DE102018130799B4 - Internal combustion engine and method of operating an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
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 (10) mit seinem Auslass (18) mit einer Abgasanlage (40) verbunden ist, sowie mit einem Abgasturbolader (28) mit einem Verdichter (30) und einer Turbine (50), welche durch eine Antriebswelle (36) miteinander verbunden sind, wobei 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, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (36) des Abgasturboladers (28) zumindest mittelbar mit der Kurbelwelle (14) des Verbrennungsmotors (10) verbindbar ist, wobei in der Abgasanlage (40) stromabwärts der Turbine (50) mindestens eine Abgasnachbehandlungskomponente (52, 54, 56) zur Abgasnachbehandlung eines Abgases des Verbrennungsmotors (10) angeordnet ist, und wobei ein Sekundärluftverdichter (60) vorgesehen ist, welcher über eine Sekundärluftleitung (66) mit der Brennkammer (44) verbunden ist.Internal combustion engine (10) with a crankshaft (14) and at least one combustion chamber (12), wherein the internal combustion engine (10) is connected with its inlet (16) to an intake tract (20), and wherein the internal combustion engine (10) with its outlet ( 18) is connected to an exhaust system (40), and to an exhaust gas turbocharger (28) with a compressor (30) and a turbine (50), which are connected to one another by a drive shaft (36), wherein in the direction of flow of an exhaust gas from 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), characterized in that the drive shaft (36) of the exhaust gas turbocharger (28) can be connected at least indirectly to the crankshaft (14) of the internal combustion engine (10), with at least one exhaust gas aftertreatment component (52, 54, 56) for exhaust gas aftertreatment in the exhaust system (40) downstream of the turbine (50). Treatment of an exhaust gas of the internal combustion engine (10) is arranged, and wherein a secondary air compressor (60) is provided, which is connected to the combustion chamber (44) via a secondary air line (66).
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 patent 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 and one that will become increasingly strict in the future place high demands on engine raw emissions and the exhaust gas aftertreatment of combustion engines. The demands for a further reduction in consumption and the further tightening of the exhaust gas standards with regard to the permitted nitrogen oxide emissions represent a challenge for the engine developers. Catalyst upstream and downstream further catalysts. In diesel engines, exhaust gas aftertreatment systems are currently used which have oxidation catalytic converters, catalytic converters for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides (SCR catalytic converter) and a particle filter for separating soot particles and, if necessary, further catalytic converters. Ammonia is preferably used as the reducing agent. Because handling pure ammonia is complicated, vehicles usually use a synthetic, aqueous urea solution, which is mixed with the hot exhaust gas flow in a mixing device upstream of the SCR catalytic converter. This mixing heats up the aqueous urea solution, with the aqueous urea solution releasing ammonia in the exhaust gas duct. A commercially available, aqueous urea solution is generally made up 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 aftertreatment components to an operating temperature as quickly as possible after starting the internal combustion engine and then to operate them continuously in this temperature range in order to enable the most efficient possible exhaust 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 retarding the ignition angle or the injection timing, late post-injection of fuel or 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 is used to introduce 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, electric heating elements and exhaust gas burners are known, with which the exhaust gas flow or a component in the exhaust system can be heated. However, electrical heating elements and exhaust gas burners have the disadvantage that additional energy is required for heating. In addition, such engine-external heating measures have the disadvantage that although they increase the exhaust gas temperature, they neither lead to a reduction in the raw exhaust gas emissions nor can they be used to propel the motor vehicle.
Aus der
Die
Die
Aus der
Aus der US 2012 / 0 042 632 A1 ist ein Verbrennungsmotor mit einem Abgasturbolader und einem Abgasnachbehandlungssystem bekannt. Dabei ist an dem Turbolader ein schaltbarer Bypass vorgesehen, mit welchem ein Abgasstrom des Verbrennungsmotors an der Turbine des Abgasturboladers vorbei geführt werden kann. Ferner ist an einem Abgaskanal des Verbrennungsmotors stromabwärts eines Auslasses des Verbrennungsmotors und stromaufwärts des Bypasses ein Kraftstoffeinspritzventil vorgesehen, mit welchem Kraftstoff in die Abgasanlage eingespritzt werden kann.An internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger and an exhaust gas aftertreatment system is known from US 2012/0 042 632 A1. A switchable bypass is provided on the turbocharger, with which an exhaust gas flow from the internal combustion engine can be routed past the turbine of the exhaust gas turbocharger. Furthermore, a fuel injection valve is provided on an exhaust gas duct of the internal combustion engine downstream of an outlet of the internal combustion engine and upstream of the bypass, with which fuel injection valve fuel can be injected into the exhaust system.
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 object of the invention is now to reduce the exhaust gas emissions of the internal combustion engine, the energy expended 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 at least one combustion chamber, the intake of the internal combustion engine being connected to an intake tract and the exhaust of the internal combustion engine being 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. Provision is made for a combustion chamber to be arranged in the flow direction of an exhaust gas from 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. Provision is also made for the drive shaft of the exhaust gas turbocharger to be connected at least indirectly 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 case of the internal combustion engine according to the invention, it is possible in an advantageous manner 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 gas duct are reduced. The heat generated in the combustion chamber can also be used to drive the turbine of the exhaust gas duct, as a result of which at least part of this heat can be used. In addition, internal engine heating measures to heat up the exhaust gas aftertreatment components, which are associated with increased fuel consumption and increased raw emissions from the internal combustion engine, can be omitted.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterentwicklungen und nicht triviale Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verbrennungsmotor vorgesehen.Advantageous further developments and non-trivial improvements of the internal combustion engine specified in the independent claim are provided by the features listed in the dependent claims.
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. In a preferred embodiment of the invention, it is provided that the drive shaft of the exhaust gas turbocharger is connected to an electrical machine, via which the compressor of the exhaust gas turbocharger can be driven independently of the exhaust gas flow of the internal combustion engine. With an electric machine on the drive shaft, the turbine of the exhaust gas turbocharger can be used to generate electrical energy. This energy can either be used directly or stored in a battery.
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 nutzen.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 to increase the power and/or the torque of the internal combustion engine if required.
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. The waste heat from the combustion chamber can be used by a mechanical through drive to drive the crankshaft of the combustion engine via the drive shaft of the turbocharger and the through drive. As a result, the power at the crankshaft can be increased, which increases the efficiency of the 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 vorgesehen sein, welcher mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors koppelbar ist. 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 electric machine is driven by the turbine of the exhaust gas turbocharger and generates electric power, which is transmitted to an electric drive motor on the crankshaft. As an alternative to a mechanical through drive, an electrical connection can also be provided between the electric machine on the drive shaft of the exhaust gas turbocharger and an electric drive motor, which can be coupled to the crankshaft of the internal combustion engine. In this way, the waste heat from the combustion chamber can also be used to forward the energy obtained via the turbine to the crankshaft and thus to use it to drive a motor vehicle.
In einer nicht zur Erfindung gehörenden Ausführungsform des Verbrennungsmotors 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 an embodiment of the internal combustion engine that does not belong to the invention, it is provided that a supply line is provided, with which the intake tract is connected to the combustion chamber in the exhaust system downstream of the compressor. A partial quantity of the fresh air compressed by the compressor of the exhaust gas turbocharger can be branched off from the intake duct and fed to the combustion chamber through a supply line. As a result, a simple and inexpensive air supply to the combustion chamber is possible when the internal combustion engine is operated with a stoichiometric or super-stoichiometric combustion air ratio. This is particularly useful in Otto engines in order to reduce raw emissions and to enable maximum-efficiency after-treatment of the exhaust gases from the internal combustion engine.
Dabei kann 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.A supply valve can be arranged in the supply line, via which the supply of fresh air 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, it is possible to prevent exhaust gas from the combustion chambers of the internal combustion engine or from the combustion chamber from flowing back into the intake duct in an uncontrolled manner. Alternatively, the supply valve can be used for targeted exhaust gas recirculation in order to reduce raw emissions in the combustion engine's combustion chambers.
Erfindungsgemäß 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.According to the invention, 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 combustion engine. This is particularly advantageous at low speeds and low loads on the internal combustion engine, because in this operating state the turbine only feeds 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 a traction mechanism, in particular a chain or a belt. A mechanical drive of the secondary air compressor provides a simple and cost-effective 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, a further advantageous embodiment of the invention provides that the secondary air compressor is designed as an electric auxiliary compressor. With an electric drive, the secondary air compressor can be operated independently of the operating situation of the internal combustion engine, which makes it easier to control the amount of secondary air.
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 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 escaping into the environment in an uncontrolled manner. In this case, the secondary air valve can in particular comprise a non-return valve in order to allow a flow of fresh air in the direction of the combustion chamber, but to prevent an exhaust gas flow counter to this flow.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors vorgeschlagen, welches folgende Schritte umfasst.
- - Einbringen eines Brennstoffs in die Brennkammer,
- - Zufuhr von Sekundärluft in die Brennkammer, wobei
- - der Brennstoff mit dem Sauerstoff aus 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.
- - introducing a fuel into the combustion chamber,
- - Supply of secondary air into the combustion chamber, where
- - the fuel is reacted exothermically with the oxygen from the secondary air 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 gas aftertreatment component is heated to an operating temperature by the hot exhaust gas from the combustion chamber 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 gas aftertreatment components to an operating temperature shortly after starting the internal combustion engine and to always keep these exhaust gas aftertreatment components at this operating temperature during 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 recover at least part of the additional energy expended.
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 connected at least indirectly to the crankshaft of the internal combustion engine, with the hot exhaust gas from the combustion chamber driving the crankshaft at least indirectly. As a result, the additional energy that is released during the combustion of the fuel in the combustion chamber can be transferred to the crankshaft of the internal combustion engine and thus used to drive a motor vehicle. Alternatively, the energy from the combustion chamber can be absorbed by the electric 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 nicht zur Erfindung gehörenden Variante 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. In a variant of the method not belonging to the invention, it is provided that the internal combustion engine is operated with a superstoichiometric combustion air ratio, the oxygen required for combustion of the fuel introduced into the combustion chamber being supplied to the combustion chamber via the superstoichiometric exhaust gas.
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.An oxygen-rich exhaust gas can be supplied to the combustion chamber in a simple manner by means of an over-stoichiometric combustion air ratio, with which the fuel can be exothermically converted. This is particularly easy in a diesel engine due to the principle-related excess air. Alternatively, it is also possible in a gasoline engine to carry out the combustion of the fuel in the combustion chambers of the combustion engine with a super-stoichiometric combustion air ratio, with a stoichiometric exhaust gas preferably being established downstream of the combustion chamber in order to achieve maximum-efficiency exhaust gas aftertreatment by the exhaust gas aftertreatment components downstream of the turbine of the exhaust gas turbocharger enable.
In einer weiteren, nicht zur Erfindung gehörenden Variante ist 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.In a further variant not belonging to the invention it is 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. In this case, the internal combustion engine can be operated by heating the exhaust gas through the combustion chamber without internal engine heating measures, as a result of which the efficiency can be optimized and/or the untreated emissions of the internal combustion engine can be minimized.
Erfindungsgemäß ist 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.According to the invention it is 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 air to the combustion chamber via a secondary air compressor, the amount of fresh air and thus the combustion air ratio in the combustion chamber can be adjusted independently of the operating situation of the internal combustion engine. In this way, an adequate supply of air can also be ensured when the compressor only builds up a low charge pressure and a supply of fresh air 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 stated otherwise 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 Verbrennungsmotors mit einem Ansaugtrakt und einer Abgasanlage; -
2 ein Ausführungsbeispiel eines nicht zur Erfindung gehörenden Verbrennungsmotors mit einem Ansaugtrakt und einer Abgasanlage, wobei die Ansaugleitung mit der Brennkammer über eine Versorgungsleitung verbunden ist; -
3 ein 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 with an intake tract and an exhaust system; -
2 an embodiment of an internal combustion engine not belonging to the invention with an intake tract and an exhaust system, wherein the intake line is connected to the combustion chamber via a supply line; -
3 an 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 -
4 a flowchart for carrying out a method according to the invention for operating an internal combustion engine.
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
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.
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.A plurality of exhaust
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.
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 and the injection time of the fuel into the
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
In
In
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
In
BezugszeichenlisteReference List
- 1010
- Verbrennungsmotorcombustion engine
- 1212
- Brennraumcombustion chamber
- 1414
- Kurbelwellecrankshaft
- 1616
- Einlassinlet
- 1818
- Auslass outlet
- 2020
- Ansaugtraktintake tract
- 2222
- Ansaugkanalintake duct
- 2424
- Luftfilterair filter
- 2626
- Luftmassenmessermass airflow meter
- 2828
- Abgasturbolader exhaust gas turbocharger
- 3030
- Verdichtercompressor
- 3232
- Ladeluftkühlerintercooler
- 3434
- elektrische Maschineelectric 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
- Dosierelement dosing element
- 6060
- Sekundärluftverdichtersecondary air compressor
- 6262
- elektrischer Zusatzverdichterelectric auxiliary compressor
- 6464
- mechanischer Zusatzverdichtermechanical booster
- 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
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