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Die Erfindung betrifft eine aufgeladene direkteinspritzende Brennkraftmaschine mit einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft und einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas und mit mindestens zwei in Reihe geschalteten 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 ein Turbinengehäuse umfassende Turbine des zweiten Abgasturboladers stromaufwärts der ersten ein Turbinengehäuse umfassenden Turbine des ersten Abgasturboladers angeordnet ist und der zweite Verdichter des zweiten Abgasturboladers stromabwärts des ersten Verdichters des ersten Abgasturboladers angeordnet ist,
- – eine erste Bypassleitung vorgesehen ist, die zwischen der ersten Turbine und der zweiten Turbine unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes vom Abgasabführsystem abzweigt,
- – am ersten Knotenpunkt ein Ventil im Abgasabführsystem angeordnet ist,
- – eine zweite Bypassleitung vorgesehen ist, die stromaufwärts der zweiten Turbine vom Abgasabführsystem abzweigt und die zwischen der ersten Turbine und der zweiten Turbine wieder in das Abgasabführsystem einmündet und in der ein Absperrelement angeordnet ist,
- – stromabwärts der Turbinen mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem im Abgasabführsystem vorgesehen 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 beispielsweise als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Ottomotoren, Dieselmotoren, 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.
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Die Aufladung der Brennkraftmaschine dient in erster Linie der Leistungssteigerung. 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 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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In der Regel 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 dieser Turbine, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird. Gegebenenfalls ist zusätzlich eine Ladeluftkühlung vorgesehen, mit der die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in die Zylinder gekühlt wird.
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Der Vorteil eines Abgasturboladers beispielsweise im Vergleich zu einem mechanischen Lader besteht darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine besteht bzw. erforderlich ist, die zusätzlich Bauraum im Motorraum beansprucht und die Anordnung der Aggregate in nicht unerheblicher Weise beeinflusst. 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 mit einem Abgasturbolader aufgeladenen Brennkraftmaschinen wird bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl ein spürbarer Drehmomentabfall beobachtet. Dieser Effekt ist unerwünscht und zählt 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 Abgasstrom 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 Turbinenquerschnitts und gleichzeitiger Abgasabblasung. Eine derartige Turbine wird auch als Waste-Gate-Turbine bezeichnet. Überschreitet der Abgasmassenstrom eine kritische Größe wird ein Teil des Abgasstroms im Rahmen einer sogenannten Abgasabblasung mittels einer Bypassleitung an der Turbine vorbei geführt. Diese Vorgehensweise hat aber den Nachteil, dass das Aufladeverhalten bei höheren Drehzahlen unzureichend ist.
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Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann des Weiteren 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 und die Drehmomentcharakteristik im unteren Drehzahlbereich deutlich verbessert wird. Erreicht wird dies durch eine Auslegung der Hochdruckturbine auf kleine Abgasströme und Vorsehen einer Bypassleitung, mit der bei zunehmendem Abgasstrom zunehmend Abgas an der Hochdruckturbine vorbeigeführt wird. Die Bypassleitung zweigt hierzu stromaufwärts der Hochdruckturbine vom Abgasabführsystem ab und mündet stromaufwärts der Niederdruckturbine wieder in das Abgasabführsystem. In der Bypassleitung ist ein Absperrelement angeordnet, um den an der Hochdruckturbine vorbeigeführten Abgasstrom zu steuern. Eine zweistufig aufladbare Brennkraftmaschine der vorstehenden Art wird beispielweise in der europäischen Patentanmeldung
EP 1 640 596 A1 beschrieben. Die deutsche Offenlegungsschrift
DE 10 2013 215 574 A1 hat eine solche Brennkraftmaschine ebenfalls zum Gegenstand.
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Auch die Brennkraftmaschine der vorliegenden Erfindung verfügt über mindestens zwei in Reihe angeordnete Turbolader.
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Zwei in Reihe geschaltete Abgasturbolader bieten über das bereits Gesagte hinaus noch weitere Vorteile. Die Leistung der Brennkraftmaschine kann durch eine zweistufige Aufladung noch weiter gesteigert 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. Das Laufzeug bzw. Laufrad eines kleiner dimensionierten Abgasturboladers lässt sich schneller beschleunigen und verzögern.
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Dies hat auch hinsichtlich der Partikelemissionen Vorteile. Bei einer Beschleunigung der Brennkraftmaschine folgt die den Zylindern zu zuführende Luftmasse der erhöhten Kraftstoffmenge infolge der Trägheit der Laufräder grundsätzlich nur verzögert. Bei einem kleineren Hochdruckturbolader hingegen wird die dem Motor zugeführte Ladeluft nahezu verzögerungsfrei angepasst, weshalb Betriebszustände mit erhöhter Partikelemission vermieden werden.
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Die Verwendung mehrerer Abgasturbolader hat aber auch Nachteile. Bei der Auslegung der Abgasturboaufladung ist man bemüht, die Turbine bzw. die Turbinen möglichst nahe am Auslass der Brennkraftmaschine, d. h. nahe der 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. Nicht nur der Weg der heißen Abgase zur Turbine verkürzt sich durch eine motornahe Anordnung, auch das Volumen des Abgasabführsystems stromaufwärts der Turbine nimmt ab. Die thermische Trägheit des Abgasabführsystems nimmt ebenfalls ab und zwar durch Reduzierung der Masse und der Länge des Teilstückes des Abgasabführsystems bis hin zur Turbine. Aus den vorstehend genannten Gründen werden die Turbinen in der Regel auslassseitig am Zylinderkopf angeordnet. Der Abgaskrümmer wird 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. Bei einer zweistufigen Aufladung bereitet aber die motornahe Anordnung der Turbine der Niederdruckstufe Probleme.
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Als problematisch erweist sich die Abgasturboaufladung auch in Kombination mit einer Abgasnachbehandlung. Eine zweistufig aufladbare Brennkraftmaschine mit Abgasnachbehandlung wird beispielsweise in der europäischen Patentanmeldung
EP 1 396 619 A1 beschrieben. 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. Es werden mehrere Konzepte aufgezeigt.
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Bei einer Ausführungsform gemäß der
EP 1 396 619 A1 wird der Abgasstrom mittels geeigneter Umschalteinrichtungen und Bypassleitungen in der Art gelenkt, dass dieser an beiden Turbinen vorbei geführt wird. Dies bietet hinsichtlich eines im Abgasabführsystem stromabwärts der Turbinen angeordneten Katalysators, insbesondere nach einem Kaltstart bzw. in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine, Vorteile, da das heiße Abgas direkt dem Katalysator zugeführt wird und nicht erst unter Wärmeabgabe durch die als Temperatursenke anzusehenden Turbinen geleitet wird. 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 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 den Katalysatoren zugeführt und kein Abgas durch die Turbinen geleitet wird. Während der Warmlaufphase kann somit keine Aufladung der Brennkraftmaschine erfolgen bzw. durchgeführt werden, da kein Ladedruck unter Ausnutzung der Abgasenergie generiert werden kann. Es ergibt sich ein Konflikt zwischen der Abgasturboaufladung und der Abgasnachbehandlung.
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Die
DE 10 2013 215 574 A1 beschreibt ein Konzept, bei dem die Niederdruckturbine mit einer Bypassleitung ausgestattet ist. Nach einem Kaltstart bzw. in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine wird das heiße Abgas via Bypassleitung an der Niederdruckturbine vorbei und direkt einem stromabwärts im Abgasabführsystem vorgesehenen Abgasnachbehandlungssystem zugeführt. Dadurch wird die als Temperatursenke anzusehende Niederdruckturbine eliminiert. Auf diese Weise erreicht das Abgasnachbehandlungssystem nach einem Kaltstart bzw. in der Warmlaufphase schneller die erforderliche Temperatur. Die Hochdruckturbine sorgt unterdessen für die Bereitstellung des angeforderten Ladedrucks.
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Um zukünftige Grenzwerte für Schadstoffemissionen einzuhalten, sind weitere Maßnahmen erforderlich. Neben den unverbrannten Kohlenwasserstoffen sind die Stickoxidemissionen von besonderer Relevanz.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene direkteinspritzende Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile beseitigt werden und mit der insbesondere nach einem Kaltstart gleichzeitig hohe Ladedrücke generiert werden können und eine schnelle Aufheizung der Abgasnachbehandlung realisiert werden kann, so dass die Schadstoffemissionen in zufriedenstellender Weise reduziert werden können.
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Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen direkteinspritzenden Brennkraftmaschine der oben genannten Art aufzuzeigen.
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Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine aufgeladene direkteinspritzende Brennkraftmaschine mit einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft und einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas und mit mindestens zwei in Reihe geschalteten 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 ein Turbinengehäuse umfassende Turbine des zweiten Abgasturboladers stromaufwärts der ersten ein Turbinengehäuse umfassenden Turbine des ersten Abgasturboladers angeordnet ist und der zweite Verdichter des zweiten Abgasturboladers stromabwärts des ersten Verdichters des ersten Abgasturboladers angeordnet ist,
- – eine erste Bypassleitung vorgesehen ist, die zwischen der ersten Turbine und der zweiten Turbine unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes vom Abgasabführsystem abzweigt,
- – am ersten Knotenpunkt ein Ventil im Abgasabführsystem angeordnet ist,
- – eine zweite Bypassleitung vorgesehen ist, die stromaufwärts der zweiten Turbine vom Abgasabführsystem abzweigt und die zwischen der ersten Turbine und der zweiten Turbine wieder in das Abgasabführsystem einmündet und in der ein Absperrelement angeordnet ist,
- – stromabwärts der Turbinen mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem im Abgasabführsystem vorgesehen ist,
und die dadurch gekennzeichnet ist, dass - – in der ersten Bypassleitung ein Stickoxidspeicherkatalysator angeordnet ist.
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist mit zwei in Reihe schaltbaren, im Abgasabführsystem in Reihe angeordneten Turbinen und zwei in Reihe schaltbaren, im Ansaugsystem in Reihe angeordneten Verdichtern ausgestattet.
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Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen, 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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Aus demselben Grund sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen die erste Turbine größer ausgelegt ist als die zweite Turbine. Denn die zweite Turbine dient im Rahmen einer zweistufigen Aufladung als Hochdruckturbine, während sich in der ersten Turbine ein Abgasstrom entspannt, der bereits infolge des Durchlaufens der Hochdruckstufe einen geringeren Druck und eine geringere Dichte aufweist.
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Erfindungsgemäß verfügt sowohl die Turbine der Hochdruckstufe als auch die Turbine der Niederdruckstufe über eine Bypassleitung, über welche Abgas an der jeweiligen Turbine vorbei geleitet werden kann.
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Während der Warmlaufphase wird der Abgasstrom, vorzugsweise der gesamte Abgasstrom, durch die zweite Turbine, d. h. durch die Turbine der Hochdruckstufe, geführt und stromabwärts der zweiten Turbine via erster Bypassleitung, die stromaufwärts der ersten Turbine unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes vom Abgasabführsystem abzweigt, an der ersten Turbine vorbei und stromabwärts der ersten Turbine vorzugsweise wieder in das Abgasabführsystem geleitet.
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Wird der Abgasstrom in der Warmlaufphase durch die kleinere zweite Turbine geführt, kann ein ausreichend hoher Ladedruck erzeugt werden. Gleichzeitig wird durch Umgehung der ersten Turbine die größere als Temperatursenke anzusehende Turbine eliminiert und das heiße Abgas dem mindestens einen Abgasnachbehandlungssystem, welches stromabwärts der Turbinen angeordnet ist, zugeführt, weshalb dieses System nach einem Kaltstart bzw. in der Warmlaufphase schneller seine Anspringtemperatur erreicht.
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Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist in der ersten Bypassleitung zusätzlich ein Stickoxidspeicherkatalysator zur Reduzierung der Stickoxide vorgesehen. Ein solcher Speicherkatalysator erweist sich insbesondere bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen, die mit einem Luftüberschuss betrieben werden, als vorteilhaft, denn bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen können die im Abgas befindlichen Stickoxide prinzipbedingt, d. h. aufgrund der fehlenden Reduktionsmittel nicht reduziert werden.
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Bei einem Speicherkatalysator werden die Stickoxide zunächst 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, wobei die im Abgas befindlichen unverbrannten Kohlenwasserstoffe und das Kohlenmonoxid als Reduktionsmittel dienen. Weitere innermotorische Maßnahmen zur Anreicherung des Abgases mit Reduktionsmittel, insbesondere mit unverbrannten Kohlenwasserstoffen, bietet die Abgasrückführung und – bei Dieselmotoren – die Drosselung im Ansaugtrakt. Eine Anreicherung des Abgases mit unverbrannten Kohlenwasserstoffen kann auch mittels Nacheinspritzung von Kraftstoff in mindestens einen Zylinder der Brennkraftmaschine realisiert werden. Ein Nachteil dabei kann die Ölverdünnung sein. Auf innermotorische Maßnahmen kann verzichtet werden, wenn das Reduktionsmittel direkt in das Abgasabführsystem eingebracht wird, beispielsweise durch Einspritzen von zusätzlichem Kraftstoff stromaufwärts des Speicherkatalysators.
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Während der Regenerationsphase werden die Stickoxide freigegeben und im Wesentlichen in Stickstoffdioxid, Kohlenstoffdioxid und Wasser umgewandelt. Die Temperatur des Speicherkatalysators sollte vorzugsweise in einem Temperaturfenster zwischen 200°C und 450°C liegen, so dass einerseits eine schnelle Reduktion sichergestellt wird und andererseits keine Desorption ohne Konvertierung der wieder freigegebenen Stickoxide stattfindet, was durch zu hohe Temperaturen ausgelöst werden kann. Insofern ist die erfindungsgemäße Anordnung des Speicherkatalysators stromabwärts der zweiten Turbine besonders vorteilhaft. Damit ist einerseits eine schnelle Aufheizung des Speicherkatalysators nach einem Kaltstart gewährleistet, ohne dass andererseits die Gefahr einer Überhitzung bestehen würde. Zu hohe Temperaturen können den Speicherkatalysator schädigen, zur thermischen Alterung des Katalysators beitragen und die Konvertierung deutlich mindern.
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Da der erfindungsgemäße Speicherkatalysator der Reduzierung der Stickoxide nach einem Kaltstart bzw. in der Warmlaufphase dient, wird der Katalysator vorteilhafterweise dementsprechend, d. h. dieser Aufgabe entsprechend ausgelegt sein. Folglich ist der Speicherkatalysator hinsichtlich seines Volumens und seiner Beschichtung vorzugsweise auf kleinere Abgasmengen und niedrige Temperaturen ausgelegt.
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Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine aufgeladene direkteinspritzende Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, mit der nach einem Kaltstart hohe Ladedrücke generiert werden können und gleichzeitig eine schnelle Aufheizung der Abgasnachbehandlungssysteme realisiert werden kann, um die Schadstoffemissionen in zufriedenstellender Weise reduzieren zu können.
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Eine Besonderheit bei Verwendung eines Speicherkatalysators ergibt sich aus dem im Abgas enthaltenen Schwefel, der ebenfalls absorbiert wird und im Rahmen einer sogenannten Entschwefelung regelmäßig entfernt werden muss. Hierfür muss der Speicherkatalysator auf hohe Temperaturen, üblicherweise zwischen 600°C und 700°C, erwärmt und mit einem Reduktionsmittel versorgt werden. Die erfindungsgemäße Anordnung des Speicherkatalysators stromabwärts der zweiten Turbine ermöglicht eine derart hohe Aufheizung des Katalysators mittels innermotorischer Maßnahmen ohne Verwendung anderer zusätzlicher Maßnahmen.
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Zukünftig könnten die vom Gesetzgeber vorgegebenen Grenzwerte für Stickoxidemissionen eine On-Board-Diagnose erforderlich machen, um die mit zunehmender Betriebsdauer zu erwartende Einschränkung der Funktionstüchtigkeit, d. h. die Abnahme der Konvertierung zu überwachen bzw. zu detektieren. Folglich sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen eine On-Board-Diagnose vorgesehen ist, um die Funktionstüchtigkeit des Speicherkatalysators zu überwachen und unerwünscht hohe Schadstoffemissionen infolge eingeschränkter Funktionstüchtigkeit bzw. mangelnder Konvertierung zu vermeiden.
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Das mindestens eine Abgasnachbehandlungssystem stromabwärts der Turbinen kann ein Oxidationskatalysator, ein Dreiwegekatalysator, ein Speicherkatalysator, ein selektiver Katalysator und/oder ein Partikelfilter sein. Es kann auch eine Kombination aus zwei oder mehreren der vorstehend genannten Abgasnachbehandlungssysteme eingesetzt werden.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen das mindestens eine Abgasnachbehandlungssystem stromabwärts der Turbinen ein kombiniertes Abgasnachbehandlungssystem ist, welches einen selektiven Katalysator und einen Partikelfilter umfasst.
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Bei selektiven Katalysatoren wird gezielt Reduktionsmittel in das Abgas eingebracht, um die Stickoxide selektiv zu vermindern. Als Reduktionsmittel kommen neben Ammoniak und Harnstoff auch unverbrannte Kohlenwasserstoffe zum Einsatz.
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Zur Verringerung der Emission von Rußpartikeln können regenerative Partikelfilter eingesetzt werden, die die Rußpartikel aus dem Abgas herausfiltern und speichern, wobei die Rußpartikel intermittierend im Rahmen einer Regeneration des Filters verbrannt werden. Zur Regeneration des Partikelfilters sind hohe Temperaturen – etwa 550°C bei nicht vorhandener katalytischer Unterstützung – erforderlich, die im Betrieb regelmäßig nur bei hohen Lasten und hohen Drehzahlen erreicht werden. Um eine Regeneration des Filters unter sämtlichen Betriebsbedingungen zu gewährleisten, können zusätzliche Maßnahmen erforderlich werden.
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An dem ersten Knotenpunkt, an welchem die erste Bypassleitung von dem Abgasabführsystem abzweigt, ist erfindungsgemäß ein Ventil angeordnet, welches in der Warmlaufphase gemäß einer ersten Arbeitsposition das Abgasabführsystem zur ersten Turbine versperrt und die erste Bypassleitung freigibt, so dass der Abgasstrom an der größeren ersten Turbine vorbei geführt wird. Dies ist ein entscheidender Vorteil im Vergleich zu Ausführungsformen, bei denen das Ventil in der Bypassleitung selbst angeordnet ist und bei geöffnetem Ventil weiter Abgas in die Turbine der Niederdruckstufe strömen kann. Zwar bildet die Turbine der Niederdruckstufe auch dann einen gewissen Strömungswiderstand. Nichtsdestotrotz strömt ein Teil des Abgasstroms durch die größere erste Turbine. Dieser Teilstrom ist aber bei den hier betrachteten Betriebsmodi prozentual ein nicht unerheblicher Teil des Gesamtabgasstroms, der dann dem Speicherkatalysator bzw. dem mindestens einen Abgasnachbehandlungssystem nach einem Kaltstart nicht direkt zur Aufheizung zur Verfügung steht.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen das am ersten Knotenpunkt angeordnete Ventil gemäß einer zweiten Arbeitsposition das Abgasabführsystem zur ersten Turbine freigibt und die erste Bypassleitung versperrt.
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Vorzugsweise wird die Brennkraftmaschine entweder gemäß einem ersten Betriebsmodus unter Verwendung des zweiten Abgasturboladers einstufig oder gemäß einem zweiten Betriebsmodus unter Verwendung des ersten Abgasturboladers und des zweiten Abgasturboladers zweistufig aufgeladen.
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Im ersten Betriebsmodus befindet sich das am ersten Knotenpunkt angeordnete Ventil dann in der ersten Arbeitsposition, wohingegen sich das Ventil im zweiten Betriebsmodus in der zweiten Arbeitsposition befindet.
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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 direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen das Ventil am ersten Knotenpunkt ein 3-2-Wege-Ventil ist, d. h. ein Ventil mit drei Anschlüssen und zwei Schaltpositionen.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen das Ventil am ersten Knotenpunkt eine verschwenkbare Klappe ist.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen die Klappe ausgehend von einer versperrten ersten Bypassleitung beim Freigeben der ersten Bypassleitung gegen die Abgasströmung verschwenkbar ist. Dann wird die Klappe, falls diese defekt ist, vom Abgasstrom in die Stellung geschwenkt, in der die erste Bypassleitung versperrt ist, und beide Turbinen werden vom Abgas durchströmt.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen das Ventil elektrisch, hydraulisch, pneumatisch, mechanisch oder magnetisch steuerbar ist, vorzugsweise mittels Motorsteuerung.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen die erste Bypassleitung stromabwärts der ersten Turbine wieder in das Abgasabführsystem mündet.
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Dass die erste Bypassleitung wieder in das Abgasabführsystem mündet, hat den Vorteil, dass dann das gesamte Abgas dem mindestens einen im Abgasabführsystem vorgesehenen Abgasnachbehandlungssystem zugeführt werden kann.
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Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen der aufgeladenen direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen die erste Bypassleitung stromaufwärts des mindestens einen im Abgasabführsystem stromabwärts der Turbinen vorgesehenen Abgasnachbehandlungssystems wieder in das Abgasabführsystem mündet.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen der in der ersten Bypassleitung angeordnete Stickoxidspeicherkatalysator auf die Abgasnachbehandlung während einer Warmlaufphase der Brennkraftmaschine bei niedrigen Temperaturen ausgelegt ist. Es wird auch Bezug genommen auf die diesbezüglich bereits gemachten Ausführungen.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen die zweite Bypassleitung stromaufwärts des ersten Knotenpunktes wieder in das Abgasabführsystem einmündet.
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Ist das am ersten Knotenpunkt angeordnete Ventil dann in seiner ersten Arbeitsposition, in der die erste Bypassleitung freigegeben und das Abgasabführsystem zur ersten Turbine versperrt ist, wird die Brennkraftmaschine gemäß einem ersten Betriebsmodus unter Verwendung des zweiten Abgasturboladers einstufig aufgeladen, wobei das gesamte Abgas die erste Bypassleitung passiert und kein Abgas zur ersten Turbine geleitet wird und zwar auch dann nicht, wenn die zweite Bypassleitung durch Öffnen des Absperrelements für Abgas freigegeben wird.
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Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen der aufgeladenen direkteinspritzenden Brennkraftmaschine sein, bei denen die zweite Bypassleitung stromabwärts des ersten Knotenpunktes wieder in das Abgasabführsystem einmündet.
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Im Gegensatz zu der vorherigen Ausführungsform kann der ersten Turbine auch dann Abgas zugeführt werden, wenn das am ersten Knotenpunkt angeordnete Ventil gemäß seiner ersten Arbeitsposition das Abgasabführsystem zur ersten Turbine versperrt, nämlich indem die zweite Bypassleitung durch Öffnen des Absperrelements freigegeben wird. Auf diese Weise kann die erste Turbine auf einer vorgebbaren Mindestdrehzahl gehalten werden, wodurch das Ansprechverhalten der Aufladung verbessert wird. Zudem eröffnet sich die Möglichkeit, die erste Turbine mittels Abgas aus der zweiten Bypassleitung zu beschleunigen, bevor das am ersten Knotenpunkt angeordnete Ventil in seine zweite Arbeitsposition überführt wird. Das Überführen der Brennkraftmaschine von der einstufigen Aufladung hin zur zweistufigen Aufladung lässt sich dadurch deutlich verbessern.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen eine dritte Bypassleitung vorgesehen ist, die zwischen dem ersten Verdichter und dem zweiten Verdichter unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes in das Ansaugsystem einmündet und in der ein weiteres Absperrelement angeordnet ist.
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Die dritte Bypassleitung kann dem Abblasen von im ersten Verdichter komprimierter Ladeluft dienen. Insbesondere kann die dritte Bypassleitung aber dem Ansaugen von Ladeluft dienen und zwar bei Umgehung des ersten Verdichters, der bei einer einstufigen Aufladung mittels Hochdruckstufe lediglich einen Strömungswiderstand darstellt.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen im Ansaugsystem zwischen dem ersten Verdichter und dem zweiten Verdichter ein Ladeluftkühler angeordnet ist.
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Vorliegend ist zwischen den Verdichtern ein Ladeluftkühler im Ansaugsystem angeordnet. Der Ladeluftkühler senkt im Rahmen einer zweistufigen Verdichtung die Temperatur der in der Niederdruckstufe komprimierten Ladeluft und steigert damit die Dichte der Ladeluft, wodurch die Verdichtung in der Hochdruckstufe verbessert wird und die Austrittstemperatur der Hochdruckstufe bei gleichem Gesamtdruckverhältnis der Aufladegruppe abgesenkt werden kann. Dies bietet auch einen Schutz vor thermischer Überbeanspruchung. Mittels Ladeluftkühler lässt sich aber auch das Gesamtdruckverhältnis der Verdichtergruppe steigern und damit die Leistung weiter erhöhen, d. h. die Leistungssteigerung weiter vorantreiben.
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Der zwischen den Verdichtern angeordnete Ladeluftkühler eröffnet zudem die Möglichkeit, eine Bypassleitung, die nach dem Stand der Technik zwingend am Hochdruckverdichter vorzusehen ist, wegzulassen, d. h. zu eliminieren. Eine derartige Bypassleitung ist vorliegend nicht zwingend erforderlich. Entweder komprimiert der Hochdruckverdichter kleinere Ladeluftmengen im Rahmen einer einstufigen Verdichtung oder aber größere Ladeluftmengen im Rahmen einer zweistufigen Verdichtung, wobei größere Ladeluftmengen in der Niederdruckstufe vorkomprimiert und im Ladeluftkühler zwischengekühlt werden, bevor die auf diese Weise vorbehandelte Ladeluft in die zweite Verdichterstufe, d. h. den zweiten Verdichter eintritt. Ein Umgehen des zweiten Verdichters wird in keinem dieser beiden Betriebsmodi erforderlich. Ein dichtes Packaging der Aufladung bzw. der gesamten Antriebseinheit wird möglich.
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Ein Betriebsmodus, in dem Ladeluft im Rahmen einer einstufigen Verdichtung in der Niederdruckstufe komprimiert und anschließend an dem Hochdruckverdichter via Bypassleitung vorbeigeführt wird, ist grundsätzlich möglich, aber nicht vorzuziehen. Insofern entfällt auch ein Überführen der Brennkraftmaschine bzw. der Aufladung in diesen Betriebsmodus. Ein unerwünschter Drehmomentabfall, der grundsätzlich bei einem derartigen Überführen auftreten könnte, entfällt mit dem Überführvorgang.
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Die Brennkraftmaschine verfügt über eine verbesserte Drehmomentcharakteristik und ein grundsätzlich verbessertes Betriebsverhalten. Im Einzelfall kann die Brennkraftmaschine bei höheren Lasten über die gesamte Drehzahlbreite zweistufig gemäß dem zweiten Betriebsmodus aufgeladen und betrieben werden.
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Vorteilhaft sind im vorstehenden Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen die dritte Bypassleitung zwischen dem Ladeluftkühler und dem zweiten Verdichter unter Ausbildung des zweiten Knotenpunktes in das Ansaugsystem einmündet.
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Dann wird die Ladeluft im Rahmen der einstufigen Verdichtung vor Eintritt in den Hochdruckverdichter nicht gekühlt, sondern nur im Rahmen der zweistufigen Verdichtung. Zu berücksichtigen ist auch, dass eine einstufige Verdichtung insbesondere bei einer noch nicht auf Betriebstemperatur befindlichen Brennkraftmaschine während der Warmlaufphase realisiert wird, in der es besonders sinnvoll ist, die Ladeluft ungekühlt dem Hochdruckverdichter zu zuführen, um den Aufheizvorgang der Brennkraftmaschine nicht unnötig zu verzögern.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen die dritte Bypassleitung stromaufwärts des ersten Verdichters vom Ansaugsystem abzweigt.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen der erste Verdichter größer ausgelegt ist als der zweite Verdichter.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen die erste Turbine größer ausgelegt ist als die zweite Turbine.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen direkteinspritzenden 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 stufenlose Anpassung der Turbinengeometrie an den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine bzw. an den momentanen Abgasmassenstrom. Im Gegensatz zu einer Turbine mit fester Geometrie kann in einem weiten Drehzahl- bzw. Lastbereich eine mehr oder weniger zufriedenstellende Aufladung realisiert werden.
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Insbesondere gestattet die Kombination aus Turbine mit variabler Turbinengeometrie und einer diese Turbine umgehenden zweiten Bypassleitung die Auslegung der Hochdruckturbine auch 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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Bei Brennkraftmaschinen mit mindestens zwei Zylindern, bei der jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt, sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen die Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern unter Ausbildung eines Abgaskrümmers zusammenführen. Das Zusammenführen von Abgasleitungen sorgt für eine kompakte Bauweise des Abgasabführsystems, wobei sich die Gesamtwegstrecke der Abgasleitungen verkürzt und das Volumen verkleinert. Dies reduziert die thermische Trägheit des Abgasabführsystems bis hin zur Hochdruckturbine, so dass am Eintritt in die Hochdruckturbine ein energiereicheres Abgas zur Verfügung steht. Der Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine nimmt dabei ebenfalls zu.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen der Abgaskrümmer zumindest bereichsweise mit einer Wärmeisolierung ausgestattet ist. Die Wärmeisolierung wirkt einer Abkühlung des Abgases beim Durchströmen des Krümmers entgegen, da die Isolierung als Barriere den Wärmeentzug via Krümmer hemmt bzw. erschwert.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen die Wärmeisolierung mindestens ein in einem Hohlraum befindliches Luftpolster umfasst. Das mindestens eine Luftpolster dient als Wärmebarriere, wobei der Hohlraum geschlossen, aber auch offen sein kann; beispielsweise in der Art einer Hinterschneidung bzw. Ausnehmung.
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Der Krümmer ist vorzugsweise kein Gussteil, in welches der mindestens eine Hohlraum im Rahmen des Gießvorganges als integraler Bestandteil mit eingearbeitet wird. Vielmehr ist der Krümmer vorzugsweise ein – beispielsweise aus Blechen – gebauter Krümmer, bei dem der mindestens eine Hohlraum im Rahmen des Zusammenbaus unter Verwendung von zueinander beabstandet angeordneten Schalungselementen ausgebildet wird. An diesen Krümmer können gegebenenfalls Gussteile angebracht sein bzw. werden, beispielsweise ein gegossener Flansch zur Befestigung des Krümmers am Zylinderkopf oder dergleichen.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen das Turbinengehäuse der zweiten Turbine zumindest teilweise integral mit dem Abgaskrümmer ausgebildet ist. Der mit dem Krümmer integral ausgebildete Teil des Turbinengehäuses kann als Lagerung bzw. Befestigung für den zweiten Abgasturbolader dienen, wobei eine vormontierte Einheit umfassend den Hochdruckverdichter, das Lagergehäuse und das Turbinenlaufzeug in das mit dem Krümmer integral ausgebildete Teil des Turbinengehäuses eingesetzt werden kann. Insofern kann das Turbinengehäuse der zweiten Turbine auch ein Gehäuse sein, das teilweise integral mit dem Abgaskrümmer ausgebildet ist und teilweise gegossen ist, wobei die Teile des Gehäuses im Rahmen der Montage miteinander verbunden werden.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen das Turbinengehäuse der ersten Turbine an der Brennkraftmaschine befestigt ist. Diese Ausführungsform stellt sicher, dass die große Niederdruckstufe den Krümmer nicht unverhältnismäßig belastet, d. h. beansprucht. Vorteilhaft ist dies insbesondere im Hinblick auf einen aus Blechen gebauten Krümmer, der im Vergleich zu einem gegossenen Krümmer eine begrenzte Festigkeit und Formstabilität aufweist.
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Bei Brennkraftmaschine mit einem Zylinderblock und mindestens einem Zylinderkopf sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen das Turbinengehäuse der ersten Turbine an dem Zylinderblock der Brennkraftmaschine befestigt ist. Dies gewährleistet eine kompakte Bauweise der Brennkraftmaschine. Das Turbinengehäuse der ersten Turbine kann ein Gussteil sein.
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Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der aufgeladenen direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen mindestens eine Verbindung zwischen dem Turbinengehäuse der ersten Turbine und einer Abgas führenden Leitung unter Verwendung von schwingungsdämpfenden Elementen ausgebildet ist. Diese Ausführungsform trägt dem Umstand Rechnung, dass vom Zylinderblock bzw. Zylinderkopf Schwingungen in das Turbinengehäuse der ersten Turbine eingeleitet werden, die sich in die mit dem Turbinengehäuse verbundenen Teile fortpflanzen bzw. übertragen können. Letzteres soll durch schwingungsdämpfende Elemente verhindert bzw. erschwert werden.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen stromabwärts der Verdichter ein weiterer Ladeluftkühler im Ansaugsystem angeordnet ist. Der weitere Ladeluftkühler senkt die Lufttemperatur und steigert damit die Dichte der abschließend komprimierten Luft, wodurch der weitere Kühler zu einer besseren Füllung der Zylinder mit Luft, d. h. zu einer größeren Luftmasse beiträgt.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen keine Bypassleitung vorgesehen ist, welche den zweiten Verdichter umgeht. Es wird Bezug genommen auf die diesbezüglich gemachten Ausführungen.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen die erste Turbine eine feste, nicht veränderbare Turbinengeometrie aufweist. Diese Ausführungsform hat insbesondere Kostenvorteile. Einerseits entfällt bei dieser Turbinenbauweise die komplexe und kostenintensive Verstellmechanik. Andererseits ist prinzipbedingt keine Steuerung der Turbine notwendig.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen der erste Verdichter eine feste, nicht veränderbare Verdichtergeometrie aufweist. Verdichter mit fester Geometrie weisen aus denselben Gründen wie Turbinen mit fester Geometrie, nämlich aufgrund der einfacheren Bauweise, Kostenvorteile auf.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen eine Abgasrückführung vorgesehen ist.
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Um zukünftige Grenzwerte für Stickoxidemissionen einzuhalten, kann es vorteilhaft sein, eine Abgasrückführung vorzusehen, d. h. die Rückführung von Abgasen aus dem Abgasabführsystem in das Ansaugsystem, bei der mit zunehmender Abgasrückführrate die Stickoxidemissionen deutlich gesenkt werden können.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen die Leitung zur Abgasrückführung stromabwärts einer Ladeluftkühlung 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 sind Ausführungsformen der aufgeladenen direkteinspritzenden 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 Ladeluft 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 aufgeladenen direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen in der Leitung zur Abgasrückführung ein Absperrelement vorgesehen ist. Dieses Absperrelement dient der Steuerung der Abgasrückführrate.
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Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Brennkraftmaschine entweder gemäß einem ersten Betriebsmodus unter Verwendung des zweiten Abgasturboladers einstufig aufgeladen wird oder gemäß einem zweiten Betriebsmodus unter Verwendung des ersten Abgasturboladers und des zweiten Abgasturboladers zweistufig aufgeladen wird.
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Das im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine Gesagte gilt ebenfalls für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen in der Warmlaufphase durch Betätigen des am ersten Knotenpunkt angeordneten Ventils die erste Bypassleitung freigegeben wird und ein Abgasstrom zur ersten Turbine via der zweiten Turbine unterbunden wird, wobei die Brennkraftmaschine gemäß dem ersten Betriebsmodus unter Verwendung des zweiten Abgasturboladers einstufig aufgeladen wird.
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Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen nach der Warmlaufphase die erste Bypassleitung freigegeben wird, um eine Regeneration des in der ersten Bypassleitung angeordneten Stickoxidspeicherkatalysators durchzuführen.
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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 vier Zylinder 3 der Brennkraftmaschine 1 sind entlang der Längsachse des Zylinderkopfes in Reihe angeordnet. Die Abgasleitungen der Zylinder 3 führen zu einem gemeinsamen Abgasabführsystem 4 zusammen, wodurch sämtliche Abgasleitungen miteinander in Verbindung stehen und in sämtlichen Abgasleitungen derselbe Abgasdruck herrscht. Des Weiteren verfügt die Brennkraftmaschine 1 über ein Ansaugsystem 2 zur Versorgung der Zylinder 3 mit Ladeluft.
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Die Brennkraftmaschine 1 ist mit zwei in Reihe schaltbaren, im Abgasabführsystem 4 angeordneten Turbinen 6a, 7a und zwei in Reihe schaltbaren, im Ansaugsystem 2 angeordneten Verdichtern 6b, 7b ausgestattet, wobei jeweils eine Turbine 6a, 7a und ein Verdichter 6b, 7b zu einem Abgasturbolader 6, 7 zusammengefasst sind. Somit kann die der Brennkraftmaschine 1 zugeführte Ladeluft zweistufig verdichtet werden, wobei ein erster Abgasturbolader 6 als Niederdruckstufe 6 dient und ein zweiter Abgasturbolader 7 als Hochdruckstufe 7. Die zweite Turbine 7a des zweiten Abgasturboladers 7 ist stromaufwärts der ersten Turbine 6a des ersten Abgasturboladers 6 angeordnet und der zweite Verdichter 7b des zweiten Abgasturboladers 7 stromabwärts des ersten Verdichters 6b des ersten Abgasturboladers 6.
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Der erste Verdichter 6b ist größer ausgelegt als der zweite Verdichter 7b, da der erste Verdichter 6b im Rahmen einer 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 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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Im Ansaugsystem 2 zwischen dem ersten Verdichter 6b und dem zweiten Verdichter 7b ist ein Ladeluftkühler 5a angeordnet. Stromabwärts der Verdichter 6b, 7b ist ein weiterer Ladeluftkühler 5b vorgesehen. Die Lufttemperatur wird gesenkt und damit die Dichte der Ladeluft gesteigert, wodurch eine bessere Füllung der Zylinder 3 mit Luft erreicht wird.
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Stromabwärts der Turbinen 6a, 7a ist in der Gesamtabgasleitung 4 ein Abgasnachbehandlungssystem 15 vorgesehen.
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Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform verfügt die erste Turbine 6a über eine feste, nicht veränderbare Turbinengeometrie und eine erste Bypassleitung 14, die zwischen der ersten Turbine 6a und der zweiten Turbine 7a unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes 8a vom Abgasabführsystem 4 abzweigt. Die erste Bypassleitung 14 mündet stromabwärts der ersten Turbine 6a und stromaufwärts des im Abgasabführsystem 4 vorgesehenen Abgasnachbehandlungssystems 15 wieder in das Abgasabführsystem 4. Am ersten Knotenpunkt 8a ist ein Ventil 9, vorliegend ein 3-2-Wege-Ventil 9, angeordnet.
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Die zweite Turbine 7a des zweiten Abgasturboladers 7 verfügt über eine variable Turbinengeometrie und eine zweite Bypassleitung 12, die stromaufwärts der zweiten Turbine 7a vom Abgasabführsystem 4 abzweigt und die zwischen der ersten Turbine 6a und der zweiten Turbine 7a stromabwärts des ersten Knotenpunktes 8a wieder in das Abgasabführsystem 4 einmündet. In der zweiten Bypassleitung 12 ist ein Absperrelement 13 angeordnet.
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Der erste Verdichter 6b ist mit einer dritten Bypassleitung 10 ausgestattet, die stromaufwärts des ersten Verdichters 6b aus dem Ansaugsystem 2 abzweigt und zwischen dem ersten Verdichter 6b und dem zweiten Verdichter 7b unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes 8b in das Ansaugsystem 2 einmündet. Die dritte Bypassleitung 10 verfügt über ein weiteres Absperrelement 11 und mündet zwischen dem Ladeluftkühler 5a und dem zweiten Verdichter 7b in das Ansaugsystem 2 ein.
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In der ersten Bypassleitung 14 ist ein Stickoxidspeicherkatalysator 14a zur Reduzierung der Stickoxide angeordnet, der insbesondere während der Warmlaufphase die Stickoxide reduziert, wozu die erste Bypassleitung 14 freigegeben wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- aufgeladene Brennkraftmaschine
- 2
- Ansaugsystem
- 3
- Zylinder
- 4
- Abgasabführsystem, Gesamtabgasleitung
- 5a
- Ladeluftkühler
- 5b
- weiterer Ladeluftkühler
- 6
- erster Abgasturbolader, Niederdruckstufe
- 6a
- erste Turbine
- 6b
- erster Verdichter
- 7
- zweiter Abgasturbolader, Hochdruckstufe
- 7a
- zweite Turbine
- 7b
- zweiter Verdichter
- 8a
- erster Knotenpunkt
- 8b
- zweiter Knotenpunkt
- 9
- Ventil, 2-3-Wege-Ventil
- 10
- dritte Bypassleitung
- 11
- weiteres Absperrelement
- 12
- zweite Bypassleitung
- 13
- Absperrelement
- 14
- erste Bypassleitung
- 14a
- Stickoxidspeicherkatalysator
- 15
- Abgasnachbehandlungssystem
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1640596 A1 [0015]
- DE 102013215574 A1 [0015, 0023]
- EP 1396619 A1 [0020, 0020, 0021, 0022]
