DE102018205769A1

DE102018205769A1 - Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage

Info

Publication number: DE102018205769A1
Application number: DE102018205769.9A
Authority: DE
Inventors: Dirk Christian Leinhos; Christian Schwarz
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2018-04-17
Filing date: 2018-04-17
Publication date: 2019-10-17
Also published as: WO2019201547A1

Abstract

Brennkraftmaschine mit zumindest einem Zylinder und mit einer Abgasanlage, die an einem, an der Brennkraftmaschine angeordneten Abgaskrümmer angeordnet ist, wobei in der Abgasanlage ein Turbinengehäuse mit einem Turbinenrad eines Abgasturboladers und in Strömungsrichtung eines Abgases hinter dem Turbinengehäuse eine erste Abgasreinigungsanlage angeordnet ist, wobei von dem Abgaskrümmer ein erstes Abgasrohr Abgas führend abzweigt und nach der ersten Abgasreinigungsanlage wieder in die Abgasanlage mündet, wobei der Abgaskrümmer über ein zweites Abgasrohr, in dem ein zweites Absperrelement angeordnet ist, mit der Abgasanlage zwischen dem Turbinenrad und der ersten Abgasreinigungsanlage und/oder mit dem ersten Abgasrohr, in dem ein erstes Absperrelement angeordnet ist, in Strömungsrichtung eines Abgases mit der Abgasanlage verbindbar istDurch die erfindungsgemäße Ausgestaltung können höhere spezifische Leistungen für die Brennkraftmaschine erreicht werden, bei gleichzeitig thermischem Bauteilschutz.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Zum technischen Umfeld wird beispielsweise auf die Deutsche Offenlegungsschrift DE 28 51 675 A1 hingewiesen. Aus dieser Offenlegungsschrift ist eine Nachverbrennungsvorrichtung für die Abgase von Brennkraftmaschinen bekannt. Es wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, zum Nachverbrennen von Abgasen von Brennkraftmaschinen mit einem Katalysator, für die Oxidation von CO (Kohlenmonoxid) und HC (Kohlenwasserstoffe), bei dem im oberen Lastbereich der Brennkraftmaschine ein Teil des Abgases unter Umgehung eines Katalysators durch einen Abgaskanal geleitet wird, wobei dem Katalysator in dem Abgaskanal ein zweiter Katalysator nachgeordnet ist.
Eine Weiterbildung der aus der DE 28 51 675 A1 bekannten Nachverbrennungsvorrichtung ist in der noch nicht veröffentlichten deutschen Patentanmeldung, mit dem amtlichen Aktenzeichen 10 2017 218 837.5, beschrieben. In dieser Patentanmeldung ist eine Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage beschrieben, die über einen Abgaskrümmer verfügt, der mit der der Brennkraftmaschine verbunden ist. In der Abgasanlage sind eine erste und in Strömungsrichtung des Abgases dahinter eine zweite Abgasreinigungsanlage angeordnet. Die erste Abgasreinigungsanlage ist über einen Bypass mit einem Absperrelement umgehbar, wobei das Absperrelement in dem Abgaskrümmer angeordnet ist.
Bei Ottobrennkraftmaschinen wird bei hohen Motordrehzahlen und hoher Leistung üblicher Weise das Kraftstoff-Luft-Gemisch angereichert (Lambda < 1), um die abgasführenden Bauteile vor thermischer Überbeanspruchung zu schützen. Dies gilt insbesondere für aufgeladene Brennkraftmaschinen, bei denen die Abgasturbine und der Katalysator ansonsten durch zu hohe Abgastemperaturen zerstört werden könnten.
Die Gemischanreicherung führt zu hohen CO-Konzentrationen im Abgas und das CO wird im Katalysator aufgrund des im Abgas vorherrschenden Sauerstoffmangels in nachteiliger Weise nicht oxidiert. Der Katalysator arbeitet in diesem Betriebsbereich nicht mehr als 3-Wege-Katalysator, da kein stöchiometrisches Gemisch (Lambda = 1) eingestellt wird. Damit wird die Erfüllung zukünftiger Zulassungsanforderung für Kraftfahrzeuge gefährdet.
Heutige Abgasanlagen, insbesondere von turboaufgeladenen OttoBrennkraftmaschinen verfügen typischerweise über einen Turbinenbypass, auch Waste-Gate genannt, mit regelbarem Abgas-Massenstrom durch das Waste-Gate. Mit diesem Waste-Gate wird der Abgas-Massenstrom über die Turbine und damit die Turbinenleistung und damit der gewünschte Ladedruck eingestellt. Nach der Turbine und nach der Zuführung des Waste-Gate-Kanals zum Hauptstrom des Abgases befindet sich typischerweise so nah wie möglich, um ein schnelles Aufheizen nach dem Start der Brennkraftmaschine zu gewährleisten, ein Katalysator (auch motornaher Katalysator genannt). Beim Start der Brennkraftmaschine wird das Waste-Gate zudem weit geöffnet, um für das Aufheizen möglichst viel heißes Abgas direkt auf den motornahen Katalysator zu leiten.
In der Volllast, bei hohen Leistungen der Brennkraftmaschine, müssen typischerweise hohe Abgas-Massenströme (ca. 30 - 45%) über das Waste-Gate an der Turbine vorbeigeleitet werden. Da dieses Abgas nicht in der Turbine expandiert wird, ist es sehr heiß. Damit liegt die mittlere Abgastemperatur nach dem Mischen von Turbinenaustritts-Abgas-Massenstrom und Waste-Gate-Abgas-Massenstrom höher als die Turbinenaustrittstemperatur. Sie kann die maximale, für den Katalysator erlaubte Abgas-Eintrittstemperatur übersteigen. In Folge muss z. B. die Leistung der Brennkraftmaschine gedrosselt werden, was nicht gewünscht ist.
Aus der noch nicht veröffentlichten Deutschen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen DE 10 2017 218 837 , von der die vorliegende Erfindung ausgeht, ist eine Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage bekannt, die über einen Abgaskrümmer mit der Brennkraftmaschine verbunden ist. In der Abgasanlage sind eine erste und in Strömungsrichtung des Abgases dahinter eine zweite Abgasreinigungsanlage angeordnet, wobei die erste Abgasreinigungsanlage über einen Bypass mit einem Absperrelement umgehbar ist. Das Absperrelement ist erfindungsgemäß in dem Abgaskrümmer angeordnet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Maßnahme aufzuzeigen, mit der höhere spezifische Leistungen der Brennkraftmaschine erreicht werden können, ohne eine thermische Schädigung des motornahen Katalysators.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Brennkraftmaschine mit der Abgasanlage sind deutlich höhere Leistungen der Brennkraftmaschine erzielbar, ohne eine thermische Schädigung des motornahen Katalysators.
Mit der Ausgestaltung gemäß den Patentansprüchen 2 und 3 wird eine bestmögliche Abgasreinigung erzielt.
Mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 4 wird der thermische Schutz der ersten Abgasreinigungsanlage nochmals deutlich verbessert.
In weiteren bevorzugten Ausführungsform gemäß Patentanspruch 5 kann das erste Abgasrohr auch gekühlt werden. Dies kann beispielsweise mit einem Kühlmittel der Brennkraftmaschine erfolgen, wodurch der thermische Schutz der zweiten Abgasreinigungsanlage nochmals deutlich verbessert wird.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand von zwei Figuren näher erläutert.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage.

Im Folgenden gelten in den 1 und 2 für gleiche Bauelemente die gleichen Bezugsziffern.
1 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 mit einer Abgasanlage 3. Wie aus dem Stand der Technik bekannt, wird Frischluft über einen Ansauggeräuschdämpfer 14 angesaugt. Ein Einströmen der Frischluft ist mit einem Pfeil symbolisch dargestellt. Anschließend wird die Frischluft durch eine nicht bezifferte Ansaugleitung durch einen Verdichter 15 eines Abgasturboladers 6 geleitet und nach dem Verdichter 15 weiter in einem Ladeluftkühler 16 abgekühlt. Nach dem Ladeluftkühler 16 durchströmt die Frischluft ein Drosselelement 17, wie beispielsweise eine Drosselklappe. Nach dem Drosselelement 17 tritt die Frischluft in einen Luftsammler 18 ein, von dem aus die Frischluft im vorliegenden Ausführungsbeispiel auf vier Zylinder 2 aufgeteilt wird. In diesen vier Zylindern 2 wird die Frischluft mit Brennstoff vermischt und verbrannt.
Das Abgas strömt je Zylinder 2 über zwei nicht bezifferte, durch jeweils einen Kreis symbolisch dargestellte Gaswechselauslassventile zuerst durch einen Abgaskrümmer 4 und weiter in die Abgasanlage 3 aus. Ein Übergang vom Abgaskrümmer 4 zur Abgasanlage 3 ist gestrichelt eingezeichnet. Jeweils zwei Zylinder 2 sind entsprechend einer Zylinderreihenfolge der Brennkraftmaschine 1 zu einer Zylindergruppe zusammengefasst. Eine typische Zündreihenfolge für eine vorliegende Vierzylinder-Brennkraftmaschine ist beispielsweise Zylinder 1, Zylinder 3, Zylinder 4, Zylinder 2. Bei dieser Zündreihenfolge bilden die Zylinder 1 und 4 und Zylinder 2 und 3 jeweils eine Zylindergruppe. Eine weitere mögliche Zündreihenfolge ist Zylinder 1, Zylinder 2, Zylinder 4, Zylinder 3. Hierbei ist der erste Zylinder (Zylinder 1) der, der Kraftabgabeseite/Kupplung gegenüberliegende Zylinder.
Nach dem Abgaskrümmer 4 durchströmt das Abgas ein Turbinengehäuse des Abgasturboladers 6, in dem ein Turbinenrad 5 angeordnet ist. Das Turbinenrad 5 ist drehfest mit dem Verdichterrad 15 gekoppelt, welches die Frischluft verdichtet.
Nach dem Abgasturbolader 6 durchströmt das Abgas eine erste Abgasreinigungsanlage 7, ein motornaher Katalysator, und in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine dritte Abgasreinigungsanlage 13 und verlässt die Abgasanlage 3 in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in die Umgebungsluft. Ein Austreten des Abgases aus der Abgasanlage 3 ist mit einem Pfeil symbolisch dargestellt.
Weiter ist an den Abgaskrümmer 4 ein erstes Abgasrohr 8 angeordnet, in dem ein erstes Absperrelement 11 angeordnet ist. Das erste Absperrelement 11 ist geschlossen dargestellt. Bei offenem Absperrelement 11 kann Abgas durch das erste Abgasrohr 8 an dem Turbinenrad 5 vorbei strömen. Für eine bestmögliche Abgasreinigung ist in dem ersten Abgasrohr 8 eine zweite Abgasreinigungsvorrichtung 12 angeordnet.
Weiter ist an den Abgaskrümmer 4 ein zweites Abgasrohr 9 angeordnet, ein sog. Turbinenbypass, in dem ein zweites Absperrelement 10 angeordnet ist. Auch das zweite Absperrelement 10 ist in einer Schließstellung dargestellt. Bei offenem zweiten Absperrelement 10 kann heißes Abgas an dem Turbinenrad 5 vorbei geleitet werden, um die erste Abgasreinigungsanlage 7 nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine 1 schnell auf ihre Anspringtemperatur (light off) zu bringen, um schnellstmöglich das Abgas zu reinigen.
Bei einer Volllast der Brennkraftmaschine 1 wird das zweite Absperrelement 10 geschlossen und eine Ladedruckregelung erfolgt über das erste Absperrelement 11. Bei einer Teillast der Brennkraftmaschine 1 wird das erste Absperrelement 11 geschlossen und die Ladedruckregelung erfolgt über das zweite Absperrelement 10, genauso wie das Aufheizen der ersten Abgasreinigungsanlage 7, das sog. Katheizen.
In beiden Fällen wird somit heißes Abgas an dem Turbinenrad 5 des Abgasturboladers 6 vorbei geführt, damit die erste Abgasreinigungsanlage 7, aber auch das Turbinenrad 5 selbst, thermisch geschont wird. Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung sind nun deutlich höhere Volllastleistungen für die Brennkraftmaschine 1 darstellbar, da die erste Abgasreinigungsanlage 7 und auch das Turbinenrad 5, durch an der Turbine 5 vorbei geströmten Abgas-Massenstrom, thermisch geschützt ist.

- Vorteil: Temperaturabsenkung vor der ersten Abgasreinigungsanlage 7 bei Nennleistung ggü. dem Zumischen des Waste-Gate-Abgasmassenstroms vor ersten Abgasreinigungsanlage 7.
- Vorteil: Katheizen ist über das zweite Abgasrohr 9 möglich.
- Nachteil: aufwändigerer Abgaskrümmer 4, zwei Wastegates (erstes und zweites Abgasrohr 8, 9).

In weiteren bevorzugten Ausführungsformen, die figürlich nicht dargestellt sind, können das erste und/oder das zweite Abgasrohr 8, 9 auch gekühlt werden. Dies kann beispielsweise mit einem Kühlmittel der Brennkraftmaschine erfolgen.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 mit der Abgasanlage 3. 2 unterscheidet sich von 1 dadurch, dass das zweite und das erste Absperrelement 10, 11 nicht parallel, sondern seriell angeordnet sind. Das heißt, dass das erste Abgasrohr 8 und das zweite Abgasrohr 9 einen einzigen Anschluss an dem Abgaskrümmer 4 haben und das zweite Absperrelement 10 in Strömungsrichtung vor dem ersten Absperrelement 11 angeordnet ist. Das zweite Abgasrohr 9 zweigt zwischen dem zweiten Absperrelement 10 und dem ersten Absperrelement 11 von dem ersten Abgasrohr 8 ab.

- Vorteil: Temperaturabsenkung vor der ersten Abgasreinigungsanlage 7 bei Nennleistung ggü. dem Zumischen des Waste-Gate-Abgasmassenstroms vor ersten Abgasreinigungsanlage 7.
- Vorteil: Katheizen ist über das zweite Abgasrohr 9 möglich.
- Nachteil: die Dichtigkeit des ersten und des zweiten Absperrelementes 11, 10 muss sichergestellt sein.

1.: Brennkraftmaschine
2.: Zylinder
3.: Abgasanlage
4.: Abgaskrümmer
5.: Turbinenrad
6.: Abgasturbolader
7.: erste Abgasreinigungsanlage
8.: erstes Abgasrohr
9.: zweites Abgasrohr
10.: zweites Absperrelement
11.: erstes Absperrelement
12.: zweite Abgasreinigungsanlage
13.: dritte Abgasreinigungsanlage
14.: Ansauggeräuschdämpfer
15.: Verdichterrad
16.: Ladeluftkühler
17.: Drosselelement
18.: Luftsammler

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 2851675 A1 [0002, 0003]
DE 102017218837 [0008]

Claims

Brennkraftmaschine (1) mit zumindest einem Zylinder (2) und mit einer Abgasanlage (3), die an einem, an der Brennkraftmaschine angeordneten Abgaskrümmer (4) angeordnet ist, wobei in der Abgasanlage (3) ein Turbinengehäuse mit einem Turbinenrad (5) eines Abgasturboladers (6) und in Strömungsrichtung eines Abgases hinter dem Turbinengehäuse eine erste Abgasreinigungsanlage (7) angeordnet ist, wobei von dem Abgaskrümmer (4) ein erstes Abgasrohr (8) Abgas führend abzweigt und nach der ersten Abgasreinigungsanlage (7) wieder in die Abgasanlage (3) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskrümmer (4) über ein zweites Abgasrohr (9), in dem ein zweites Absperrelement (10) angeordnet ist, mit der Abgasanlage (3) zwischen dem Turbinenrad (5) und der ersten Abgasreinigungsanlage (7) und/oder mit dem ersten Abgasrohr (8), in dem ein erstes Absperrelement (11) angeordnet ist, in Strömungsrichtung eines Abgases mit der Abgasanlage (3) verbindbar ist
Brennkraftmaschine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Abgasrohr (8) in Strömungsrichtung des Abgases hinter dem ersten Absperrelement (11) eine zweite Abgasreinigungsanlage (12) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Patentansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasanlage (3) in Strömungsrichtung des Abgases hinter einer Einmündung des ersten Abgasrohres (8) eine dritte Abgasreinigungsanlage (13) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für das zweite Abgasrohr (9) eine Kühlvorrichtung vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für das erste Abgasrohr (8) eine Kühlvorrichtung vorgesehen ist.