DE102021100458A1 - Verbrennungsmotoranordnung mit Katalysatorheizsystem - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungsmotoranordnung für ein Kraftfahrzeug, aufweisend eine Brennkraftmaschine mit einer Frischluftführung und einer Abgasführung, eine auch unabhängig von einem Betrieb der Brennkraftmaschine betreibbare Aufladeeinrichtung, eine Abgasnachbehandlungsanordnung, die stromabwärts der Abgasturbine angeordnet ist, und ein Katalysatorheizsystem, das an einem oder stromabwärts eines Turbinenbypasses angeordnet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungsmotoranordnung mit einer Brennkraftmaschine, einer Aufladeeinrichtung, einer Abgasnachbehandlungsanordnung und einem Katalysatorheizsystem.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Verbrennungsmotoranordnung für ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungsmotoranordnung mit einer Brennkraftmaschine, einer Aufladeeinrichtung, einer Abgasnachbehandlungsanordnung und einem Katalysatorheizsystem.
  • Um mit einem Verbrennungsmotor verschärfte Emissionsanforderungen zu erfüllen, ist es erforderlich, die Abgasnachbehandlung so schnell wie möglich in Betriebsbereitschaft zu versetzen. Bei einem Ottomotor bedeutet das beispielsweise, dass der Drei-Wege Katalysator möglichst schnell die Anspringtemperatur (Light-Off-Temperatur), ab der er konvertiert, erreicht. Ein bekanntes Mittel dazu ist, ein thermisches Katalysatorheizsystem zu verwenden. Es besteht aus einer Frischluftversorgung, einer Kraftstoffversorgung sowie einer Zündvorrichtung. Es erzeugt durch Verbrennung eines Kraftstoff-Luftgemisches einen heißen, aber schadstoffarmen Abgasstrom, der möglichst direkt auf den Katalysator geleitet wird, um diesen aufzuheizen. Dies kann auch z.B. vor dem Start des Motors und unabhängig davon als echte Vorheizmaßnahme erfolgen.
  • Thermische Katalysatorheizsysteme wie beispielsweise externe Brenner, die heißes Abgas produzieren, für ein schnelles und meistens auch motorunabhängiges Aufheizen des Abgasnachbehandlungssystems bzw. des Katalysators auf die Anspringtemperatur), sind seit langem bekannt. Sie benötigen eine Luftversorgung.
  • Bei den gegenwärtig bekannten externen Brennern erfolgt die Luftversorgung über elektrische Luftpumpen, z.B. sogenannten Sekundärluftpumpen, die aber für diesen Einsatzzweck nicht entwickelt sind. Das führt dazu, dass gegebenenfalls mehrere dieser Pumpen eingesetzt werden müssen. Diese Pumpen sind relativ groß, schwer und teuer.
  • Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine bekannte Verbrennungsmotoranordnung mit einer Brennkraftmaschine, einer Aufladeeinrichtung, einer Abgasnachbehandlungsanordnung und einem Katalysatorheizsystem zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Verbrennungsmotoranordnung mit den Merkmalen von Anspruch 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 10.
  • Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Gemäß einem Aspekt wird eine Verbrennungsmotoranordnung für ein Kraftfahrzeug offenbart. Die Verbrennungsmotoranordnung weist zumindest auf:
    1. (a) eine Brennkraftmaschine mit einer Frischluftführung und einer Abgasführung. Insbesondere kann die Brennkraftmaschine ein Dieselmotor oder ein Ottomotor sein, jeweils mit wenigstens einem Zylinder, insbesondere zwei, drei, vier, fünf, sechs, acht, 12 oder 16 Zylindern.
    2. (b) eine auch unabhängig von einem befeuerten Betrieb der Brennkraftmaschine betreibbare Aufladeeinrichtung, insbesondere mit einer Abgasturbine. Insbesondere kann die Aufladeeinrichtung ein elektrisch aktuierbarerer Abgasturbolader (eATL) sein, insbesondere mit einer an der Frischluftführung angeordneten Verdichteranordnung und mit einer Turbinenanordnung. Alternativ kann ein Abgasturbolader und ein zusätzlicher, elektrisch aktuierbarer Frischluftverdichter (e-Verdichter) oder ein Frischluft-Druckspeicher sein.
    • (c) eine Abgasnachbehandlungsanordnung, die stromabwärts der Abgasturbine, insbesondere in und/oder nach der Abgasführung, angeordnet ist.
    • (d) ein Katalysatorheizsystem mit einer Kraftstoffeinspritzung, einem Brenner und/oder einer Zündvorrichtung. Das gesamte Katalysatorheizsystem, zumindest aber desen Brenner ist an, insbesondere in, einem oder stromabwärts eines Turbinenbypasses angeordnet, wobei insbesondere der Turbinenbypass vor der Turbine aus der Abgasführung abzweigt und vor der Abgasnachbehandlungsanordnung oder zumindest vor wenigstens einer zu heizenden Komponente der Abgasnachbehandlungsanordnung in die Abgasführung einmündet. Der Turbinenbypass dient insbesondere als Frischluftzuführung des Katalysatorheizsystems.
  • Die Verbrennungsmotoranordnung ist dazu eingerichtet, dem Katalysatorheizsystem vor einem Motorstart und/oder bei einem unbefeuerten Betrieb der Brennkraftmaschine durch einen Luftsammler der Frischluftführung hindurch und durch den Turbinenbypass hindurch, insbesondere mittels eines unabhängig vom Abgasdruck betreibbaren Verdichters, Frischluft zuzuführen.
  • Damit kann ein thermisches Heizsystem zum Aufheizen der Abgasnachbehandlungsanordnung auf die Light-Off-Temperatur auch unabhängig von einem befeuerten Betrieb der Brennkraftmaschine auch bei Verbrennungsmotoranordnungen mit einer an sich gänzlich oder nur wenig veränderten Hardwarekonfiguration erreicht werden. Insbesondere kann es damit ausreichend sein, lediglich Steuerungsroutinen der Verbrennungsmotoranordnung, beispielsweise hinsichtlich einer Stellung von Gasführungsklappen und/oder Zylinderventilen.
  • Insbesondere kann als Turbinenbypass ein bereits ohnehin verwendeter Wastegatekanal verwendet werden.
  • Zur Bereitstellung der Frischluft wird insbesondere ein elektrisch betriebener Verdichter verwendet und geeignet angesteuert. Zusätzlich oder alternativ kann auch ein an die Zylinder angeschlossener Medienspeicher, hier insbesondere ein Frischluft-Druckspeicher, verwendet werden, beispielsweise, wenn ein solcher für eine Rekuperation in Schubphasen und/oder zur Verbesserung des Ansprechverhaltens der Brennkraftmaschine ohnehin im Antriebskonzept vorgesehen ist.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungsmotoranordnung mit einer Brennkraftmaschine, einer Aufladeeinrichtung, einer Abgasnachbehandlungsanordnung und einem Katalysatorheizsystem offenbart.
  • Das Verfahren weist zumindest den folgenden Verfahrensschritt auf: Zuführen von Frischluft zu dem Katalysatorheizsystem vor einem Motorstart und/oder bei einem unbefeuerten Betrieb der Brennkraftmaschine durch einen Luftsammler der Frischluftführung und durch einen Turbinenbypass.
  • Gemäß einer Ausführung wird das Katalysatorheizsystem deaktiviert und/oder die Brennkraftmaschine gestartet und/oder in einen befeuerten Betrieb versetzt, sobald die Abgasnachbehandlungsanordnung, insbesondere eine zu beheizende Komponente davon, eine Schwellentemperatur, mit der ein Abgasreinigungsbetrieb unmittelbar oder unter Einbeziehung weiterer, an sich bekannter Maßnahmen der Katalysatorheizung rechtzeitig möglich ist, erreicht hat. Dadurch können unerwünschte Emissionen durch eine zu geringe Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung vermieden werden.
  • Der Begriff Schwellentemperatur ist insbesondere auch so zu verstehen, dass der Betrieb des Katalysatorheizsystems im Sinne der Erfindung erfolgt bis zu einer Temperatur, bei der das Abgasnachbehandlungssystem die erforderliche Funktionsweise aufweist. Das schließt insbesondere ein Erreichen einer Anspringtemperatur eines Katalysators ein, aber auch eine kürzere Zeit, wenn der Motorstart aufgrund beispielsweise eines Fahrerwunsches früher erfolgt und das anschließende, verbrennungsmotorische Katheizen für eine ausreichende Konvertierung bei der Abgasnachbehandlung sorgen kann; eingeschlossen ist auch der Fall, dass das Heizen bis zu einer Betriebstemperatur, bei der die volle Konvertierung erreicht wird, andauert.
  • Der Erfindung liegt unter anderem die Überlegung zugrunde, anstelle zusätzlicher Pumpen im Fahrzeug die Luftversorgung des Brenners der Katalysatorheizeinrichtung über für andere Funktionen im Fahrzeug vorhandene Komponenten, insbesondere der Aufladeeinrichtung bzw. über einen Medienspeicher bereitzustellen. Die erforderlichen Komponenten der Aufladeeinrichtung, wie z.B. elektrische Zusatzverdichter oder elektrisch unterstütze Abgasturbolader, kommen bei aktuellen und zukünftigen Motoren vermehrt zum Einsatz, beispielsweise zur Verbesserung des Ansprechverhaltens und der Abgasenergierückgewinnung. Auch an die Zylinder der Brennkraftmaschine angeschlossene Medienspeicher sind in vermehrt zur Rekuperation in Schubphasen und der Verbesserung des Ansprechverhaltens vorgesehen und können entsprechend ggfs. eingesetzt werden.
  • Die genannten Komponenten sind also vielfach schon Bestandteil des Motorkonzepts und können im Sinne der Erfindung auch die Zusatzfunktion der Luftversorgung des Brenners des Katalysatorheizsystems mit übernehmen. Dadurch können beispielsweise Zusatzkosten und Bauraumbedarf reduziert werden.
  • Gemäß einer Ausführung werden vorhandene, insbesondere auch in den Zylinderkopf-Guss integrierte Luftführungen verwendet, um zusätzliche Bauteile für die Luftführung im Sinne der Erfindung zu vermeiden.
  • Als integrierte Luftführungen sind insbesondere die standardmäßig vorhandenen Luftführungen wie Ladeluftführungen, Ladeluftkühler, Drosselklappen, Sammler, Ein- und Auslasskanäle, der Brennraum, der Krümmer, Abgasführungen, Abgasrückführungsstrecken etc. und ggf. auch Bypasskanäle anzusehen, die ohnehin in klassischen Motorkonzepten vorhanden sind und/oder in einer Gussteil-Anordnung zur Ausbildung der Zylinderköpfe angeordnet sind.
  • Die Erfindung basiert daher unter anderem auf der Idee, Frischluft mittels einem ohnehin für erfindungsferne Funktionen vorgesehenen, elektrisch betreibbaren Verdichter der Verbrennungsmotoranordnung zu verdichten und/oder durch ohnehin für erfindungsferne Funktionen vorhandene Frischluft- und/oder (ggfs. integrierte) Abgasleitungen bei dem Turbinenbypass bereitzustellen, an oder nach welchem der Brenner des Katalysatorheizsystems angeordnet ist.
  • Gemäß einer Ausführung ist für die Nutzung integrierter und/oder ohnehin vorhandener Luftführungen, beispielsweise durch den Zylinderkopf, vorgesehen, dass mindestens an einem Zylinder je mindestens ein Ein- und ein Auslassventil in einem ausreichenden Maße gleichzeitig geöffnet werden, sodass die für das thermische Katalysatorheizsystem bestimmte Luft durch den Zylinder strömen kann, auch wenn die Brennkraftmaschine nicht dreht. Dazu geeignete Vorrichtungen sind an sich grundsätzlich bekannt. Die erforderliche Funktionalität kann beispielsweise durch das Umschalten auf ein entsprechendes Nockenprofil, durch einzeln betätigbare Ventile (z.B. elektrisch) und/oder durch eine geschickte Variabilität des Phasenwinkels ggf. in Kombination mit einer Ventilhubsvariabilität, erfolgen. Gemäß einer Ausführung kann eine Positionierung der Kurbel- und damit auch der Nockenwellen über eine vorhandene elektrische Maschine wie z.B. einen Kurbelwellenstartergenerator (KSG) vorgesehen sein.
  • Beispielsweise erfolgt die Luftführung durch den Zylinderkopf über einen integrierten, sperrbaren Turbinen-Bypass(-kanal) zum Brenner; das setzt voraus, dass mindestens ein Einlass- und ein Auslassventil mindestens eines Zylinders gleichzeitig geöffnet werden können. Dies kann durch ein geeignetes System wie z.B. Positionierung beim Abstellen/Hindrehen im Stillstand durch z.B. einen KSG sowie einem Phasenversteller, vorzugsweise elektrisch betätigt, mit weitem Verstellbereich und ggf. kombiniert mit einer Ventilhubvariabilität, oder eine separate Nocke über ein entsprechendes Schaltsystem oder direkt schaltbare Ventile, erfolgen.
  • Die Luftförderung kann gemäß unterschiedlichen Ausführungen mit einem eATL, einem e-Verdichter oder über einen Luftspeicher oder mittels eines anderen Luftfördersystem (z.B. Pumpe, Gebläse) realisiert werden.
  • Der Brenner ist gemäß einer Ausführung an einen Turbinen-Bypass(-kanal), der am Abgaskrümmer abzweigt, um die Turbine führt und vor dem motornahen Katalysator einmündet, angekoppelt oder in diesen integriert. Die Anordnung ist dabei so gewählt, dass eine möglichst gute und gleichmäßige Anströmung und in Folge auch Erwärmung des Katalysators erreicht wird. Über den Turbinen-Bypass kann ggfs. auch eine Wastegatefunktion für die Ladedruckregelung dargestellt werden.
  • Der Brenner beinhaltet in einer beispielhaften Ausführung eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung sowie eine Zündquelle. Es ist vorteilhaft, die Vermischung der Luft und des Kraftstoffs so auszubilden, dass das entstehende Gemisch nach erfolgter Zündung emissionsarm verbrennt.
  • Um Betriebspunkte einstellen zu können, bei denen ein bestimmter Abgas- oder Luftmassenstrom über die Turbine geleitet wird und bei denen gleichzeitig kein bzw. ein bestimmter Abgas- oder Luftmassenstrom durch den Turbinen-Bypass strömt, befindet sich ein gemäß einer Ausführung variables Absperrorgan im Turbinen-Bypass. In einer Ausführung ist dieses Absperrorgan am krümmerseitigen Eintritt in den Turbinen-Bypass als herkömmliche Wastegateklappe ausgeführt. Andere Ausführungen mit Klappen, Ventilen oder ähnlichen Stellorganen, auch an anderen Stellen im Bypasskanal sind je nach Anwendungsfall möglich.
  • Verfügt der Motor über ein System zur Hochdruck-Abgasrückführung (HD-AGR), kann dieser Pfad anstelle des Weges durch den Zylinderkopf genutzt werden. Dies ist prinzipiell mit allen möglichen Luftversorgungen darstellbar. Die Luftleitung erfolgt am Zylinderkopf vorbei über den Pfad der Abgasrückführungsstrecke.
  • Um, insbesondere im Katalysatorheizbetrieb, die gesamte, geförderte Luft bzw. das Kraftstoff/Luftgemisch über den Bypasskanal dem Brenner zuzuführen, ist es sinnvoll, die Durchströmung der Turbine möglichst vollständig zu unterbinden. Exemplarisch sind dafür weiter unten unterschiedliche vorteilhafte Ausführungen beschrieben.
  • In jedem Fall erkennt gemäß einer Ausführung ein Steuerungssystem, wenn der Katalysator ausreichend, insbesondere auf die Anspringtemperatur, aufgeheizt ist und gibt die Freigabe für den Motorstart bzw. Normalbetrieb. Das Steuerungssystem kann Sensor- oder modellgestützt oder auf Basis einer Kombination daraus arbeiten.
  • Gemäß einer Ausführung ist die Verbrennungsmotoranordnung dazu eingerichtet, die Frischluft durch wenigstens einen Zylinder des Brennkraftmaschine und durch den Turbinenbypass zu führen. Dadurch kann jede Verbrennungsmotoranordnung mit einem unabhängig vom Abgasdruck betreibbaren Verdichter für die Umsetzung der Erfindung verwendet werden.
  • Gemäß einer Ausführung ist die Verbrennungsmotoranordnung dazu eingerichtet, die Frischluft durch eine, insbesondere Hochdruck-, AGR-Leitung und durch den Turbinenbypass zu führen.
  • Dadurch kann jede Verbrennungsmotoranordnung mit einem unabhängig vom Abgasdruck betreibbaren Verdichter und einer AGR-Leitung (Abgasrückführung) für die Umsetzung der Erfindung verwendet werden, ohne dass eine umfangreich abzusichernde Anpassung der Steuerung der Einlass- und Auslass-Ventile der Brennkraftmaschine erforderlich ist.
  • Gemäß einer Ausführung ist die Verbrennungsmotoranordnung dazu eingerichtet, die Frischluft durch eine Direktkanalanordnung von wenigstens einem Zylinder zu dem Brenner zu führen. Dadurch kann eine an sich bekannte Aufladevorrichtung verwendet werden.
  • Gemäß einer Ausführung weist die Verbrennungsmotoranordnung eine von der Beaufschlagung der Turbine des Abgasturboladers mit Abgasen, zumindest im Wesentlichen, unabhängige Frischluftversorgung auf, insbesondere mittels eines elektrisch aktuierten Abgasturboladers (eATL) und/oder eines separaten elektrischen Verdichters (E-Verdichter) und/oder eines Frischluft-Druckspeichers. Dies ermöglicht einen Betrieb der Katalysatorheizung vor dem Start der Brennkraftmaschine bzw. auch in Phasen eines unbefeuerten Betriebs der Brennkraftmaschine. Je nach eingesetzter Verbrennungsmotoranordnung kann dadurch die Erfindung mit bestehender, erprobter Hardware eingesetzt werden.
  • Gemäß einer Ausführung weist die Verbrennungsmotoranordnung ein Turbinen-Absperrorgan auf. Dadurch kann die Frischluft zuverlässig in den Turbinenbypass und damit zu der Katalysatorheizung geleitet werden.
  • Gemäß einer Ausführung ist das Turbinen-Absperrorgan zwischen einer Verzweigungsstelle des Turbinenbypasses von der Abgasführung einerseits und andererseits einem Eintritt der Abgasführung in die Turbine angeordnet.
  • Gemäß einer Ausführung sind das Turbinen-Absperrorgan und ein Bypass-Absperrorgan gemeinsam, d.h. insbesondere mit einem einzigen verfahrbaren Sperrbauteil bzw. einer einzigen verfahrbaren Sperrbaugruppe, ausgebildet, insbesondere sodass das Absperrorgan einen der beiden Wege vollständig oder beide teilweise versperren kann, und ggf. zwei oder mehrere dieser Positionen angesteuert werden können. Dadurch kann eine weitere bauliche Vereinfachung der Katalysatorheizung erreicht werden.
  • Gemäß einer Ausführung ist das Turbinen-Absperrorgan zwischen einem Austritt der Turbine einerseits und andererseits einer Vereinigungsstelle des Turbinenbypasses mit der Abgasführung angeordnet. Dadurch kann knapper Bauraum an der Turbinenbypass-Verzweigungsstelle eingespart werden.
  • Gemäß einer Ausführung ist das Turbinen-Absperrorgan mit einem, insbesondere durch ein, vollständig dicht oder weitgehend dicht schließbaren, variabel einstellbaren Vorleitgitter einer VTG-Turbine der Aufladeeinrichtung ausgebildet. Dadurch kann die Funktion des Turbinen-Absperrorgans ohne eine zusätzlich vorzusehende Baugruppe erreicht werden. Durch die Kombination eines variabel einstellbaren Vorleitrades mit einem Turbinen-Absperrorgan am Turbinenein- oder austritt, ist ggf. eine vereinfachte Ausführung des Absperrorgans (nur mit einer vollständig offenen und einer vollständig geschlossenen Position) möglich.
  • Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren.
    • 1 zeigt eine Verbrennungsmotoranordnung gemäß einer ersten beispielhaften Ausführung der Erfindung mit einem eATL und einem Absperrorgan am Turbineneintritt.
    • 2 zeigt eine Verbrennungsmotoranordnung gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführung der Erfindung mit einem e-Verdichter und einem Absperrorgan am Turbineneintritt.
    • 3 zeigt eine Verbrennungsmotoranordnung gemäß einer dritten beispielhaften Ausführung der Erfindung mit einem eATL, einem Absperrorgan am Turbineneintritt und einer Frischluftführung über einen HD-AGR-Kanal. *
    • 4 zeigt eine Verbrennungsmotoranordnung gemäß einer vierten beispielhaften Ausführung der Erfindung mit einem eATL und einem Absperrorgan am Turbinenaustritt.
    • 5 zeigt eine Verbrennungsmotoranordnung gemäß einer fünften beispielhaften Ausführung der Erfindung mit einem eATL und einem als Turbinen-Absperrorgan ausgebildeten variablen Turbinenleitrad.
  • 1 zeigt eine Verbrennungsmotoranordnung 1 mit einer vierzylindrigen Otto-Brennkraftmaschine 2, die eine Frischluftführung 4 und eine Abgasführung 6 aufweist.
  • Die Fluidführungen 4 und 6 bedienen einen elektrisch aktuierbaren Abgasturbolader 8, der - auf einer gemeinsamen Laderwelle angeordnet - eine Turbine 10 und einen Verdichter 12 aufweist. An der Laderwelle greift zudem eine elektrische Maschine 14 an, die dazu eingerichtet ist, mittels eines nicht dargestellten Steuerungssystems eine Drehung der Laderwelle zu bewirken, zu beschleunigen, zu bremsen und/oder zu unterbinden.
  • Die Frischluftführung 4 verläuft von einem Frischlufteinlass (Pfeil) durch einen Ansauggeräuschdämpfer AGD, den Verdichter 12 und einen Ladeluftkühler LLK, durch eine Drosselklappe DK hin zu einem Luftsammler LS der Brennkraftmaschine 2.
  • Die Abgasführung 6 verläuft über getrennte Fluten (Trennung der Fluten der Zylinder 1 und 4 von denen der Zylinder 2 und 3) hin zu der Turbine 10 des Abgasturboladers 8, und von deren Ausgang aus weiter zu einer Abgasnachbehandlungsanordnung 16, hier einem motornahen Katalysator MNK.
  • Die Abgasführung 6 mündet in die Abgasnachbehandlungsanordnung 16, die zumindest einen Dreiwegekatalysator aufweist und zudem weitere Abgasnachbehandlungskomponenten wie einen weiteren Dreiwegekatalysator oder wenigstens einen Partikelfilter oder wenigstens einen SCR-Katalysator aufweisen kann.
  • Die Verbrennungsmotoranordnung 1 weist zudem ein Katalysatorheizsystem 20 auf, dessen einzelne Komponenten wie beispielsweise eine Brennstoffeinspritzung und eine Zündvorrichtung etc. nicht separat dargestellt sind.
  • Das Katalysatorheizsystem 20 ist an und in einem Turbinenbypass 22 angeordnet. Der Turbinenbypass 22 zweigt vor der Turbine 10 aus der Abgasführung 6 ab (im Ausführungsbeispiel aus beiden Fluten) und mündet vor der Abgasnachbehandlungsanordnung 16 wieder in die Abgasführung 6 ein.
  • Stromabwärts der Verzweigungsstelle der Abgasführung 6 einerseits und andererseits des Turbinenbypasses 22 ist in der Abgasführung 6 stromaufwärts der Turbine 10 ein Turbinen-Absperrorgan 24 angeordnet, das mittels des Steuerungssystems zur vollständigen oder teilweisen Freigabe oder zur vollständigen Blockade der Abgasführung 6 ausgerichtet werden kann. Im Ausführungsbeispiel ist das Turbinen-Absperrorgan 24 als Klappe ausgeführt. Eine Ausführung als geeignetes Ventil oder anderweitig fachmännisch sinnvoll ist ebenso vorsehbar.
  • Stromabwärts der Verzweigungsstelle der Abgasführung 6 einerseits und andererseits des Turbinenbypasses 22 ist in dem Turbinenbypass 22 stromaufwärts des Katalysatorheizsystem 20 ein Bypass-Absperrorgan 26 angeordnet, das mittels des Steuerungssystems zur vollständigen oder teilweisen Freigabe oder zur vollständigen Blockade des Turbinenbypasses 22 ausgerichtet werden kann. Im Ausführungsbeispiel ist das Bypass-Absperrorgan 26 als Klappe ausgeführt. Eine Ausführung als geeignetes Ventil oder anderweitig fachmännisch sinnvoll ist ebenso vorsehbar.
  • Bei einem Katalysatorheizbetrieb fördert im Ausführungsbeispiel der eATL 8 auch im Falle eines nichtdrehenden Motors 2 über den Verdichter 12 des Turboladers Frischluft. Diese Luft strömt über vorhandene Frischluftführung 4 und den Zylinderkopf mittels einer Steuerungsroutine des Steuerungssystems zum gleichzeitigen Öffnen bzw. Offenhalten von mindestens einem Einlass- und Auslassventil von mindestens einem Zylinder über die Abgassammler hin zu der Verzweigungsstelle des Bypasskanals 22 von der Abgasführung 6.
  • Dazu ist das variable Bypass-Absperrorgan 26 für den Bypasskanal 22 maximal geöffnet. Das Turbinen-Absperrorgan 24 ist im Katalysatorheizbetrieb geschlossen, was im Zusammenwirken mit dem geöffneten Bypass-Absperrorgan 26 dafür sorgt, dass die mittels des eATL 8 geförderte Luft über den Bypasskanal 22 zum Brenner 20 geführt wird.
  • Im Brenner 20 wird die zugeführte Luft mit Kraftstoff gemischt und verbrannt. Das heiße Abgas wird auf den Katalysator geleitet und heizt ihn solange auf, bis ein Steuerungssystem erkennt, dass der Katalysator ausreichend aufgeheizt ist, und gibt die Freigabe für den Motorstart bzw. Normalbetrieb.
  • In einem Regelbetrieb (sprich außerhalb des Katalysatorheizbetriebs) ist das Turbinen-Absperrorgan 24 am Turbineneintritt maximal geöffnet, um möglichst wenig Druckverlust zu erzeugen. Das Bypass-Absperrorgan 26 für den Bypasskanal 22 wird je nach Ladedruckbedarf angesteuert und stellt den erforderlichen Druck vor Turbine und/oder den Turbinenmassenstrom ein.
  • Nachfolgend sind in den 2 bis 5 weitere Ausführungsbeispiele dargestellt, wobei dargestellte Komponenten, die gegenüber der 1 im Wesentlichen unverändert eingesetzt werden können, die gleichen Bezugszeichen aufweisen wie in 1. Die Schilderung der Ausführungsbeispiele gemäß der 2 bis 5 fokussiert insbesondere auf die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel gemäß 1.
  • 2 zeigt eine Verbrennungsmotoranordnung 201. Diese weist - anders als die Verbrennungsmotoranordnung 1 gemäß 1 - keinen eATL 8, sondern einen klassischen Abgasturbolader 208 und zusätzlich einen elektrisch aktuierbaren E-Verdichter 214 auf. Mittels des E-Verdichters 214 wird in diesem Ausführungsbeispiel die Frischluft bereitgestellt, die zum Betrieb des Brenners 20 benötigt wird.
  • Entsprechend dieser Konfiguration weist die Verbrennungsmotoranordnung 201 zusätzlich einen absperrbaren Turboladerverdichter-Bypass 230 und einen absperrbaren E-Verdichter-Bypass 232 auf.
  • Bei einem Katalysatorheizbetrieb fördert der E-Verdichter 214 fördert auch im Falle eines nichtdrehenden Motors 2 Frischluft. Diese Luft strömt über vorhandene Frischluftführungen 204 und den Zylinderkopf mittels einer Steuerungsroutine des Steuerungssystems zum gleichzeitigen Öffnen bzw. Offenhalten von mindestens einem Einlass- und Auslassventil von mindestens einem Zylinder über die Abgassammler hin zu der Verzweigungsstelle des Bypasskanals 22 von der Abgasführung 6. Dabei passiert die Frischluft zunächst den geöffneten Turboladerverdichter-Bypass 230, der über ein schaltbares Regel- oder Absperrorgan 234, z.B. ein vorhandenes elektrisches Schubumluftventil, freigegeben wird, und wird anschließend - da das Absperrorgan 236 an dieser Stelle die Hauptluftführung 204 versperrt - über den E-Verdichterbypass 232 durch den E-Verdichter 214 gefördert.
  • Darüber hinaus ist das hier verwendete beispielhafte Verfahren zur Frischluftförderung hin zu dem Brenner 20 zumindest im Wesentlichen entsprechend demjenigen gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 1 ausgebildet.
  • 3 zeigt eine Verbrennungsmotoranordnung 301. Diese weist - anders als die Verbrennungsmotoranordnung 1 gemäß 1 - eine HD-AGR-Leitung 330 auf. Die HD-AGR-Leitung 330 verbindet die Abgasführung 306 an einer Stelle stromaufwärts des Turbinenbypasses 22 am Abgassammler mit dem Luftsammler LS, wobei in einem Regelbetrieb der Brennkraftmaschine 2 eine Rückführung von Abgasen aus dem Abgassammler in den Luftsammler vorgesehen ist. Die HD-AGR-Leitung 330 weist einen AGR-Kühler AGRK und ein AGR-Regelventil 332 auf.
  • Bei einem Katalysatorheizbetrieb fördert der Verdichter 14 unterstützt von der elektrischen Maschine 12 auch im Falle eines nichtdrehenden Motors 2 Frischluft. Diese Luft strömt über vorhandene Frischluftführungen 4 und die HD-AGR-Leitung 330 - die damit entgegen ihrer Standard-Betriebsrichtung verwendet wird - hin zu der Verzweigungsstelle des Bypasskanals 22 von der Abgasführung 6. Da bei nichtdrehendem Motor 2 an keinem Zylinder Ein- und Auslassventile gleichzeitig geöffnet sind (oder dies ggf. z.B. durch ein gezieltes Positionieren beim Abstellen des Motors 2 oder über eine elektrische Maschine sichergestellt werden kann), strömt die Luft durch die HD-AGR-Strecke am Zylinderkopf vorbei über den Bypasskanal 22 zum Brenner 20.
  • Das AGR-Regelventil 332 ist hier beispielhaft auf der Abgasseite angeordnet, und kann im Katalysatorheizbetrieb die AGR-Leitung 330 zur Führung der Frischluft aus dem Luftsammler freigeben. Optional (und nicht dargestellt) kann ein zusätzliches Absperrorgan zwischen Luftsammler und AGR-Kühler eingesetzt werden. Ein solches dichtet in beide Richtungen ab und reduziert auch in bestimmten Fällen das Volumen an Rest-AGR, das beim Deaktivieren der AGR noch vom Motor verarbeitet werden muss.
  • In einer nicht dargestellten Variante dieses Ausführungsbeispiels kann das AGR-Regelventil aber auch zwischen dem AGR-Kühler AGRK und dem Luftsammler angeordnet sein. Zusätzlich ist dann ggf. ein Absperrventil auf der Abgasseite einzusetzen.
  • Darüber hinaus ist das hier verwendete beispielhafte Verfahren zur Frischluftförderung hin zu dem Brenner 20 zumindest im Wesentlichen entsprechend demjenigen gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 1 ausgebildet.
  • 4 zeigt eine Verbrennungsmotoranordnung 401, die sich von der Verbrennungsmotoranordnung 1 gemäß 1 lediglich dadurch unterscheidet, dass das Turbinen-Absperrorgan 424 am Austritt der Turbine 10 angeordnet ist - anstatt am Eintritt.
  • Darüber hinaus ist das hier verwendete beispielhafte Verfahren zur Frischluftförderung hin zu dem Brenner 20 zumindest im Wesentlichen entsprechend demjenigen gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 1 ausgebildet.
  • 5 zeigt eine Verbrennungsmotoranordnung 501, die sich von der Verbrennungsmotoranordnung 1 gemäß 1 lediglich dadurch unterscheidet, dass das Turbinen-Absperrorgan 524 nicht als eigenes Bauteil ausgebildet ist, sondern dadurch realisiert wird, dass an dem eATL 508 eine VTG-Turbine 510 mit einem variablen Turbinenleitrad (symbolisiert durch den schrägen Pfeil) eingesetzt wird, dass so weit schließbar ist, dass es die Turbine gegenüber der Abgasführung ausreichend abdichten kann, um die Abgase über den Turbinenbypass 22 zu führen.
  • Bei einem Katalysatorheizbetrieb mit stehendem Motor 2 wird das variable Turbinenleitgitter der Turbine 510 vollständig, und zumindest ausreichend dicht schließend, geschlossen und sorgt in dieser Stellung dafür, dass die geförderte Luft über den Bypasskanal 22 zum Brenner 20 geführt wird.
  • Falls das Turbinenleitrad nicht ausreichend dicht schließend ausgeführt werden kann bzw. ist, kann in einer nicht dargestellten Variante dieses Ausführungsbeispiels ein Absperrorgan am Turbinenein- oder -austritt eingesetzt werden, beispielsweise wie zu den 1 oder 4 ausgeführt. Ein solches Absperrorgan kann aber wegen der zusätzlichen Dichtwirkung des geschlossenen Turbinenleitrades auch vereinfacht - beispielsweise lediglich mit einer AUF/ZU-Funktionalität, d.h. mit einer vollständig offenen und einer vollständig geschlossenen Position, ausgeführt sein. Je dichter also das Vorleitrad schließt, desto geringer ist die Anforderung an das zusätzliche Absperrorgan. Wenn das Vorleitrad ausreichend bzw. vollständig dicht schließt, kann das zusätzliche Absperrorgan entfallen.
  • Darüber hinaus ist das hier verwendete beispielhafte Verfahren zur Frischluftförderung hin zu dem Brenner 20 zumindest im Wesentlichen entsprechend demjenigen gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 1 ausgebildet.
  • Bezugszeichenliste
    • 1, 201, 301, 401, 501
    Verbrennungsmotoranordnung
    2
    Brennkraftmaschine
    4, 204
    Frischluftführung
    6, 306
    Abgasführung
    8, 508
    Aufladeeinrichtung, hier elektrisch unterstützter Abgasturbolader
    208
    Abgasturbolader
    10
    Turbine
    12
    Verdichter
    214
    Aufladeeinrichtung, hier elektrisch antreibbarer Zusatzverdichter
    14
    elektrische Maschine
    16
    Abgasnachbehandlungsanordnung
    20
    Katalysatorheizsystem
    22
    Turbinenbypass
    24, 424, 524
    Turbinen-Absperrorgan
    26
    Bypass-Absperrorgan
    230
    Turboladerverdichter-Bypass
    232
    E-Verdichter-Bypass
    234
    Turboladerverdichter-Bypassventil, z.B. elektrisches Schubumluftventil
    236
    Absperrorgan für Frischluftführung
    330
    HD-AGR-Leitung
    332
    AGR-Regelventil
    510
    VTG-Turbine
    AGD
    Ansauggeräuschdämpfer
    AGRK
    AGR-Kühler
    DK
    Drosselklappe
    LLK
    Ladeluftkühler
    LS
    Luftsammler
    MN K
    motornaher Katalysator

Claims (12)

  1. Verbrennungsmotoranordnung (1, 201, 301, 401, 501) für ein Kraftfahrzeug, aufweisend - eine Brennkraftmaschine (2) mit einer Frischluftführung (4, 204) und einer Abgasführung (6, 306), - eine auch unabhängig von einem Betrieb der Brennkraftmaschine betreibbare Aufladeeinrichtung (8, 214, 508), - eine Abgasnachbehandlungsanordnung (16), die stromabwärts einer Abgasturbine (10, 510) angeordnet ist, und - ein Katalysatorheizsystem (20), das an einem oder stromabwärts eines Turbinenbypasses (22) der Abgasturbine angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsmotoranordnung dazu eingerichtet ist, dem Katalysatorheizsystem vor einem Motorstart und/oder bei einem unbefeuerten Betrieb der Brennkraftmaschine durch einen Luftsammler (LS) der Frischluftführung und durch den Turbinenbypass Frischluft zuzuführen.
  2. Verbrennungsmotoranordnung gemäß Anspruch 1, dazu eingerichtet, die Frischluft durch wenigstens einen Zylinder der Brennkraftmaschine und durch den Turbinenbypass zu führen.
  3. Verbrennungsmotoranordnung gemäß Anspruch 1, dazu eingerichtet, die Frischluft durch eine AGR-Leitung (330) und durch den Turbinenbypass zu führen.
  4. Verbrennungsmotoranordnung gemäß Anspruch 1, dazu eingerichtet, die Frischluft durch eine Direktkanalanordnung von wenigstens einem Zylinder zu dem Brenner zu führen.
  5. Verbrennungsmotoranordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine von der Beaufschlagung der Turbine des Abgasturboladers mit Abgasen unabhängige Frischluftversorgung, insbesondere mittels eines elektrisch aktuierten Abgasturboladers (8, 508) und/oder eines separaten elektrischen Verdichters (214) und/oder eines Frischluft-Druckspeichers.
  6. Verbrennungsmotoranordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Turbinen-Absperrorgan (24, 424, 524).
  7. Verbrennungsmotoranordnung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinen-Absperrorgan (24) zwischen einer Verzweigungsstelle des Turbinenbypasses von der Abgasführung einerseits und andererseits einem Eintritt der Turbine angeordnet ist.
  8. Verbrennungsmotoranordnung gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinen-Absperrorgan (24) und ein Bypass-Absperrorgan (26) gemeinsam ausgebildet sind.
  9. Verbrennungsmotoranordnung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinen-Absperrorgan (424) zwischen einem Austritt der Turbine einerseits und andererseits einer Vereinigungsstelle des Turbinenbypasses mit der Abgasführung angeordnet ist.
  10. Verbrennungsmotoranordnung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinen-Absperrorgan (524) mit einem vollständig oder weitgehend dicht schließbaren, variabel einstellbaren Vorleitgitter einer Abgasturbine (510) ausgebildet ist.
  11. Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungsmotoranordnung (1, 201, 301, 401, 501) mit einer Brennkraftmaschine (2), einer Aufladeeinrichtung (8, 214, 508), einer Abgasnachbehandlungsanordnung (16) und einem Katalysatorheizsystem (20), gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt: - Zuführen von Frischluft zu dem Katalysatorheizsystem vor einem Motorstart und/oder bei einem unbefeuerten Betrieb der Brennkraftmaschine durch einen Luftsammler (LS) der Frischluftführung und durch den Turbinenbypass.
  12. Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Katalysatorheizsystem deaktiviert wird und/oder die Brennkraftmaschine gestartet und/oder in einen befeuerten Betrieb versetzt wird, sobald die Abgasnachbehandlungsanordnung eine Schwellentemperatur erreicht hat.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102020104552A1 (de) 2019-02-22 2020-08-27 Ford Global Technologies, Llc Verfahren und system zum erhitzen von emissionsbegrenzungsvorrichtungen

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