DE102021205170A1 - Internal combustion engine with a secondary air line branching off downstream of a fresh gas compressor - Google Patents
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Abstract
Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor (1), einem Frischgasstrang (5), in den ein Frischgasverdichter (13) integriert ist, einem Abgasstrang (9), in den eine Abgasnachbehandlungskomponente integriert ist, und einer Sekundärluftleitung (19), in die ein Sekundärluftgebläse (21) integriert ist und die stromab des Frischgasverdichters (13) aus dem Frischgasstrang (5) abzweigt sowie stromauf der Abgasnachbehandlungskomponente in den Abgasstrang (9) mündet.Internal combustion engine with an internal combustion engine (1), a fresh gas line (5) in which a fresh gas compressor (13) is integrated, an exhaust line (9) in which an exhaust gas aftertreatment component is integrated, and a secondary air line (19) in which a secondary air blower (21 ) is integrated and which branches off from the fresh gas line (5) downstream of the fresh gas compressor (13) and opens into the exhaust line (9) upstream of the exhaust gas aftertreatment component.
Description
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor, einem Frischgasstrang, in den ein Frischgasverdichter integriert ist, einem Abgasstrang, in den eine Abgasnachbehandlungskomponente integriert ist, und einer Sekundärluftleitung, in die ein Sekundärluftgebläse integriert ist und die aus dem Frischgasstrang abzweigt und stromauf der Abgasnachbehandlungskomponente in den Abgasstrang mündet.The invention relates to an internal combustion engine with an internal combustion engine, a fresh-gas line in which a fresh-gas compressor is integrated, an exhaust line in which an exhaust gas after-treatment component is integrated, and a secondary air line in which a secondary air fan is integrated and which branches off from the fresh-gas line and upstream of the exhaust gas after-treatment component in the exhaust line opens.
Von Brennkraftmaschinen mit fremdgezündeten Verbrennungsmotoren ist der Einsatz von Sekundärluftsystemen zur Sekundärlufteinblasung bekannt. Bei einer solchen Sekundärlufteinblasung wird üblicherweise nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine Luft über eine Sekundärluftleitung, die aus einem den Verbrennungsmotor mit Frischgas versorgenden Frischgastrang abzweigt, in einen vor einer Abgasnachbehandlungseinrichtung liegenden Abschnitt eines Abgasstrangs eingeleitet. Gleichzeitig wird das Verbrennungsluftverhältnis der Brennkraftmaschine unterstöchiometrisch eingestellt. Diese Sekundärluft in Verbindung mit einer erhöhten Abgastemperatur, die beispielsweise durch temporär nach spät verstellte Zündwinkel erreicht werden kann, führt zu einem Oxidieren von im Abgas enthaltenen unverbrannten Kraftstoffbestandteile in einer exothermen Reaktion innerhalb des Abgassystems. Die exotherme Reaktion beschleunigt das Aufheizen der Abgasnachbehandlungseinrichtung.The use of secondary air systems for secondary air injection is known from internal combustion engines with spark-ignited internal combustion engines. In such a secondary air injection, after a cold start of the internal combustion engine, air is usually introduced via a secondary air line, which branches off from a fresh gas branch supplying the internal combustion engine with fresh gas, into a section of an exhaust branch located upstream of an exhaust gas aftertreatment device. At the same time, the combustion air ratio of the internal combustion engine is adjusted sub-stoichiometrically. This secondary air in conjunction with an increased exhaust gas temperature, which can be achieved, for example, by temporarily retarding the ignition angle, leads to the oxidation of unburned fuel components contained in the exhaust gas in an exothermic reaction within the exhaust system. The exothermic reaction accelerates the heating of the exhaust aftertreatment device.
Üblicherweise wird eine bedarfsweise Förderung von Sekundärluft mittels eines in die Sekundärluftleitung integrierten Sekundärluftgebläses realisiert. Gemäß der
Die
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Aufheizen einer in einen Abgasstrang einer Brennkraftmaschine integrierten Abgasnachbehandlungskomponente in Verbindung mit einer Sekundärlufteinblasung während einer Warmlaufbetriebsphase der Brennkraftmaschine zu verbessern.The invention is based on the object of improving heating of an exhaust gas aftertreatment component integrated into an exhaust system of an internal combustion engine in conjunction with secondary air injection during a warm-up operating phase of the internal combustion engine.
Diese Aufgabe ist bei einer Brennkraftmaschine gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine ist Gegenstand des Patentanspruchs 7. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine und bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.This problem is solved in an internal combustion engine according to patent claim 1 . A method for operating such an internal combustion engine is the subject of
Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine umfasst einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen zumindest zeitweise fremdgezündet betriebenen Verbrennungsmotor, und einen Frischgasstrang zum Zuführen von Frischgas zu dem Verbrennungsmotor, wobei in den Frischgasstrang ein Frischgasverdichter, der vorzugsweise Teil eines Abgasturboladers ist, integriert ist. Weiterhin umfasst eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine einen Abgasstrang, in den zumindest eine Abgasnachbehandlungskomponente, insbesondere ein Dreiwegekatalysator, und vorzugsweise auch eine Abgasturbine des Abgasturboladers integriert sind. Zudem umfasst eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine eine Sekundärluftleitung, in die ein Sekundärluftgebläse integriert ist und die stromab (bezüglich der Strömungsrichtung von Frischgas in Richtung des Verbrennungsmotors) des Frischgasverdichters aus dem Frischgasstrang abzweigt und die stromauf (bezüglich der Strömungsrichtung von Abgas ausgehend von dem Verbrennungsmotor) der Abgasnachbehandlungskomponente in den Abgasstrang mündet.An internal combustion engine according to the invention comprises an internal combustion engine, in particular an internal combustion engine operated at least temporarily with spark ignition, and a fresh gas line for supplying fresh gas to the internal combustion engine, a fresh gas compressor, which is preferably part of an exhaust gas turbocharger, being integrated in the fresh gas line. Furthermore, an internal combustion engine according to the invention comprises an exhaust line in which at least one exhaust gas aftertreatment component, in particular a three-way catalytic converter, and preferably also an exhaust gas turbine of the exhaust gas turbocharger are integrated. In addition, an internal combustion engine according to the invention comprises a secondary air line, in which a secondary air fan is integrated and which branches off from the fresh gas line downstream (with respect to the flow direction of fresh gas in the direction of the internal combustion engine) of the fresh gas compressor and upstream (with respect to the flow direction of exhaust gas starting from the internal combustion engine) of the exhaust gas aftertreatment component flows into the exhaust system.
Als Mündung in den Abgasstrang wird dabei auch eine Mündung in einen oder mehrere Auslasskanäle des Verbrennungsmotors verstanden, die gegebenenfalls als gasführende Verbindung zwischen einem Brennraum oder mehreren Brennräumen des Verbrennungsmotors und einem Abgaskrümmer (als der mit einem Gehäuse des Verbrennungsmotors verbundener Abschnitt) des Abgasstrangs vorgesehen sind.An opening into the exhaust line is also understood to mean an opening into one or more outlet ducts of the internal combustion engine, which may be provided as a gas-carrying connection between a combustion chamber or several combustion chambers of the internal combustion engine and an exhaust manifold (as the section connected to a housing of the internal combustion engine) of the exhaust line .
Eine solche erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann vorteilhaft dazu eingesetzt werden, während einer Warmlaufbetriebsphase der Brennkraftmaschine, insbesondere unmittelbar im Anschluss an einen Kaltstart der Brennkraftmaschine, ein Aufheizen der Abgasnachbehandlungskomponente zu beschleunigen, indem das Sekundärluftgebläse zumindest zeitweise, vorzugsweise dauerhaft beziehungsweise stets während der Warmlaufbetriebsphase betrieben und dadurch Frischgas als Sekundärluft in den Abgasstrang überführt wird. Diese Sekundärluft (die, wie das Frischgas, primär oder auch vollständig aus Luft bestehen kann, die zuvor aus der Umgebung angesaugt wurde) beziehungsweise der darin enthaltene Sauerstoff wird dann mit Kohlenwasserstoffen, die in dem Abgas enthalten sind, verbrannt, um Wärmeenergie freizusetzen, durch die das Aufheizen der Abgasnachbehandlungskomponente beschleunigt wird. Vor diesem Hintergrund kann es sinnvoll sein, dass das Sekundärluftgebläse bis zu einer Beendigung der Warmlaufbetriebsphase betrieben wird.Such an internal combustion engine according to the invention can advantageously be used to accelerate heating of the exhaust gas aftertreatment component during a warm-up operating phase of the internal combustion engine, in particular immediately after a cold start of the internal combustion engine, by the secondary air fan being operated at least temporarily, preferably permanently or always during the warm-up operating phase and thereby fresh gas is transferred to the exhaust line as secondary air. This secondary air (which, like the fresh gas, can consist primarily or entirely of air that was previously sucked in from the environment) or the oxygen contained therein is then burned with hydrocarbons contained in the exhaust gas to heat energy release, through which the heating of the exhaust aftertreatment component is accelerated. Against this background, it can make sense for the secondary air fan to be operated until the end of the warm-up operating phase.
Die Kohlenwasserstoffe können dabei insbesondere bereits in dem von dem Verbrennungsmotor erzeugten Rohabgas enthalten sein, wozu im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein kann, den Verbrennungsmotor zumindest zeitweise, gegebenenfalls dauerhaft beziehungsweise stets während der Warmlaufbetriebsphase unterstöchiometrisch (λ < 1, beispielsweise in einem Bereich zwischen λ =0,65 und λ = 0,95 im Brennraum) zu betreiben, um zu gewährleisten, dass das Rohabgas gezielt relevante Mengen unverbrannter Kohlenwasserstoffe umfasst. Ergänzend oder alternativ dazu kann jedoch auch vorgesehen sein, dass Kohlenwasserstoffe in Form von Brennstoff separat in den Abgasstrang eingebracht werden.The hydrocarbons can in particular already be contained in the raw exhaust gas generated by the internal combustion engine, for which purpose it can be provided within the scope of a method according to the invention that the internal combustion engine is substoichiometric at least temporarily, possibly permanently or always during the warm-up operating phase (λ < 1, for example in a range between λ =0.65 and λ = 0.95 in the combustion chamber) in order to ensure that the raw exhaust gas specifically includes relevant quantities of unburned hydrocarbons. In addition or as an alternative to this, however, provision can also be made for hydrocarbons to be introduced separately into the exhaust line in the form of fuel.
Als „Warmlaufbetriebsphase“ gilt ein Betrieb der Brennkraftmaschine, bei dem zumindest die Abgasnachbehandlungskomponente eine Betriebstemperatur aufweist, die unter der dazugehörigen Anspringtemperatur (Light-Off-Temperatur), ab der von einer ausreichenden Wirksamkeit der Abgasnachbehandlungskomponente hinsichtlich der Abgasnachbehandlung ausgegangen werden kann, liegt. Als „Kaltstart“ gilt eine Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine, bei der zumindest die Abgasnachbehandlungskomponente eine Betriebstemperatur aufweist, die ungefähr (d.h. auch mit einer Abweichung von bis zu 10 K, 20 K oder 30 K) der Umgebungstemperatur entspricht. Eine Warmlaufbetriebsphase muss sich dabei nicht immer an einen Kaltstart oder an eine Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine mit einer unterhalb der Anspringtemperatur liegenden Betriebstemperatur der Abgasnachbehandlungskomponente anschließen; vielmehr kann eine Warmlaufbetriebsphase auch damit beginnen, dass die Brennkraftmaschine und insbesondere der Verbrennungsmotor zuvor derart betrieben wurde, dass die zuvor bereits überschrittene Anspringtemperatur wieder in einem definierten Maße unterschritten wird, wie dies gegebenenfalls bei einem länger andauernden Leerlauf- oder Schubbetrieb des Verbrennungsmotors der Fall sein kann.An operation of the internal combustion engine in which at least the exhaust gas aftertreatment component has an operating temperature that is below the associated light-off temperature (light-off temperature), from which it can be assumed that the exhaust gas aftertreatment component is sufficiently effective with regard to exhaust gas aftertreatment, is considered a "warm-up operating phase". A "cold start" is a start-up of the internal combustion engine in which at least the exhaust gas aftertreatment component has an operating temperature that corresponds approximately (i.e. with a deviation of up to 10 K, 20 K or 30 K) to the ambient temperature. A warm-up operating phase does not always have to follow a cold start or a start-up of the internal combustion engine with an operating temperature of the exhaust gas aftertreatment component that is below the light-off temperature; Rather, a warm-up operating phase can also begin with the internal combustion engine and in particular the internal combustion engine being previously operated in such a way that the previously exceeded light-off temperature is again undershot by a defined extent, as may be the case when the internal combustion engine is idling or overrun for a longer period of time can.
Ein Normalbetrieb der Brennkraftmaschine kann dagegen dann vorgesehen sein, wenn zumindest die Abgasnachbehandlungskomponente eine Betriebstemperatur aufweist, die der Anspringtemperatur entspricht oder größer als diese ist. In einem Betrieb einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann sich folglich an die Warmlaufbetriebsphase eine Normalbetriebsphase der Brennkraftmaschine anschließen. Bei dieser Normalbetriebsphase kann vorgesehen sein, dass das Sekundärluftgebläse nicht beziehungsweise nie betrieben wird. Zudem kann vorgesehen sein, dass der Verbrennungsmotor dann nicht unterstöchiometrisch sondern, besonders bevorzugt, stöchiometrisch beziehungsweise mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (λ ≈ 1) betrieben wird.By contrast, normal operation of the internal combustion engine can be provided if at least the exhaust gas aftertreatment component has an operating temperature that corresponds to or is greater than the light-off temperature. In operation of an internal combustion engine according to the invention, a normal operating phase of the internal combustion engine can consequently follow the warm-up operating phase. In this normal operating phase it can be provided that the secondary air fan is not or never operated. In addition, it can be provided that the internal combustion engine is then not operated sub-stoichiometrically but, particularly preferably, stoichiometrically or with a stoichiometric combustion air ratio (λ≈1).
Als stöchiometrischer Betrieb des Verbrennungsmotors wird dabei auch ein Betrieb verstanden, bei dem das tatsächliche Verbrennungsluftverhältnis in einem üblicherweise relativ schmalen Bereich von beispielsweise ± 1% oder ± 3% oder ± 5% um das exakt stöchiometrische Verbrennungsluftverhältnis (λ = 1) schwankt, wenn dadurch im zeitlichen Mittel ein stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis realisiert wird oder werden soll. Eine solche Schwankung des tatsächlichen Verbrennungsluftverhältnisses kann eine Folge einer reaktiven Steuerung und insbesondere einer Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Abgases sein, wie dies insbesondere unter Verwendung einer oder mehrerer Lambdasonden, die in dem Abgasstrang angeordnet ist/sind, grundsätzlich bekannt ist. Dabei kann eine sogenannte Eigenfrequenzregelung für das Verbrennungsluftverhältnis umgesetzt werden, bei der der Verbrennungsmotor definiert wechselweise leicht fett, d.h. mit einem geringfügig unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (Ä < 1), sowie leicht mager, d.h. mit einem geringfügig überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (Ä > 1), betrieben wird, wobei sich im zeitlichen Mittel der angestrebte stöchiometrische Betrieb einstellt. Eine Umschaltung zwischen fettem und magerem Betrieb kann dabei bei definierten Abweichungen von dem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis erfolgen.Stoichiometric operation of the internal combustion engine is also understood to mean operation in which the actual combustion air ratio fluctuates in a usually relatively narrow range of, for example, ± 1% or ± 3% or ± 5% around the exactly stoichiometric combustion air ratio (λ = 1), if this a stoichiometric combustion air ratio is or should be achieved on average over time. Such a fluctuation in the actual combustion air ratio can be a consequence of a reactive control and in particular a regulation of the combustion air ratio depending on the composition of the exhaust gas, as is fundamentally known, in particular using one or more lambda probes, which is/are arranged in the exhaust line. A so-called natural frequency control for the combustion air ratio can be implemented, in which the combustion engine is alternately operated in a defined way slightly rich, i.e. with a slightly sub-stoichiometric combustion air ratio (Ä < 1), and slightly lean, i.e. with a slightly super-stoichiometric combustion air ratio (Ä > 1). , whereby the desired stoichiometric operation occurs on average over time. Switching between rich and lean operation can take place when there are defined deviations from the stoichiometric combustion air ratio.
Als „Dreiwegekatalysator“ wird erfindungsgemäß eine Abgasnachbehandlungskomponente verstanden, die zumindest eine Umwandlung von Kohlenstoffmonoxid (CO), Stickoxiden (NOx) und unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) des Abgases zu Kohlenstoffdioxid (CO2), Stickstoff (N2) und Wasser (H2O) katalytisch unterstützen kann.According to the invention, a “three-way catalytic converter” is understood to mean an exhaust gas aftertreatment component that at least converts carbon monoxide (CO), nitrogen oxides (NOx) and unburned hydrocarbons (HC) in the exhaust gas to carbon dioxide (CO 2 ), nitrogen (N 2 ) and water (H 2 O ) can support catalytically.
Um eine Oxidation des insbesondere über die Sekundärluft in den Abgasstrang eingebrachten Sauerstoffs mit Kohlenwasserstoffen zu gewährleisten, kann weiterhin bevorzugt vorgesehen sein, dass gezielte Maßnahmen zur Erzeugung relativ heißen Abgases durchgeführt werden. Diese Maßnahmen können insbesondere darauf abzielen, dass der Verbrennungsmotor bereits relativ heißes (Roh-)Abgas ausstößt, was beispielsweise durch eine gezielte Spätverstellung des Zündwinkels bei einer fremdgezündeten Ausgestaltung des Verbrennungsmotors erzielt werden kann. Ergänzend oder alternativ können jedoch auch andere Maßnahmen zur Erzielung relativ heißen Abgases, wie beispielsweise ein Erhitzen des Abgases mittels einer Heizvorrichtung, und/oder ein initiales Zünden der Mischung aus Kohlenwasserstoffen und Sauerstoff im Abgas mittels einer Zündvorrichtung vorgesehen sein.In order to ensure oxidation of the oxygen introduced into the exhaust system via the secondary air with hydrocarbons, provision can furthermore preferably be made for targeted measures to be taken to produce relatively hot exhaust gas. These measures can aim in particular at the fact that the internal combustion engine already emits relatively hot (raw) exhaust gas, which can be achieved, for example, by deliberately retarding the ignition angle in the case of a spark-ignited configuration of the internal combustion engine. Additionally or alternatively However, other measures to achieve relatively hot exhaust gas, such as heating the exhaust gas by means of a heating device, and/or initial ignition of the mixture of hydrocarbons and oxygen in the exhaust gas by means of an ignition device, can also be provided.
Gegenüber dem auch bei einer aufgeladenen Brennkraftmaschine am meisten verbreiteten Sekundärluftsystem, bei dem die Sekundärluftleitung stromauf des Frischgasverdichters abzweigt und bei dem zur Gewährleistung eines ausreichenden Massenstroms der über die Sekundärluftleitung geführten Sekundärluft ein Sekundärluftgebläse vorgesehen ist und betrieben wird, weist eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine den Vorteil auf, dass ergänzend zu dem Sekundärluftgebläse ein von dem Frischgasverdichter erzeugter Ladedruck genutzt werden kann, um eine Förderung von Frischgas als Sekundärluft über die Sekundärluftleitung zu gewährleisten. Dies ermöglicht, mit einem noch relativ leistungsschwach
(z.B. mit einem Ausgangsdruck von 100mbar) und damit kostengünstig dimensionierten Sekundärluftgebläse auch dann Sekundärluft in den Abgasstrang zu überführen, wenn der Verbrennungsmotor mit einer über der Leerlauflast liegenden Last, insbesondere auch mit einer Last, die 10% oder 30% oder 50% der Volllast betragen kann, betrieben wird. Dies weist den Vorteil auf, dass eine Sekundärlufteinblasung und die dadurch ermöglichte Aufheizung der Abgasnachbehandlungskomponente auch beispielsweise dann weiterhin durchgeführt werden kann, wenn der Verbrennungsmotor im Wesentlichen unmittelbar nach einem Kaltstart mit einer relativ hohen Last und nicht erst für einige Sekunden, wie häufig, im Leerlauf betrieben wird. Dies kann sich vorteilhaft auf das Schadstoffemissionsverhalten der Brennkraftmaschine auswirken.Compared to the secondary air system, which is also most common in supercharged internal combustion engines, in which the secondary air line branches off upstream of the fresh gas compressor and in which a secondary air fan is provided and operated to ensure a sufficient mass flow of the secondary air routed via the secondary air line, an internal combustion engine according to the invention has the advantage that in addition to the secondary air blower, a boost pressure generated by the fresh gas compressor can be used to ensure fresh gas is conveyed as secondary air via the secondary air line. This allows, with a still relatively underperforming
(e.g. with an outlet pressure of 100 mbar) and thus cost-effectively dimensioned secondary air blower to transfer secondary air into the exhaust system even when the combustion engine is running at a load above the no-load load, in particular at a load that is 10% or 30% or 50% of the full load can be, is operated. This has the advantage that secondary air injection and the resulting heating of the exhaust gas aftertreatment component can also continue to be carried out, for example, when the internal combustion engine is essentially immediately after a cold start with a relatively high load and not only for a few seconds, as is often the case, when idling is operated. This can have an advantageous effect on the pollutant emission behavior of the internal combustion engine.
Gegenüber den Sekundärluftsystemen, wie sie aus der
Alternativ oder ergänzend zu der bevorzugt vorgesehenen Ausgestaltung einer Brennkraftmaschine, bei der der Frischgasverdichter Teil eines Abgasturboladers ist und demnach mittels einer Abgasturbine antreibbar ist, kann auch ein anderer Antrieb für den Frischgasverdichter, insbesondere mittels eines Elektromotors (vorzugsweise als alleiniger Antrieb oder in einer Ausgestaltung als elektromotorisch unterstützter Abgasturbolader) und/oder durch den Verbrennungsmotor selbst, vorgesehen sein.As an alternative or in addition to the preferred design of an internal combustion engine, in which the fresh gas compressor is part of an exhaust gas turbocharger and can therefore be driven by means of an exhaust gas turbine, another drive for the fresh gas compressor can also be used, in particular by means of an electric motor (preferably as the sole drive or in one design as a exhaust gas turbocharger supported by an electric motor) and/or by the internal combustion engine itself.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorgesehen sein, dass die Sekundärluftleitung unmittelbar stromab des Frischgasverdichters aus dem Frischgasstrang abzweigt, so dass zwischen dem Frischgasverdichter und dem Abzweig der Sekundärluftleitung zumindest keine Funktionskomponente des Frischgasstrangs, insbesondere kein Drosselventil und kein Ladeluftkühler, angeordnet ist. Insbesondere kann zwischen dem Frischgasverdichter und dem Abzweig der Sekundärluftleitung ausschließlich ein verzweigungsfreier Abschnitt des Frischgasstrangs angeordnet sein. Ein Abzweig der Sekundärluftleitung unmittelbar aus einem Auslasskanal des Frischgasverdichters soll ebenfalls darunter fallen. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass im Bereich des Abzweigs der Sekundärluftleitung ein möglichst hoher Ladedruck und demnach einen entsprechend hohes Druckgefälle über der Sekundärluftleitung vorliegt, wodurch ein Fördern von Sekundärluft über die Sekundärluftleitung positiv beeinflusst wird.According to a preferred embodiment of an internal combustion engine according to the invention, it can be provided that the secondary air line branches off from the fresh gas line immediately downstream of the fresh gas compressor, so that at least no functional component of the fresh gas line, in particular no throttle valve and no charge air cooler, is arranged between the fresh gas compressor and the branch of the secondary air line. In particular, only a branch-free section of the fresh-gas line can be arranged between the fresh-gas compressor and the branch of the secondary air line. A branch of the secondary air line directly from an outlet duct of the fresh gas compressor should also fall under this. In this way it can be ensured that in the area of the branch of the secondary air line there is the highest possible boost pressure and accordingly a correspondingly high pressure drop across the secondary air line, which has a positive effect on the conveying of secondary air via the secondary air line.
Vorzugsweise ist in die Sekundärluftleitung ein Sekundärluftventil integriert. Durch dieses kann vorteilhaft verhindert werden, dass Abgas, insbesondere während eines Nichtbetriebs des Sekundärluftgebläses, ungewollt von dem Abgasstrang über die Sekundärluftleitung in den Frischgasstrang überströmt, was sich negativ auf das Betriebsverhalten des Verbrennungsmotors auswirken könnte. Das Sekundärluftventil kann vorzugsweise aktiv ansteuerbar ausgestaltet sein. Eine Ausgestaltung als passives Sekundärluftventil, beispielsweise als Rückschlagventil, das selbsttätig bei einem Überdruck auf Seiten des Abgasstrangs schließt, ist ebenfalls vorteilhaft umsetzbar.A secondary air valve is preferably integrated into the secondary air line. This can advantageously prevent exhaust gas, particularly when the secondary air fan is not in operation, from flowing unintentionally from the exhaust line via the secondary air line into the fresh gas line, which could have a negative effect on the operating behavior of the internal combustion engine. The secondary air valve can preferably be designed to be actively controllable. A configuration as a passive secondary air valve, for example as a non-return valve, which closes automatically in the event of excess pressure on the part of the exhaust line, can also be advantageously implemented.
Weiterhin bevorzugt kann dann noch vorgesehen sein, dass das Sekundärluftventil in der Sekundärluftleitung zwischen dem Sekundärluftgebläse und der Mündung der Sekundärluftleitung in dem Abgasstrang angeordnet ist. Dadurch kann das Sekundärluftgebläse durch das Sekundärluftventil vor einer Beaufschlagung mit aus dem Abgasstrang stammendem, heißem Abgas geschützt werden, was sich vorteilhaft hinsichtlich der Lebensdauer des Sekundärluftgebläses auswirken kann und/oder ermöglicht, das Sekundärluftgebläse konstruktiv relativ einfach auszugestalten.Provision can then also preferably be made for the secondary air valve to be arranged in the secondary air line between the secondary air fan and the opening of the secondary air line in the exhaust line. As a result, the secondary air fan can be protected by the secondary air valve from being acted upon by hot exhaust gas originating from the exhaust line, which can have an advantageous effect with regard to the service life of the secondary air fan and/or allows the secondary air fan to be of relatively simple design.
Insbesondere dann, wenn das Sekundärluftgebläse derart ausgestaltet ist, dass dieses im Nichtbetrieb eine Durchströmung mit Gas vermeidet, und dieses zudem thermisch ausreichend belastbar ist, kann auf ein Sekundärluftventil auch verzichtet werden.In particular, if the secondary air fan is designed in such a way that it prevents gas from flowing through when not in operation, and it can also withstand sufficient thermal loads, a secondary air valve can also be dispensed with.
Gemäß einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorgesehen sein, dass zwischen dem Frischgasverdichter und dem Verbrennungsmotor ein Drosselventil in den Frischgasstrang integriert ist. Dieses Drosselventil kann grundsätzlich für eine Leistungsregelung des Verbrennungsmotors vorgesehen sein, indem durch dieses aufgrund einer bedarfsgerechten Drosselung der Frischgasströmung der Massenstrom des Frischgases, der dem Verbrennungsmotor zugeführt wird, gesteuert und insbesondere geregelt werden kann. Sofern bei einer solchen Brennkraftmaschine, wie vorzugsweise vorgesehen, die Sekundärluftleitung zwischen dem Frischgasverdichter und dem Drosselventil aus dem Frischgasstrang abzweigt, kann ein erfindungsgemäßer Betrieb einer solchen Brennkraftmaschine vorsehen, dass das Drosselventil zumindest zeitweise während des Betriebs des Sekundärluftgebläses zumindest teilweise und insbesondere relativ weitgehend, d.h. weitgehender als während eines Normalbetriebs, geschlossen wird, wodurch ein besonders hoher Druck des Frischgases im Bereich der Abzweigung der Sekundärluftleitung erreicht werden kann.According to a further preferred embodiment of an internal combustion engine according to the invention, it can be provided that a throttle valve is integrated in the fresh gas line between the fresh gas compressor and the internal combustion engine. This throttle valve can basically be provided for a power control of the internal combustion engine, in that the mass flow of the fresh gas that is supplied to the internal combustion engine can be controlled and in particular regulated by this due to a needs-based throttling of the fresh gas flow. If, in such an internal combustion engine, the secondary air line between the fresh-gas compressor and the throttle valve branches off from the fresh-gas line, as is preferably provided, operation of such an internal combustion engine according to the invention can provide that the throttle valve is at least partially and in particular relatively largely, i.e. is closed to a greater extent than during normal operation, as a result of which a particularly high pressure of the fresh gas can be achieved in the area of the branching off of the secondary air line.
Der Verbrennungsmotor einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann sowohl mit Flüssigkraftstoff (d.h. insbesondere Benzin) als auch mit einem gasförmigen Kraftstoff (insbesondere Erdgas, LNG oder LPG) betrieben werden.The internal combustion engine of an internal combustion engine according to the invention can be operated both with liquid fuel (ie in particular gasoline) and with a gaseous fuel (in particular natural gas, LNG or LPG).
Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein radbasiertes und nicht schienengebundenes Kraftfahrzeug (vorzugsweise ein PKW oder ein LKW), mit einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine. Dabei kann der Verbrennungsmotor der Brennkraftmaschine insbesondere zur (direkten oder indirekten) Bereitstellung der Fahrantriebsleistung für das Kraftfahrzeug vorgesehen sein.The invention also relates to a motor vehicle, in particular a wheel-based and non-rail-bound motor vehicle (preferably a car or a truck), with an internal combustion engine according to the invention. The internal combustion engine of the internal combustion engine can be provided in particular for the (direct or indirect) provision of the driving power for the motor vehicle.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausgestaltungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
-
1 : eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in vereinfachter Darstellung.
-
1 : an internal combustion engine according to the invention in a simplified representation.
Die
Ein Entzünden der Gemischmengen in den Brennräumen 4 erfolgt mittels elektrischer Zündvorrichtungen 12, die beispielsweise Zündfunken erzeugen (Zündkerzen).The quantities of mixture in the combustion chambers 4 are ignited by means of
Die Brennkraftmaschine ist aufgeladen ausgestaltet, wozu in den Frischgasstrang 5 ein Frischgasverdichter 13 integriert ist. Der Frischgasverdichter 13 ist Teil eines Abgasturboladers, der weiterhin eine Abgasturbine 14 umfasst, die in den Abgasstrang 9 integriert ist. Abgas, das die Abgasturbine 14 durchströmt, führt zu einem rotierenden Antrieb eines Turbinenlaufrads, das über eine Welle 15 drehantreibend mit einem Verdichterlaufrad des Frischgasverdichters 13 verbunden ist, so dass im Ergebnis ein Antrieb des Frischgasverdichters 13 mittels der Abgasturbine 14 erfolgt. In den Frischgasstrang 5 ist, stromab des Frischgasverdichters 13, ein Ladeluftkühler 16 integriert, durch den das mittels des Frischgasverdichters 13 verdichtete und dabei erwärmte Frischgas (sogenannte Ladeluft) bedarfsweise gekühlt wird.The internal combustion engine is supercharged, for which purpose a fresh-
Die Abgasnachbehandlungseinrichtung 12 umfasst zumindest eine Abgasnachbehandlungskomponente in Form eines Dreiwegekatalysators 17, der auch integral mit einem Partikelfilter (d.h. als Vierwegekatalysator) ausgestaltet sein kann.The exhaust
Im Betrieb des Verbrennungsmotors 1 werden das diesem zuzuführende Frischgas sowie die Mengen des mittels der Kraftstoffinjektoren 8 je Arbeitsspiel in die einzelnen Brennräume 4 einzubringenden Kraftstoffs in Abhängigkeit von dem konkreten Betriebszustand des Verbrennungsmotors 1, der insbesondere durch die angeforderte Last und die Betriebsdrehzahl definiert ist, gezielt eingestellt. Hierzu kann hinsichtlich des Frischgases die Betriebsstellung eines stromab des Ladeluftkühlers 16 in den Frischgasstrang 5 integrierten Drosselventils 18 gezielt verändert werden.During operation of the internal combustion engine 1, the fresh gas to be supplied to it and the quantities of fuel to be introduced into the individual combustion chambers 4 by means of the
Während eines Normalbetriebs der Brennkraftmaschine wird allen Brennräumen 4 des Verbrennungsmotors 1 der Kraftstoff und das Frischgas derart zugeführt, dass sich ein stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis einstellt. Gesteuert werden kann die Einstellung des Verbrennungsluftverhältnisses dabei insbesondere in Abhängigkeit von einer Messung des Sauerstoffgehalts in dem Abgas, der mittels mindestens einer Lambdasonde (nicht dargestellt) ermittelt werden kann.During normal operation of the internal combustion engine, all of the combustion chambers 4 of the internal combustion engine 1 are supplied with the fuel and the fresh gas in such a way that a stoichiometric combustion air ratio is established. The setting of the combustion air ratio can be controlled in particular as a function of a measurement of the oxygen content in the exhaust gas, which can be determined using at least one lambda probe (not shown).
Die Brennkraftmaschine umfasst auch eine Sekundärluftleitung 19, über die bedarfsweise Frischgas aus dem Frischgasstrang 5 abgezweigt und als Sekundärluft in den Abgasstrang 9 überführt werden kann. Die Sekundärluftleitung 19 zweigt vorzugsweise in dem Abschnitt des Frischgasstrangs 5, der zwischen dem Frischgasverdichter 13 und dem Ladeluftkühler 16 gelegen ist, aus dem Frischgasstrang 5 ab. Alternativ kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Sekundärluftleitung 19 aus einem der Abschnitte, die zwischen dem Ladeluftkühler 16 und dem Drosselventil 18 oder aber stromab des Drosselventils 18 gelegen sind, abzweigen, wie dies in der
Die Sekundärluftleitung 19 mündet unmittelbar stromab des Verbrennungsmotors1 und damit sowohl stromauf der Abgasnachbehandlungseinrichtung 11 als auch der Abgasturbine 14 in einen Abgaskrümmer 20 des Abgasstrangs 9, wobei jeweils eine Mündung der Sekundärluftleitung 19 in jeden der Einzelkanäle des Abgaskrümmers 20, der mit einem oder mehreren Auslasskanälen jeweils eines Brennraums 4 des Verbrennungsmotors 1 gasführend verbunden ist, vorgesehen ist. Diese Einzelkanäle münden in einen Sammelkanal des Abgaskrümmers 20, in dem das aus den einzelnen Brennräumen 4 stammende Rohabgas gesammelt und gemischt wird.The
In die Sekundärluftleitung 19 ist, ausgehend von dem Abzweig aus dem Frischgasstrang 5, zunächst ein elektromotorisch angetriebenes Sekundärluftgebläse 21 und anschließend ein Sekundärluftventil 22 integriert.In the
Während einer Warmlaufbetriebsphase und insbesondere unmittelbar anschließend an einen Kaltstart der Brennkraftmaschine ist vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor 1 mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird. Dadurch enthält das von dem Verbrennungsmotor 1 erzeugte Rohabgas relativ große Mengen unverbrannter Kohlenwasserstoffe. Gleichzeitig wird durch eine Spätverstellung des Zündwinkels, zu dem eine Zündung der Kraftstoff-Frischgas-Gemischmengen in den einzelnen Brennräumen 4 mittels der Zündvorrichtungen 12 erfolgt, eine relativ hohe Temperatur des Abgases realisiert. Und wiederum gleichzeitig wird das Sekundärluftgebläse 21 betrieben und das Sekundärluftventil 22 geöffnet (bei einer aktiv ansteuerbaren Ausgestaltung des Sekundärluftgebläses 21) oder dieses öffnet selbsttätig (bei einer passiven Ausgestaltung), wodurch Sekundärluft über die Sekundärluftleitung 19 geführt und in den Abgasstrang 9 eingeleitet wird. Der in der Sekundärluft enthaltene Sauerstoff oxidiert dann mit den Kohlenwasserstoffen des Abgases, wobei die relativ hohe Temperatur des Abgases den Ablauf dieser Oxidation gewährleistet.During a warm-up operating phase and in particular immediately after a cold start of the internal combustion engine, it is provided that the internal combustion engine 1 is operated with a sub-stoichiometric combustion air ratio. As a result, the raw exhaust gas generated by the internal combustion engine 1 contains relatively large amounts of unburned hydrocarbons. At the same time, a relatively high temperature of the exhaust gas is achieved by retarding the ignition angle at which ignition of the fuel/fresh gas mixture amounts in the individual combustion chambers 4 takes place by means of the
Die durch die Oxidation des Sauerstoffs mit den Kohlenwasserstoffen freigesetzte Wärmeenergie wird insbesondere dazu genutzt, die Abgasnachbehandlungseinrichtung 11 möglichst schnell bis zum Erreichen der Anspringtemperatur zumindest des von dieser umfassten Dreiwegekatalysators 17 aufzuheizen. Es ist vorgesehen, den entsprechenden Betrieb der Brennkraftmaschine, d.h. den unterstöchiometrischen Betrieb des Verbrennungsmotors 1 in Kombination mit der Spätverstellung des Zündwinkels sowie die Einleitung von Sekundärluft in den Abgasstrang 9 möglichst unterbrechungsfrei durchzuführen, bis zumindest der Dreiwegekatalysator 17 seine Anspringtemperatur erreicht hat. Bis dies der Fall ist, kann der Verbrennungsmotor 1 gegebenenfalls schon mit einer Last betrieben werden oder betrieben worden sein, die oberhalb, insbesondere auch deutlich oberhalb der Leerlauflast liegt. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn die Brennkraftmaschine unmittelbar nach einem Kaltstart für einen stark beschleunigenden Fahrantrieb des von dieser angetriebenen Kraftfahrzeugs genutzt wird. Ein Betrieb des Verbrennungsmotors 1 mit einer relativ hohen Last führt zu einem relativ hohen Druck des Abgases im Bereich der Mündungen der Sekundärluftleitung 19. Bei einer konventionellen Brennkraftmaschine, bei der die Sekundärluftleitung 19 aus einem Abschnitt des Frischgasstrangs 5, der stromauf des Frischgasverdichters 13 gelegen ist, abzweigt, müsste die Einleitung von Sekundärluft in den Abgasstrang 9 dann entweder unterbrochen werden, weil das vorgesehene Sekundärluftgebläse 21 nicht leistungsstark genug ist, um Sekundärluft gegen den Abgasdruck in den Abgasstrang 9 zu fördern, oder das Sekundärluftgebläse 21 müsste entsprechend leistungsstark ausgelegt sein, um dies zu ermöglichen, was jedoch mit entsprechend hohen Kosten und auch einem entsprechend großen Bauraumbedarf des Sekundärluftgebläses 21 einhergehen würde.The thermal energy released by the oxidation of the oxygen with the hydrocarbons is used in particular to heat up the exhaust
Die erfindungsgemäß vorgesehene Abzweigung der Sekundärluftleitung 19 stromab des Frischgasverdichters 13 vermeidet diese Nachteile, indem eine durch den Frischgasverdichter 13 erzeugte Druckerhöhung des Frischgases im Bereich der Abzweigung der Sekundärluftleitung 19 das (relativ klein dimensionierte) Sekundärluftgebläse 21 dabei unterstützt, Sekundärluft auch dann in den Abgasstrang 9 einzuleiten, wenn der Verbrennungsmotor 1 mit relativ hoher Last betrieben wird und dadurch ein relativ hoher Abgasdruck im Bereich der Mündungen Sekundärluftleitung 19 vorliegt. Diese Unterstützung des Sekundärluftgebläses 21 durch den Frischgasverdichter 13 ist dabei tendenziell umso höher, je höher die Last ist, mit der der Verbrennungsmotor 1 betrieben wird, weil dann aufgrund entsprechend ansteigender Abgasenthalpie die von der Abgasturbine 14 erzeugte Antriebsleistung für den Frischgasverdichter 13 und damit die Verdichtungsleistung des Frischgasverdichters 13 größer wird. Die Unterstützung des Sekundärluftgebläses 21 durch den Frischgasverdichter 13 passt sich dadurch tendenziell selbsttätig an den Unterstützungsbedarf an.The inventively provided branching of the
Bezugszeichenlistereference list
- 11
- Verbrennungsmotorcombustion engine
- 22
- Zylinderöffnungcylinder opening
- 33
- Hubkolbenreciprocating
- 44
- Brennraumcombustion chamber
- 55
- Frischgasstrangfresh gas line
- 66
- Einlassventilintake valve
- 77
- Luftfilterair filter
- 88th
- Kraftstoffinjektorfuel injector
- 99
- Abgasstrangexhaust line
- 1010
- Auslassventiloutlet valve
- 1111
- Abgasnachbehandlungseinrichtungexhaust aftertreatment device
- 1212
- Zündvorrichtungignition device
- 1313
- Frischgasverdichterfresh gas compressor
- 1414
- Abgasturbineexhaust turbine
- 1515
- WelleWave
- 1616
- Ladeluftkühlerintercooler
- 1717
- Dreiwegekatalysatorthree-way catalytic converter
- 1818
- Drosselventilthrottle valve
- 1919
- Sekundärluftleitungsecondary air line
- 2020
- Abgaskrümmerexhaust manifold
- 2121
- Sekundärluftgebläsesecondary air blower
- 2222
- Sekundärluftventilsecondary air valve
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- DE 102007057603 A1 [0003, 0017]DE 102007057603 A1 [0003, 0017]
- DE 102018209698 A1 [0004, 0017]DE 102018209698 A1 [0004, 0017]
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-
2021
- 2021-05-20 DE DE102021205170.7A patent/DE102021205170A1/en active Pending
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