DE102021205972A1

DE102021205972A1 - Turbolader

Info

Publication number: DE102021205972A1
Application number: DE102021205972.4A
Authority: DE
Inventors: Robert Szolak; Paul Beutel; Bernd Danckert
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2021-06-11
Filing date: 2021-06-11
Publication date: 2022-12-15
Also published as: CN117480313A; EP4352346A1; KR20240017833A; US20240110498A1; JP2024523235A; WO2022258801A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Turbolader (1) mit einer Verdichteranordnung (2), welche zur Verdichtung der Frischluft einer Brennkraftmaschine eingerichtet ist, enthaltend zumindest ein Verdichtergehäuse (20) mit einem Frischlufteingang (201) und einem Frischluftauslass (202), wobei in dem Verdichtergehäuse (20) zumindest ein Verdichterrad (22) angeordnet ist, sowie mit zumindest einer Abgasturbine (3) zum Antrieb der Verdichteranordnung (2), mit zumindest einem Turbinengehäuse (30) mit einem Abgaseingang (301) und einem Abgasauslass (302), wobei in dem Turbinengehäuse (30) zumindest ein Turbinenrad (32) angeordnet ist, sowie weiterhin mit einen Heizkatalysator (4), welcher dazu eingerichtet ist, zugeführten Kraftstoff mit Frischluft und/oder Abgas zumindest teilweise umzusetzen, wobei der Heizkatalysator (4) ein Katalysatorgehäuse (40) mit einem Gaseinlass (401) und einen Gasauslass (402) und einem Kraftstoffeinlass (403) enthält, wobei das Katalysatorgehäuse (40) einerseits und das Verdichtergehäuse (20) und/oder das Turbinengehäuse (30) andrerseits an zumindest einer Teilfläche in thermischem Kontakt stehen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Turbolader mit einer Verdichteranordnung, welche zur Verdichtung der Frischluft einer Brennkraftmaschine eingerichtet ist, enthaltend zumindest ein Verdichtergehäuse mit einem Frischlufteingang und einem Frischluftauslass, wobei in dem Verdichtergehäuse zumindest ein Verdichterrad angeordnet ist, sowie mit zumindest einer Abgasturbine zum Antrieb der Verdichteranordnung, mit zumindest einem Turbinengehäuse mit einem Abgaseingang und einem Abgasauslass, wobei in dem Turbinengehäuse zumindest ein Turbinenrad angeordnet ist.
Aus der Praxis ist bekannt, eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem Turbolader auszustatten. Der Turbolader enthält eine Turbine, welche kinetische Energie aus dem Abgasstrom entnimmt und als mechanische Leistung bereitstellt. Diese mechanische Leistung dient zum Antrieb einer Verdichteranordnung, mit welcher der Brennkraftmaschine die zur Verbrennung erforderliche Frischluft mit erhöhtem Druck zugeführt werden kann. Hierdurch kann das Ansprechverhalten, die Leistung und/oder der Verbrauch optimiert werden.
Weiterhin ist aus der Praxis bekannt, die Abgase einer Brennkraftmaschine zumindest einer Abgasnachbehandlungseinrichtung zuzuführen. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung kann beispielsweise einen Partikelfilter und/oder zumindest einen Katalysator enthalten. Hierdurch können Rußpartikel zurückgehalten oder Schadstoffe, wie beispielsweise CO, CH_x oder NO_x oxidiert bzw. reduziert und dadurch unschädlich gemacht werden.
Sämtliche bekannten Katalysatoren benötigen eine gegenüber normalen Umgebungsbedingungen erhöhte Betriebstemperatur, um in nennenswertem Umfang Schadstoffe aus dem Abgas zu entfernen. Ein Partikelfilter arbeitet zwar bereits nach einem Kaltstart zuverlässig. Jedoch muss dieser von Zeit zu Zeit bei erhöhter Temperatur regeneriert werden.
Aus der WO 2020/193595 A1 ist daher ein Heizkatalysator bekannt, welcher dazu eingerichtet ist, zugeführten Kraftstoff mit Abgas oder Frischluft umzusetzen. Der Heizkatalysator kann in unterschiedlichen Betriebszuständen betrieben werden. Beispielsweise kann der zugeführte Kraftstoff lediglich verdampft werden, um an einer Abgasnachbehandlungseinrichtung oxidiert zu werden, wodurch Wärme frei wird und die Abgasnachbehandlungseinrichtung aufheizt. In anderen Betriebszuständen kann der Kraftstoff zumindest teilweise in ein Synthesegas umgesetzt werden, welches an der Abgasnachbehandlungseinrichtung eine niedrigere Light-Off-Temperatur aufweist und so in manchen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine eine bessere Erwärmung der Abgasnachbehandlungseinrichtung ermöglicht. Schließlich kann der Kraftstoff im Heizkatalysator vollständig umgesetzt werden, um auf diese Weise ein Heißgas zu erzeugen, welches der Abgasnachbehandlungseinrichtung zugeführt wird und diese aufheizt.
Dieser bekannte Heizkatalysator weist den Nachteil auf, dass dieser zusätzlichen Bauraum benötigt, welcher insbesondere in Pkw und leichten Nutzfahrzeugen knapp bemessen sein kann.
Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur raschen Aufheizung einer Abgasnachbehandlungseinrichtung einer Brennkraftmaschine anzugeben, welche geringen Bauraum benötigt und auch zur Nachrüstung bestehender Brennkraftmaschinen geeignet ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Turbolader gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird ein Turbolader vorgeschlagen, welcher zumindest eine Verdichteranordnung und zumindest eine Abgasturbine aufweist. Die Verdichteranordnung ist dazu eingerichtet, die einer Brennkraftmaschine zuzuführende Frischluft zu verdichten. Hierzu enthält die Verdichteranordnung zumindest ein Verdichtergehäuse mit einem Frischlufteingang und einem Frischluftauslass, wobei im Verdichtergehäuse zumindest ein Verdichterrad angeordnet ist. Die zur Verbrennung des Kraftstoffes in der Brennkraftmaschine erforderliche Frischluft wird der Verdichteranordnung durch den Frischlufteingang mit einem ersten Druck zugeführt und verlässt den Frischluftauslass mit einem zweiten Druck, wobei der zweite Druck höher ist als der erste Druck. Die Verdichteranordnung führt der Frischluft somit mechanische Arbeit zu.
Das zumindest eine Verdichterrad kann eine Mehrzahl von Rotorblättern aufweisen und als Radialverdichter oder Axialverdichter arbeiten. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das zumindest eine Verdichterrad Teil eines Schraubenverdichters oder eines Roots-Gebläses oder eines Taumelscheibenverdichters sein. Die Erfindung lehrt nicht die Verwendung einer bestimmten Bauweise der Verdichteranordnung als Lösungsprinzip.
Die zumindest eine Abgasturbine ist dazu eingerichtet, die Verdichteranordnung anzutreiben. Hierzu kann die Abgasturbine einerseits und die Verdichteranordnung andererseits durch eine rotierende Welle, ein Getriebe, einen Riemenantrieb oder in anderer, an sich bekannter Weise miteinander verbunden sein. Die zumindest eine Abgasturbine weist zumindest ein Turbinengehäuse mit einem Abgaseingang und einem Abgasauslass auf, wobei in dem Turbinengehäuse zumindest ein Turbinenrad angeordnet ist. Die Abgasturbine ist dazu eingerichtet, Energie aus dem Abgasstrom zu entnehmen und diese als mechanische Leistung bereitzustellen. Insoweit wird dem Turbinengehäuse über den Abgaseingang ein Abgasstrom der Brennkraftmaschine mit einem zweiten Druck zugeführt und über den Abgasauslass mit einem ersten Druck abgeführt, wobei der zweite Druck höher ist als der erste Druck.
Der erfindungsgemäße Turbolader weist weiterhin einen Heizkatalysator auf, welcher dazu eingerichtet ist, zugeführten Kraftstoff mit Frischluft und/oder Abgas zumindest teilweise umzusetzen, wobei der Heizkatalysator ein Katalysatorgehäuse mit zumindest einem Gaseinlass und zumindest einem Gasauslass und zumindest einem Kraftstoffeinlass enthält. Über den Gaseinlass wird Frischluft und/oder Abgas zugeführt. Über den Kraftstoffeinlass wird dem Heizkatalysator Kraftstoff zugeführt, beispielsweise Benzin oder Diesel. Im Heizkatalysator entsteht aus Kraftstoff und Abgas und/oder Frischluft ein Produktgas. Hierzu wird der Kraftstoff im Heizkatalysator verdampft und/oder unter Freisetzung von Wärme zumindest teilweise oxidiert und/oder über Crack-Reaktionen in ein Synthesegas umgewandelt. Das Produktgas enthält somit ein Heißgas und/oder Kraftstoffdampf und/oder Synthesegas. Das Produktgas verlässt den Heizkatalysator über den Gasauslass und wird dem Abgasrohr stromab der Abgasturbine wieder zugeführt. Daher kann die durch die Abgasturbine erzeugte Turbulenz dazu eingesetzt werden, für eine Durchmischung des im Heizkatalysator produzierten Produktgases mit dem Abgas zu sorgen. Abgas und/oder Frischluft können mit dem jeweiligen zweiten Druck über den Gaseinlass zugeführt werden und in das mit dem ersten Druck strömenden Abgas abgegeben werden, so dass sich eine zuverlässige Durchströmung des Katalysatorgehäuses ohne zusätzliche Fördereinrichtung ergibt. In einigen Ausführungsformen der Erfindung ist der Heizkatalysator dazu eingerichtet ist, zugeführten Kraftstoff mittels eines Vlieses verkokungsfrei zu verdampfen.
Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, dass das Katalysatorgehäuse einerseits und das Verdichtergehäuse und/oder das Turbinengehäuse andererseits an zumindest einer Teilfläche in thermischem Kontakt stehen. Dies führt einerseits zu einer kompakten Bauweise, da der Turbolader mit integriertem Heizkatalysator kaum mehr Bauraum benötigt als ein bekannter Turbolader ohne die zusätzliche Funktionalität eines Heizkatalysators. Darüber hinaus können bereits in Benutzung befindliche Brennkraftmaschinen mit Turbolader in einfacher Weise mit der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung nachgerüstet werden, indem der vorhandene Turbolader gegen den erfindungsgemäßen Turbolader ausgetauscht wird. Somit kann zusätzliche Wärmeenergie in eine Abgasnachbehandlungseinrichtung eingebracht werden, ohne durch innermotorische Maßnahmen die Effizienz der Brennkraftmaschine zu reduzieren.
Weiterhin kann die bei Betrieb des Turboladers anfallende Abwärme dem Heizkatalysator zugeführt werden, sodass der Heizkatalysator selbst schneller auf Betriebstemperatur kommt. Hierdurch kann die Zufuhr elektrischer Hilfsenergie in den Heizkatalysator reduziert oder vollständig vermieden werden, sodass der Heizkatalysator verbrauchsoptimiert betrieben werden kann.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung enthält der Turbolader weiterhin einen ersten Überströmkanal mit einem ersten Ende und einem gegenüberliegenden zweiten Ende, wobei das erste Ende mit dem Abgaseingang des Turbinengehäuses verbunden ist und das zweite Ende mit dem Gaseinlass des Katalysatorgehäuses verbunden ist. Hierdurch ist es möglich, dem Heizkatalysator Abgas zuzuführen, welches einerseits thermische Energie in den Heizkatalysator einträgt, um dadurch die Umsetzung des Kraftstoffes am Katalysator zu ermöglichen oder zu befördern oder um Kraftstoff zu verdampfen, d. h. von dem flüssigen in den gasförmigen Zustand zu überführen. Darüber hinaus kann das Abgas als Oxidationsmittel eingesetzt werden, um den Kraftstoff zumindest teilweise zu oxidieren und dadurch Wärme freizusetzen. Hierzu eignet sich insbesondere sauerstoffreiches Abgas, welches sich beispielsweise bei magerem Betrieb (Luftzahl X> 1) einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine oder generell bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen einstellt.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Turbolader zumindest einen zweiten Überströmkanal mit einem ersten Ende und einem gegenüberliegenden zweiten Ende enthalten, wobei das erste Ende mit dem Frischluftauslass des Verdichtergehäuses verbunden ist und das zweite Ende mit dem Gaseinlass des Katalysatorgehäuses verbunden ist. Der zweite Überströmkanal dient somit dazu, dem Heizkatalysator Frischluft zuzuführen. Ebenso wie das Abgas kann auch die verdichtete Frischluft dazu eingesetzt werden, dem Heizkatalysator zusätzliche thermische Energie zuzuführen. Darüber hinaus eignet sich die Frischluft als Oxidationsmittel für den dem Heizkatalysator zugeführten Kraftstoff. Hierdurch kann eine Oxidation des Kraftstoffes unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine sichergestellt werden, da die Oxidation von der Zusammensetzung des Rohabgases unabhängig erfolgen kann.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Turbolader einen dritten Überströmkanal enthalten, welcher ein erstes Ende und ein gegenüberliegendes zweites Ende aufweist, wobei das erste Ende mit dem Gasauslass des Katalysatorgehäuses verbunden ist und das zweite Ende mit dem Abgasauslass des Turbinengehäuses verbunden ist. Der dritte Überströmkanal ist somit dazu geeignet und bestimmt, das im Heizkatalysator erzeugte Produktgas stromabwärts der Abgasturbine dem Abgasrohr zuzuführen. Wie bereits vorstehend beschrieben, kann das Produktgas ein Kraftstoffdampf sein oder einen solchen enthalten. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Produktgas ein Synthesegas sein oder ein Synthesegas enthalten, welches durch Umsetzung des Kraftstoffes am Heizkatalysator erhalten wird. In wiederum anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Produktgas ein Heißgas sein bzw. ein Heißgas enthalten, welches durch Oxidation des Kraftstoffes am Heizkatalysator erhalten wird. Da dem Heizkatalysator somit Abgas oder Frischluft auf vergleichsweise hohem Druckniveau vor der Abgasturbine zugeführt wird und das Produktgas des Heizkatalysators stromabwärts der Abgasturbine auf niedrigerem Druck zugeführt wird, ergibt sich durch den Druckabfall innerhalb der Abgasturbine zwanglos eine Durchströmung des Heizkatalysators mit Abgas oder Frischluft.
Es versteht sich von selbst, dass der erste, zweite oder dritte Überströmkanal nicht in allen Ausführungsformen der Erfindung vorhanden sein muss. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann nur einer oder nur zwei der genannten Überströmkanäle vorhanden sein.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der erste Überströmkanal und/oder der zweite Überströmkanal und/oder der dritte Überströmkanal zumindest abschnittsweise als Bohrung im Katalysatorgehäuse bzw. im Verdichtergehäuse oder im Turbinengehäuse ausgeführt sein. Eine solche Bohrung kann entweder durch spanende Bearbeitung oder beim Urformen des Gehäuses eingebracht werden. Hierdurch ergibt sich zum einen eine einfache Fertigung des erfindungsgemäßen Turboladers und ein mechanisch robuster Betrieb, da auf verschleißanfällige Kunststoff- oder Gummischläuche sowie Anschlussstellen von Schläuchen am Gehäuse verzichtet werden kann.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann am zweiten Ende des dritten Überströmkanals zumindest eine Düse angeordnet sein. Diese erlaubt es, das Produktgas des Heizkatalysators mit einer vorgebbaren Richtung und/oder einem vorgebbaren Impuls in den Abgasstrom einzubringen, sodass die Durchmischung des Produktgases mit dem Abgasstrom zusätzlich gefördert wird.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann im ersten Überströmkanal und/oder im zweiten Überströmkanal und/oder im dritten Überströmkanal ein Zwei-Wege-Ventil vorhanden sein. Ein solches Zwei-Wege-Ventil kann durch ein elektrisches Signal eines Steuergerätes beeinflusst werden, sodass die Strömung in dem jeweiligen Überströmkanal gesteuert oder geregelt werden kann. Hierdurch kann im Heizkatalysator je nach Betriebszustand Abgas oder Frischluft oder ein Gemisch aus Abgas und Frischluft zugeführt werden oder der Heizkatalysator kann durch Schließen zumindest eines Überströmkanals vollständig deaktiviert werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Überströmkanäle als Wastegate-Ventil verwendet werden, indem unzulässig hoher Ladedruck durch den Heizkatalysator in die Abgasleitung abgeführt oder Abgas an der Abgasturbine vorbeigeleitet wird. Auf ein zusätzliches Wastegateventil kann dadurch verzichtet werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Turbolader weiterhin ein Drei-Wege-Ventil enthalten, welches drei Ein-/Ausgänge aufweist, an welche der erste Überströmkanal und der zweite Überströmkanal und der Gaseinlass angeschlossen sind. Durch die Stellung des Drei-Wege-Ventils kann dem Heizkatalysator Frischluft oder Abgas oder eine Mischung aus Frischluft und Abgas zugeführt werden, sodass sich der Betriebszustand des Heizkatalysators mittels eines einzigen Ventils in einem weiten Umfang einstellen lässt. Durch Schließen des Drei-Wege-Ventils kann der Heizkatalysator außer Betrieb genommen werden, beispielsweise bei Volllast oder Volllast-nahen Betriebszuständen, welche keine zusätzlichen Aufheizmaßnahmen der Abgasnachbehandlung benötigen.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann zumindest ein Teil des Katalysatorgehäuses und entweder das Verdichtergehäuse oder das Turbinengehäuse einstückig gefertigt sein. Eine solche einstückige Fertigung kann insbesondere durch Urformen in einem Gießverfahren erfolgen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Fertigung der Gehäuse zumindest teilweise in einem 3D-Druckverfahren erfolgen. Hierdurch kann zumindest ein Teil des Katalysatorgehäuses und zumindest ein Teil des Verdichtergehäuses oder des Turbinengehäuses stoffschlüssig ausgeführt sein, sodass Wärme vom Verdichtergehäuse bzw. dem Turbinengehäuse verlustarm in den Heizkatalysator eingebracht werden kann. Raue und/oder nach längerem Betrieb oxidierte Kontaktflächen mit vergleichsweise hohem Wärmeübergangswiderstand können auf diese Weise vermieden werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann zumindest ein Teil des Katalysatorgehäuses und zumindest ein Teil des Verdichtergehäuses und zumindest ein Teil des Turbinengehäuses einstückig gefertigt sein. Hierdurch ergibt sich ein mechanisch robuster und kompakter Aufbau des gesamten Turboladers.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann durch den thermischen Kontakt zwischen dem Katalysatorgehäuse einerseits und dem Verdichtergehäuse bzw. dem Turbinengehäuse andererseits ein Wärmestrom von etwa 0,5 kW bis etwa 6 kW in den Heizkatalysator eingetragen werden. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der durch den thermischen Kontakt in den Heizkatalysator eingetragene Wärmestrom zwischen etwa 1 kW bis etwa 4 kW betragen. In wiederum anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Wärmeeintrag zwischen etwa 0,5 kW bis etwa 3 kW betragen. Die genannten Heizleistungen erlauben das effiziente Verdampfen und/oder Umsetzen von Kraftstoff im Heizkatalysator ohne zusätzliche elektrische Hilfsenergie. Die Brennkraftmaschine kann daher verbrauchsoptimiert betrieben werden.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Dabei zeigt

1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Turboladers in einer ersten Ansicht.
2 zeigt die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Turboladers in einer zweiten Ansicht.
3 zeigt die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Turboladers in einer dritten Ansicht.
4 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Turboladers in einer ersten Ansicht.
5 zeigt die zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Turboladers in einer zweiten Ansicht.
6 zeigt ein Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasnachbehandlungseinrichtung und einem erfindungsgemäßen Turbolader.

Anhand der 1 bis 3 wird eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Turboladers erläutert. Der Turbolader 1 enthält eine Verdichteranordnung 2, welche zur Verdichtung der zur Verbrennung erforderlichen Frischluft einer Brennkraftmaschine eingerichtet ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Verdichteranordnung 2 als Radialverdichter ausgeführt. Die Verdichteranordnung 2 weist einen Frischlufteingang 201 auf, welcher dazu eingerichtet ist, Umgebungsluft mit einem ersten Druck anzusaugen. Weiterhin weist die Verdichteranordnung 2 einen Frischluftauslass 202 auf, welcher dazu eingerichtet ist, die verdichtete Frischluft mit einem zweiten Druck abzugeben. Der Frischluftauslass 202 kann sodann mit der Ansaugbrücke einer Brennkraftmaschine verbunden werden und die zur Verbrennung des Kraftstoffes in der Brennkraftmaschine erforderliche Frischluft der Brennkraftmaschine mit erhöhtem Druck zuzuführen.
Zum Antrieb der Verdichteranordnung dient eine Abgasturbine 3 mit zumindest einem Turbinengehäuse 30. Das Turbinengehäuse 30 weist einen Abgaseingang 301 und einen Abgasauslass 302 auf, wobei im Turbinengehäuse 30 zumindest ein Turbinenrad angeordnet ist. Auch die Abgasturbine ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als Radialturbine ausgeführt, d. h. der Abgaseingang 301 und der Abgasauslass 302 sind in etwa rechtwinklig zueinander angeordnet.
Das Turbinengehäuse 30 und das Verdichtergehäuse 20 können in einigen Ausführungsformen der Erfindung einstückig hergestellt sein, beispielsweise als Gussteil oder in einem 3D-Druckverfahren. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können die Gehäuse mehrteilig ausgeführt sein bzw. separiert und mittels Schraubverbindungen miteinander verbunden sein.
In den 1 bis 3 ist weiterhin ein Heizkatalysator 4 dargestellt. Der Heizkatalysator 4 weist ein Gehäuse 40 mit einer in etwa zylindrischen Grundform auf. An der Unterseite des Gehäuses 4 befindet sich ein Gaseinlass 401, durch welchen dem Heizkatalysator 4 Abgas und/oder Frischluft zugeführt werden kann. Weiterhin weist der Heizkatalysator 4 zumindest einen Kraftstoffeinlass 403 auf. Über den Kraftstoffeinlass 403 kann ein gasförmiger oder flüssiger Brennstoff zugeführt werden, meist Benzin oder Diesel. Der Kraftstoff kann in der vorstehend beschriebenen Weise mit dem über dem Gaseinlass 401 zugeführten Abgas bzw. der Frischluft vollständig oder teilweise umgesetzt werden. Das im Heizkatalysator 4 auf diese Weise erzeugte Produktgas verlässt den Heizkatalysator 4 über den Gasauslass 402.
Weiterhin ist in den 1 bis 3 ein Haltewinkel 43 erkennbar, welcher aus einem thermisch leitfähigen Material gefertigt sein kann, beispielsweise einem Metall oder einer Legierung. Der Haltewinkel ist dazu eingerichtet, das Katalysatorgehäuse 40 des Heizkatalysators 4 mechanisch zu fixieren. Ein dem Katalysatorgehäuse 40 abgewandtes Ende des Haltewinkels 43 ist in mechanischem und thermisch leitfähigem Kontakt mit dem Turbinengehäuse 30. Bei Betrieb des Turboladers wird das Turbinengehäuse 30 von heißem Abgas durchströmt. Hierdurch heizt sich das Turbinengehäuse 30 auf. Die Wärme wird durch Konvektion und Strahlung teilweise an die Umgebung abgegeben. Ein Teil der in das Turbinengehäuse 30 eingetragenen Wärme fließt jedoch über den Haltewinkel 43 und die zwischen dem Katalysatorgehäuse 40 und dem Haltewinkel 43 ausgebildete Teilfläche 45 in den Heizkatalysator 4. Hierzu kann das Katalysatorgehäuse 40 zumindest teilweise aus einem thermisch leitfähigen Material gefertigt sein, beispielsweise einem Metall oder einer Legierung. Auf diese Weise kann der Heizkatalysator 4 ohne oder mit reduzierter Zufuhr elektrischer Hilfsenergie auf eine erhöhte Temperatur gebracht werden, bei welcher die Umsetzung des Kraftstoffes mit Frischluft oder Abgas erfolgen kann.
Wie in den Figuren weiter ersichtlich ist, kann das Katalysatorgehäuse 40 darüber hinaus weitere Anschlüsse 41 aufweisen. Hierüber können Temperatursensoren oder elektrische Heizeinrichtungen angeschlossen sein. Optional kann mehr als ein Kraftstoffeinlass 403 vorhanden sein, um eine homogenere Verteilung des Kraftstoffes innerhalb des Heizkatalysators 4 zu ermöglichen.
Wie in den 1 und 2 weiter ersichtlich ist, enthält der Turbolader gemäß der vorliegenden Erfindung weiterhin einen ersten Überströmkanal 15 mit einem ersten Ende 151 und einem zweiten Ende 152. Das erste Ende 151 ist mit dem Abgaseingang 301 des Turbinengehäuses 30 verbunden. Auf diese Weise kann der aus der Brennkraftmaschine mit vergleichsweise hohem Druck, beispielsweise etwa 3,5 bis etwa 5 bar, austretende Abgasstrom zumindest teilweise entnommen und dem Heizkatalysator 4 zugeführt werden. Hierzu ist das zweite Ende 152 des ersten Überströmkanals 15 mit dem Gaseinlass 401 des Katalysatorgehäuses 40 verbunden. Im Überströmkanal 15 kann sich ein optionales, in den Figuren nicht dargestelltes Zwei-Wege-Ventil befinden, mit welchem die dem Heizkatalysator 4 zugeführte Abgasmenge kontrolliert werden kann.
Weiterhin enthält der Turbolader gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung einen dritten Überströmkanal 35 mit einem ersten Ende 351 und einem gegenüberliegenden zweiten Ende 352. Dabei ist das erste Ende 351 mit dem Gasauslass 402 des Katalysatorgehäuses 40 verbunden. Das zweite Ende 352 mündet mit einer optionalen Düse 353 stromabwärts des Turbinenrades im Turbinengehäuse 30. Stromabwärts des Turbinenrads stellt sich zum einen ein niedrigerer Druck ein, da das Turbinenrad Energie aus dem Abgasstrom entnimmt. Darüber hinaus verursacht das Turbinenrad Turbulenzen und dadurch eine gute Durchmischung des im Heizkatalysator 4 generierten Produktgases mit dem Hauptabgasstrom. Durch die Druckdifferenz ergibt sich eine definierte Durchströmung des Heizkatalysators 4 mit Abgas. Gleichzeitig weist der erfindungsgemäße Turbolader eine kompakte Bauweise auf, welche Bauraum einspart und eine Nachrüstung bestehender Brennkraftmaschinen in einfacher Weise ermöglicht.
Anhand der 4 und 5 wird eine zweite Ausführungsform der Erfindung näher erläutert. Gleiche Bestandteile der Erfindung sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass sich die nachfolgende Beschreibung auf die wesentlichen Unterschiede der Erfindung beschränkt.
Wie aus 4 ersichtlich ist, verzichtet die zweite Ausführungsform auf einen Haltewinkel 43 zur mechanischen und thermischen Kopplung des Turbinengehäuses 30 und des Katalysatorgehäuses 40. Gemäß der zweiten Ausführungsform ist das Katalysatorgehäuse 40 zweiteilig ausgeführt mit einem Unterteil 422 und einem Oberteil 421. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Unterteil 422 des Katalysatorgehäuses 40 einstückig zusammen mit dem Turbinengehäuse 30 gefertigt, d. h. beim Urformen des Turbinengehäuses 30 in einem Metallgussverfahren wird das Unterteil 422 im selben Verfahrensschritt als homogener Bestandteil des Turbinengehäuses 30 mitgefertigt.
Durch die einstückige bzw. monolithische Fertigung des Unterteils 422 des Katalysatorgehäuses 40 und des Turbinengehäuses 30 ergibt sich an der Teilfläche 45, welche eine thermische Kopplung der beiden Bauteile bewirkt, keine Grenzfläche, welche durch Unebenheiten, Verschmutzungen oder Oxidation den Wärmeübergang behindert. Der Wärmeeintrag vom Turbinengehäuse 30 in das Katalysatorgehäuse 40 kann dadurch homogener und/oder effektiver erfolgen. Eine solche stoffschlüssige Verbindung von zumindest einem Teil des Katalysatorgehäuses und dem Turbinengehäuse kann in anderen Ausführungsformen der Erfindung auch durch Löten, Schweißen oder 3D-Druck erfolgen.
Im Falle der monolithischen Fertigung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung können auch die Überströmkanäle 15, 25 und 35 in einfacher Weise durch Ausnehmungen bzw. Bohrungen im Gehäuse hergestellt werden. Darüber hinaus können in das Gehäuse auch Zwei- oder Drei-Wege-Ventile integriert werden, welche die Zufuhr von Abgas oder Frischluft einerseits und die Abfuhr von Produktgas andererseits beeinflussen können, um die Betriebsparameter des Heizkatalysators 4 an vorgebbare Sollbedingungen anzupassen.
6 zeigt ein Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine 7 mit einer Abgasnachbehandlungseinrichtung 72, 73 und 74 und einem erfindungsgemäßen Turbolader. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist die Verdichteranordnung 2, die Abgasturbine 3 und der Heizkatalysator 4 in 6 räumlich getrennt dargestellt. Dem Fachmann ist selbstverständlich geläufig, dass diese Bestandteile der Erfindung zusammenwirken, wie vorstehend anhand der 1 bis 5 beschrieben.
Die Brennkraftmaschine 7 kann eine selbstzündende oder eine fremdgezündete Brennkraftmaschine sein. Die Brennkraftmaschine 7 ist dazu eingerichtet, durch Verbrennung von Kraftstoff mit Umgebungsluft mechanische Leistung bereitzustellen. Die Brennkraftmaschine 7 kann in einem PKW, einm LKW, einem Schiff, einer Baumaschine oder stationär in einem Kompressor, einem Generator, einem Blockheizkraftwerk oder einem ähnlichen Gerät eingesetzt werden.
Bei Betrieb wird der Brennkraftmaschine 7 Frisch- bzw. Umgebungsluft über einen Luftfilter 77 zugeführt. Die Frischluft wird in der Verdichteranordnung 2 auf ein höheres Druckniveau gebracht. Hierzu wird die Frischluft dem Frischlufteingang 201 zugeführt, mit einem Verdichterrad verdichtet und sodann über den Frischluftauslass 202 der Brennkraftmaschine 7 zugeführt.
Der Antrieb der Verdichteranordnung erfolgt über eine rotierende Welle 8, deren Antriebsleistung von einer Abgasturbine 3 bereitgestellt wird. Hierzu wird das Abgas der Brennkraftmaschine 7 über den Abgaseingang 301 in die Abgasturbine eingeleitet. Das Abgas verlässt die Abgasturbine 3 sodann über einen Abgasauslass 302.
Das Abgas wird sodann über ein Abgasrohr 71 einer Abgasnachbehandlungseinrichtung zugeführt, welche Rußpartikel und gasförmige Schadstoffe reduzieren kann. Im dargestellten Ausführungsbeispiel enthält die Abgasnachbehandlungseinrichtung einen Oxidationskatalysator 72, welcher dazu eingerichtet ist, Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid zu oxidieren. Das solchermaßen vorbehandelte Abgas gelangt in einen Partikelfilter 73, welcher Feinstäube zurückhält. Sodann wird das Abgas in einen SCR-Katalysator 74 geleitet, welcher Stickoxide unter Zusatz von Harnstoff reduziert. Zur Steuerung bzw. Regelung des Heizkatalysators 4 und der Brennkraftmaschine 7 können Abgastemperaturen unter Einsatz verschiedener Temperatursensoren TIA an unterschiedlichen Stellen gemessen werden.
Der Oxidationskatalysator 72 und der SCR-Katalysator 74 benötigen zu ihrem Betrieb erhöhte Temperaturen von beispielsweise mehr als 250°C. Der Partikelfilter 73 ist auch bei niedrigen Temperaturen funktionsfähig, muss jedoch von Zeit zu Zeit mit erhöhten Temperaturen betrieben werden, um eingelagerte Partikel zu oxidieren und den Partikelfilter auf diese Weise zu regenerieren. Es besteht somit ein Bedürfnis, das im Abgasrohr 71 strömende Abgas auf vorgebbare Temperaturen zu bringen bzw. auf erhöhten Temperaturen zu halten. Dies kann nach dem Stand der Technik durch entsprechende Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine 7 erfolgen, beispielsweise durch Spät- oder Nacheinspritzungen. Hierdurch wird jedoch das Abgasverhalten verschlechtert und der Brennstoffbedarf der Brennkraftmaschine 7 erhöht.
Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, einen Heizkatalysator 4 einzusetzen, welcher dazu eingerichtet ist, Wärme in zumindest eine Komponente 72, 73, 74 der Abgasnachbehandlungseinrichtung einzubringen. Hierzu wird dem Heizkatalysator 4 aus einem Vorratstank 74 über eine elektrisch angetriebene Pumpe 46 Kraftstoff zugeführt, welcher in das Katalysatorgehäuse 40 des Heizkatalysators 4 über einen Kraftstoffeinlass 403 eintritt. Innerhalb des Katalysatorgehäuses 4 ist ein Katalysatorträger angeordnet, welcher mit einem Katalysatormaterial beschichtet ist.
Der über den Kraftstoffeinlass 403 eintretende Kraftstoff kann im einfachsten Fall im Heizkatalysator 4 verdampft werden und das Katalysatorgehäuse 4 über den Gasauslass 402 verlassen. Mittels eines dritten Überströmkanals 35 mit einem ersten Ende 351 und einem gegenüberliegenden zweiten Ende 352 kann dieser Kraftstoffdampf in das Abgasrohr 71 eingebracht werden, wobei die von der Abgasturbine 3 erzeugte Turbulenz für eine effektive Vermischung sorgt. Der Kraftstoffdampf kann sodann am Oxidationskatalysator 72 und/oder einer nachgelagerten Komponente 73 oder 74 oxidiert werden und dort Wärme freisetzen.
In anderen Betriebszuständen kann der Kraftstoff im Heizkatalysator 4 mit Abgas und/oder Frischluft umgesetzt werden, sodass sich entweder ein Heißgas oder ein Synthesegas bildet, welches dem Abgasrohr 71 über den dritten Überströmkanal 35 in gleicher Weise zugeführt werden kann. Auch ein Synthesegas kann am Oxidationskatalysator 72 oder einer nachfolgenden Komponente 73, 74 umgesetzt werden, wobei die Light-Off-Temperatur gegenüber verdampftem, aber chemisch unverändertem Kraftstoff reduziert sein kann.
Um den Kraftstoff mit Abgas oder Frischluft umzusetzen, enthält der Heizkatalysator 4 weiterhin einen Gaseinlass 401. Der Gaseinlass 401 ist über ein Drei-Wege-Ventil 53 mit einem ersten Überströmkanal 15 und einem zweiten Überströmkanal 25 verbunden. Der erste Überströmkanal 15 ist mit seinem ersten Ende 151 am Gaseingang 301 der Abgasturbine 3 verbunden, sodass Abgas auf vergleichsweise hohem Druckniveau entnommen und einem Anschluss des Drei-Wege-Ventils 53 zugeführt werden kann. Weiterhin enthält die dargestellte Ausführungsform einen zweiten Überströmkanal 25, dessen erstes Ende 251 mit dem Frischluftauslass 202 der Verdichteranordnung 2 verbunden ist. Das gegenüberliegende zweite Ende 252 ist mit einem weiteren Anschluss des Drei-Wege-Ventils 53 verbunden. Je nach Stellung des Drei-Wege-Ventils 53 kann somit Frischluft oder Abgas oder beides über den Gaseinlass 401 in das Katalysatorgehäuse 40 des Heizkatalysators 4 zugeführt werden. Durch die Stellung des Drei-Wege-Ventils 53 kann somit der Sauerstoffgehalt im Heizkatalysator 4 eingestellt werden, sodass die Art der Umsetzung des zugeführten Kraftstoffes beeinflusst werden kann.
Sowohl die Umsetzung des Kraftstoffes im Heizkatalysator 4 als auch die bloße Verdampfung erfordern thermische Energie. Diese kann einerseits durch zumindest teilweise Oxidation des Kraftstoffes im Heizkatalysator 4 erzeugt werden. Darüber hinaus kann diese Energie jedoch erfindungsgemäß auch durch thermische Kopplung des Heizkatalysators 4 an die Abgasturbine 3 und/oder die Verdichteranordnung 2 realisiert werden.
Zur Ansteuerung der zugeführten Kraftstoffmenge und des Drei-Wege-Ventils 53 und gegebenenfalls weiterer Komponenten des Heizkatalysators 4 steht eine elektronische Steuer- oder Regeleinrichtung 76 zur Verfügung. Diese kann optional über einen Datenbus mit der Motorsteuerung 75 verbunden werden, um auf diese Weise auch die Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine 7 bei der Ansteuerung des Heizkatalysators 4 zu berücksichtigen.
Die vollständige Integration des Heizkatalysators 4 in den AbgasTurbolader ermöglicht darüber hinaus, zusätzliche Komponenten einzusparen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel kann das Drei-Wege-Ventil 53 auch dazu eingesetzt werden, ein Wastegate-Ventil zu ersetzen. Hierzu kann bei unzulässigem Ansteigen des Druckes am Frischluftauslass 202 die Kraftstoffzufuhr zum Heizkatalysator 4 unterbrochen und das Drei-Wege-Ventil 53 geöffnet werden, sodass Abgas durch den Heizkatalysator 4 von der Hochdruckseite der Abgasturbine 3 zur Niederdruckseite strömt, ohne dass zusätzliche Wärme erzeugt wird.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Ansprüche und die vorstehende Beschreibung „erste“ und „zweite“ Ausführungsformen definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Ausführungsformen, ohne eine Rangfolge festzulegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2020193595 A1 [0005]

Claims

Turbolader (1) mit einer Verdichteranordnung (2), welche zur Verdichtung der Frischluft einer Brennkraftmaschine eingerichtet ist, enthaltend zumindest ein Verdichtergehäuse (20) mit einem Frischlufteingang (201) und einem Frischluftauslass (202), wobei in dem Verdichtergehäuse (20) zumindest ein Verdichterrad angeordnet ist, sowie mit zumindest einer Abgasturbine (3) zum Antrieb der Verdichteranordnung (2), mit zumindest einem Turbinengehäuse (30) mit einem Abgaseingang (301) und einem Abgasauslass (302), wobei in dem Turbinengehäuse (30) zumindest ein Turbinenrad angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbolader (1) weiterhin einen Heizkatalysator (4) enthält, welcher dazu eingerichtet ist, zugeführten Kraftstoff mit Frischluft und/oder Abgas zumindest teilweise umzusetzen, wobei der Heizkatalysator (4) ein Katalysatorgehäuse (40) mit einem Gaseinlass (401) und einen Gasauslass (402) und einem Kraftstoffeinlass (403) enthält, wobei das Katalysatorgehäuse (40) einerseits und das Verdichtergehäuse (20) und/oder das Turbinengehäuse (30) andrerseits an zumindest einer Teilfläche (45) in thermischem Kontakt stehen.
Turbolader nach Anspruch 1, weiterhin enthaltend einen ersten Überströmkanal (15) mit einem ersten Ende (151) und einem gegenüberliegenden zweiten Ende (152), wobei das erste Ende (151) mit dem Abgaseingang (301) des Turbinengehäuses (30) verbunden ist und das zweite Ende (152) mit dem Gaseinlass (401) des Katalysatorgehäuses (40) verbunden ist.
Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 2, weiterhin enthaltend einen zweiten Überströmkanal (25) mit einem ersten Ende (251) und einem gegenüberliegenden zweiten Ende (252), wobei das erste Ende (251) mit dem Frischluftauslass (202) des Verdichtergehäuses (20) verbunden ist und das zweite Ende (252) mit dem Gaseinlass (401) des Katalysatorgehäuses (40) verbunden ist.
Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiterhin enthaltend einen dritten Überströmkanal (35) mit einem ersten Ende (351) und einem gegenüberliegenden zweiten Ende (352), wobei das erste Ende (351) mit dem Gasauslass (402) des Katalysatorgehäuses (40) verbunden ist und das zweite Ende (352) mit dem Abgasauslass (302) des Turbinengehäuses (30) verbunden ist.
Turbolader nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass am zweite Ende (352) des dritten Überströmkanals (35) zumindest eine Düse (353) angeordnet ist.
Turbolader nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Überströmkanal (15) und/oder im zweiten Überströmkanal (25) und/oder im dritten Überströmkanal (35) ein 2-Wegeventil (52) vorhanden ist.
Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiterhin enthaltend ein 3-Wegeventil (53) mit drei Ein-/Ausgängen, an welche der erste Überströmkanal (15) und der zweite Überströmkanal (25) und der Gaseinlass (401) angeschlossen sind.
Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil (421, 422) des Katalysatorgehäuses (40) und entweder das Verdichtergehäuse (20) oder das Turbinengehäuse (30) einstückig gefertigt sind
Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil (42) des Katalysatorgehäuses (40) und das Verdichtergehäuse (20) und das Turbinengehäuse (30) einstückig gefertigt sind.
Turbolader nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Überströmkanal (15) und/oder der zweite Überströmkanal (25) und/oder der dritte Überströmkanal (35) zumindest abschnittsweise als Bohrung im Katalysatorgehäuse (40) und/oder im Verdichtergehäuse (20) und/oder im Turbinengehäuse (30) ausgeführt ist.
Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass durch den thermischen Kontakt zwischen dem Katalysatorgehäuse (40) einerseits und dem Verdichtergehäuse (20) und/oder dem Turbinengehäuse (30) andrerseits ein Wärmestrom von etwa 0,5 kW bis etwa 6 kW oder von etwa 1 kW bis etwa 4 kW oder von etwa 0,5 kW bis etwa 3 kW in das Katalysatorgehäuse (40) eintragbar ist, wenn das Turbinengehäuse (30) von Abgas durchströmt wird.
Turbolader nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Katalysatorgehäuse (40) und zumindest entweder das Verdichtergehäuse (20) oder das Turbinengehäuse (30) als Gußteil gefertigt sind.
Verfahren zur Modifikation einer Brennkraftmaschine mit einem Turbolader, aufweisend folgende Verfahrensschritte: Ausbau des vorhandenen Turboladers und Einbau eines Turboladers nach einem der Ansprüche 1 bis 12.