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
Die
Die
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.
- 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.
-
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.
Der Ansaugtrakt
Die Abgasanlage
Stromabwärts der Turbine
Der Verbrennungsmotor
Die Einspritzmenge sowie der Einspritzzeitpunkt des Kraftstoffs in die Brennräume
Alternativ kann der Verbrennungsmotor
In
In
Alternativ können die Abgasmischer
In
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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