DE102018205770A1

DE102018205770A1 - Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage

Info

Publication number: DE102018205770A1
Application number: DE102018205770.2A
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: WO2019201548A1

Abstract

Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Zylindern mit je zwei Gaswechselauslassventilen und mit einer über die Gaswechselauslassventile Abgas führend verbindbare Abgasanlage, 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 zwischen der Brennkraftmaschine und dem Turbinengehäuse ein erstes Abgasrohr von der Abgasanlage Abgas führend abzweigt und nach der ersten Abgasreinigungsanlage wieder in die Abgasanlage mündet, wobei der Abgasturbolader ein Twin-Scroll-Abgasturbolader ist, wobei zumindest zwei Zylinder entsprechend einer Zündreihenfolge der Brennkraftmaschine zu einer Zylindergruppe zusammen gefasst sind und je ein erstes Gaswechselauslassventil der Zylinder einer Zylindergruppe über ein zweites Abgasrohr mit einem ersten Scroll und je ein zweites Gaswechselauslassventil der Zylinder einer Zylindergruppe über ein drittes Abgasrohr mit einem zweiten Scroll Abgas führend verbunden ist und wobei und je ein zweites Gaswechselauslassventil der Zylinder einer Zylindergruppe über ein viertes Abgasrohr mit dem ersten Abgasrohr und je ein zweites Gaswechselauslassventil der Zylinder einer Zylindergruppe über ein fünftes Abgasrohr mit dem ersten Abgasrohr Abgas führend verbunden ist.Durch 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 Verschlusselement umgehbar, wobei das Verschlusselement 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.
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 Patentanspruch 2 ist eine gesteuerte oder geregelte Aufteilung des Abgasmassenstroms darstellbar, um eine Überhitzung der ersten Abgasreinigungsanlage nach der Turbine des Abgasturboladers zu vermeiden.
Um eine Schadstoffreinigung des durch das Waste-Gate geleiteten Abgases zu gewährleisten, wird vorzugsweise gemäß Patentanspruch 3 in dem ersten Abgasrohr eine zweite Abgasreinigungsanlage vorgesehen.
Um eine bestmögliche Abgasreinigung zu erzielen, wird gemäß Patentanspruch 4 in der Abgasanlage in Strömungsrichtung des Abgases hinter einer Einmündung des ersten Abgasrohrs eine dritte Abgasreinigungsanlage vorgesehen.
Um eine größtmögliche Variabilität im Aufheizverhalten und bezüglich der Abgasreinigung zu erzielen zweigt gemäß Patentanspruch 5 von dem zweiten Abgasrohr und dem dritten Abgasrohr in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Abgasturbolader ein sechstes Abgasrohr ab und mündet vor der ersten Abgasreinigungsanlage wieder in die Abgasanlage.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform wird gemäß Patentanspruch 6 in dem sechsten Abgasrohr ein zweites Absperrelement angeordnet, mit dem das sechste Abgasrohr absperrbar ist. Durch diese Ausgestaltung ist das Katalysatorheizen mit dem Bypass-Abgasmassenstrom möglich.
In einer nochmaligen Weiterbildung der Erfindung ist gemäß Patentanspruch 7 für jeden Zylinder ein Gaswechselauslassventil deaktivierbar. Ist das erste Abgasrohr geschlossen, erfolgen in einer Teillast der Brennkraftmaschine die Ladedruckregelung und das Katalysatorheizen über das sechste Abgasrohr.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das sechste Abgasrohr gem. Patentanspruch 8 kühlbar, beispielsweise mit einem Kühlmittel der Brennkraftmaschine.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand von drei 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.
3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage.

Im Folgenden gelten in den 1 bis 3 für gleiche Bauelemente die gleichen Bezugsziffern.
1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 mit einer Abgasanlage 3. Wie aus dem Stand der Technik bekannt, wird Frischluft über einen Ansauggeräuschdämpfer 15 angesaugt. Ein Einströmen der Frischluft ist mit einem Pfeil symbolisch dargestellt. Anschließend wird die Frischluft durch eine nicht bezifferte Ansaugleitung durch einen Verdichter 16 eines Abgasturboladers 5 geleitet und nach dem Verdichter 16 weiter in einem Ladeluftkühler 17 abgekühlt. Nach dem Ladeluftkühler 17 durchströmt die Frischluft ein Drosselelement 18, wie beispielsweise einer Drosselklappe. Nach dem Drosselelement 18 tritt die Frischluft in einen Luftsammler 19 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 in die Abgasanlage 3 aus. 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.
Erfindungsgemäß ist der Abgasturbolader 5 ein Twin-Scroll-Abgasturbolader oder ein Abgasturbolader mit einer Segmentturbine. Er kann aber auch als Mono-Scroll-Turbine ausgeführt sein. Wie oben dargestellt, sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei Zylinder 2 entsprechend der Zündreihenfolge der Brennkraftmaschine 1 zu einer Zylindergruppe zusammen gefasst sind und je ein erstes Gaswechselauslassventil der Zylinder 2 einer Zylindergruppe über ein zweites Abgasrohr 8 mit einem ersten Scroll und je ein zweites Gaswechselauslassventil der Zylinder 2 der anderen Zylindergruppe über ein drittes Abgasrohr 9 mit einem zweiten Scroll Abgas führend verbunden. Weiter ist je ein zweites Gaswechselauslassventil der Zylinder 2 einer Zylindergruppe über ein viertes Abgasrohr 14 mit dem ersten Abgasrohr 7 und je ein zweites Gaswechselauslassventil der Zylinder 2 der anderen Zylindergruppe über ein fünftes Abgasrohr 20 mit dem ersten Abgasrohr 7 Abgas führend verbunden.
Durch das zweite und das dritte Abgasrohr 8, 9 wird die Turbine 4 des Abgasturboladers 5 angetrieben, der drehfest mit dem Verdichter 16 in Wirkverbindung steht und die Frischluft verdichtet.
Nach dem Abgasturbolader 5 durchströmt das Abgas eine erste Abgasreinigungsanlage 6 (motornaher Katalysator) und verlässt die Abgasanlage 3 in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in die Umgebungsluft. In der Realität wird hierbei eine nachgeschaltete Abgasanlage mit gegebenenfalls weiteren Abgasreinigungsvorrichtungen, wie z. B. Katalysatoren vorgesehen sein. Ein Austreten des Abgases aus der Abgasanlage 3 ist mit einem Pfeil symbolisch dargestellt. Für eine besonders gute Schadstoffkonvertierung ist in dem ersten Abgasrohr 7 eine zweite Abgasreinigungsanlage und nach der Einmündung des ersten Abgasrohres 7 in die Abgasanlage 3, in der Abgasanlage 3 eine dritte Abgasreinigungsvorrichtung 12 vorgesehen.
Zwischen der Brennkraftmaschine 1 und dem Abgasturbolader 5 sind das vierte und das fünfte Abgasrohr 14, 20 mit dem ersten Abgasrohr 7 abgasführend verbunden, wobei das erste Abgasrohr 7 in Strömungsrichtung des Abgases nach der ersten Abgasreinigungsanlage 6 wieder in die Abgasanlage 3 mündet. Am Übertritt vom vierten Abgasrohr 14 und dem fünften Abgasrohr 20 in das erste Abgasrohr 7 ist ein erstes Absperrelement 10, wie z. B. eine Abgasklappe, vorgesehen, mit dem der Übertritt von Abgas aus dem vierten Abgasrohr 14 und dem fünften Abgasrohr 20 in das erste Abgasrohr 7 verhindert werden kann. Das Absperrelement 10 ist in einer Schließstellung dargestellt.
Bei einer Volllast der Brennkraftmaschine 1 wird das erste Absperrelement 10 geöffnet, so dass heißes Abgas an dem Turbinenrad 4 des Abgasturboladers 5 vorbeiströmen kann, damit die erste Abgasreinigungsanlage 6, aber auch die Turbine 4 selbst, thermisch geschont wird. Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung sind nun deutlich höhere Volllastleistungen für die Brennkraftmaschine 1 darstellbar, da die erste Abgasreinigungsanlage 6 und auch die Turbine 4 thermisch geschützt ist. Die Turbine 4 ist insofern thermisch geschützt, da ein Teil des Abgas-Massenstroms durch das erste Abgasrohr 7 an der Turbine 4 vorbei geführt wird.

- Vorteil: Temperaturabsenkung des Abgasmassenstromes vor der ersten Abgasreinigungsvorrichtung 6 bei Nennleistung ggü. dem Zumischen des Wastegate-Abgasmassenstroms vor der ersten Abgasreinigungsanlage 6.
- Katheizen dauert länger, da der Waste-Gate-Abgasmassenstrom keinen Beitrag liefert.
- Ventile müssen ggf. an Abgasmassenstrom angepasst werden.
- Nachteil: Aufwändigerer Abgaskrümmer, Waste-Gate muss dicht sein.

2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, eine Weiterbildung der erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 mit der Abgasanlage 3. 2 unterscheidet sich von 1 dadurch, dass das zweite und das dritte Abgasrohr vor dem Turbinenrad 4 in ein sechstes Abgasrohr 21 münden, welches wiederum vor der ersten Abgasreinigungsanlage 6 in die Abgasanlage 3 mündet. Weiter ist in dem sechsten Abgasrohr 21 ein zweites Absperrelement 13 angeordnet, mit dem das sechste Abgasrohr 21 für den Abgasmassenstrom absperrbar ist. Beide Absperrelemente 10, 13 sind in einer Schließstellung dargestellt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, die figürlich nicht dargestellt ist, kann das sechste Abgasrohr 21 auch gekühlt ausgeführt werden. Dies kann beispielsweise mit Kühlmittel der Brennkraftmaschine 1 erfolgen.

- Vorteil: Temperaturabsenkung vor der ersten Abgasreinigungsanlage 6 bei Nennleistung ggü. dem Zumischen des Waste-Gate-Abgasmassenstroms vor der ersten Abgasreinigungsanlage 6.
- Katheizen ist über den Waste-Gate-Kanal möglich.
- Ventile müssen ggf. an Abgas-Massendurchsätze angepasst werden.
- Nachteil: Aufwändigerer Krümmer, zwei Waste-Gates, zwei schaltbare Absperrelemente 10, 13.

3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel, eine nochmalige Weiterbildung für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 mit der Abgasanlage 3 aus 2. Die Brennkraftmaschine 1 in 3 unterscheidet sich von der Brennkraftmaschine in 2 dadurch, dass für jeden Zylinder 2 ein Gaswechselauslassventil deaktivierbar ist. Somit kann die Leistungsregelung der Brennkraftmaschine 1 auch über den Ventiltrieb, insbesondere in der Teillast, erfolgen. Die beiden Absperrelemente 10, 13 sind wiederum in einer Schließstellung dargestellt.

- Vorteil: Temperaturabsenkung vor der ersten Abgasreinigungsanlage 6 bei Nennleistung ggü. dem Zumischen des Waste-Gate-Abgasmassenstroms vor der ersten Abgasreinigungsanlage 6 über die schaltbaren Gaswechselauslassventile kann der Bypass sicher abgedichtet werden.
- Katheizen ist über den Waste-Gate-Kanal möglich.
- Ventile müssen ggf. an Abgasmassen-Durchsätze angepasst werden.
- Nachteil: Aufwändigerer Krümmer, zwei Wastegates, schaltbare Absperrelemente 10, 13.

Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Ausgestaltung auch für V8-Brennkraftmaschinen oder Reihen-Sechszylinder- oder V12-Brennkraftmaschinen eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste

1.: Brennkraftmaschine
2.: Zylinder
3.: Abgasanlage
4.: Turbinenrad
5.: Abgasturbolader
6.: erste Abgasreinigungsanlage
7.: erstes Abgasrohr
8.: zweites Abgasrohr
9.: drittes Abgasrohr
10.: erstes Absperrelement
11.: zweite Abgasreinigungsanlage
12.: dritte Abgasreinigungsanlage
13.: zweites Absperrelement
14.: viertes Abgasrohr
15.: Ansauggeräuschdämpfer
16.: Verdichter
17.: Ladeluftkühler
18.: Drosselelement
19: Luftsammler
20.: fünftes Abgasrohr
21.: sechstes Abgasrohr

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 [0003]

Claims

Brennkraftmaschine (1) mit zumindest zwei Zylindern (2) mit je zwei Gaswechselauslassventilen und mit einer über die Gaswechselauslassventile Abgas führend verbindbare Abgasanlage (3), wobei in der Abgasanlage (3) ein Turbinengehäuse mit einem Turbinenrad (4) eines Abgasturboladers (5) und in Strömungsrichtung eines Abgases hinter dem Turbinengehäuse eine erste Abgasreinigungsanlage (6) angeordnet ist, wobei zwischen der Brennkraftmaschine (1) und dem Turbinengehäuse ein erstes Abgasrohr (7) von der Abgasanlage (3) Abgas führend abzweigt und nach der ersten Abgasreinigungsanlage (6) wieder in die Abgasanlage (3) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasturbolader (5) ein Twin-Scroll-Abgasturbolader oder ein Abgasturbolader mit einer Segmentturbine ist, wobei zumindest zwei Zylinder (2) entsprechend einer Zündreihenfolge der Brennkraftmaschine (1) zu einer Zylindergruppe zusammen gefasst sind und je ein erstes Gaswechselauslassventil der Zylinder (2) einer Zylindergruppe über ein zweites Abgasrohr (8) mit einem ersten Scroll und je ein zweites Gaswechselauslassventil der Zylinder (2) einer Zylindergruppe über ein drittes Abgasrohr (9) mit einem zweiten Scroll Abgas führend verbunden ist und wobei und je ein zweites Gaswechselauslassventil der Zylinder (2) einer Zylindergruppe über ein viertes Abgasrohr (14) mit dem ersten Abgasrohr (7) und je ein zweites Gaswechselauslassventil der Zylinder (2) einer Zylindergruppe über ein fünftes Abgasrohr (20) mit dem ersten Abgasrohr (7) Abgas führend verbunden ist.
Brennkraftmaschine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Abgasrohr (7) ein erstes Absperrelement (10) angeordnet ist, mit dem das erste Abgasrohr (7) absperrbar ist.
Brennkraftmaschine nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Abgasrohr (7) eine zweite Abgasreinigungsanlage (11) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasanlage (3) in Strömungsrichtung des Abgases hinter einer Einmündung des ersten Abgasrohres (7) eine dritte Abgasreinigungsanlage (12) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass von dem zweiten Abgasrohr (8) und dem dritten Abgasrohr (9) in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Abgasturbolader (5) ein sechstes Abgasrohr (21) abzweigt und vor der ersten Abgasreinigungsanlage (6) wieder in die Abgasanlage (3) mündet.
Brennkraftmaschine nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem sechsten Abgasrohr (21) ein zweites Absperrelement (13) angeordnet ist, mit dem das sechste Abgasrohr (21) absperrbar ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Zylinder (2) ein Gaswechselauslassventil deaktivierbar ist.
Brennkraftmaschine nach Patentanspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das sechste Abgasrohr (21) kühlbar ist.