DE102018130799A1 - Internal combustion engine and method for operating an internal combustion engine - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor (10) für ein Kraftfahrzeug mit mindestens einem Brennraum (12) und mindestens einer Kurbelwelle (14) zur Leistungsabgabe an die Antriebsräder des Kraftfahrzeuges. Der Verbrennungsmotor (10) ist mit seinem Einlass (16) mit einem Ansaugtrakt (20) und mit seinem Auslass (18) mit einer Abgasanlage (40) verbunden. Der Verbrennungsmotor (10) ist mittels eines Abgasturboladers (28) aufgeladen, welcher einen Verdichter (30) und eine Turbine (50) aufweist, welche durch eine Antriebswelle (36) miteinander verbunden sind. Um die Abgasnachbehandlungskomponenten (52, 54, 56) nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors (10) möglichst schnell auf eine Betriebstemperatur aufzuheizen, ist in der Abgasanlage (40) stromabwärts des Auslasses (18) des Verbrennungsmotors (10) und stromaufwärts der Turbine (50) eine Brennkammer (44) vorgesehen, in welcher ein Brennstoff exotherm umgesetzt wird. Dabei ist die Antriebswelle (36) des Abgasturboladers (28) zumindest mittelbar mit der Kurbelwelle (14) des Verbrennungsmotors (10) verbunden, um zumindest einen Teil der Abgasenergie zurückzugewinnen.The invention relates to an internal combustion engine (10) for a motor vehicle with at least one combustion chamber (12) and at least one crankshaft (14) for delivering power to the drive wheels of the motor vehicle. The internal combustion engine (10) is connected by its inlet (16) to an intake tract (20) and by its outlet (18) to an exhaust system (40). The internal combustion engine (10) is charged by means of an exhaust gas turbocharger (28) which has a compressor (30) and a turbine (50) which are connected to one another by a drive shaft (36). In order to heat the exhaust gas aftertreatment components (52, 54, 56) to an operating temperature as quickly as possible after a cold start of the internal combustion engine (10), the internal combustion engine (10) and upstream of the turbine (50) are located in the exhaust system (40) downstream of the outlet (18). a combustion chamber (44) is provided, in which a fuel is converted exothermally. The drive shaft (36) of the exhaust gas turbocharger (28) is at least indirectly connected to the crankshaft (14) of the internal combustion engine (10) in order to recover at least part of the exhaust gas energy.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit einem Luftversorgungssystem und mit einer Abgasanlage sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Verbrennungsmotors gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.The invention relates to an internal combustion engine with an air supply system and with an exhaust system and a method for operating such an internal combustion engine according to the preamble of the independent claims.

Die aktuelle und eine zukünftig immer schärfer werdende Abgasgesetzgebung stellen hohe Anforderungen an die motorischen Rohemissionen und die Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren. Dabei stellen die Forderungen nach einem weiter sinkenden Verbrauch und die weitere Verschärfung der Abgasnormen hinsichtlich der zulässigen Stickoxid-Emissionen eine Herausforderung für die Motorenentwickler dar. Bei Ottomotoren erfolgt die Abgasreinigung in bekannter Weise über einen Drei-Wege-Katalysator, sowie dem Drei-Wege-Katalysator vor- und nachgeschaltete weitere Katalysatoren. Bei Dieselmotoren finden aktuell Abgasnachbehandlungssysteme Verwendung, welche Oxidationskatalysatoren, Katalysatoren zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Katalysator) sowie einen Partikelfilter zur Abscheidung von Rußpartikeln und gegebenenfalls weitere Katalysatoren aufweisen. Als Reduktionsmittel wird dabei bevorzugt Ammoniak verwendet. Weil der Umgang mit reinem Ammoniak aufwendig ist, wird bei Fahrzeugen üblicherweise eine synthetische, wässrige Harnstofflösung verwendet, die in einer dem SCR-Katalysator vorgeschalteten Mischeinrichtung mit dem heißen Abgasstrom vermischt wird. Durch diese Vermischung wird die wässrige Harnstofflösung erhitzt, wobei die wässrige Harnstofflösung Ammoniak im Abgaskanal freisetzt. Eine handelsübliche, wässrige Harnstofflösung setzt sich im Allgemeinen aus 32,5 % Harnstoff und 67,5 % Wasser zusammen.The current exhaust gas legislation, which will become increasingly stringent in the future, places high demands on raw engine emissions and exhaust gas aftertreatment of internal combustion engines. The demands for a further decrease in consumption and the further tightening of the exhaust gas standards with regard to the permissible nitrogen oxide emissions represent a challenge for the engine developers. In gasoline engines, exhaust gas cleaning is carried out in a known manner using a three-way catalytic converter and Catalyst upstream and downstream further catalysts. Exhaust gas aftertreatment systems are currently used in diesel engines, which have oxidation catalysts, catalysts for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides (SCR catalyst) and a particle filter for separating soot particles and, if appropriate, further catalysts. Ammonia is preferably used as the reducing agent. Because the use of pure ammonia is complex, a synthetic, aqueous urea solution is usually used in vehicles, which is mixed with the hot exhaust gas stream in a mixing device upstream of the SCR catalytic converter. This mixing heats the aqueous urea solution, the aqueous urea solution releasing ammonia in the exhaust gas duct. A commercially available, aqueous urea solution generally consists of 32.5% urea and 67.5% water.

Ein wichtiger Schlüssel zur Emissionsminimierung von Verbrennungsmotoren liegt darin, die Abgasnachbehandlungskomponenten möglichst schnell nach einem Start des Verbrennungsmotors auf eine Betriebstemperatur zu bringen und diese im weiteren Verlauf dauerhaft in diesem Temperaturbereich zu betreiben, um eine möglichst effiziente Abgasnachbehandlung zu ermöglichen.An important key to minimizing emissions from internal combustion engines is to bring the exhaust gas aftertreatment components to an operating temperature as quickly as possible after starting the internal combustion engine and to operate them permanently in this temperature range in order to enable the most efficient exhaust gas aftertreatment.

Aus dem Stand der Technik sind innermotorische Heizmaßnahmen wie beispielsweise eine Verschiebung des Zündwinkels oder des Einspritzzeitpunktes in Richtung spät, ein späte Nacheinspritzung von Kraftstoff oder ein Lambda-Split-Betrieb des Verbrennungsmotors bekannt, bei denen bewusst eine Verschlechterung des thermischen Wirkungsgrads des Verbrennungsmotors in Kauf genommen wird, um zusätzliche Energie in die Abgasanlage einzubringen und höhere Abgastemperaturen zu erzielen.In-engine heating measures such as a shift in the ignition angle or the injection timing in the late direction, a late post-injection of fuel or a lambda split operation of the internal combustion engine are known from the prior art, in which a deterioration in the thermal efficiency of the internal combustion engine is deliberately accepted to bring additional energy into the exhaust system and to achieve higher exhaust gas temperatures.

Darüber hinaus sind elektrische Heizelemente und Abgasbrenner bekannt, mit welchen der Abgasstrom oder eine Komponente in der Abgasanlage beheizt werden kann. Elektrische Heizelemente und Abgasbrenner haben jedoch den Nachteil, dass hier zusätzliche Energie zum Aufheizen benötigt wird. Zudem haben solche motorexternen Heizmaßnahmen den Nachteil, dass sie zwar die Abgastemperatur erhöhen, jedoch weder zu einer Reduktion der Abgasrohemissionen führen noch für den Vortrieb des Kraftfahrzeuges genutzt werden können.In addition, electrical heating elements and exhaust gas burners are known, with which the exhaust gas flow or a component in the exhaust system can be heated. Electric heating elements and exhaust gas burners have the disadvantage, however, that additional energy is required to heat them up. In addition, such external heating measures have the disadvantage that they increase the exhaust gas temperature, but neither lead to a reduction in raw exhaust emissions nor can they be used to propel the motor vehicle.

Aus der DE 10 2008 032 601 A1 ist ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor bekannt, in welchem ein Oxidationskatalysator, stromabwärts des Oxidationskatalysators ein NOx-Speicherkatalysator, stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators ein SCR-Katalysator und weiter stromabwärts ein Partikelfilter angeordnet sind. Dabei ist stromabwärts des SCR-Katalysators und stromaufwärts des Partikelfilters eine Einleitstelle für ein heißes Abgas eines Abgasbrenners vorgesehen, um den Partikelfilter auf seine Regenerationstemperatur aufzuheizen.From the DE 10 2008 032 601 A1 An exhaust gas aftertreatment system for an internal combustion engine is known, in which an oxidation catalytic converter, an NOx storage catalytic converter downstream of the oxidation catalytic converter, an SCR catalytic converter downstream of the NOx storage catalytic converter, and a particle filter further downstream are arranged. An inlet point for a hot exhaust gas from an exhaust gas burner is provided downstream of the SCR catalytic converter and upstream of the particle filter in order to heat the particle filter to its regeneration temperature.

Die DE 10 2016 205 182 A1 offenbart ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor mit einem katalytisch beschichteten Partikelfilter und einem NOx-Speicherkatalysator, wobei stromaufwärts des NOx-Speicherkatalysators ein Abgasbrenner vorgesehen ist, welcher mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird, um eine Aufheizung des Abgases und gleichzeitige Regeneration des NOx-Speicherkatalysators mit den unverbrannten Kohlenwasserstoffen aus dem Brennerabgas zu ermöglichen.The DE 10 2016 205 182 A1 discloses an exhaust gas aftertreatment system for an internal combustion engine with a catalytically coated particle filter and a NOx storage catalytic converter, an upstream of the NOx storage catalytic converter being provided with an exhaust gas burner which is operated with a substoichiometric combustion air ratio in order to heat the exhaust gas and simultaneously regenerate the NOx storage catalytic converter with the to allow unburned hydrocarbons from the burner exhaust.

Die EP 1 469 173 B1 offenbart ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor, bei welchem in Strömungsrichtung eines Abgases durch das Abgasnachbehandlungssystem ein Oxidationskatalysator, stromabwärts des Oxidationskatalysators ein SCR-Katalysator und weiter stromabwärts ein Partikelfilter angeordnet sind. Dabei sind stromabwärts des Oxidationskatalysators und stromaufwärts des SCR-Katalysators ein Wärmetauscher zum Abkühlen des Abgasstroms und stromabwärts des SCR-Katalysators und stromaufwärts des Partikelfilters ein Heizelement vorgesehen, um den Abgasstrom vor Eintritt in den Partikelfilter auf eine Regenerationstemperatur aufzuheizen.The EP 1 469 173 B1 discloses an exhaust gas aftertreatment system for an internal combustion engine, in which an oxidation catalytic converter, an SCR catalytic converter downstream of the oxidation catalytic converter and a particle filter further downstream are arranged in the flow direction of an exhaust gas through the exhaust gas aftertreatment system. Downstream of the oxidation catalytic converter and upstream of the SCR catalytic converter, a heat exchanger for cooling the exhaust gas flow and downstream of the SCR catalytic converter and upstream of the particle filter are provided in order to heat the exhaust gas flow to a regeneration temperature before entering the particle filter.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Abgasemissionen des Verbrennungsmotors zu verringern, wobei die zur Verringerung der Abgasemissionen aufgewandte Energie zumindest anteilig genutzt werden kann.The invention is based on the object of reducing the exhaust gas emissions of the internal combustion engine, the energy used to reduce the exhaust gas emissions being able to be used at least in part.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Verbrennungsmotor mit einer Kurbelwelle und mindestens einem Brennraum gelöst, wobei der Verbrennungsmotor mit seinem Einlass mit einem Ansaugtrakt verbunden ist, und wobei der Verbrennungsmotor mit seinem Auslass mit einer Abgasanlage verbunden ist. Der Verbrennungsmotor weist einen Abgasturbolader mit einem Verdichter und einer Turbine auf, welche durch eine Welle miteinander verbunden sind. Es ist vorgesehen, dass in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors durch die Abgasanlage stromabwärts des Auslasses des Verbrennungsmotors und stromaufwärts der Turbine des Abgasturboladers eine Brennkammer angeordnet ist. Ferner ist vorgesehen, dass die Antriebswelle des Abgasturboladers zumindest mittelbar mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbunden ist. In der Abgasanlage ist stromabwärts der Turbine mindestens eine Abgasnachbehandlungskomponente zur Abgasnachbehandlung eines Abgases des Verbrennungsmotors angeordnet. Bei dem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor ist es in vorteilhafter Weise möglich, möglichst nahe an den Abgasnachbehandlungskomponenten eine Heizmaßnahme zu realisieren, um die thermische Trägheit gegenüber innermotorischen Heizmaßnahmen zu minimieren. Zudem werden die Abwärmeverluste über die Wände des Abgaskanals reduziert. Die in der Brennkammer erzeugte Wärme kann zudem zum Antrieb der Turbine des Abgaskanals genutzt werden, wodurch zumindest ein Teil dieser Wärme genutzt werden kann. Zudem können zur Aufheizung der Abgasnachbehandlungskomponenten innermotorische Heizmaßnahmen entfallen, welche mit erhöhtem Kraftstoffverbrauch und erhöhten Rohemissionen des Verbrennungsmotors verbunden sind.According to the invention, this object is achieved by an internal combustion engine with a crankshaft and solved at least one combustion chamber, the internal combustion engine having its inlet connected to an intake tract, and the internal combustion engine having its outlet connected to an exhaust system. The internal combustion engine has an exhaust gas turbocharger with a compressor and a turbine, which are connected to one another by a shaft. It is provided that a combustion chamber is arranged in the flow direction of an exhaust gas of the internal combustion engine through the exhaust system downstream of the outlet of the internal combustion engine and upstream of the turbine of the exhaust gas turbocharger. It is further provided that the drive shaft of the exhaust gas turbocharger is at least indirectly connected to the crankshaft of the internal combustion engine. At least one exhaust gas aftertreatment component for exhaust gas aftertreatment of an exhaust gas of the internal combustion engine is arranged in the exhaust system downstream of the turbine. In the internal combustion engine according to the invention, it is advantageously possible to implement a heating measure as close as possible to the exhaust gas aftertreatment components in order to minimize the thermal inertia compared to internal engine heating measures. In addition, the waste heat losses through the walls of the exhaust duct are reduced. The heat generated in the combustion chamber can also be used to drive the turbine of the exhaust duct, whereby at least part of this heat can be used. In addition, engine heating measures, which are associated with increased fuel consumption and increased raw emissions of the internal combustion engine, can be omitted for heating the exhaust gas aftertreatment components.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterentwicklungen und nicht triviale Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verbrennungsmotor vorgesehen.The features listed in the dependent claims provide advantageous further developments and non-trivial improvements to the internal combustion engine specified in the independent claim.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Antriebswelle des Abgasturboladers mit einer elektrischen Maschine verbunden ist, über welche der Verdichter des Abgasturboladers unabhängig von dem Abgasstrom des Verbrennungsmotors antreibbar ist. Durch eine elektrische Maschine auf der Antriebswelle kann die Turbine des Abgasturboladers dazu genutzt werden, um elektrische Energie zu erzeugen. Diese Energie kann entweder direkt genutzt werden oder in einer Batterie zwischengespeichert werden. Dadurch kann eine mit dem Verbrennungsmotor verbundene Lichtmaschine entlastet werden, was den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors erhöht und somit die Kraftstoffeffizienz verbessert. Durch die Zwischenspeicherung der Energie besteht zudem die Möglichkeit, diese Energie im Bedarfsfall zur Erhöhung der Leistung und/oder des Drehmoments des Verbrennungsmotors zu nutzenIn a preferred embodiment of the invention it is provided that the drive shaft of the exhaust gas turbocharger is connected to an electrical machine, by means of which the compressor of the exhaust gas turbocharger can be driven independently of the exhaust gas flow of the internal combustion engine. The turbine of the exhaust gas turbocharger can be used to generate electrical energy by means of an electrical machine on the drive shaft. This energy can either be used directly or temporarily stored in a battery. As a result, an alternator connected to the internal combustion engine can be relieved, which increases the efficiency of the internal combustion engine and thus improves fuel efficiency. By temporarily storing the energy, there is also the possibility of using this energy, if necessary, to increase the power and / or the torque of the internal combustion engine

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Welle des Abgasturboladers über einen Durchtrieb mechanisch mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbunden ist. Durch einen mechanischen Durchtrieb kann die Abwärme aus der Brennkammer genutzt werden, um über die Antriebswelle des Turboladers und den Durchtrieb die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors anzutreiben. Dadurch kann die Leistung an der Kurbelwelle erhöht werden, wodurch die Effizienz des Verbrennungsmotors steigt. Dabei kann der Lastpunkt des Verbrennungsmotors in Richtung eines Lastpunktes mit geringeren Rohemissionen verschoben werden.In a preferred embodiment of the invention it is provided that the shaft of the exhaust gas turbocharger is mechanically connected to the crankshaft of the internal combustion engine via a through drive. By means of a mechanical through drive, the waste heat from the combustion chamber can be used to drive the crankshaft of the internal combustion engine via the drive shaft of the turbocharger and the through drive. As a result, the output on the crankshaft can be increased, which increases the efficiency of the internal combustion engine. The load point of the internal combustion engine can be shifted in the direction of a load point with lower raw emissions.

Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass die elektrische Maschine durch die Turbine des Abgasturboladers angetrieben wird und elektrischen Strom generiert, welcher an einen elektrischen Antriebsmotor an der Kurbelwelle übertragen wird. Alternativ zu einem mechanischen Durchtrieb kann auch eine elektrische Verbindung zwischen der elektrischen Maschine auf der Antriebswelle des Abgasturboladers und einem elektrischen Antriebsmotor, welcher mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors koppelbar ist, vorgesehen sein. Auf diese Weise kann ebenfalls die Abwärme aus der Brennkammer dazu genutzt werden, die über die Turbine gewonnene Energie an die Kurbelwelle weiterzuleiten und somit zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges zu nutzen.Alternatively, it is advantageously provided that the electrical machine is driven by the turbine of the exhaust gas turbocharger and generates electrical current which is transmitted to an electrical drive motor on the crankshaft. As an alternative to a mechanical through drive, an electrical connection between the electrical machine on the drive shaft of the exhaust gas turbocharger and an electrical drive motor, which can be coupled to the crankshaft of the internal combustion engine, can also be provided. In this way, the waste heat from the combustion chamber can also be used to transmit the energy obtained via the turbine to the crankshaft and thus to use it to drive a motor vehicle.

In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Versorgungsleitung vorgesehen ist, mit welcher der Ansaugtrakt stromabwärts des Verdichters mit der Brennkammer in der Abgasanlage verbunden ist. Durch eine Versorgungsleitung kann eine Teilmenge der durch den Verdichter des Abgasturboladers verdichteten Frischluft aus dem Ansaugkanal abgezweigt und der Brennkammer zugeführt werden. Dadurch ist eine einfache und kostengünstige Luftversorgung der Brennkammer möglich, wenn der Verbrennungsmotor mit einem stöchiometrischen oder überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird. Dies ist insbesondere bei Ottomotoren sinnvoll, um die Rohemissionen zu verringern und eine maximal-effiziente Abgasnachbehandlung der Abgase des Verbrennungsmotors zu ermöglichen.In a further preferred embodiment of the invention, it is provided that a supply line is provided, by means of which the intake tract is connected downstream of the compressor to the combustion chamber in the exhaust system. A part of the fresh air compressed by the compressor of the exhaust gas turbocharger can be branched off from the intake duct by a supply line and fed to the combustion chamber. This enables a simple and inexpensive air supply to the combustion chamber if the internal combustion engine is operated with a stoichiometric or superstoichiometric combustion air ratio. This is particularly useful in gasoline engines in order to reduce raw emissions and to enable the most efficient exhaust gas aftertreatment of the exhaust gases from the internal combustion engine.

Besonders bevorzugt ist dabei, wenn in der Versorgungsleitung ein Zufuhrventil angeordnet ist, über welches die Frischluftzufuhr zur Brennkammer gesteuert werden kann. Durch ein Zufuhrventil kann die Luftzufuhr zur Brennkammer auf einfache Art und Weise gesteuert werden. Zudem kann verhindert werden, dass Abgas aus den Brennräumen des Verbrennungsmotors oder aus der Brennkammer unkontrolliert in den Ansaugkanal zurückströmt. Alternativ kann das Zufuhrventil für eine gezielte Abgasrückführung genutzt werden, um die Rohemissionen in den Brennräumen des Verbrennungsmotors zu reduzieren.It is particularly preferred if a supply valve is arranged in the supply line, via which the fresh air supply to the combustion chamber can be controlled. The air supply to the combustion chamber can be controlled in a simple manner by means of a supply valve. In addition, exhaust gas from the combustion chambers of the internal combustion engine or from the combustion chamber can be prevented from flowing back into the intake duct in an uncontrolled manner. Alternatively, the supply valve can be used for targeted exhaust gas recirculation to reduce the raw emissions in the To reduce combustion chambers of the internal combustion engine.

Alternativ ist mit Vorteil ein Sekundärluftverdichter vorgesehen, welcher über eine Sekundärluftleitung mit der Brennkammer in der Abgasanlage verbunden ist. Alternativ zu einer Luftversorgung aus dem Ansaugtrakt ist es möglich, eine externe Sekundärluftpumpe zu verwenden, mit welcher die Brennkammer unabhängig vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors mit Frischluft versorgt werden kann. Dies ist insbesondere bei niedrigen Drehzahlen und geringer Last des Verbrennungsmotors vorteilhaft, weil die Turbine in diesem Betriebszustand nur wenig Leistung in die Antriebswelle einspeist und über den Verdichter des Abgasturboladers nur wenig Ladedruck aufgebaut wird.Alternatively, a secondary air compressor is advantageously provided, which is connected to the combustion chamber in the exhaust system via a secondary air line. As an alternative to an air supply from the intake tract, it is possible to use an external secondary air pump with which the combustion chamber can be supplied with fresh air regardless of the operating state of the internal combustion engine. This is particularly advantageous at low engine speeds and low engine load, because in this operating state the turbine feeds only little power into the drive shaft and only little boost pressure is built up via the compressor of the exhaust gas turbocharger.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Sekundärluftverdichter als mechanisch angetriebener Zusatzverdichter ausgeführt ist, welcher durch ein Zugmittel, insbesondere eine Kette oder einen Riemen, von dem Verbrennungsmotor angetrieben wird. Durch einen mechanischen Antrieb des Sekundärluftverdichters ist eine einfache und kostengünstige Möglichkeit für den Antrieb vorhanden.In an advantageous embodiment of the invention it is provided that the secondary air compressor is designed as a mechanically driven additional compressor which is driven by the internal combustion engine by means of a traction means, in particular a chain or a belt. A mechanical drive for the secondary air compressor provides a simple and inexpensive option for the drive.

Alternativ ist in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass der Sekundärluftverdichter als elektrischer Zusatzverdichter ausgeführt ist. Durch einen elektrischen Antrieb kann der Sekundärluftverdichter unabhängig von der Betriebssituation des Verbrennungsmotors betrieben werden, was eine Steuerung der Sekundärluftmenge erleichtert.Alternatively, it is provided in a further advantageous embodiment of the invention that the secondary air compressor is designed as an additional electrical compressor. The secondary air compressor can be operated independently of the operating situation of the internal combustion engine by an electric drive, which facilitates control of the secondary air quantity.

Besonders bevorzugt ist dabei, wenn in der Sekundärluftleitung ein Sekundärluftventil angeordnet ist, über welches die Frischluftzufuhr zur Brennkammer gesteuert werden kann. Durch ein Sekundärluftventil kann auf einfache Art und Weise die Frischluftzufuhr zu der Brennkammer gesteuert werden. Zudem kann verhindert werden, dass Abgas aus den Brennräumen des Verbrennungsmotors oder aus der Brennkammer unkontrolliert in die Umwelt gelangt. Dabei kann das Sekundärluftventil insbesondere ein Rückschlagventil umfassen, um einen Frischluftstrom in Richtung der Brennkammer zu ermöglichen, jedoch eine Abgasströmung entgegen dieser Strömung zu verhindern.It is particularly preferred if a secondary air valve is arranged in the secondary air line, via which the fresh air supply to the combustion chamber can be controlled. The supply of fresh air to the combustion chamber can be controlled in a simple manner by means of a secondary air valve. In addition, exhaust gas from the combustion chambers of the internal combustion engine or from the combustion chamber can be prevented from being released into the environment in an uncontrolled manner. The secondary air valve can in particular comprise a non-return valve in order to enable a fresh air flow in the direction of the combustion chamber, but to prevent an exhaust gas flow against this flow.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors vorgeschlagen, welches folgende Schritte umfasst.

  • - Einbringen eines Brennstoffs in die Brennkammer,
  • - Zufuhr von einem überstöchiometrischen Abgas oder Sekundärluft in die Brennkammer, wobei
  • - der Brennstoff mit dem Sauerstoff aus dem überstöchiometrischen Abgas oder der Sekundärluft exotherm in der Brennkammer umgesetzt wird,
  • - Beaufschlagen der Turbine des Abgasturboladers mit dem heißen Abgas aus der Brennkammer, wobei die Turbine die Antriebswelle antreibt und wobei
  • - die mindestens eine Abgasnachbehandlungskomponente durch das heiße Abgas aus der Brennkammer auf eine Betriebstemperatur aufgeheizt oder auf dieser Betriebstemperatur gehalten wird.
According to the invention, a method for operating an internal combustion engine according to the invention is proposed, which comprises the following steps.
  • Introduction of a fuel into the combustion chamber,
  • - Supply of a stoichiometric exhaust gas or secondary air into the combustion chamber, wherein
  • - The fuel with the oxygen from the superstoichiometric exhaust gas or the secondary air is converted exothermic in the combustion chamber,
  • - Applying the hot exhaust gas from the combustion chamber to the turbine of the exhaust gas turbocharger, the turbine driving the drive shaft and wherein
  • - The at least one exhaust aftertreatment component is heated by the hot exhaust gas from the combustion chamber to an operating temperature or is kept at this operating temperature.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, die Abgasnachbehandlungskomponenten zeitnah nach einem Start des Verbrennungsmotors auf eine Betriebstemperatur aufzuheizen und diese Abgasnachbehandlungskomponenten im weiteren Betrieb des Verbrennungsmotors stets auf dieser Betriebstemperatur zu halten. Dabei kann die Abwärme der Brennkammer genutzt werden, um die Turbine des Abgasturboladers anzutreiben und somit zumindest einen Teil der zusätzlich aufgewandten Energie wieder zurückzugewinnen.The method according to the invention makes it possible to heat the exhaust aftertreatment components to an operating temperature promptly after the internal combustion engine has started, and to keep these exhaust aftertreatment components at this operating temperature during the further operation of the internal combustion engine. The waste heat from the combustion chamber can be used to drive the turbine of the exhaust gas turbocharger and thus to recover at least some of the additional energy used.

In einer vorteilhaften Verbesserung dieses Verfahren ist vorgesehen, dass die Antriebswelle zumindest mittelbar mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbunden ist, wobei das heiße Abgas aus der Brennkammer zumindest mittelbar die Kurbelwelle antreibt. Dadurch kann die zusätzliche Energie, welche bei der Verbrennung des Brennstoffs in der Brennkammer freigesetzt wird, auf die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors übertragen werden und somit zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges genutzt werden. Alternativ kann die Energie aus der Brennkammer durch die elektrische Maschine aufgenommen und in einer Batterie zwischengespeichert werden. Diese Energie kann dann im Bedarfsfall an einem mit der Kurbelwelle gekoppelten elektrischen Antriebsmotor abgegeben werden, um die Leistung und/oder das Drehmoment des Verbrennungsmotors entsprechend zu erhöhen.In an advantageous improvement of this method, it is provided that the drive shaft is at least indirectly connected to the crankshaft of the internal combustion engine, the hot exhaust gas from the combustion chamber driving the crankshaft at least indirectly. As a result, the additional energy which is released during the combustion of the fuel in the combustion chamber can be transmitted to the crankshaft of the internal combustion engine and can thus be used to drive a motor vehicle. Alternatively, the energy from the combustion chamber can be absorbed by the electrical machine and temporarily stored in a battery. If necessary, this energy can then be delivered to an electric drive motor coupled to the crankshaft in order to correspondingly increase the power and / or the torque of the internal combustion engine.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird, wobei der zur Verbrennung des in die Brennkammer eingebrachten Brennstoffs notwendige Sauerstoff der Brennkammer über das überstöchiometrische Abgas zugeführt wird. Durch ein überstöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis kann auf einfache Art und Weise der Brennkammer ein sauerstoffreiches Abgas zugeführt werden, mit welchem der Brennstoff exotherm umgesetzt werden kann. Diese ist insbesondere bei einem Dieselmotor aufgrund des prinzipbedingten Luftüberschusses besonders einfach. Alternativ ist es auch bei einem Ottomotor möglich, die Verbrennung des Kraftstoffs in den Brennräumen des Verbrennungsmotors mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis durchzuführen, wobei sich stromabwärts der Brennkammer vorzugsweise ein stöchiometrisches Abgas einstellt, um eine maximal-effiziente Abgasnachbehandlung durch die Abgasnachbehandlungskomponenten stromabwärts der Turbine des Abgasturboladers zu ermöglichen.In a preferred embodiment variant of the method it is provided that the internal combustion engine is operated with an over-stoichiometric combustion air ratio, the oxygen necessary for the combustion of the fuel introduced into the combustion chamber being fed to the combustion chamber via the over-stoichiometric exhaust gas. Through an over-stoichiometric Combustion air ratio can easily be supplied to the combustion chamber, an oxygen-rich exhaust gas, with which the fuel can be converted exothermic. This is particularly easy with a diesel engine due to the principle-related excess air. Alternatively, it is also possible with a gasoline engine to carry out the combustion of the fuel in the combustion chambers of the internal combustion engine with an over-stoichiometric combustion air ratio, with a stoichiometric exhaust gas preferably occurring downstream of the combustion chamber in order to achieve maximum-efficient exhaust gas aftertreatment by the exhaust gas aftertreatment components downstream of the turbine of the exhaust gas turbocharger enable.

Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Ansaugluft durch den Verdichter verdichtet wird und die verdichtete Ansaugluft über die Versorgungsleitung der Brennkammer zugeführt wird. Dabei kann der Verbrennungsmotor durch das Aufheizen des Abgases durch die Brennkammer ohne innermotorische Heizmaßnahmen betrieben werden, wodurch der Wirkungsgrad optimiert und/oder die Rohemissionen des Verbrennungsmotors minimiert werden können.Alternatively, it is advantageously provided that the intake air is compressed by the compressor and the compressed intake air is supplied to the combustion chamber via the supply line. The internal combustion engine can be operated by heating the exhaust gas through the combustion chamber without internal engine heating measures, whereby the efficiency can be optimized and / or the raw emissions of the internal combustion engine can be minimized.

Weiterhin ist alternativ mit Vorteil vorgesehen, dass Sekundärluft durch einen Sekundärluftverdichter verdichtet wird, wobei die verdichtete Sekundärluft der Brennkammer über eine Sekundärluftleitung zugeführt wird. Durch eine Luftversorgung der Brennkammer über einen Sekundärluftverdichter kann die Frischluftmenge und somit das Verbrennungsluftverhältnis in der Brennkammer unabhängig von der Betriebssituation des Verbrennungsmotors eingestellt werden. Somit kann eine hinreichende Luftversorgung auch dann sichergestellt werden, wenn der Verdichter nur einen geringen Ladedruck aufbaut und eine Frischluftversorgung über eine Versorgungsleitung aus dem Ansaugtrakt nicht möglich ist.Furthermore, it is alternatively advantageously provided that secondary air is compressed by a secondary air compressor, the compressed secondary air being fed to the combustion chamber via a secondary air line. By supplying the combustion chamber with air via a secondary air compressor, the amount of fresh air and thus the combustion air ratio in the combustion chamber can be set independently of the operating situation of the internal combustion engine. A sufficient air supply can thus be ensured even if the compressor only builds up a low boost pressure and a fresh air supply via a supply line from the intake tract is not possible.

Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.Unless otherwise stated in the individual case, the various embodiments of the invention mentioned in this application can advantageously be combined with one another.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

  • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors mit einem Ansaugtrakt und einer Abgasanlage;
  • 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors mit einem Ansaugtrakt und einer Abgasanlage, wobei die Ansaugleitung mit der Brennkammer über eine Versorgungsleitung verbunden ist;
  • 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors mit einem Ansaugtrakt und einer Abgasanlage, wobei eine Sekundärluftpumpe zur Luftversorgung der Brennkammer vorgesehen ist; und
  • 4 ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Verbrennungsmotors.
The invention is explained below in exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:
  • 1 a first embodiment of an internal combustion engine according to the invention with an intake tract and an exhaust system;
  • 2nd a second embodiment of an internal combustion engine according to the invention with an intake tract and an exhaust system, the intake line being connected to the combustion chamber via a supply line;
  • 3rd a further embodiment of an internal combustion engine according to the invention with an intake tract and an exhaust system, wherein a secondary air pump is provided for supplying air to the combustion chamber; and
  • 4th a flowchart for performing a method according to the invention for operating an internal combustion engine.

1 zeigt die schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors 10 mit einem Ansaugtrakt 20 und einer Abgasanlage 40. Der Verbrennungsmotor 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein direkteinspritzender Dieselmotor und weist eine Kurbelwelle 14 und mehrere Brennräume 12 auf. An den Brennräumen 12 ist jeweils ein Kraftstoffinjektor zur Einspritzung eines Kraftstoffes in den jeweiligen Brennraum 12 angeordnet. Der Verbrennungsmotor 10 ist mit seinem Einlass 16 mit einem Ansaugtrakt 20 und mit seinem Auslass 18 mit einer Abgasanlage 40 verbunden. Der Verbrennungsmotor 10 kann eine nicht dargestellte Hochdruck-Abgasrückführung mit einem Hochdruck-Abgasrückführungsventil aufweisen, über welches ein Abgas des Verbrennungsmotors 10 von dem Auslass 18 zum Einlass 16 zurückgeführt werden kann. An den Brennräumen 12 sind Einlassventile und Auslassventile angeordnet, mit welchen eine fluidische Verbindung vom Ansaugtrakt 20 zu den Brennräumen 12 oder von den Brennräumen 12 zur Abgasanlage 40 geöffnet oder verschlossen werden kann. 1 shows the schematic representation of an internal combustion engine 10th with an intake tract 20th and an exhaust system 40 . The internal combustion engine 10th is a direct injection diesel engine in this embodiment and has a crankshaft 14 and several combustion chambers 12 on. At the combustion chambers 12 is a fuel injector for injecting a fuel into the respective combustion chamber 12 arranged. The internal combustion engine 10th is with his entrance 16 with an intake tract 20th and with its outlet 18th with an exhaust system 40 connected. The internal combustion engine 10th can have a high-pressure exhaust gas recirculation, not shown, with a high-pressure exhaust gas recirculation valve, via which an exhaust gas of the internal combustion engine 10th from the outlet 18th to the entrance 16 can be traced back. At the combustion chambers 12 inlet valves and outlet valves are arranged, with which a fluid connection from the intake tract 20th to the combustion chambers 12 or from the combustion chambers 12 to the exhaust system 40 can be opened or closed.

Der Ansaugtrakt 20 umfasst einen Ansaugkanal 22, in welchem in Strömungsrichtung von Frischluft durch den Ansaugkanal 22 ein Luftfilter 24, stromabwärts des Luftfilters 24 ein Luftmassenmesser 26, insbesondere ein Heißfilmluftmassenmesser, stromabwärts des Luftmassenmessers 26 ein Verdichter 30 eines Abgasturboladers 28 und weiter stromabwärts ein Ladeluftkühler 32 angeordnet sind. Dabei kann der Luftmassenmesser 26 auch in einem Filtergehäuse des Luftfilters 24 angeordnet sein, sodass der Luftfilter 24 und der Luftmassenmesser 26 eine Baugruppe ausbilden.The intake tract 20th includes an intake duct 22 , in which in the flow direction of fresh air through the intake duct 22 an air filter 24th , downstream of the air filter 24th an air mass meter 26 , in particular a hot film air mass meter, downstream of the air mass meter 26 a compressor 30th of an exhaust gas turbocharger 28 and further downstream an intercooler 32 are arranged. The air mass meter 26 also in a filter housing of the air filter 24th be arranged so that the air filter 24th and the air mass meter 26 form an assembly.

Die Abgasanlage 40 umfasst einen Abgaskanal 42, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors 10 durch den Abgaskanal 42 eine Brennkammer 44, stromabwärts der Brennkammer 44 eine Turbine 50 des Abgasturboladers 28 und weiter stromabwärts mehrere Abgasnachbehandlungskomponenten 52, 54, 56 zur Abgasnachbehandlung der Abgase des Verbrennungsmotors 10 angeordnet sind. Die Turbine 50 ist über eine Antriebswelle 36 mit dem Verdichter 30 des Abgasturboladers 28 verbunden. Ferner ist auf der Antriebswelle 36 eine elektrische Maschine 34 angeordnet, welche den Verdichter 30 unabhängig von dem Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 antreiben kann oder als Generator durch die Turbine 50 gedreht wird und somit die mechanische Energie des Abgasturboladers 28 in elektrische Energie umwandelt. Die Antriebswelle 36 ist über einen Durchtrieb 38 mechanisch mit der Kurbelwelle 14 des Verbrennungsmotors 10 verbunden, sodass die Antriebswelle 36 Energie auf die Kurbelwelle 14 übertragen kann und somit zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges oder einer Arbeitsmaschine genutzt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann an der Kurbelwelle 14 ein elektrischer Antriebsmotor 72 vorgesehen sein, welcher durch die elektrische Maschine 34 auf der Antriebswelle 36 mit elektrischem Strom versorgt wird.The exhaust system 40 includes an exhaust duct 42 , in which in the flow direction of an exhaust gas of the internal combustion engine 10th through the exhaust duct 42 a combustion chamber 44 , downstream of the combustion chamber 44 a turbine 50 of the exhaust gas turbocharger 28 and further downstream, several exhaust aftertreatment components 52 , 54 , 56 for exhaust gas aftertreatment of the exhaust gases of the internal combustion engine 10th are arranged. The turbine 50 is via a drive shaft 36 with the compressor 30th of the exhaust gas turbocharger 28 connected. It is also on the drive shaft 36 an electrical machine 34 arranged which the compressor 30th independent of the exhaust gas flow of the internal combustion engine 10th can drive or as a generator through the turbine 50 turned and thus the mechanical energy of the exhaust gas turbocharger 28 converted into electrical energy. The drive shaft 36 is through a through drive 38 mechanically with the crankshaft 14 of the internal combustion engine 10th connected so that the drive shaft 36 Energy on the crankshaft 14 can be transmitted and thus can be used to drive a motor vehicle or a work machine. Alternatively or additionally, can be on the crankshaft 14 an electric drive motor 72 be provided by the electrical machine 34 on the drive shaft 36 is supplied with electrical current.

Stromabwärts der Turbine 50 des Abgasturboladers 28 sind mehrere Abgasnachbehandlungskomponenten 52, 54, 56 angeordnet. Dabei ist als in Strömungsrichtung erste Abgasnachbehandlungskomponente 52 stromabwärts der Turbine 50 ein Katalysator 52, insbesondere ein Oxidationskatalysator oder ein NOx-Speicherkatalysator angeordnet. Stromabwärts des Katalysators 52 ist ein Dosiermodul 58 vorgesehen, mit welchem ein Reduktionsmittel 70, insbesondere wässrige Harnstofflösung, in den Abgaskanal 42 eindosiert werden kann. Stromabwärts des Dosiermoduls 58 ist ein Abgasmischer 76 vorgesehen, um eine bessere Durchmischung des Reduktionsmittels mit dem Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 zu erreichen. Stromabwärts des Abgasmischers ist ein Partikelfilter 54 mit einer Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden vorgesehen, welcher die Funktion eines SCR-Katalysators 56 aufweist. Alternativ können stromabwärts des Dosiermoduls 58 auch ein SCR-Katalysator 56 und ein unbeschichteter Partikelfilter 54 vorgesehen sein.Downstream of the turbine 50 of the exhaust gas turbocharger 28 are several exhaust aftertreatment components 52 , 54 , 56 arranged. The first exhaust gas aftertreatment component is in the flow direction 52 downstream of the turbine 50 a catalyst 52 , in particular an oxidation catalyst or a NOx storage catalyst. Downstream of the catalyst 52 is a dosing module 58 provided with which a reducing agent 70 , especially aqueous urea solution, in the exhaust duct 42 can be dosed. Downstream of the dosing module 58 is an exhaust gas mixer 76 provided for better mixing of the reducing agent with the exhaust gas flow of the internal combustion engine 10th to reach. A particulate filter is located downstream of the exhaust mixer 54 provided with a coating for the selective, catalytic reduction of nitrogen oxides, which has the function of an SCR catalyst 56 having. Alternatively, downstream of the metering module 58 also an SCR catalytic converter 56 and an uncoated particle filter 54 be provided.

Der Verbrennungsmotor 10 ist mit einem Motorsteuergerät 80 verbunden, welches über nicht dargestellte Signalleitungen mit einem Temperatursensor, einem NOx-Sensor, einem Differenzdrucksensor, mit den Kraftstoffinjektoren des Verbrennungsmotors 10 sowie mit dem Dosiermodul 58 und der Brennkammer 44 verbunden ist.The internal combustion engine 10th is with an engine control unit 80 connected, which via signal lines, not shown, to a temperature sensor, a NOx sensor, a differential pressure sensor, to the fuel injectors of the internal combustion engine 10th as well as with the dosing module 58 and the combustion chamber 44 connected is.

Die Einspritzmenge sowie der Einspritzzeitpunkt des Kraftstoffs in die Brennräume 12 des Verbrennungsmotors 10, die Einspritzmenge in die Brennkammer 44 sowie die Eindosierung des Reduktionsmittels 70 zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden in den Abgaskanal 42 wird durch dieses Motorsteuergerät 80 gesteuert. Ferner kann die Verbrennung des Kraftstoffs in der Brennerkammer 44 durch das Motorsteuergerät 80 aktiviert oder deaktiviert werden. Durch den Katalysator 52 kann Stickstoffmonoxid (NO) zu Stickstoffdioxid (NO2) aufoxidiert werden, sodass das Verhältnis von Stickstoffmonoxid (NO) zu Stickstoffdioxid (NO2) vor Eintritt in den SCR-Katalysator 56 oder den beschichteten Partikelfilter 54 verändert werden kann, um die Effizienz der selektiven, katalytischen Reduktion zu optimieren.The injection quantity as well as the time of injection of the fuel into the combustion chambers 12 of the internal combustion engine 10th , the amount of fuel injected into the combustion chamber 44 and the metering of the reducing agent 70 for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides in the exhaust duct 42 is through this engine control unit 80 controlled. Furthermore, the combustion of the fuel in the burner chamber 44 by the engine control unit 80 be activated or deactivated. Through the catalyst 52 nitrogen monoxide (NO) can be oxidized to nitrogen dioxide (NO 2 ) so that the ratio of nitrogen monoxide (NO) to nitrogen dioxide (NO 2 ) before entering the SCR catalytic converter 56 or the coated particle filter 54 can be changed to optimize the efficiency of the selective, catalytic reduction.

Alternativ kann der Verbrennungsmotor 10 auch als Ottomotor ausgeführt sein, wobei in diesem Fall der Katalysator 52 vorzugsweise als Drei-Wege-Katalysator 52 ausgeführt ist. Ferner ist der Partikelfilter 54 vorzugsweise als unbeschichteter Partikelfilter oder als Vier-Wege-Katalysator mit einer drei-Wege-katalytisch wirksamen Beschichtung ausgeführt. Dabei entfällt das Dosiermodul 58 in diesem Ausführungsbeispiel.Alternatively, the internal combustion engine 10th also be designed as a gasoline engine, in which case the catalyst 52 preferably as a three-way catalyst 52 is executed. Furthermore, the particle filter 54 preferably carried out as an uncoated particle filter or as a four-way catalyst with a three-way catalytically active coating. The dosing module is not required 58 in this embodiment.

In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor 10 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 ausgeführt ist in diesem Ausführungsbeispiel zusätzlich eine Versorgungsleitung 46 vorgesehen, welche den Ansaugkanal 22 stromabwärts des Verdichters 30 des Abgasturboladers 28 mit der Brennkammer 44 in der Abgasanlage 40 verbindet. Dabei ist in der Versorgungsleitung 46 ein Zufuhrventil 48 vorgesehen, mit welchem die Frischluftzufuhr in die Brennkammer 44 gesteuert werden kann. Das Zufuhrventil 48 verhindert zudem, dass Abgas aus der Brennkammer 44 unkontrolliert zurück in den Ansaugtrakt 20 strömt. Dabei kann das Zufuhrventil 48 auch als Abgasrückführungsventil genutzt werden, um die Rohemissionen des Verbrennungsmotors 10 zu reduzieren. Zudem sind stromabwärts der Turbine 50 des Abgasturboladers 28 ein Oxidationskatalysator 52 oder ein NOx-Speicherkatalysator, stromabwärts des Oxidationskatalysators 52 oder des NOx-Speicherkatalysators ein Partikelfilter 54 und weiter stromabwärts ein SCR-Katalysator 56 vorgesehen. Dabei ist stromabwärts des Partikelfilters 54 und stromaufwärts des SCR-Katalysators 56 ein Dosiermodul 58 angeordnet, mit welchem ein Reduktionsmittel 70 in den Abgaskanal 42 stromaufwärts des SCR-Katalysators 56 eindosiert werden kann. Dem Dosiermodul 58 kann ein Abgasmischer 76 nachgeschaltet sein, um die Durchmischung des Abgasstroms mit dem eindosierten Reduktionsmittel 70 zu verbessern.In 2nd is another embodiment of an internal combustion engine according to the invention 10th shown. With essentially the same structure as for 1 In this exemplary embodiment, a supply line is additionally implemented 46 provided which the intake duct 22 downstream of the compressor 30th of the exhaust gas turbocharger 28 with the combustion chamber 44 in the exhaust system 40 connects. It is in the supply line 46 a supply valve 48 provided with which the fresh air supply into the combustion chamber 44 can be controlled. The feed valve 48 also prevents exhaust from the combustion chamber 44 back into the intake tract uncontrolled 20th flows. The feed valve can 48 can also be used as an exhaust gas recirculation valve to reduce the raw emissions of the internal combustion engine 10th to reduce. They are also downstream of the turbine 50 of the exhaust gas turbocharger 28 an oxidation catalyst 52 or a NOx storage catalyst, downstream of the oxidation catalyst 52 or a particulate filter of the NOx storage catalytic converter 54 and further downstream an SCR catalyst 56 intended. It is downstream of the particulate filter 54 and upstream of the SCR catalyst 56 a dosing module 58 arranged with which a reducing agent 70 in the exhaust duct 42 upstream of the SCR catalyst 56 can be dosed. The dosing module 58 can be an exhaust mixer 76 be connected downstream to the mixing of the exhaust gas flow with the metered reducing agent 70 to improve.

In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors 10 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 ausgeführt ist in diesem Ausführungsbeispiel ein zusätzlicher Sekundärluftverdichter 60 zur Luftversorgung der Brennkammer 44 vorgesehen. Der Sekundärluftverdichter 60 ist über eine Sekundärluftleitung 66 mit einem Einlass der Brennkammer 44 verbunden, wobei in der Sekundärluftleitung 66 ein Sekundärluftventil 68 vorgesehen ist, mit welchem die Luftzufuhr zu der Brennkammer 44 gesteuert wird. Ferner verhindert das Sekundärluftventil 68, dass Abgas aus der Brennkammer 44 unkontrolliert in die Umgebung ausströmt. Der Sekundärluftverdichter 60 ist vorzugsweise als elektrisch angetriebener Sekundärluftverdichter 62 ausgeführt. Alternativ kann der Sekundärluftverdichter 60 auch als mechanischer Zusatzverdichter 64 ausgeführt sein, wobei der mechanische Zusatzverdichter durch ein Zugmittel, insbesondere durch einen Riemen oder eine Kette mit dem Verbrennungsmotor 10 verbunden ist und durch diesen angetrieben wird. Ferner unterscheidet sich diese Ausführungsform dadurch, dass stromabwärts der Turbine 50 des Abgasturboladers 28 ein Katalysator 52, insbesondere ein Oxidationskatalysator oder ein NOx-Speicherkatalysator, stromabwärts des Katalysators 52 ein Partikelfilter 54 mit einer Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden und weiter stromabwärts ein SCR-Katalysator 56 angeordnet sind. Dabei ist stromabwärts des Katalysators 52 und stromaufwärts des Partikelfilters 54 ein erstes Dosiermodul 58 zur Eindosierung eines Reduktionsmittels 70 vorgesehen, welchem ein erster Abgasmischer 76 nachgeschaltet ist. Stromabwärts des Partikelfilters 54 und stromaufwärts des SCR-Katalysators 56 ist ein zweites Dosiermodul 74 vorgesehen, welchem ein zweiter Abgasmischer 78 nachgeschaltet ist.In 3rd is another embodiment of an internal combustion engine according to the invention 10th shown. With essentially the same structure as for 1 In this exemplary embodiment, an additional secondary air compressor is implemented 60 to supply air to the combustion chamber 44 intended. The secondary air compressor 60 is via a secondary air line 66 with an inlet to the combustion chamber 44 connected, being in the secondary air line 66 a secondary air valve 68 is provided with which the air supply to the combustion chamber 44 is controlled. The secondary air valve also prevents 68 that exhaust from the combustion chamber 44 flows uncontrolled into the environment. The secondary air compressor 60 is preferably as electrical driven secondary air compressor 62 executed. Alternatively, the secondary air compressor 60 also as a mechanical additional compressor 64 be carried out, the mechanical auxiliary compressor by a traction means, in particular by a belt or a chain with the internal combustion engine 10th is connected and driven by it. Furthermore, this embodiment differs in that it is downstream of the turbine 50 of the exhaust gas turbocharger 28 a catalyst 52 , in particular an oxidation catalyst or a NOx storage catalyst, downstream of the catalyst 52 a particle filter 54 with a coating for the selective, catalytic reduction of nitrogen oxides and further downstream an SCR catalytic converter 56 are arranged. It is downstream of the catalyst 52 and upstream of the particulate filter 54 a first dosing module 58 for dosing a reducing agent 70 provided which a first exhaust mixer 76 is connected downstream. Downstream of the particle filter 54 and upstream of the SCR catalyst 56 is a second dosing module 74 provided which a second exhaust mixer 78 is connected downstream.

Alternativ können die Abgasmischer 76, 78 auch in allen Ausführungsbeispielen entfallen, sofern auch ohne den jeweiligen Abgasmischer 76, 78 eine hinreichende Durchmischung von Reduktionsmittel 70 und Abgas des Verbrennungsmotors 10 erreicht wird.Alternatively, the exhaust mixer 76 , 78 also omitted in all exemplary embodiments, if also without the respective exhaust gas mixer 76 , 78 sufficient mixing of reducing agents 70 and exhaust gas from the internal combustion engine 10th is achieved.

In 4 ist ein Ablaufdiagramm für ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines solchen Verbrennungsmotors 10 dargestellt. In einem ersten Verfahrensschritt <100> werden ein Brennstoff, insbesondere der Kraftstoff des Verbrennungsmotors 10, und sauerstoffreiches Abgas oder Frischluft in die Brennkammer 44 eingebracht. In einem zweiten Verfahrensschritt <110> wird dieses Brennstoff-Luft-Gemisch gezündet und leitet in einem Verfahrensschritt <120> eine Verbrennung in der Brennkammer 44 ein. Dabei ist vorzugsweise eine kontinuierliche Verbrennung vorgesehen, um einen gleichmäßigen Energieeintrag in die Abgasanlage 20 zu gewährleisten und die Abgasnachbehandlungskomponenten 52, 54, 56 in einem Verfahrensschritt <140> möglichst schnell auf eine Betriebstemperatur aufzuheizen. Dabei treibt das heiße Abgas aus der Brennkammer 44 in einem Verfahrensschritt <150> zusätzlich zum Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 die Turbine 50 des Abgasturboladers 28 an, wodurch die Abwärme aus der Brennkammer 44 zumindest anteilig zurückgewonnen werden kann.In 4th is a flowchart for a method according to the invention for operating such an internal combustion engine 10th shown. In a first method step <100>, a fuel, in particular the fuel of the internal combustion engine 10th , and oxygen-rich exhaust gas or fresh air into the combustion chamber 44 brought in. In a second process step <110>, this fuel-air mixture is ignited and in a process step <120> conducts combustion in the combustion chamber 44 a. Continuous combustion is preferably provided to ensure uniform energy input into the exhaust system 20th to ensure and the exhaust aftertreatment components 52 , 54 , 56 to heat up as quickly as possible to an operating temperature in a process step <140>. The hot exhaust gas drives out of the combustion chamber 44 in a process step <150> in addition to the exhaust gas flow of the internal combustion engine 10th the turbine 50 of the exhaust gas turbocharger 28 causing the waste heat from the combustion chamber 44 can be recovered at least in part.

BezugszeichenlisteReference symbol list

1010th
VerbrennungsmotorInternal combustion engine
1212
BrennraumCombustion chamber
1414
Kurbelwellecrankshaft
1616
Einlassinlet
1818th
Auslass Outlet
2020th
AnsaugtraktIntake tract
2222
AnsaugkanalIntake duct
2424th
LuftfilterAir filter
2626
LuftmassenmesserAir mass meter
2828
Abgasturbolader Exhaust gas turbocharger
3030th
Verdichtercompressor
3232
LadeluftkühlerIntercooler
3434
elektrische Maschineelectrical machine
3636
Antriebswelledrive shaft
3838
Durchtrieb Through drive
4040
AbgasanlageExhaust system
4242
AbgaskanalExhaust duct
4444
BrennkammerCombustion chamber
4646
Versorgungsleitungsupply line
4848
Zufuhrventil / Rückschlagventil Supply valve / check valve
5050
Turbineturbine
5252
Oxidationskatalysator / NOx-Speicherkatalysator / Drei-Wege-KatalysatorOxidation catalytic converter / NOx storage catalytic converter / three-way catalytic converter
5454
PartikelfilterParticle filter
5656
SCR-KatalysatorSCR catalytic converter
5858
DosierelementDosing element
6060
SekundärluftverdichterSecondary air compressor
6262
elektrischer Zusatzverdichteradditional electrical compressor
6464
mechanischer Zusatzverdichtermechanical additional compressor
6666
SekundärluftleitungSecondary air line
6868
Sekundärluftventil Secondary air valve
7070
ReduktionsmittelReducing agent
7272
elektrischer Antriebsmotorelectric drive motor
7474
zweites Dosiermodulsecond dosing module
7676
AbgasmischerExhaust mixer
7878
Abgasmischer Exhaust mixer
8080
SteuergerätControl unit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 102008032601 A1 [0006]DE 102008032601 A1 [0006]
  • DE 102016205182 A1 [0007]DE 102016205182 A1 [0007]
  • EP 1469173 B1 [0008]EP 1469173 B1 [0008]

Claims (15)

Verbrennungsmotor (10) mit einer Kurbelwelle (14) und mindestens einem Brennraum (12), wobei der Verbrennungsmotor (10) mit seinem Einlass (16) mit einem Ansaugtrakt (20) verbunden ist, und wobei der Verbrennungsmotor (12) mit seinem Auslass (18) mit einer Abgasanlage (40) verbunden ist, sowie mit einem Abgasturbolader (28) mit einem Verdichter und einer Turbine (50), welche durch eine Antriebswelle (36) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors (10) durch die Abgasanlage (40) stromabwärts des Auslasses (18) des Verbrennungsmotors (10) und stromaufwärts der Turbine (50) des Abgasturboladers (28) eine Brennkammer (44) angeordnet ist, wobei die Antriebswelle (36) des Abgasturboladers (28) zumindest mittelbar mit der Kurbelwelle (14) des Verbrennungsmotors (10) verbindbar ist, und wobei in der Abgasanlage (40) stromabwärts der Turbine (50) mindestens eine Abgasnachbehandlungskomponente (52, 54, 56) zur Abgasnachbehandlung eines Abgases des Verbrennungsmotors (10) angeordnet ist.Internal combustion engine (10) with a crankshaft (14) and at least one combustion chamber (12), the internal combustion engine (10) having its inlet (16) being connected to an intake tract (20), and the internal combustion engine (12) having its outlet ( 18) is connected to an exhaust system (40) and to an exhaust gas turbocharger (28) with a compressor and a turbine (50) which are connected to one another by a drive shaft (36), characterized in that in the flow direction of an exhaust gas of the internal combustion engine ( 10) a combustion chamber (44) is arranged through the exhaust system (40) downstream of the outlet (18) of the internal combustion engine (10) and upstream of the turbine (50) of the exhaust gas turbocharger (28), the drive shaft (36) of the exhaust gas turbocharger (28) at least indirectly with the crankshaft (14) of the internal combustion engine (10), and wherein in the exhaust system (40) downstream of the turbine (50) at least one exhaust gas aftertreatment component (52, 54, 56) for exhaust gas aftertreatment an exhaust gas of the internal combustion engine (10) is arranged. Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (36) des Abgasturboladers (28) mit einer elektrischen Maschine (34) verbunden ist, über welche der Verdichter (30) unabhängig von dem Abgasstrom des Verbrennungsmotors (10) antreibbar ist.Internal combustion engine (10) after Claim 1 , characterized in that the drive shaft (36) of the exhaust gas turbocharger (28) is connected to an electrical machine (34) via which the compressor (30) can be driven independently of the exhaust gas flow of the internal combustion engine (10). Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (38) des Abgasturboladers (28) über einen Durchtrieb (38) mechanisch mit der Kurbelwelle (14) verbunden ist.Internal combustion engine (10) after Claim 1 or 2nd , characterized in that the shaft (38) of the exhaust gas turbocharger (28) is mechanically connected to the crankshaft (14) via a through drive (38). Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (34) elektrischen Strom generiert, welcher an einen elektrischen Antriebsmotor (72) an der Kurbelwelle (14) übertragen wird.Internal combustion engine (10) after Claim 2 , characterized in that the electrical machine (34) generates electrical current which is transmitted to an electrical drive motor (72) on the crankshaft (14). Verbrennungsmotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Versorgungsleitung (46) vorgesehen ist, mit welcher der Ansaugtrakt (20) stromabwärts des Verdichters (30) mit der Brennkammer (44) verbunden ist.Internal combustion engine (10) according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that a supply line (46) is provided, by means of which the intake tract (20) downstream of the compressor (30) is connected to the combustion chamber (44). Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Versorgungsleitung ein Zufuhrventil (48) angeordnet ist.Internal combustion engine (10) after Claim 5 , characterized in that a supply valve (48) is arranged in the supply line. Verbrennungsmotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sekundärluftverdichter (60) vorgesehen ist, welcher über eine Sekundärluftleitung (66) mit der Brennkammer (44) verbunden ist.Internal combustion engine (10) according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that a secondary air compressor (60) is provided which is connected to the combustion chamber (44) via a secondary air line (66). Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärluftverdichter (60) als mechanischer Zusatzverdichter (64) ausgeführt ist, welcher mittels eines Zugmittels von dem Verbrennungsmotor (10) angetrieben wird.Internal combustion engine (10) after Claim 7 , characterized in that the secondary air compressor (60) is designed as a mechanical additional compressor (64) which is driven by the internal combustion engine (10) by means of a traction means. Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärluftverdichter (60) als elektrischer Zusatzverdichter (62) ausgeführt ist.Internal combustion engine (10) after Claim 7 , characterized in that the secondary air compressor (60) is designed as an additional electrical compressor (62). Verbrennungsmotor (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Sekundärluftleitung (66) ein Sekundärluftventil (68) angeordnet ist.Internal combustion engine (10) according to one of the Claims 7 to 9 , characterized in that a secondary air valve (68) is arranged in the secondary air line (66). Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend folgende Schritte: - Einbringen eines Brennstoffes in die Brennkammer (44), - Zufuhr von einem überstöchiometrischen Abgas oder Sekundärluft in die Brennkammer (44), wobei - der Brennstoff mit dem Sauerstoff aus dem überstöchiometrischem Abgas oder der Sekundärluft exotherm in der Brennkammer (44) umgesetzt wird, - Beaufschlagen der Turbine (50) des Abgasturboladers (28) mit dem heißen Abgas aus der Brennkammer (44), wobei die Turbine (50) die Antriebswelle (36) antreibt, und wobei - die mindestens eine Abgasnachbehandlungskomponente (52, 54, 56) durch das heiße Abgas aus der Brennkammer (44) auf eine Betriebstemperatur aufgeheizt oder auf dieser Betriebstemperatur gehalten wird.Method for operating an internal combustion engine (10) according to one of the Claims 1 to 10th , comprising the following steps: - introducing a fuel into the combustion chamber (44), - supplying a superstoichiometric exhaust gas or secondary air into the combustion chamber (44), wherein - the fuel with the oxygen from the superstoichiometric exhaust gas or the secondary air exothermic in the combustion chamber ( 44) is implemented, - applying the hot exhaust gas from the combustion chamber (44) to the turbine (50) of the exhaust gas turbocharger (28), the turbine (50) driving the drive shaft (36), and - the at least one exhaust gas aftertreatment component (52 , 54, 56) is heated to an operating temperature by the hot exhaust gas from the combustion chamber (44) or is kept at this operating temperature. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (36) zumindest mittelbar mit der Kurbelwelle (14) des Verbrennungsmotors (10) verbunden ist, wobei das heiße Abgas aus der Brennkammer (44) zumindest mittelbar die Kurbelwelle (14) antreibt.Method for operating an internal combustion engine (10) according to Claim 11 , characterized in that the drive shaft (36) is at least indirectly connected to the crankshaft (14) of the internal combustion engine (10), the hot exhaust gas from the combustion chamber (44) driving the crankshaft (14) at least indirectly. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (10) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (10) mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (Ä > 1) betrieben wird, wobei der zur Verbrennung des in die Brennkammer (44) eingebrachten Brennstoffs notwendige Sauerstoff der Brennkammer (44) über den Abgaskanal (42) zugeführt wird.Method for operating an internal combustion engine (10) according to Claim 11 or 12 , characterized in that the internal combustion engine (10) is operated with a superstoichiometric combustion air ratio (Ä> 1), the oxygen necessary for the combustion of the fuel introduced into the combustion chamber (44) being fed to the combustion chamber (44) via the exhaust gas duct (42) . Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (10) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansaugluft durch den Verdichter (30) verdichtet wird, wobei die verdichtete Ansaugluft über die Versorgungsleitung (46) der Brennkammer (44) zugeführt wird. Method for operating an internal combustion engine (10) according to Claim 11 or 12 , characterized in that the intake air is compressed by the compressor (30), the compressed intake air being supplied to the combustion chamber (44) via the supply line (46). Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (10) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass Sekundärluft durch einen Sekundärluftverdichter (60) verdichtet wird, wobei die verdichtete Sekundärluft der Brennkammer (44) über eine Sekundärluftleitung (66) zugeführt wird.Method for operating an internal combustion engine (10) according to Claim 11 or 12 , characterized in that secondary air is compressed by a secondary air compressor (60), the compressed secondary air being fed to the combustion chamber (44) via a secondary air line (66).
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