DE102018219319A1 - Abgasnachbehandlungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor mit einem Turbolader - Google Patents

Abgasnachbehandlungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor mit einem Turbolader Download PDF

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Abstract

Es wird eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung (10) für einen Verbrennungsmotor (32) mit einem Turbolader, der eine Turbine (21) umfasst, beschrieben. Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung (10) umfasst einen stromabwärts der Turbine (21) angeordneten Abgas-Einlassbereich (23). Der Abgas-Einlassbereich (23) umfasst ein Ventil (26), welches vorzugsweise eine Anzahl an steuerbaren Leitschaufeln (40) umfasst, zur Steuerung des Abgasmassenstroms in die Abgasnachbehandlungsvorrichtung (10).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor mit einem Turbolader, insbesondere für einen Benzinmotor. Die Erfindung betrifft zudem ein Kraftfahrzeug.
  • Im Zusammenhang mit Verbrennungsmotoren, insbesondere Benzinmotoren, wird das Spülen mit Luft (sogenanntes Air-Scavenging) mit einem großen Überlapp der Ventilsteuerzeit dazu benutzt um ein hohes spezifisches Enddrehmoment zu erreichen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Kompressor des Turboladers in diesem Fall bei einer höheren Durchflussrate weit entfernt von der Druckstoßlinie mit hoher Effizienz betrieben werden kann. Allerdings führt dies zu einem mageren Betrieb des Verbrennungsmotors, wobei lediglich ein Abgas-Luft-Mischungsverhältnis Lambda (Λ) von etwa 1,3 erreicht wird. Zukünftige Emissionsanforderungen verlangen jedoch ein nahezu stöchiometrisches Abgasgemisch bzw. Abgas-Luft-Verhältnis in dem gesamten Betriebsbereich. Dies führt wiederum dazu, dass Luftspülungen nahezu unmöglich werden.
  • Mischeinrichtungen zur Positionierung zwischen einer Verbrennungsmaschine und einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung, insbesondere im Bereich des Abgaskrümmers sind beispielsweise in dem Dokument US 2012/0204541 A1 offenbart. In dem Dokument US 9,677,499 B2 ist eine Verbrennungsmaschine mit Turbolader beschrieben, wobei zudem zu dem Verfahren zur Durchführung von Luftspülungen bzw. Scavenging beschrieben werden.
  • Vor dem beschriebenen Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine vorteilhafte Abgasnachbehandlungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor mit einem Turbolader zur Verfügung zu stellen, welche insbesondere die Durchführung von Luftspülungen auch unter strengen Emissionsanforderungen ermöglicht. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein entsprechend vorteilhaftes Kraftfahrzeug zur Verfügung zu stellen.
  • Die genannten Aufgaben werden durch eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung gemäß Patentanspruch 1 und durch ein Kraftfahrzeug gemäß Patentanspruch 11 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
  • Die erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungsvorrichtung ist für einen Verbrennungsmotor mit einem Turbolader, der eine Turbine umfasst, ausgelegt. Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung umfasst einen stromabwärts der Turbine angeordneten Abgas-Einlassbereich. Der Abgas-Einlassbereich umfasst ein Ventil zur Steuerung des Abgasmassenstroms in die Abgasnachbehandlungsvorrichtung.
  • Die Anordnung eines Ventils zur Steuerung des Abgasmassenstroms in dem Abgas-Einlassbereich hat den Vorteil, dass der Kompressor des Turboladers mit hoher Effizienz betrieben werden kann und die Vorteile in der Luftspülung weiterhin nutzbar gemacht werden können. Weiterhin kann eine Druckimpulsladung verbessert werden. Auch die Temperatur- und Geschwindigkeitsverteilung des Abgases am Eingang der Abgasnachbehandlungsvorrichtung bzw. einer oder mehrerer Katalysatoren kann im Hinblick auf die Nutzung des Katalysators bzw. der Katalysatoren optimiert werden. Darüber hinaus kann der Kaltstartbetrieb verbessert werden, insbesondere durch eine verzögerte Verbrennung von Abgas stromabwärts des Verbrennungsmotors in einer durch das Ventil erzeugten Mischzone, wobei insbesondere Wärmeverluste verringert werden.
  • Vorzugsweise ist das Ventil hinsichtlich des Querschnitts seiner Öffnung variierbar steuerbar ausgestaltet. Mit anderen Worten kann bevorzugt der Strömungsquerschnitt durch das Ventil verändert werden.
  • In einer besonders vorteilhaften Variante umfasst das Ventil eine Anzahl an steuerbaren Leitschaufeln. Dabei können die Leitschaufeln jeweils ein Schaufelblatt mit einer Längsachse umfassen, wobei das Schaufelblatt jeweils so angeordnet ist, dass die Längsachse senkrecht zu einer Längsachse des Abgas-Einlassbereichs ausgerichtet ist und das Schaufelblatt um seine Längsachse drehbar ausgestaltet ist. Somit kann einerseits der Querschnitt der Öffnung durch eine entsprechende Drehung der Leitschaufeln flexibel verändert werden. Gleichzeitig können mittels der Leitschaufeln stromabwärts des Ventils Wirbelströmungen generiert werden, wodurch die Durchmischung des Abgas-Luft-Gemischs verbessert wird.
  • Vorteilhafterweise kann das Ventil hinsichtlich des Querschnitts seiner Öffnung stufenweise oder kontinuierlich steuerbar ausgestaltet sein. Durch die Steuerung des Strömungsquerschnitts kann der zur Abgasnachbehandlungsvorrichtung strömende Abgasmassenfluss gesteuert werden und darüber das Abgas-Luft-Massenverhältnis bzw. Abgas-Luft-Mischungsverhältnis gesteuert werden. Dadurch können auch Luftspülungen durchgeführt werden ohne dass gegen Emissionsanforderungen verstoßen wird.
  • In einer weiteren Variante umfasst der Abgas-Einlassbereich eine Längsachse. Dabei kann das Ventil so ausgestaltet sein, dass es den Strömungsquerschnitt in einer Ebene senkrecht zur Längsachse des Abgas-Einlassbereichs verringert. Diese Ausgestaltung, insbesondere in Kombination mit steuerbaren Leitschaufeln, hat den Vorteil, dass stromabwärts des Ventils ein Mischbereich generiert wird, in welchem Wirbelströmungen bzw. Rezirkulationsströmungen erzeugt werden können. Das Ventil kann insbesondere geometrisch so geformt sein, dass es als Wirbelgenerator wirkt, also, dass stromabwärts des Ventils Wirbelströmungen bzw. Rezirkulationsströmungen erzeugt werden. Auf diese Weise wird eine verbesserte Durchmischung des Abgases mit zugeführter Luft, insbesondere vom Kompressor des Turboladers, bewirkt.
  • In einer weiteren Variante kann der Abgas-Einlassbereich sich in Strömungsrichtung konisch öffnend ausgestaltet sein. Dabei kann insbesondere der Abgas-Einlassbereich stromaufwärts und/oder stromabwärts des Ventils sich in Strömungsrichtung konisch öffnend ausgestaltet sein. Die sich konisch öffnende Ausgestaltung in Strömungsrichtung hat den Vorteil, dass eine bessere Durchmischung stromabwärts des Ventils erzielt werden kann, da insbesondere auch die konische Öffnung Wirbelströmungen bzw. Rezirkulationsströmungen hervorrufen kann oder solche verstärken kann.
  • Der Verbrennungsmotor kann als Benzinmotor ausgelegt sein. Da die oben beschriebenen Luftspülungen insbesondere im Zusammenhang mit Benzinmotoren von Bedeutung sind, ist eine Ausgestaltung als Benzinmotor vorteilhaft.
  • Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug umfasst eine zuvor beschriebene erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungsvorrichtung. Es hat die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung genannten Merkmale und Vorteile. Bei dem Kraftfahrzeug kann es sich um einen Personenkraftwagen, einen Lastkraftwagen, einen Bus, einen Kleinbus, ein Motorrad oder ein Moped handeln.
  • Die Figuren zeigen:
    • 1 zeigt schematisch für einen Verbrennungsmotor mit drei Zylindern die Abhängigkeit des Abgas-Luft-Mischungsverhältnisses von dem Kurbelwinkel.
    • 2 zeigt schematisch eine Turbine eines Turboladers und einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandl ungsvorrichtung.
    • 3 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug.
  • Die 1 zeigt schematisch für einen Verbrennungsmotor mit drei Zylindern die Abhängigkeit des Abgas-Luft-Mischungsverhältnisses von dem Kurbelwinkel. In der 1 ist auf der x-Achse der Kurbelwinkel in Grad aufgetragen. Auf der y-Achse ist das Abgas-Luft-Mischungsverhältnis angegeben. Dabei liegt bei einem Mischungsverhältnis > 0 ein fettes Gemisch vor und bei einem Mischungsverhältnis von < 0 ein mageres Mischungsverhältnis vor. Die Kurve 1 kennzeichnet das Mischungsverhältnis in dem ersten Zylinder, die Kurve 2, das Mischungsverhältnis in dem zweiten Zylinder und die Kurve 3 das Mischungsverhältnis in dem dritten Zylinder.
  • Die Bereiche 11, 12 und 13 kennzeichnen dabei Kurbelwinkel, für die in dem jeweiligen Zylinder ein mageres Gemisch bei einer Luftspülung erzeugt wird. Die Kurven 1, 2 und 3 kennzeichnen dabei das bei einer Luftspülung erzeugte Mischungsverhältnis. Die gestrichelten Linien kennzeichnen die Ventilerhebungskurven der Ein- und Auslassventile der einzelnen Zylinder.
  • In der 2 ist schematisch ein Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung in einem Längsschnitt, also einem Schnitt entlang der Längsachse 28 gezeigt. In der 2 ist eine Turbine 21 eines Turboladers gezeigt, welche einen Auslass 22 aufweist. Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 10 umfasst einen Abgas-Einlassbereich 23, welcher strömungstechnisch mit dem Auslass 22 der Turbine 21 verbunden ist. Über den Abgas-Einlassbereich 23 wird Abgas zu einer Anzahl an Katalysatoren 24 geleitet. In der gezeigten Variante ist der Abgas-Einlassbereich 23 so ausgestaltet, dass er sich konisch in Strömungsrichtung des Abgases 25 zu der Anzahl an Katalysatoren 24 hin öffnet.
  • In dem Abgas-Einlassbereich 23 ist ein Ventil 26 zur Steuerung des Abgasmassenstroms in die Abgasnachbehandlungsvorrichtung angeordnet. Das Ventil 26 ist so ausgestaltet, dass es hinsichtlich des Querschnitts seiner Öffnung variierbar steuerbar ist. Vorzugsweise ist der Querschnitt der Ventilöffnung 29 stufenweise oder kontinuierlich steuerbar ausgestaltet.
  • Das Ventil 26 umfasst eine Anzahl an Leitschaufeln 40. Die Leitschaufeln 40 sind in Bezug auf ihre Ausrichtung zur Längsachse 28 des Abgas-Einlassbereichs variierbar und insbesondere variierbar steuerbar ausgestaltet.
  • Die Leitschaufeln 40 umfassen jeweils ein Schaufelblatt 30, 37 mit einer Längsachse 36 und einer senkrecht zur Längsachse 36 angeordneten Querachse 34, 35. Die Schaufelblätter 30, 37 sind jeweils so angeordnet, dass die Längsachse 36 senkrecht zur Längsachse 28 des Abgas-Einlassbereichs ausgerichtet ist und die Schaufelblätter um ihre Längsachse 36 drehbar sind. In der 2 kennzeichnet die Bezugsziffer 30 ein Schaufelblatt mit einer Querachse 34, die parallel zur Längsachse 28 ausgerichtet ist, und die Bezugsziffer 37 dasselbe Schaufelblatt in einer um die Längsachse 36 gedrehten Position, wobei die Querachse 35 einen Winkel mit der Längsachse 28 einschließt.
  • Durch die Position der Leitschaufeln und insbesondere die Ausrichtung ihrer Querachse 34, 35 zur Längsachse 28 des Abgas-Einlassbereichs wird der Querschnitt der Öffnung des Ventils 26 variierbar gesteuert. Dabei kann die Veränderung des Querschnitts der Öffnung des Ventils 26 kontinuierlich oder stufenweise erfolgen. Mit anderen Worten können die Leitschaufeln 41 hinsichtlich ihrer Position kontinuierlich oder stufenweise variierbar steuerbar ausgestaltet sein.
  • Durch die Leitschaufeln 40 und die konische Ausgestaltung des Abgas-Einlassbereichs wird ein Mischbereich 31 generiert, in welchem Wirbelströme erzeugt werden, welche eine verbesserte Durchmischung des Abgases mit Luft bewirken. Zudem kann die Menge des zugeführten Abgases flexibel gesteuert werden. Auf diese Weise kann stromaufwärts des Katalysators 24 ein stöchiometrisches Mischungsverhältnis erzeugt werden und eine Luftspülung dennoch beibehalten werden.
  • Das in der 3 gezeigte Kraftfahrzeug 33 umfasst einen Verbrennungsmotor 32 mit einem Turbolader, der eine Turbine umfasst, und eine zuvor beschriebene erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungsvorrichtung 10. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug kann, wie oben bereits erwähnt, als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen oder Bus oder Motorrad oder Moped ausgestattet sein. Es hat die oben bereits genannten Merkmale und Vorteile.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Mischungsverhältnis im ersten Zylinder bei einer Luftspülung
    2
    Mischungsverhältnis im zweiten Zylinder bei einer Luftspülung
    3
    Mischungsverhältnis im dritten Zylinder bei einer Luftspülung
    10
    Abgasnachbehandlungsvorrichtung
    11
    Kurbelwinkel, für die in dem ersten Zylinder ein mageres Gemisch bei einer Luftspülung erzeugt wird
    12
    Kurbelwinkel, für die in dem zweiten Zylinder ein mageres Gemisch bei einer Luftspülung erzeugt wird
    13
    Kurbelwinkel, für die in dem dritten Zylinder ein mageres Gemisch bei einer Luftspülung erzeugt wird
    21
    Turbine
    22
    Auslass
    23
    Abgas-Einlassbereich
    24
    Katalysatoren
    25
    Strömungsrichtung des Abgases
    26
    Ventil
    28
    Längsachse des Abgas-Einlassbereichs
    29
    Ventilöffnung
    30
    Schaufelblatt
    31
    Mischbereich
    32
    Verbrennungsmotor
    33
    Kraftfahrzeug
    34
    Querachse
    35
    Querachse
    36
    Längsachse des Schaufelblattes
    37
    Schaufelblatt
    40
    Leitschaufel
  • 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
    • US 2012/0204541 A1 [0003]
    • US 9677499 B2 [0003]

Claims (11)

  1. Abgasnachbehandlungsvorrichtung (10) für einen Verbrennungsmotor (32) mit einem Turbolader, der eine Turbine (21) umfasst, wobei die Abgasnachbehandlungsvorrichtung (10) einen stromabwärts der Turbine (21) angeordneten Abgas-Einlassbereich (23) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgas-Einlassbereich (23) ein Ventil (26) zur Steuerung des Abgasmassenstroms in die Abgasnachbehandlungsvorrichtung (10) umfasst.
  2. Abgasnachbehandlungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (26) hinsichtlich des Querschnitts seiner Öffnung (29) variierbar steuerbar ausgestaltet ist.
  3. Abgasnachbehandlungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (26) eine Anzahl an steuerbaren Leitschaufeln (40) umfasst.
  4. Abgasnachbehandlungsvorrichtung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (40) jeweils ein Schaufelblatt (30) mit einer Längsachse (36) umfassen, wobei das Schaufelblatt (30) jeweils so angeordnet ist, dass die Längsachse (36) senkrecht zu einer Längsachse (28) des Abgas-Einlassbereichs (23) ausgerichtet ist und das Schaufelblatt (30) um seine Längsachse (36) drehbar ausgestaltet ist.
  5. Abgasnachbehandlungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (26) hinsichtlich des Querschnitts seiner Öffnung (29) stufenweise oder kontinuierlich steuerbar ausgestaltet ist.
  6. Abgasnachbehandlungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgas-Einlassbereich (23) eine Längsachse (28) umfasst und das Ventil (26) so ausgestaltet ist, dass es den Strömungsquerschnitt (29) in einer Ebene senkrecht zur Längsachse (28) des Abgas-Einlassbereichs (23) verringert.
  7. Abgasnachbehandlungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (26) geometrisch so geformt ist, dass stromabwärts des Ventils (26) Wirbelströmungen erzeugt werden.
  8. Abgasnachbehandlungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgas-Einlassbereich (23) sich in Strömungsrichtung (25) konisch öffnend ausgestaltet ist.
  9. Abgasnachbehandlungsvorrichtung (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgas-Einlassbereich (23) stromaufwärts und/oder stromabwärts des Ventils (26) sich in Strömungsrichtung (25) konisch öffnend ausgestaltet ist.
  10. Abgasnachbehandlungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (32) als Benzinmotor ausgelegt ist.
  11. Kraftfahrzeug (33), welches einen Verbrennungsmotor (32) mit einem Turbolader, der eine Turbine (21) umfasst, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug (33) eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 umfasst.
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