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Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit einem Abgasnachbehandlungssystem sowie ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
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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 Dieselmotoren finden aktuell Abgasnachbehandlungssysteme Verwendung, welche einen Oxidationskatalysator, einen Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Katalysator) sowie einen Partikelfilter zur Abscheidung von Rußpartikeln und gegebenenfalls weitere Katalysatoren, insbesondere einen NOx-Speicherkatalysator, aufweisen. Als Reduktionsmittel für den SCR-Katalysator 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 Gew.-% Harnstoff und 67,5 Gew.-% Wasser zusammen. Bei Ottomotoren finden Abgasnachbehandlungssysteme Verwendung, welche stromabwärts einer Turbine eines Abgasturboladers mindestens einen Drei-Wege-Katalysator, vorzugsweise zwei oder mehr Drei-Wege-Katalysatoren und gegebenenfalls weitere Abgasnachbehandlungskomponenten, insbesondere einen Ottopartikelfilter oder einen Vier-Wege-Katalysator, aufweisen.
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Um die Emissionen unmittelbar nach einer Kaltstartphase des Verbrennungsmotors zu verringern, sind Katalysatoren bekannt, welche durch ein elektrisches Heizelement oder durch einen Abgasbrenner beheizt werden, um das Aufheizen des Katalysators auf seine Betriebstemperatur zu beschleunigen. Nachteilig an einer solchen Lösung ist jedoch, dass ein elektrisches Heizelement oder ein Abgasbrenner stets mit Mehrkosten verbunden ist.
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Immer effizienter werdende Verbrennungsmotoren führen zu niedrigeren Abgastemperaturen. Das verzögert das Aufheizen der Abgasnachbehandlungskomponenten in der Abgasanlage des Verbrennungsmotors. Um zeitnah nach einem Start des Verbrennungsmotors eine effiziente Verringerung der Emissionen zu ermöglichen, sind motornahe Startkatalysatoren bekannt, welche unmittelbar stromabwärts eines Auslasses des Verbrennungsmotors und stromaufwärts einer Turbine eines Abgasturboladers angeordnet werden, um sich möglichst schnell nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors aufzuheizen und somit insbesondere in der Kaltstartphase des Verbrennungsmotors die Emissionen zu verringern. Nachteilig an solchen Pre-Turbo-Katalysatoren ist jedoch, dass diese Katalysatoren in einem Hochlast- oder Volllastbetrieb des Verbrennungsmotors sehr hohen Temperaturen ausgesetzt sind und somit thermisch vergleichsweise zu stromabwärts der Turbine des Abgasturboladers angeordneten Katalysatoren schneller altern.
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Die
DE 10 2018 104 151 A1 offenbart ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor, welcher mit seinem Auslass mit einer Abgasanlage verbunden ist. Dabei sind in der Abgasanlage ein motornaher erster Katalysator, stromabwärts des motornahen ersten Katalysators ein erster SCR-Katalysator und stromabwärts des ersten SCR-Katalysators ein zweiter SCR-Katalysator angeordnet. Jedem der SCR-Katalysatoren ist jeweils ein Dosierelement zur Eindosierung eines Reduktionsmittels, insbesondere wässriger Harnstofflösung, in die Abgasanlage zugeordnet. In der Abgasanlage ist stromabwärts eines Auslasses des Verbrennungsmotors und stromaufwärts des ersten motornahen Katalysators ein Bypass ausgebildet, in welchem ein Bypass-Katalysator angeordnet ist.
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Aus der
DE 10 2009 037 876 B4 ist ein Verbrennungsmotor mit einem Abgasnachbehandlungssystem bekannt, bei welchem in einer Hochdruck-Abgasrückführung ein Abgasbrenner und stromabwärts des Abgasbrenners ein Abgasrückführungskühler angeordnet sind. Dabei ist der Abgasbrenner in einem Bypass angeordnet, sodass das durch den Abgasbrenner erhitzte Abgas wahlweise der Abgasrückführung oder einer Turbine eines Abgasturboladers zugeführt werden kann.
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Die
DE 10 2010 043 327 A1 offenbart einen Verbrennungsmotor mit einem Abgasnachbehandlungssystem. Dabei umfasst das Abgasnachbehandlungssystem einen Abgasturbolader, welcher mittels eines schaltbaren Bypass überbrückt werden kann, wobei in dem schaltbaren Bypass ein Drei-Wege-Katalysator angeordnet ist, welcher insbesondere in einer Kaltstartphase des Verbrennungsmotors möglichst schnell seine Betriebstemperatur erreichen und somit die Kaltstartemissionen des Verbrennungsmotors verringern soll.
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Die
US 2020/0182121 A1 offenbart einen Verbrennungsmotor mit einem Abgasturbolader, wobei der Abgasturbolader ein Waste-Gate aufweist, mit welchem eine Turbine des Abgasturboladers überbrückt werden kann, wobei in dem Waste-Gate ein Drei-Wege-Katalysator angeordnet ist.
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Aus der
DE 10 2018 131 536 A1 ist ein Verbrennungsmotor mit einem Ansaugtrakt und einer Abgasanlage bekannt. Der Verbrennungsmotor ist als ein mittels eines Abgasturboladers aufgeladener Verbrennungsmotor, insbesondere ein Ottomotor, ausgeführt. In der Abgasanlage des Verbrennungsmotors ist mindestens ein Drei-Wege-Katalysator angeordnet. Ferner ist eine Niederdruck-Abgasrückführung vorgesehen, welche die Abgasanlage des Verbrennungsmotors stromabwärts einer Turbine des Abgasturboladers und stromaufwärts des mindestens einen Drei-Wege-Katalysators mit dem Ansaugtrakt stromaufwärts eines Verdichters des Abgasturboladers verbindet. Dabei kann in der Niederdruck-Abgasrückführung ein weiterer Drei-Wege-Katalysator angeordnet sein.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den Betriebsbereich des Verbrennungsmotors zu erweitern, die Effizienz des Verbrennungsmotors zu erhöhen sowie die Effizienz der Abgasnachbehandlung weiter zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch einen Verbrennungsmotor mit mindestens einem Brennraum zur Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs, mit einem Luftversorgungssystem, welches mit einem Einlass des Verbrennungsmotors verbunden ist und dazu eingerichtet ist, dem mindestens einen Brennraum Frischluft zuzuführen, sowie mit einer Abgasanlage, welche mit einem Auslass des Verbrennungsmotors verbunden ist, gelöst. Dabei ist in der Abgasanlage eine Turbine eines Abgasturboladers angeordnet, welche einen Verdichter in dem Luftversorgungssystem antreibt. Ferner ist in der Abgasanlage stromabwärts der Turbine mindestens ein Katalysator zur Abgasreinigung angeordnet. Die Abgasanlage weist einen Bypass auf, mit welchem die Turbine des Abgasturboladers überbrückt werden kann, und wobei in diesem Bypass ein Bypass-Katalysator angeordnet ist, um möglichst zeitnah nach einem Motorstart eine Konvertierung der im Abgasstrom des Verbrennungsmotors enthaltenen Schadstoffe zu ermöglichen.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Bypass stromabwärts des Bypass-Katalysators über eine Abgasrückführung mit dem Luftversorgungssystem stromabwärts des Verdichters und stromaufwärts des Einlasses des Verbrennungsmotors verbunden ist. Der Bypass ist vorzugsweise als schaltbarer Bypass ausgeführt, wobei in dem Bypass, in dem Abgaskanal oder an der Verzweigung bzw. Einmündung ein Steuerelement angeordnet ist, mit welchem ein Umschalten zwischen einem Bypass-Betrieb, in dem ein Abgasstrom des Verbrennungsmotors durch den Bypass und den Bypass-Katalysator geführt wird und einem Normalbetrieb, bei dem ein Abgasstrom durch die Turbine des Abgasturboladers geführt wird oder eine Aufteilung des Abgasstroms auf Bypass und Turbine möglich ist. Da der Abgasstrom bei einem Bypass-Betrieb nicht zunächst das Gehäuse und die Turbine des Abgasturboladers aufheizen muss, erreicht der Bypass-Katalysator nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors, nach einem elektrischen Fahrbetrieb eines Hybridfahrzeuges oder nach einer Schwachlastphase des Verbrennungsmotors deutlich schneller als der Katalysator im Abgaskanal seine Betriebstemperatur. Somit können die limitierten Schadstoffe im Abgasstrom, insbesondere unverbrannte Kohlenwasserstoff (HC), Kohlenstoffmonoxid (CO) und Stickoxide (NOx) deutlich früher konvertiert werden, wodurch die Abgasemissionen in der Kaltstartphase abgesenkt werden. Durch eine Abgasrückführung stromabwärts des Bypass-Katalysators wird dieser Effekt verstärkt. Die durch den Bypass-Katalysator konvertierten Abgaskomponenten verringern die Klopfneigung des Verbrennungsmotors und ermöglichen somit Betriebspunkte des Verbrennungsmotors, welche bezüglich des Kraftstoffverbrauchs und/oder der Rohemissionen günstiger sind als Betriebspunkte des Verbrennungsmotors, welche bei einer Abgasrückführung ohne einen Katalysator in der Abgasrückführung möglich wären. Gleichzeitig führt ein Bypass-Betrieb dazu, dass sich auch der Katalysator in dem Abgaskanal schneller erwärmt. Somit kann auch dieser Katalysator zeitnah nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors oder eines rein elektrischen Betriebs eines Hybridfahrzeugs zu einer Konvertierung der Schadstoffe im Abgasstrom beitragen und somit die Emissionen weiter verringern.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterentwicklungen des im unabhängigen Patentanspruch angegebenen Verbrennungsmotors möglich.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Bypass-Katalysator ein kleineres Katalysatorvolumen als der im Abgaskanal angeordnete Katalysator aufweist. Durch ein kleines Katalysatorvolumen des Bypass-Katalysators ist ein besonders schnelles Erreichen einer Light-Off-Temperatur des Bypass-Katalysators möglich, sodass dieser in einem sehr kurzen Zeitintervall nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors oder einem rein elektrischen Fahrbetrieb eines Hybridfahrzeuges eine effiziente Konvertierung der Schadstoffe im Abgasstrom ermöglicht. Dabei dient der Bypass-Katalysator als Startkatalysator, während der Katalysator im Abgaskanal stromabwärts der Turbine als Hauptkatalysator dient und entsprechend großvolumig ausgelegt werden kann, um bei höheren Motorlasten und entsprechend großen Abgasvolumina ein hinreichend großes Volumen zur vollständigen Konvertierung der im Abgasstrom enthaltenen Schadstoffe bereitstellen zu können.
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In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem Luftversorgungssystem stromabwärts des Verdichters ein Ladeluftkühler angeordnet ist, wobei eine Abgasrückführungsleitung der Abgasrückführung stromabwärts des Verdichters und stromaufwärts des Ladeluftkühlers in eine Ansaugleitung des Luftversorgungssystems mündet. Durch ein Einleiten des zurückgeführten Abgasstroms stromaufwärts des Ladeluftkühlers kann ein zusätzlicher Abgasrückführungskühler in der Abgasrückführung entfallen. Dadurch können die Kosten für den Verbrennungsmotor reduziert werden.
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Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass in dem Luftversorgungssystem stromabwärts des Verdichters ein Ladeluftkühler angeordnet ist, wobei eine Abgasrückführungsleitung der Abgasrückführung stromabwärts des Ladeluftkühlers und stromaufwärts des Einlasses des Verbrennungsmotors in das Luftversorgungssystem mündet. Um den Kennfeldbereich des Verbrennungsmotors zu erweitern, in welchem ein Abgasteilstrom in das Luftversorgungssystem zurückgeführt wird, kann es vorteilhaft sein, diesen zurückgeführten Abgasstrom erst stromabwärts des Ladeluftkühlers in das Luftversorgungssystem einzuspeisen. Dabei werden die Strömungswiderstände reduziert, sodass das Druckgefälle zwischen der Abgasanlage und dem Ansaugkanal ausreichend ist, um diesen Abgasteilstrom zurückzuführen. Zusätzlich kann durch diese Art der Abgasrückführung der Anteil an zurückgeführtem Abgas erhöht werden, was die Rohemissionen des Verbrennungsmotors absenkt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in der Abgasrückführung ein Abgasrückführungskühler angeordnet ist. Durch eine gekühlte Abgasrückführung lassen sich die Rohemissionen des Verbrennungsmotors, insbesondere die Stickoxid-Rohemissionen, weiter verringern.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abgasrückführung ein Abgasrückführungsförderelement, insbesondere eine Abgasrückführungspumpe oder ein Abgasrückführungsgebläse aufweist, mit welchem ein Abgasstrom des Verbrennungsmotors oder ein Abgasteilstrom des Verbrennungsmotors aus der Abgasanlage in das Luftversorgungssystem gefördert wird. Dadurch kann der Betriebsbereich der Abgasrückführung erweitert werden und insbesondere auch dann ein entsprechend großer Abgasstrom zurückgeführt werden, wenn kein hinreichendes Druckgefälle zwischen dem Abgasdruck stromaufwärts der Turbine und dem Luftdruck im Luftversorgungssystem stromabwärts des Verdichters des Abgasturboladers besteht.
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In einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor ein Sekundärluftsystem umfasst, mit welchem stromaufwärts des Bypass-Katalysators Sekundärluft in den Bypass eingeblasen werden kann. Durch die Zufuhr von Sekundärluft zum Abgasstrom im Bypass kann das Aufheizen des Bypass-Katalysators weiter beschleunigt werden. Insbesondere kann die mittels des Sekundärluftsystems zugeführte Sekundärluft dazu genutzt werden, um unverbrannte Abgaskomponenten, insbesondere Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid und/oder unverbrannte Kohlenwasserstoffe, exotherm an der katalytisch wirksamen Oberfläche des Bypass-Katalysators umzusetzen.
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Bevorzugt ist dabei, wenn das Sekundärluftsystem einen Sekundärluftverdichter, insbesondere eine Sekundärluftpumpe oder ein Sekundärluftgebläse und eine stromabwärts des Sekundärluftverdichters und stromaufwärts des Bypass-Katalysators angeordnete Mischkammer umfasst, wobei die Abgasanlage mindestens eine Abgasentnahmestelle aufweist und die mindestens eine Abgasentnahmestelle über mindestens eine Verbindungsleitung mit der Mischkammer verbunden ist. Durch die Mischkammer kann ein im Wesentlichen homogenes Abgas eingestellt werden, sodass die Reaktionsbedingungen zur exothermen Umsetzung der unverbrannten Abgaskomponenten weiter verbessert werden können.
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Besonders bevorzugt ist dabei, dass der Verbrennungsmotor einen in einem Zylinderkopf des Verbrennungsmotors integrierten Abgaskrümmer aufweist, wobei die mindestens eine Abgasentnahmestelle im Bereich des im Zylinderkopf integrierten Abgaskrümmers ausgebildet ist. Dadurch kann der Mischkammer ein möglichst heißes Abgas zugeführt werden, sodass das Aufheizen des Bypass-Katalysators begünstigt und beschleunigt wird.
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In einer weiteren Verbesserung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abgasentnahmestelle in einem Bereich des Zylinderkopfs mit reduzierter Kühlung oder in einem Bereich des Zylinderkopfs mit Wärmeisolierung liegt. Durch die Abgasentnahme in diesem Bereich ist sichergestellt, dass das Abgas aus dem relativ heißesten Bereich des Abgaskrümmers entnommen wird.
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Ein weiterer Teilaspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit mindestens einem Brennraum zur Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs mit einem Luftversorgungssystem, welches mit einem Einlass des Verbrennungsmotors verbunden ist und dazu eingerichtet ist, dem mindestens einen Brennraum Frischluft zuzuführen, sowie mit einer Abgasanlage, welche mit einem Auslass des Verbrennungsmotors verbunden ist. Dabei ist in der Abgasanlage eine Turbine eines Abgasturboladers angeordnet, welche einen Verdichter in dem Luftversorgungssystem antreibt. Ferner ist in der Abgasanlage stromabwärts der Turbine mindestens ein Katalysator zur Abgasreinigung angeordnet. Die Abgasanlage weist einen Bypass auf, mit welchem die Turbine des Abgasturboladers überbrückt werden kann und wobei in diesem Bypass ein Bypass-Katalysator angeordnet ist, um möglichst zeitnah nach einem Motorstart eine Konvertierung der im Abgasstrom des Verbrennungsmotors enthaltenen Schadstoffe zu ermöglichen. Der Bypass ist stromabwärts des Bypass-Katalysators über eine Abgasrückführung mit dem Luftversorgungssystem stromabwärts des Verdichters und stromaufwärts des Einlasses des Verbrennungsmotors verbunden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein Abgasstrom des Verbrennungsmotors in einem ersten Betriebszustand durch den Bypass geleitet wird und der Abgasstrom durch den Bypass-Katalysator gereinigt und zumindest anteilig über die Abgasrückführung in das Luftversorgungssystem zurückgeführt wird, und ein Abgasstrom des Verbrennungsmotors in einem zweiten Betriebszustand durch die Turbine des Abgasturboladers geleitet und durch den Katalysator gereinigt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglichst es, insbesondere in einer Kaltstartphase des Verbrennungsmotors, die Emissionen eines Kraftfahrzeuges zu verringern, da sich der Bypass-Katalysator vergleichsweise schnell aufheizt und somit zeitnah nach einem Start des Verbrennungsmotors eine effiziente Konvertierung der im Abgasstrom des Verbrennungsmotors enthaltenen Schadstoffe ermöglicht. Ferner können die Rohemissionen und/oder der Verbrauch des Verbrennungsmotors verringert werden, da der Betriebsbereich, in dem eine Abgasrückführung möglich ist, erweitert wird. Ferner ist durch die Konvertierung der im zurückgeführten Abgasstrom enthaltenen unverbrannten Kraftstoffkomponenten eine Erweiterung des Motorkennfelds möglich.
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Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind dabei in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet. Es zeigen:
- 1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors;
- 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors, wobei der zurückgeführte Abgasstrom unmittelbar stromaufwärts des Einlasses in das Luftversorgungssystem zurückgeführt wird;
- 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors, wobei der zurückgeführte Abgasstrom durch ein Abgasrückführungsförderelement gesteuert wird; und
- 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors mit einem zusätzlichen Sekundärluftsystem und einer Mischkammer zur Vermischung von Abgas und Sekundärluft vor Eintritt in den Bypass-Katalysator.
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1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors 10. Der Verbrennungsmotor 10 ist vorzugsweise als fremdgezündeter Verbrennungsmotor 10 nach dem Ottoprinzip ausgeführt und weist mindestens einen Brennraum 12, vorzugsweise wie in 1 dargestellt mehrere Brennräume 12, auf. An den Brennräumen 12 sind jeweils ein Kraftstoffinjektor 14 zur Einspritzung eines Kraftstoffes in den jeweiligen Brennraum 12 und eine Zündkerze zur Entzündung eines zündfähigen Kraftstoff-Luft-Gemischs in dem jeweiligen Brennraum 12 angeordnet. Der Verbrennungsmotor 10 ist mit seinem Einlass 16 mit einem Luftversorgungssystem 20 und mit seinem Auslass 18 mit einer Abgasanlage 50 verbunden. An den Brennräumen 12 sind Einlassventile und Auslassventile angeordnet, mit welchen eine fluidische Verbindung vom Luftversorgungssystem 20 zu den Brennräumen 12 oder von den Brennräumen 12 zur Abgasanlage 50 geöffnet oder verschlossen werden kann.
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Das Luftversorgungssystem 20 umfasst einen Ansaugkanal 26, in welchem in Strömungsrichtung von Frischluft durch den Ansaugkanal 26 ein Luftfilter, stromabwärts des Luftfilters ein Luftmassenmesser, insbesondere ein Heißfilmluftmassenmesser und stromabwärts des Luftmassenmessers ein Verdichter 24 eines Abgasturboladers 22 angeordnet sind. Stromabwärts des Verdichters 24 sind ein Ladeluftkühler 28 und weiter stromabwärts eine Drosselklappe 30 zur Steuerung der den Brennräumen 12 zugeführten Frischluft angeordnet.
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Die Abgasanlage 50 umfasst einen Abgaskrümmer, welcher die Abgase aus dem mindestens einen Brennraum 12 aufnimmt und einem Abgaskanal 52 zuführt. In dem Abgaskanal 52 ist eine Turbine 54 des Abgasturboladers 22 angeordnet, welche den Verdichter 24 über eine Welle antreibt. Stromabwärts der Turbine 54 des Abgasturboladers 22 ist mindestens ein Katalysator 64, insbesondere ein Drei-Wege-Katalysator, angeordnet. Stromabwärts des Katalysators 64 können weitere Abgasnachbehandlungskomponenten 68, insbesondere ein weiteree Drei-Wege-Katalysator, ein Partikelfilter oder ein Vier-Wege-Katalysator, angeordnet sein.
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Stromabwärts des Auslasses 18 des Verbrennungsmotors 10 und stromaufwärts der Turbine 54, insbesondere stromaufwärts eines Turbinengehäuses des Abgasturboladers, zweigt aus dem Abgaskanal 52 an einer Verzweigung 56 ein Bypass 58 ab. In dem Bypass 58 ist ein Bypass-Katalysator 62 angeordnet. Der Bypass 58 mündet stromabwärts der Turbine 54 des Abgasturboladers 22 an einer Mündung 60 wieder in den Abgaskanal 52. Der Katalysator 64 und die weiteren Abgaskomponenten 68 sind stromabwärts dieser Mündung 60 angeordnet. Der Bypass 58 weist stromabwärts des Bypass-Katalysators 62 und stromaufwärts der Mündung 60 eine weitere Verzweigung 66 auf, an welcher eine Abgasrückführungsleitung 36 einer Abgasrückführung 34 aus dem Bypass 58 abzweigt. In der Abgasrückführungsleitung sind ein Abgasrückführungskühler 46 und ein Abgasrückführungssteuerelement 38 angeordnet, mit welchem die Menge des über die Abgasrückführung 34 in das Luftversorgungssystem 20 zurückgeführten Abgases gesteuert werden kann. Das Abgasrückführungssteuerelement 38 ist vorzugsweise als Abgasrückführungsventil 40 oder als Abgasrückführungsklappe 42 ausgeführt. Ferner kann in der Abgasrückführung 34 eine Abgasrückführungspumpe 44 angeordnet sein, um eine Abgasrückführung im Wesentlichen unabhängig vom Druckgefälle zwischen der Abgasanlage 50 und dem Luftversorgungssystem 20 zu ermöglichen. Die Abgasrückführungsleitung 38 mündet an einer Mündung 32 stromabwärts des Verdichters 24 des Abgasturboladers 22 und stromaufwärts des Ladeluftkühlers in den Ansaugkanal 26 des Luftversorgungssystems 20. Dabei ist eine Bypassklappe zur Steuerung das Abgasstroms durch den Bypass 58 vorzugsweise an der Mündung 60 des Bypasses 58 in den Abgaskanal 52 stromaufwärts des Katalysators 64 angeordnet.
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Der Verbrennungsmotor 10 steht mit einem Steuergerät 70 in Wirkverbindung, welches eine Speichereinheit 72 und eine Recheneinheit 74 umfasst. In der Speichereinheit 72 ist ein Programmcode 76 abgelegt, welcher ein im Anschluss dargestelltes Verfahren ausführt, wenn der Programmcode 76 durch die Recheneinheit 74 des Steuergeräts 70 ausgeführt wird.
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In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 beschrieben, wird im Folgenden nur auf die Unterschiede zum vorhergehenden Ausführungsbeispiel eingegangen. In diesem Ausführungsbeispiel mündet die Abgasrückführungsleitung 36 des Abgasrückführungssystems 34 stromabwärts der Drosselklappe 30 und stromaufwärts des Einlasses 16 in das Luftversorgungssystem 20. Dabei ist eine Bypassklappe zur Steuerung des Abgasstroms durch den Bypass 58 vorzugsweise an der Mündung 60 des Bypasses 58 in den Abgaskanal 52 stromaufwärts des Katalysators 64 angeordnet.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors 10. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 und 2 ausgeführt, fallen bei diesem Ausführungsbeispiel die Mündung 60 des Bypasses 58 und die Verzweigung 66, an der die Abgasrückführungsleitung 36 der Abgasrückführung 34 abzweigt, auf einen Ort zusammen. Zudem kann in der Abgasrückführung 34 ein Abgasrückführungssteuerelement 38 entfallen, wenn der zurückgeführte Abgasstrom durch eine Abgasrückführungspumpe 44 gesteuert wird. Dabei ist an dem Ort, an dem der Bypass 58 in die Abgasleitung 52 mündet und die Abgasrückführung 34 abzweigt, ein Mehrwegeproportionalventil angeordnet, um den Abgasstrom entsprechend zwischen dem Bypass 58, dem Abgaskanal 52 und dem Abgasrückführungskanal 36 aufzuteilen.
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor 10. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu den vorhergehenden Figuren ausgeführt, weist der Verbrennungsmotor 10 in diesem Ausführungsbeispiel zusätzlich ein Sekundärluftsystem 80 auf. Das Sekundärluftsystem 80 umfasst einen Sekundärluftverdichter 82, insbesondere eine Sekundärluftpumpe oder ein Sekundärluftgebläse, und eine Sekundärluftleitung, welche den Sekundärluftverdichter 82 mit einer Mischkammer 84 verbindet. Der Verbrennungsmotor 10 weist einen Zylinderkopf 86 mit einem im Zylinderkopf 86 integrierten Abgaskrümmer 88 auf, wobei im Bereich des Zylinderkopfs 86 mit integriertem Abgaskrümmer 88 mindestens eine Abgasentnahmestelle 92 ausgebildet ist, welche über eine Verbindungsleitung 94 mit der Mischkammer 84 verbunden ist, derart, dass der Mischkammer 84 ein möglichst heißes Abgas zugeführt werden kann. Zur Minimierung der zu vermeidenden Abgaswärmeströme an Bauteilen in der Abgasanlage 50 stromaufwärts des Katalysators 64, kann der Abgasstrom unmittelbar stromabwärts der Auslassventile des Verbrennungsmotors 10 mit Hilfe eines minimal gekühlten Zusatzkanals entnommen werden. Dabei liegt die Abgasentnahmestelle 92 vorzugsweise in einem Bereich, welcher nur geringfügig durch einen Kühlwassermantel 90 gekühlt oder isoliert ist.
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Durch die Entnahme des heißen Abgases unmittelbar stromabwärts der Auslassventile und das Zuführen von Sekundärluft kann die Mischkammer 82 auch als Brennkammer ausgestaltet sein und eine Nachverbrennung von unverbrannten Abgaskomponenten ermöglichen.
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Der vorgeschlagene Verbrennungsmotor 10 ermöglicht ein besonders schnelles Aufheizen der Abgasnachbehandlungskomponenten nach einem Kaltstart eines Verbrennungsmotors 10 oder nach einem rein elektrischen Fahrbetrieb eines Hybridantriebs. Zu diesem Zweck strömt ein Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 in einer Kaltstartphase durch den Bypass 58 und erwärmt dort den Bypass-Katalysator 62. Somit muss der Abgasstrom bis zum Erreichen der Betriebstemperatur des Bypass-Katalysators 62 nicht vorher noch die gesamte Turbine 54 des Abgasturboladers 22 samt Gehäuse und Verstellmechanismus für eine variable Turbinengeometrie erwärmen. Der Bypass-Katalysator 62 erreicht somit deutlich schneller seine Light-Off-Temperatur. Durch eine exotherme Umsetzung von unverbrannten Abgaskomponenten durch den Bypass-Katalysator 62 steigt dessen Temperatur noch weiter an. Der durch den Bypass-Katalysator 62 geleitete Abgasstrom wird dem Abgaskanal 52 stromabwärts der Turbine 54 des Abgasturboladers 22 und stromaufwärts des Katalysators 64 wieder zugeführt. Dadurch kann auch eine beschleunigte Aufheizung dieses Katalysators 64 erreicht werden. Hat der Katalysator 64 seine Light-Off-Temperatur erreicht, so wird der Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 in einem Normalbetrieb zumindest mehrheitlich durch die Turbine 54 des Abgasturboladers geleitet, um die Abgasenthalpie zum Antrieb des Abgasturboladers 22 zu nutzen. Durch die Zurückführung des durch den Bypass-Katalysator 62 gereinigten Abgasstroms können die Rohemissionen des Verbrennungsmotors 10 verringert werden und insbesondere auch die Klopfneigung reduziert werden, wodurch der Betriebsbereich des Verbrennungsmotors 10 erweitert und der Kraftstoffverbrauch reduziert werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbrennungsmotor
- 12
- Brennraum
- 14
- Kraftstoffinjektor
- 16
- Einlass
- 18
- Auslass
- 20
- Luftversorgungssystem
- 22
- Abgasturbolader
- 24
- Verdichter
- 26
- Ansaugleitung
- 28
- Ladeluftkühler
- 30
- Drosselklappe
- 32
- Mündung
- 34
- Abgasrückführung
- 36
- Abgasrückführungsleitung
- 38
- Abgasrückführungssteuerelement
- 40
- Abgasrückführungsventil
- 42
- Abgasrückführungsklappe
- 44
- Abgasrückführungspumpe
- 46
- Abgasrückführungskühler
- 50
- Abgasanlage
- 52
- Abgaskanal
- 54
- Turbine
- 56
- Verzweigung
- 58
- Bypass
- 60
- Mündung
- 62
- Bypass-Katalysator
- 64
- Hauptkatalysator
- 66
- Verzweigung
- 68
- weitere Abgasnachbehandlungskomponente
- 70
- Motorsteuergerät
- 72
- Speichereinheit
- 74
- Recheneinheit
- 76
- Programmcode
- 80
- Sekundärluftsystem
- 82
- Sekundärluftverdichter
- 84
- Mischkammer
- 86
- Zylinderkopf
- 88
- integrierter Abgaskrümmer
- 90
- Kühlwassermantel
- 92
- Abgasentnahmestelle
- 94
- Verbindungsleitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018104151 A1 [0005]
- DE 102009037876 B4 [0006]
- DE 102010043327 A1 [0007]
- US 20200182121 A1 [0008]
- DE 102018131536 A1 [0009]
