DE102015207573B4

DE102015207573B4 - Brennkraftmaschine mit kombiniertem Abgasnachbehandlungssystem

Info

Publication number: DE102015207573B4
Application number: DE102015207573.7A
Authority: DE
Inventors: Helmut Kindl; Andreas Kuske; Jörg Kemmerling; Vanco Smiljanovski; Franz Arnd Sommerhoff; Franz J. Brinkmann
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-04-24
Filing date: 2015-04-24
Publication date: 2023-07-06
Anticipated expiration: 2035-04-25
Also published as: DE102015207573A1; CN106065800B; CN106065800A; US20160312689A1; US9932887B2

Abstract

Brennkraftmaschine mit- einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft,- einem Abgasabführsystem (2) zum Abführen von Abgas, und- mindestens einem kombinierten Abgasnachbehandlungssystem (1), das im Abgasabführsystem (2) angeordnet ist und über ein Eintrittsgehäuse (3) zum Zuführen von Abgas verfügt, dadurch gekennzeichnet, dass im Eintrittsgehäuse (3) eine verstellbare kranzförmige Leiteinrichtung (4) angeordnet ist, die mittig eine Öffnung (8) freilässt und mittels Verstelleinrichtung (6) verdrehbare Leitschaufeln (4a) umfasst, wobei- jede Leitschaufel (4a) auf einer leitschaufelzugehörigen Welle (4b) angeordnet ist,- eine das Eintrittsgehäuse (3) mit ausbildende und außen begrenzende Wandung (3a) die kranzförmige Leiteinrichtung (4) unter Ausbildung eines Spaltes zwischen den Leitschaufeln (4a) und der Wandung (3a) rahmenartig umschließt, und- die verstellbare kranzförmige Leiteinrichtung (4) in einer Schließstellung ein ringförmiges Segment eines bereitstellbaren Eintrittsströmungsquerschnittes blendenartig abdeckt, wobei- die Verstelleinrichtung (6) über einen verdrehbaren Verstellring (6a) verfügt, wobei die Leitschaufeln (4a) mittels Verdrehen des Verstellrings (6a) verstellbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit

- einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft,
- einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas, und
- mindestens einem kombinierten Abgasnachbehandlungssystem, das im Abgasabführsystem angeordnet ist und über ein Eintrittsgehäuse zum Zuführen von Abgas verfügt.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, sowie 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.
Nach dem Stand der Technik werden Brennkraftmaschinen zur Reduzierung der Schadstoffemissionen mit verschiedenen Abgasnachbehandlungssystemen ausgestattet. Zwar findet im Abgasabführsystem auch ohne zusätzliche Maßnahmen 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. Eventueller Sauerstoffmangel kann durch eine Sekundärlufteinblasung kompensiert werden. Jedoch müssen in der Regel besondere Reaktoren und/oder Filter im Abgasabführsystem vorgesehen werden, um die Schadstoffemissionen unter sämtlichen Betriebsbedingungen spürbar zu reduzieren.
Thermische Reaktoren versuchen mittels Wärmeisolation ein möglichst hohes Temperaturniveau durch Minimierung der Wärmeverluste sicherstellen, wobei ein ausreichend großes Reaktorvolumen eine lange Verweildauer der Abgase gewährleisten soll. Sowohl die lange Verweildauer als auch das hohe Temperaturniveau unterstützen die angestrebte Nachoxidation. Nachteilig sind der schlechte Wirkungsgrad bei unterstöchiometrischer Verbrennung und die hohen Kosten. Für Dieselmotoren sind thermische Reaktoren aufgrund des grundsätzlich niedrigeren Temperaturniveaus nicht zielführend.
Aus den genannten Gründen kommen nach dem Stand der Technik bei Ottomotoren 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 durch den Einsatz eines Drei-Wege-Katalysators 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.
Bei Brennkraftmaschinen, die mit einem Luftüberschuss betrieben werden, also beispielsweise im Magerbetrieb arbeitende Ottomotoren, insbesondere aber direkteinspritzende Dieselmotoren aber auch 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 daher ein Oxidationskatalysator im Abgasabführsystem vorgesehen. Um eine ausreichende Konvertierung zu realisieren, ist eine gewisse Betriebstemperatur erforderlich. Die sogenannte Anspringtemperatur kann 120°C bis 250°C betragen.
Zur Reduzierung der Stickoxide werden selektive Katalysatoren - sogenannte SCR-Katalysatoren - eingesetzt, bei denen gezielt Reduktionsmittel in das Abgas eingebracht werden, um die Stickoxide selektiv zu vermindern. Als Reduktionsmittel kommen neben Ammoniak und Harnstoff auch unverbrannte Kohlenwasserstoffe zum Einsatz. Letzteres wird auch als HC-Anreicherung bezeichnet, wobei die unverbrannten Kohlenwasserstoffe direkt in das Abgasabführsystem eingebracht werden oder aber durch innermotorische Maßnahmen, nämlich durch eine Nacheinspritzung von zusätzlichem Kraftstoff in den Brennraum nach der eigentlichen Verbrennung, zugeführt werden. Dabei soll der nacheingespritzte Kraftstoff nicht im Brennraum durch die noch ablaufende Hauptverbrennung oder aber durch die auch nach Beendigung der Hauptverbrennung hohen Verbrennungsgastemperaturen gezündet werden, sondern während des Ladungswechsels in das Abgasabführsystem eingeleitet werden. Grundsätzlich können die Stickoxidemissionen auch mit sogenannten Stickoxidspeicherkatalysatoren (LNT) reduziert werden. Dabei werden die Stickoxide zunächst während eines mageren Betriebs der Brennkraftmaschine im Katalysator absorbiert, d. h. gesammelt und gespeichert, um dann während einer Regenerationsphase beispielsweise mittels eines unterstöchiometrischen Betriebs (λ, < 1) der Brennkraftmaschine bei Sauerstoffmangel reduziert zu werden.
Weitere innermotorische Möglichkeiten zur Realisierung eines fetten, d. h. eines unterstöchiometrischen Betriebs der Brennkraftmaschine bietet die Abgasrückführung und bei Dieselmotoren die Drosselung im Ansaugsystem. Auf innermotorische Maßnahmen kann verzichtet werden, wenn das Reduktionsmittel direkt in das Abgasabführsystem eingebracht wird, beispielsweise durch Einspritzen von zusätzlichem Kraftstoff. Während der Regenerationsphase werden die Stickoxide freigegeben und im Wesentlichen in Stickstoffdioxid, Kohlenstoffdioxid und Wasser umgewandelt. Die Häufigkeit der Regenerationsphasen wird durch die Gesamtemission an Stickoxiden und die Speicherkapazität des LNT bestimmt.
Die Temperatur des Speicherkatalysators sollte vorzugsweise in einem Temperaturfenster zwischen 200°C und 450°C liegen, so dass einerseits eine schnelle Reduktion der Stickoxide sichergestellt wird und andererseits keine Desorption ohne Konvertierung der wieder freigegebenen Stickoxide stattfindet, was durch zu hohe Temperaturen ausgelöst werden kann.
Der im Abgas enthaltene Schwefel wird ebenfalls im LNT absorbiert und wird im Rahmen einer sogenannten Entschwefelung regelmäßig entfernt. Hierfür muss der LNT auf hohe Temperaturen, üblicherweise zwischen 600°C und 700°C, erwärmt und mit einem Reduktionsmittel versorgt werden, was wiederum durch den Übergang zu einem fetten Betrieb der Brennkraftmaschine erreicht werden kann. Je höher die Temperatur des LNT ist, desto effektiver läuft die Entschwefelung ab, wobei eine zulässige Höchsttemperatur nicht überschritten werden sollte.
Zur Minimierung der Emission von Rußpartikeln werden nach dem Stand der Technik 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. 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 muss auf zusätzliche Maßnahmen zurückgegriffen werden, um eine Regeneration des Filters unter allen Betriebsbedingungen zu gewährleisten.
Da sowohl die Abgase von Ottomotoren als auch die Abgase von Dieselmotoren - wenn auch in unterschiedlichen Mengen und Qualitäten - unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid, Stickoxide sowie Rußpartikel enthalten, kommen nach dem Stand der Technik häufig und auch erfindungsgemäß kombinierte Abgasnachbehandlungssysteme zum Einsatz, die einen oder mehrere der vorstehend beschriebenen Katalysatoren, Reaktoren und/oder Filter umfassen.
Ein kombiniertes Abgasnachbehandlungssystem kann beispielsweise einen Speicherkatalysator und einen Partikelfilter umfassen. Der Partikelfilter als Wabenfilter dient dann gleichzeitig als Trägersubstrat zur Ausbildung des Speicherkatalysators. Dabei wird der Wabenfilter mit einem katalytischen Material beschichtet, welches zum Speichern und Reduzieren der im Abgas befindlichen Stickoxide geeignet ist. Ein derartiges System zeichnet sich durch eine kompakte Bauweise aus. Zudem kann die Anzahl an Trägersubstraten halbiert werden, da das Trägersubstrat des Partikelfilters gleichzeitig zur Ausbildung des Speicherkatalysators herangezogen wird.
Grundsätzlich ist man bemüht, Abgasnachbehandlungssysteme möglichst nahe am Auslass der Brennkraftmaschine, d. h. nahe den Auslassöffnungen der Zylinder, anzuordnen, um auf diese Weise das heiße Abgas optimal nutzen zu können und ein schnelles Anspringen der Abgasnachbehandlungssysteme bzw. eine ausreichend hohe Systemtemperatur zu gewährleisten. Der Weg der heißen Abgase zu den verschiedenen Abgasnachbehandlungssystemen sollte 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.
In diesem Zusammenhang ist man daher grundsätzlich bemüht, die thermische Trägheit des Teilstücks des Abgasabführsystems zwischen Auslassöffnung am Zylinder und Abgasnachbehandlungssystem zu minimieren, was durch Reduzierung der Masse und der Länge dieses Teilstückes erreicht werden kann.
Aus den vorstehend genannten Gründen wird der Abgaskrümmer nach dem Stand der Technik häufig im Zylinderkopf integriert. Die Integration des Abgaskrümmers gestattet darüber hinaus ein dichtes Packaging der Antriebseinheit. Zudem kann von einer gegebenenfalls im Zylinderkopf vorgesehenen Flüssigkeitskühlung partizipiert werden, so dass der Krümmer nicht aus thermisch hoch belastbaren Werkstoffen gefertigt werden muss, die kostenintensiv sind.
Nichtsdestotrotz sind weitere Maßnahmen erforderlich, um die für eine effiziente Abgasnachbehandlung erforderlichen Temperaturen zuverlässig und bedarfsgerecht, d. h. beispielsweise nach einem Kaltstart möglichst schnell, zu realisieren, und weitere Maßnahmen, um ein möglichst dichtes Packaging des Abgasabführsystems mitsamt Abgasnachbehandlungssystem und damit der gesamten Antriebseinheit zu gewährleisten bzw. zu fördern.
Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, bei der die für eine effiziente Abgasnachbehandlung erforderlichen hohen Temperaturen insbesondere nach einem Kaltstart schneller realisiert werden können und die ein dichtes Packaging des Abgasabführsystems mitsamt Abgasnachbehandlung aufweist.
Aus der EP 1 965 060 A1 ist ein Steuergerät zur Abgasnachbehandlung und ein Betriebsverfahren für eine Brennkraftmaschine bekannt.
Auch aus der JP H07 - 54 640 A ist ein Steuergerät zur Abgasnachbehandlung bekannt.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Brennkraftmaschine mit

- einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft,
- einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas, und
- mindestens einem kombinierten Abgasnachbehandlungssystem, das im Abgasabführsystem angeordnet ist und über ein Eintrittsgehäuse zum Zuführen von Abgas verfügt,

- jede Leitschaufel auf einer leitschaufelzugehörigen Welle angeordnet ist,
- eine das Eintrittsgehäuse mit ausbildende und außen begrenzende Wandung die kranzförmige Leiteinrichtung unter Ausbildung eines Spaltes zwischen den Leitschaufeln und der Wandung rahmenartig umschließt, und
- die verstellbare kranzförmige Leiteinrichtung in einer Schließstellung ein ringförmiges Segment eines bereitstellbaren Eintrittsströmungsquerschnittes blendenartig abdeckt wobei
- die Verstelleinrichtung über einen verdrehbaren Verstellring verfügt, wobei die Leitschaufeln mittels Verdrehen des Verstellrings verstellbar sind.

Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird das mindestens eine Abgasnachbehandlungssystem mit einer verstellbaren kranzförmigen Leiteinrichtung ausgestattet, die im Eintrittsgehäuse der Abgasnachbehandlung angeordnet ist und mit der auf die Abgasströmung vor Eintritt in das Abgasnachbehandlungssystem auf unterschiedliche Weise Einfluss genommen werden kann.
Mittels Leiteinrichtung können beispielsweise Turbulenzen, d. h. Wirbel in die Abgasströmung eingebracht werden. Die Abgasströmung kann auch umgelenkt, insbesondere aufgeweitet werden. Damit lässt sich ein gleichmäßiger Durchfluss durch das Abgasnachbehandlungssystem und dessen Trägersubstrat realisieren bzw. sicherstellen. Während nach dem Stand der Technik die Durchflussmenge lokal stärker variiert, d. h. nicht jeder Bereich des Trägersubstrats von gleichviel Abgas durchströmt wird, wird das nachzubehandelnde Abgas erfindungsgemäß gleichmäßig bzw. gleichmäßiger auf das gesamte Abgasnachbehandlungssystem verteilt. Die lokalen Durchflussmengen werden angeglichen bzw. egalisiert, weshalb die durch das Abgasnachbehandlungssystem hindurch strömenden Abgasmengen lokal weniger stark bzw. nicht variieren. Die vorstehend beschriebenen Effekte haben gleich mehrere Vorteile.
Zum einen kann das Eintrittsgehäuse, welches sich regelmäßig in Richtung des Abgasnachbehandlungssystems erweitert, vergleichsweise kurz ausgeführt werden, wodurch das Abgasnachbehandlungssystem in vorteilhafter Weise motornah angeordnet werden kann.
Zum anderen wird das vorhandene Abgasnachbehandlungssystem im Ganzen und damit effektiver genutzt und nicht einige Bereiche, insbesondere mittig angeordnete Bereiche, intensiver als andere Bereiche, beispielsweise äußere Randbereiche. Insofern kann das Abgasnachbehandlungssystem als solches kompakter, d. h. kleinvolumiger, ausgeführt werden, wodurch auch die Kosten für das Abgasnachbehandlungssystem reduziert werden.
Das erfindungsgemäße Vorsehen einer Leiteinrichtung ermöglicht somit ein dichtes Packaging des Abgasabführsystems mitsamt Abgasnachbehandlungssystem und damit ein dichtes Packaging der gesamten Antriebseinheit.
Darüber hinaus kann die kranzförmige Leiteinrichtung verstellt und in eine Schließstellung überführt werden, in der die Leitschaufeln der Leiteinrichtung ein ringförmiges Segment des Strömungsquerschnitts im Eintrittsbereich der Abgasnachbehandlung blendenartig abdecken.
Dann verbleibt in der Schließstellung der Leiteinrichtung mittig eine Öffnung, durch welche das gesamte Abgas hindurch geführt wird. Durch Überführen der Leieinrichtung in die Schließstellung erfolgt eine Einschnürung der Abgasströmung und eine Konzentration des gesamten nachzubehandelnden Abgasstromes auf einen lokal begrenzten Bereich des Abgasnachbehandlungssystems. Eine derartige Konzentration des Abgasstromes erweist sich bei kleinen Abgasmengen als vorteilhaft, um die Temperatur des Abgasnachbehandlungssystems auch bei kleinen Abgasmengen aufrechtzuerhalten. Insbesondere aber kann die - lokale - Aufheizung des Abgasnachbehandlungssystems nach einem Kaltstart mittels erzwungener Einschnürung bzw. Konzentration des Abgasstromes forciert werden.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist eine Brennkraftmaschine, bei der die für eine effiziente Abgasnachbehandlung erforderlichen hohen Temperaturen insbesondere nach einem Kaltstart schneller realisiert werden können und die ein dichtes Packaging des Abgasabführsystems mitsamt Abgasnachbehandlung aufweist. Dadurch wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst.
Erfindungsgemäß verfügt die Leiteinrichtung über mehrere verdrehbare Leitschaufeln, wobei dies im Rahmen der vorliegenden Erfindung bedeutet, dass die Leiteinrichtung mindestens zwei Leitschaufeln umfasst, d. h. zwei Leitschaufeln, drei Leitschaufeln, vier Leitschaufeln, fünf Leitschaufeln, sechs Leitschaufeln oder mehr Leitschaufeln.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Verstelleinrichtung über einen verdrehbaren Verstellring verfügt, wobei die Leitschaufeln mittels Verdrehen des Verstellrings verstellbar sind.
Die Verstelleinrichtung verfügt vorliegend über einen verdrehbaren Verstellring, der vorzugsweise koaxial zum Eintrittsgehäuse gelagert ist. Die Leitschaufeln werden mit dem Verstellring kinematisch über Zwischenelemente gekoppelt, so dass durch Verdrehen des Ringes die Leitschaufeln verstellt werden können.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen verschwenkbare Hebel als Zwischenelemente zur kinematischen Koppelung des Verstellringes mit den leitschaufelzugehörigen Wellen vorgesehen sind.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Hebel jeweils an ihrem einen wellenseitigen Ende verdrehfest mit einer leitschaufelzugehörigen Welle verbunden sind und an ihrem anderen ringseitigen Ende beweglich in einer Ausnehmung des Verstellringes gelagert sind, so dass die Leitschaufeln mittels Verdrehen des Verstellrings verstellbar sind.
Die Hebel können ausgehend vom Verstellring nach innen gerichtet sein, d. h. der Verstellring ist in Bezug auf die Hebel ein außenliegender Verstellring, was zu einem größeren Durchmesser des Verstellringes führt.
Die verschwenkbaren Hebel können ausgehend vom Verstellring aber auch nach außen gerichtet sein. Der Verstellring bildet dann in Bezug auf die Hebel einen innenliegenden Verstellring, der sich durch einen vergleichsweise kleinen Durchmesser auszeichnet. Gegenüber einem außenliegenden Verstellring führt ein innenliegender Verstellring zu einem kompakteren Abgasnachbehandlungssystem.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens eine Turbine im Abgasabführsystem angeordnet ist, vorzugsweise stromaufwärts des mindestens einen Abgasnachbehandlungssystems, um auf diese Weise die Abgasenthalpie der heißen Abgase optimal nutzen zu können und ein schnelles Ansprechverhalten der Turbine zu gewährleisten.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens eine Turbine die Turbine eines Abgasturboladers ist, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst.
Die Aufladung ist in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung, bei dem die für den motorischen Verbrennungsprozess benötigte Luft verdichtet wird, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden. Vorzugsweise 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.
Der Vorteil eines Abgasturboladers 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.
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 geeigneten Getriebeauslegungen kann auch ein sogenanntes Downspeeding realisiert werden, bei dem ebenfalls ein geringerer spezifischer Kraftstoffverbrauch erzielt werden kann.
Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Brennkraftmaschinen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.
Ein weiteres grundsätzliches Ziel ist es, die Schadstoffemissionen zu reduzieren. Bei der Lösung dieser Aufgabe kann die Aufladung ebenfalls zielführend sein. Bei gezielter Auslegung der Aufladung können nämlich Vorteile im Wirkungsgrad und bei den Abgasemissionen erzielt werden.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann durch Verwendung mehrerer Turbolader verbessert werden, beispielsweise durch mehrere parallel angeordnete Turbinen von kleinerem Turbinenquerschnitt, wobei mit steigender Abgasmenge - ähnlich einer Registeraufladung - sukzessive Turbinen zugeschaltet werden. Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann auch mittels mehrerer in Reihe geschalteter Abgasturbolader verbessert werden, von denen ein Abgasturbolader als Hochdruckstufe und ein Abgasturbolader als Niederdruckstufe dient.
Vorteilhaft sind aus den vorstehend genannten Gründen daher auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens zwei Abgasturbolader vorgesehen sind, die jeweils eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfassen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen sich das Eintrittsgehäuse in Strömungsrichtung zu dem mindestens einen Abgasnachbehandlungssystem hin erweitert. Dies unterstützt eine Aufweitung des Abgasstromes im Eintrittsbereich des Abgasnachbehandlungssystems und fördert eine gleichmäßige Beaufschlagung des gesamten Abgasnachbehandlungssystems mit Abgas.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Eintrittsgehäuse trichterförmig ausgebildet ist. Eine Trichterform sorgt für eine kontinuierliche Erweiterung des Eintrittsgehäuses bzw. eine kontinuierliche Aufweitung der Abgasströmung bei einem möglichst geringen Druckverlust in der Abgasströmung.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Eintrittsgehäuse kegelstumpfförmig ausgebildet ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Hülse vorgesehen ist, welche im Eintrittsgehäuse angeordnet und koaxial zum Eintrittsgehäuse ausgerichtet ist und durch die mittige Öffnung in der kranzförmigen Leiteinrichtung hindurchtritt.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen sich die Hülse in Strömungsrichtung zu dem mindestens einen Abgasnachbehandlungssystem hin erweitert.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Hülse trichterförmig ausgebildet ist.
Vorteilhaft sind insbesondere Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Hülse kegelstumpfförmig ausgebildet ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Haltevorrichtung für die Hülse vorgesehen ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jede leitschaufelzugehörige Welle geradlinig ausgebildet ist. Eine geradlinige Ausbildung der Welle vereinfacht die Kinematik der Verstelleinrichtung in der Art, dass ein Verdrehen der leitschaufelzugehörigen Welle am verstellringseitigen Ende eine reine Drehbewegung der zugehörigen Leitschaufel bedingt, wohingegen eine gekröpfte Welle eine Taumelbewegung der Leitschaufel hervorrufen würde, welche die nahezu spaltfreie Anordnung der verdrehbaren Leitschaufeln im Eintrittsgehäuse erschwert bzw. die nahezu spaltfreie Anordnung der Leitschaufeln in mehreren verschiedenen Verdrehposition unmöglich macht.
Vorliegend vollführen die Schaufeln beim Verdrehen des Ringes eine reine Drehbewegung. Infolgedessen ist eine nahezu spaltfreie Anordnung der verdrehbaren Leitschaufeln im Eintrittsgehäuse möglich und zwar in jeder Verdrehposition der Schaufeln. Letzteres ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber gekröpften Wellen, da die Abgasströmung über die Leitschaufeln und nicht via Spalt an den Leitschaufeln vorbei geführt werden soll.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Betätigungseinrichtung vorgesehen ist, die dem Verdrehen des Verstellringes dient, wobei die Betätigungseinrichtung sowohl eine elektrische als auch eine mechanische Betätigungseinrichtung sein kann.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Lagerung für den Verstellring vorgesehen ist, beispielsweise ein Wälzlager.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:

1 schematisch das im Abgasabführsystem angeordnete Abgasnachbehandlungssystem einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine, teilweise geschnitten.

1 zeigt schematisch das im Abgasabführsystem 2 angeordnete kombinierte Abgasnachbehandlungssystem 1 einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine, teilweise geschnitten.
Zum Abführen der heißen Abgase aus den Zylindern verfügt die Brennkraftmaschine über ein Abgasabführsystem 2. Zwecks Aufladung der Zylinder ist mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen, der eine Turbine 10 umfasst, die stromaufwärts des kombinierten Abgasnachbehandlungssystems 1 im Abgasabführsystem 2 angeordnet ist.
Das kombinierte Abgasnachbehandlungssystem 1 verfügt über ein trichterförmig ausgebildetes Eintrittsgehäuse 3 zum Zuführen des Abgases, das sich in Strömungsrichtung zu dem Abgasnachbehandlungssystem 1 hin erweitert, wodurch der Abgasstrom im Eintrittsbereich aufgeweitet wird.
Im Eintrittsgehäuse 3 ist eine verstellbare kranzförmige Leiteinrichtung 4 angeordnet, die mittig eine Öffnung 8 freilässt, durch die eine kegelstumpfförmig ausgebildete Hülse 9 hindurchtritt, welche koaxial zum Eintrittsgehäuse 3 ausgerichtet ist. Die im Eintrittsgehäuse 3 angeordnete Hülse 9 wird mittels Haltevorrichtung 9a im Eintrittsgehäuse 3 fixiert und gehalten.
Die verstellbare kranzförmige Leiteinrichtung 4 umfasst mittels Verstelleinrichtung 6 verdrehbare Leitschaufeln 4a, wobei jede Leitschaufel 4a auf einer geraden leitschaufelzugehörigen Welle 4b angeordnet ist.
Eine das Eintrittsgehäuse 3 mit ausbildende und außen begrenzende Wandung 3a umschließt die kranzförmige Leiteinrichtung 4 rahmenartig und dies unter Ausbildung eines Spaltes zwischen den Leitschaufeln 4a und der Wandung 3a, um eine Drehbewegung der Leitschaufeln 4a zu ermöglichen.
Die Verstelleinrichtung 6 verfügt über einen verdrehbaren Verstellring 6a, wobei verschwenkbare Hebel 5 als Zwischenelemente zur kinematischen Koppelung des Verstellringes 6a mit den leitschaufelzugehörigen Wellen 4b vorgesehen sind, so dass die Leitschaufeln 4a mittels Verdrehen des Verstellrings 6a verstellbar sind. Hierzu sind die Hebel 5 jeweils an ihrem wellenseitigen Ende 5' verdrehfest mit der leitschaufelzugehörigen Welle 4b verbunden und an ihrem ringseitigen Ende 5" beweglich in einer Ausnehmung des Verstellringes 6a gelagert. Die Lagerung 6b des Verstellringes 6a übernimmt vorliegend ein innenliegendes Wälzlager 6b. Eine elektrische Betätigungseinrichtung 7 dient dem Verdrehen des Verstellringes 6a bei Bedarf.
Die kranzförmige Leiteinrichtung 4 kann durch Verstellen in eine Schließstellung überführt werden, in der die Leitschaufeln 4a ein ringförmiges Segment des Strömungsquerschnittes im Eintrittsgehäuse 3 blendenartig abdecken.
Bezugszeichenliste

1: kombiniertes Abgasnachbehandlungssystem
2: Abgasabführsystem
3: Eintrittsgehäuse des Abgasnachbehandlungssystems
3a: eine das Eintrittsgehäuse mit ausbildende und außen begrenzende Wandung
4: Leiteinrichtung
4a: Leitschaufel
4b: leitschaufelzugehörige Welle
5: Hebel
5': wellenseitiges Ende des Hebels
5": ringseitiges Ende des Hebels
6: Verstelleinrichtung
6a: Verstellring
6b: Lagerung des Verstellringes, Wälzlager
7: Betätigungseinrichtung, Aktuator
8: Öffnung
9: Hülse
9a: Haltevorrichtung
10: Turbine
°C: Grad Celsius
λ: Luftverhältnis

Claims

Brennkraftmaschine mit - einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft, - einem Abgasabführsystem (2) zum Abführen von Abgas, und - mindestens einem kombinierten Abgasnachbehandlungssystem (1), das im Abgasabführsystem (2) angeordnet ist und über ein Eintrittsgehäuse (3) zum Zuführen von Abgas verfügt, dadurch gekennzeichnet, dass im Eintrittsgehäuse (3) eine verstellbare kranzförmige Leiteinrichtung (4) angeordnet ist, die mittig eine Öffnung (8) freilässt und mittels Verstelleinrichtung (6) verdrehbare Leitschaufeln (4a) umfasst, wobei - jede Leitschaufel (4a) auf einer leitschaufelzugehörigen Welle (4b) angeordnet ist, - eine das Eintrittsgehäuse (3) mit ausbildende und außen begrenzende Wandung (3a) die kranzförmige Leiteinrichtung (4) unter Ausbildung eines Spaltes zwischen den Leitschaufeln (4a) und der Wandung (3a) rahmenartig umschließt, und - die verstellbare kranzförmige Leiteinrichtung (4) in einer Schließstellung ein ringförmiges Segment eines bereitstellbaren Eintrittsströmungsquerschnittes blendenartig abdeckt, wobei - die Verstelleinrichtung (6) über einen verdrehbaren Verstellring (6a) verfügt, wobei die Leitschaufeln (4a) mittels Verdrehen des Verstellrings (6a) verstellbar sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass verschwenkbare Hebel (5) als Zwischenelemente zur kinematischen Koppelung des Verstellringes (6a) mit den leitschaufelzugehörigen Wellen (4b) vorgesehen sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hebel (5) jeweils an ihrem einen wellenseitigen Ende (5') verdrehfest mit einer leitschaufelzugehörigen Welle (4b) verbunden sind und an ihrem anderen ringseitigen Ende (5") beweglich in einer Ausnehmung des Verstellringes (6a) gelagert sind, so dass die Leitschaufeln (4a) mittels Verdrehen des Verstellrings (6a) verstellbar sind.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Turbine (10) im Abgasabführsystem (2) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Turbine (10) die Turbine (10) eines Abgasturboladers ist, der die im Abgasabführsystem (2) angeordnete Turbine (10) und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Abgasturbolader vorgesehen sind, die jeweils eine im Abgasabführsystem (2) angeordnete Turbine (10) und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfassen.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Eintrittsgehäuse (3) erweitert.
Brennkraftmaschine nach einem Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Eintrittsgehäuse (3) trichterförmig ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine nach einem Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Eintrittsgehäuse (3) kegelstumpfförmig ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hülse (9) vorgesehen ist, welche im Eintrittsgehäuse (3) angeordnet und koaxial zum Eintrittsgehäuse (3) ausgerichtet ist und durch die mittige Öffnung (8) in der kranzförmigen Leiteinrichtung (4) hindurchtritt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Hülse (9) erweitert.
Brennkraftmaschine nach einem Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (9) trichterförmig ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine nach einem Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (9) kegelstumpfförmig ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Haltevorrichtung (9a) für die Hülse (9) vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede leitschaufelzugehörige Welle (4b) geradlinig ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Betätigungseinrichtung (7) vorgesehen ist, die dem Verdrehen des Verstellringes (6a) dient.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lagerung (6b) für den Verstellring (6a) vorgesehen ist.