eine Leitung umfasst, die stromabwärts der Turbinen aus dem Abgasabführsystem abzweigt und in das Ansaugsystem mündet.
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Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Leitung stromaufwärts der Verdichter in das Ansaugsystem mündet.
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Vorstehend ist die aufgeladene Brennkraftmaschine mit einer Niederdruck-AGR ausgestattet. Im Gegensatz zu einer Hochdruck-AGR, die stromaufwärts der Turbinen aus dem Abgasabführsystem entnommenes Abgas in das Ansaugsystem einleitet, wird bei einer Niederdruck-AGR Abgas auf die Einlassseite zurückgeführt, welches die Turbinen bereits durchströmt hat. Hierzu umfasst die Niederdruck-AGR eine Rückführleitung, die stromabwärts der Turbinen aus dem Abgasabführsystem abzweigt und – vorzugsweise – stromaufwärts der Verdichter in das Ansaugsystem mündet.
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Der wesentliche Vorteil der Niederdruck-AGR gegenüber der Hochdruck-AGR ist, dass der in die Turbinen eingeleitete Abgasstrom im Falle einer Abgasrückführung nicht um die rückgeführte Abgasmenge vermindert wird. Es steht immer der gesamte Abgasstrom an den Turbinen zur Generierung eines ausreichend hohen Ladedrucks zur Verfügung.
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Das mittels Niederdruck-AGR auf die Einlassseite zurückgeführte und vorzugsweise gekühlte Abgas wird in der Regel stromaufwärts der Verdichter mit Frischluft gemischt. Die auf diese Weise erzeugte Mischung aus Frischluft und rückgeführtem Abgas bildet die Ladeluft, die den Verdichtern zugeführt und komprimiert wird.
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Dabei ist es unschädlich, dass im Rahmen der Niederdruck-AGR Abgas durch die Verdichter hindurchgeführt wird, da Abgas verwendet wird, welches bereits einer Abgasnachbehandlung, vorzugsweise in einem Partikelfilter, unterzogen wurde. Ablagerungen in den Verdichtern, welche die Geometrie, insbesondere die Strömungsquerschnitte, verändern und auf diese Weise den Wirkungsgrad der Verdichter verschlechtern, sind daher nicht zu befürchten.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen stromabwärts der Verdichter ein Ladeluftkühler im Ansaugsystem angeordnet ist. Der Ladeluftkühler senkt die Lufttemperatur und steigert damit die Dichte der Ladeluft, wodurch auch der Kühler zu einer besseren Füllung des Brennraums mit Luft d. h. zu einer größeren Luftmasse beiträgt.
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Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen, bei denen eine Leitung zur Abgasrückführung stromabwärts des Ladeluftkühlers in das Ansaugsystem mündet. Auf diese Weise wird der Abgasstrom nicht durch den Ladeluftkühler geführt und kann folglich diesen Kühler nicht durch Ablagerungen von im Abgasstrom enthaltenen Schadstoffen, insbesondere Rußpartikeln und Öl, verschmutzen.
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Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen eine Abgasrückführung vorgesehen ist, welche eine Leitung umfasst, die zwischen den Turbinen aus dem Abgasabführsystem abzweigt und an geeigneter Stelle in das Ansaugsystem mündet. Die Eignung hängt insbesondere davon ab, ob das für die Rückführung erforderliche Druckgefälle sichergestellt bzw. generiert werden kann.
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Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass in der Warmlaufphase die erste Bypassleitung freigegeben und das Abgas via erster Bypassleitung an der zweiten Turbine vorbei geführt wird.
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Das im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine Gesagte gilt ebenfalls für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
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1 schematisch eine erste Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine 1 am Beispiel eines Vier-Zylinder-Reihenmotors. Die Zylinder 3 der Brennkraftmaschine 1 sind entlang der Längsachse des Zylinderkopfes, d. h. in Reihe angeordnet.
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Zur Versorgung der Zylinder 3 mit Ladeluft ist ein Ansaugsystem 2 und zur Abführung der Abgase aus den Zylindern 3 ist ein Abgasabführsystem 4 vorgesehen.
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Die Brennkraftmaschine 1 ist mit zwei in Reihe angeordneten Abgasturboladern 6, 7 ausgestattet, die jeweils eine im Abgasabführsystem 4 angeordnete Turbine 6a, 7a und einen im Ansaugsystem 2 angeordneten Verdichter 6b, 7b umfassen und von denen ein erster Abgasturbolader 6 als Niederdruckstufe 6 dient und ein zweiter Abgasturbolader 7 als Hochdruckstufe 7.
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Aus diesem Grund ist der erste Verdichter 6b größer ausgelegt als der zweite Verdichter 7b, weil bei dieser Anordnung der Lader 6, 7 der erste Verdichter 6b im Rahmen der zweistufigen Verdichtung die Niederdruckstufe 6 bildet, wohingegen der zweite Verdichter 7b die bereits vorverdichtete Luft komprimiert und somit die Hochdruckstufe 7 darstellt.
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Aus demselben Grund ist die erste Turbine 6a größer ausgelegt ist als die zweite Turbine 7a. Denn die zweite Turbine 7a dient im Rahmen der zweistufigen Aufladung als Hochdruckturbine 7a, während sich in der ersten Turbine 6a ein Abgasstrom entspannt, der bereits infolge des Durchlaufens der Hochdruckstufe 7 einen geringeren Druck und eine geringere Dichte aufweist.
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Stromabwärts der Verdichter 6b, 7b ist ein Ladeluftkühler 5 in der Ansaugsystem 2 angeordnet. Der Ladeluftkühler 5 senkt die Lufttemperatur und steigert damit die Dichte der Ladeluft, wodurch dieser zu einer besseren Füllung der Zylinder 3 mit Luft beiträgt, die den Zylindern 3 via Plenum 9 zugeführt wird.
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Die zweite Turbine 7a des zweiten Abgasturboladers 7 verfügt über eine erste Bypassleitung 10, die stromaufwärts der zweiten Turbine 7a vom Abgasabführsystem 4 abzweigt und unter Ausbildung eines Knotenpunktes 8 zwischen den Turbinen 6a, 7a wieder in das Abgasabführsystem 4 mündet, wobei in dieser Bypassleitung 10 ein Absperrelement 11 angeordnet ist.
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Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform verfügt der zweite Verdichter 7b über eine zweite Bypassleitung 12, die stromaufwärts des zweiten Verdichters 7b zwischen den Verdichtern 6b, 7b vom Ansaugsystem 2 abzweigt und stromabwärts des zweiten Verdichters 7b zwischen dem zweiten Verdichter 7b und dem Ladeluftkühler 5 wieder in das Ansaugsystem 2 mündet und in der ein Absperrelement 13 angeordnet ist.
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Zwischen den Turbinen 6a, 7a ist ein kombiniertes Abgasnachbehandlungssystem 15 im Abgasabführsystem 4 angeordnet, das einen Oxidationskatalysator 15a und einen Partikelfilter 15b umfasst. Das Abgasnachbehandlungssystem 15 ist dabei zwischen dem Knotenpunkt 8 und der ersten Turbine 6a des ersten Abgasturboladers 6 angeordnet, so dass das gesamte Abgas der Brennkraftmaschine 1 unter sämtlichen Betriebsbedingungen das Abgasnachbehandlungssystem 15 passiert und nachbehandelt wird.
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Die in 1 dargestellte Brennkraftmaschine 1 ist zudem mit einer Niederdruck-AGR 16 ausgestattet, die eine Rückführleitung 16a umfasst, welche stromabwärts der Turbinen 6a, 7a aus dem Abgasabführsystem 4 abzweigt und stromaufwärts der Verdichter 6b, 7b in das Ansaugsystem 2 mündet und in der ein Kühler 16c angeordnet ist, der die Temperatur im heißen Abgasstrom senkt, bevor das Abgas stromaufwärts der Verdichter 6b, 7b mit Frischluft gemischt wird und die Ladeluft bildet. In der Rückführleitung 16a ist des Weiteren ein als AGR-Ventil 16b fungierendes Absperrelement 16b angeordnet, das der Einstellung der mittels Niederdruck-AGR 16 rückgeführten Abgasmenge dient.
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Um sehr hohe Rückführraten generieren zu können, ist eine zusätzliche Abgasrückführung 14 vorgesehen. Zur Ausbildung dieser Hochdruck-AGR 14 ist eine Leitung 14a vorgesehen, die stromaufwärts der Turbinen 6a, 7a aus dem Abgasabführsystem 4 abzweigt und stromabwärts des Ladeluftkühlers 5 in das Ansaugsystem 2 mündet. Zur Einstellung der via Hochdruck-AGR 14 rückgeführten Abgasmenge ist in der Leitung 14a ein als AGR-Ventil 14b dienendes Absperrelement 14b angeordnet. Auch die Hochdruck-AGR 14 verfügt über einen Kühler 14c.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- aufgeladene Brennkraftmaschine
- 2
- Ansaugsystem
- 3
- Zylinder
- 4
- Abgasabführsystem
- 5
- Ladeluftkühler
- 6
- erster Abgasturbolader, Niederdruckstufe
- 6a
- erste Turbine
- 6b
- erster Verdichter
- 7
- zweiter Abgasturbolader, Hochdruckstufe
- 7a
- zweite Turbine
- 7b
- zweiter Verdichter
- 8
- Knotenpunkt
- 9
- Plenum
- 10
- erste Bypassleitung
- 11
- Absperrelement
- 12
- zweite Bypassleitung
- 13
- Absperrelement
- 14
- Abgasrückführung, Hochdruck-AGR
- 14a
- Rückführleitung
- 14b
- AGR-Ventil
- 14c
- Kühler
- 15
- Abgasnachbehandlungssystem
- 15a
- Oxidationskatalysator
- 15b
- Partikelfilter
- 16
- Abgasrückführung, Niederdruck-AGR
- 16a
- Rückführleitung
- 16b
- AGR-Ventil
- 16c
- Kühler
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1396619 A1 [0025, 0025, 0026]
- US 2009/0178406 A1 [0027]
- US 2012/0216529 A1 [0027]
