-
Die Erfindung betrifft eine Anordnung einer Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Abgaskrümmern zum Steuern eines Abgasstroms sowie ein Verfahren zum Steuern des Abgasstroms.
-
Turbolader von Brennkraftmaschinen weisen eine durch Abgas der Brennkraftmaschine angetriebene Turbine und einen über eine Welle mit der Turbine verbundenen Kompressor zum Erhöhen des Ladedrucks der Verbrennungsluft auf. Auf dem Weg zwischen Brennkraftmaschine und der Turbine wird jedoch wertvolle Energie des Abgases an Gehäuse und Verrohrung von Brennkraftmaschine und Abgaskrümmer angegeben. Auch wird Wärme an den Turbolader abgegeben, die dann nicht für den Betrieb von katalytischen aktiven Einrichtungen zur Nachbehandlung des Abgases genutzt werden kann. Das ist zumindest während des Erwärmens der Brennkraftmaschine nach einem Betriebsstart ein Problem, weil die katalytisch aktiven Einrichtungen nicht auf ihre Betriebstemperatur kommen und daher ineffizient sind.
-
Weiterhin stellt eine Turbine ein Hindernis für den Abgasfluss dar, das einen Gegendruck auf Auslassöffnungen eines Zylinders der Brennkraftmaschine ausüben kann. Das erfordert wiederum mehr Arbeit eines entsprechenden Kolbens der Brennkraftmaschine, um sämtliches Abgas aus dem Zylinder zu treiben.
-
Es besteht die Aufgabe, die Abgasenergie effizienter zu verwerten.
-
Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung gemäß Anspruch 1, eine Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 5 und ein Verfahren gemäß Anspruch 6 gelöst. Weitere vorteilhaft Ausführungsformen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, den Figuren und den Ausführungsbeispielen. Die Ausführungsformen der Erfindung sind in vorteilhafter Weise kombinierbar.
-
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Anordnung einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, der mit einem Abgastrakt verbunden ist, in dem mindestens eine Abgasturbine mit einer Bypassleitung und mindestens eine Einrichtung zur Abgasnachbehandlung angeordnet sind. Der Zylinder weist mindestens ein erstes, mit einem ersten Abgaskrümmer verbundenes Auslassventil und mindestens ein zweites, mit einem zweiten Abgaskrümmer verbundenes Auslassventil auf.
-
Das erfindungsgemäße Konzept mit zwei verschiedenen Auslassventilen zugeordneten Abgaskrümmern erlaubt vorteilhaft eine effiziente Nutzung der Abgasenergie. Der größte Teil der Abgasenergie ist in einem ersten Abgasimpuls enthalten, der direkt nach dem Öffnen eines Auslassventils aus dem Zylinder einer Brennkraftmaschine strömt. Dieser erste Abgasimpuls erfordert wenig Arbeit des Kolbens des Zylinders. Um den Rest des Abgases, das verglichen mit dem ersten Abgasimpuls weniger Energie enthält, aus dem Zylinder zu treiben, muss mehr Arbeit durch den Kolben aufgewendet werden. Diese Arbeit kann wesentlich reduziert werden, indem der erste, energiereiche, Teil des Abgases zur Turbine geleitet wird und der zweite, energiearme, Teil des Abgases an der Turbine vorbei zu dem stromabwärts der Turbine gelegenen Teil des Abgastrakts geleitet wird. Zudem kann der Rückstau von Abgas zum Zylinder durch die Turbine reduziert werden, was den Arbeitsaufwand des Kolbens ebenfalls reduziert. Zum Aufwärmen von katalytische aktiven Abgasnachbehandlungseinrichtungen im Abgastrakt stromabwärts der Turbine kann bedarfsweise mehr Abgas an der Turbine vorbeigeleitet werden. Die erfindungsgemäße Anordnung reduziert damit den Energieaufwand und erhöht damit den Wirkungsgrad einer entsprechenden Brennkraftmaschine.
-
Vorzugsweise sind in der erfindungsgemäßen Anordnung der erste Abgaskrümmer unmittelbar mit der Turbine und der zweite Abgaskrümmer unmittelbar mit der Bypassleitung verbunden. Durch den ersten Krümmer wird energiereiches Abgas zur Turbine geleitet, und durch den zweiten Krümmer energiearmes Abgas an der Turbine vorbei.
-
Vorzugsweise sind in der erfindungsgemäßen Anordnung das erste und das zweite Ventil durch einen variablen Ventiltrieb ansteuerbar. Die Kombination zweier Abgaskrümmer mit einem variablen Ventiltrieb ermöglicht vorteilhaft eine Bypass-Funktionalität der Turbine, da ein primärer Abgasfluss (vom ersten, energiereichen Abgas pro Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine) zur Turbine und ein sekundärer Abgasfluss (vom zweiten (restlichen), energiearmen Abgas pro Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine) an der Turbine vorbei direkt zu katalytisch aktiven Einrichtungen im stromabwärts der Turbine gelegenen Teil des Abgastrakts geleitet werden kann. Zu diesem Zweck können mit dem variablen Ventiltrieb die Öffnungszeiten der Auslassventile und/oder das Öffnungsprofil der Auslassventile gesteuert werden, die mit dem einen Abgaskrümmer verbunden sind, und zwar relativ zu den Auslassventilen, die mit dem anderen Abgaskrümmer verbunden sind. Es ist auch möglich, bedarfsweise die dem einen Krümmer zugeordneten Auslassventile gar nicht und nur die dem anderen Krümmer zugeordneten zu öffnen, so dass Abgas ausschließlich nur durch einen Krümmer fließt.
-
Vorzugsweise ist in der erfindungsgemäßen Anordnung die Turbine mindestens teilweise in den Zylinderkopf des Zylinders integriert. Der betreffenden Abgaskrümmer ist dabei ebenfalls in den Zylinderkopf integriert. Diese Art der Anordnung der Turbine erhöht die Effizienz des Turbinenantriebs durch das Abgas, weil die Turbine einen höheren Abgasimpuls erhält (weniger Abgasenergie geht auf dem Weg verloren), weniger Platz benötigt wird und Kosten reduziert werden können (kein extra Gehäuse für die Turbine wird benötigt). Zudem kann die Turbine bedarfsweise über eine Zylinderkopfkühlung gekühlt werden.
-
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Anordnung mit einer erfindungsgemäßen Anordnung. Die Vorteile des Kraftfahrzeugs entsprechen den Vorteilen der erfindungsgemäßen Anordnung.
-
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Abgasstroms einer Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Anordnung, bei der durch ein variables Steuern des Öffnens und Schließens des ersten und zweiten Auslassventils Abgas von der Brennkraftmaschine direkt zur Turbine und/oder direkt zu der Einrichtung zur Abgasnachbehandlung geleitet wird, mit den Schritten:
- - Betreiben der Brennkraftmaschine,
- - Erfassen des Abgasbedarfs der Turbine und der Einrichtung zur Abgasnachbehandlung,
- - Einstellen von Öffnungszeiten und Hub der Auslassventile in Bezug auf den Abgasbedarf.
-
Die Vorteile des Verfahrens entsprechen den Vorteilen der erfindungsgemäßen Anordnung.
-
Vorzugsweise wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren eine variable Ventilsteuerung durch eine Steuerungseinrichtung der Phaseneinstellung einer Nockenwelle bereitgestellt. Damit können die Auslassventile, die dem einen Krümmer zugeordnet sind, zeitverstellt zu den Auslassventilen geöffnet werden, die dem anderen Krümmer zugeordnet sind.
-
Alternativ ist es bevorzugt, wenn die variable Ventilsteuerung mittels eines schaltbaren Ventilprofilsystems bereitgestellt wird. Damit können die Öffnungszeiten der Auslassventile ebenfalls bedarfsweise variiert werden bzw. ein Öffnen von einem der Krümmer zugeordneten Auslassventilen auch ganz unterdrückt werden, so dass Abgas nur durch den anderen Krümmer fließt.
-
Vorzugsweise wird ein Mehrbedarf an Abgasvolumen für den Turbinenantrieb durch ein Frühverstellen des variablen Ventiltriebs gesteuert. Durch ein Frühverstellen wird ein höherer Abgasimpuls erzeugt, der vorteilhaft zum Antreiben der Turbine genutzt werden kann. Dabei werden die Ventile auf früh verstellt, die dem zur Turbine führenden Krümmer zugeordnet sind.
-
Vorzugsweise wird ein Mehrbedarf an heißem Abgas für den Betrieb der Einrichtung zur Abgasnachbehandlung durch ein Spätverstellen des variablen Ventiltriebs gesteuert wird. Durch ein Spätverstellen wird weniger Abgasimpuls erzeugt, aber dafür mehr heißes Abgas, das vorteilhaft für den Betrieb von im Abgastrakt angeordneten katalytisch aktiven Einrichtungen genutzt werden kann. Dabei werden die Ventile auf spät verstellt, die dem Bypass der Turbine zugeordnet sind.
-
Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung mit externer Turbine.
- 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung mit integrierter Turbine.
- 3 Diagramme zum Darstellen von verschiedenen Einstellungen des Ventilhubs und der Kurbelwinkellage.
- 4 ein Fließdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
In 1 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung 1 gezeigt. Die Anordnung 1 umfasst eine Brennkraftmaschine 10. Die Brennkraftmaschine 10 ist mit einem Ansaugtrakt 20 zum Zuleiten von Verbrennungsluft und mit einem Abgastrakt 30 zum Ableiten von Abgas verbunden. Die Brennkraftmaschine 10 kann fremdgezündet oder selbstgezündet sein. Im Abgastrakt 30 ist eine Turbine 11 eines Turboladers angeordnet. Die Turbine 11 ist über eine Welle 12 mit einem im Ansaugtrakt 20 angeordneten Kompressor 13 verbunden.
-
Die Brennkraftmaschine 10 weist vier in Reihe angeordnete Zylinder 40 auf. die Brennkraftmaschine 10 ist in Draufsicht dargestellt, so dass die Zylinderköpfe der Zylinder 40 zu sehen sind. Jeder Zylinderkopf weist eine erstes Einlassventil 41, ein zweites Einlassventil 42, ein erstes Auslassventil 43 und ein zweites Auslassventil 44 auf. Die Einlassventile 41, 42 sind mit dem Ansaugtrakt verbunden. Das erste Auslassventil 43 ist mit einem ersten Abgaskrümmer 31 verbunden. Das zweite Auslassventil 44 ist mit einem zweiten Abgaskrümmer 32 verbunden.
-
Der erste Abgaskrümmer 31 ist mit der Turbine 11 verbunden. Auf diese Weise kann Abgas von den ersten Ventilen 41 zur Turbine geleitet werden. Der zweite Abgaskrümmer 32 ist mit einer an der Turbine 11 vorbeiführenden Bypassleitung 33 verbunden, die sich stromabwärts der Turbine 11 mit einer von der Turbine kommenden Turbinenabgasleitung 34 zum Abgastrakt 30 vereinigt. Beide Abgaskrümmer sind im Gehäuse der Brennkraftmaschine 10 integriert.
-
Zum Betätigen der Abgasventile weist die Brennkraftmaschine 10 eine Nockenwelle 14 auf. Die Nockenwelle 14 wird von einer Steuerungseinrichtung 15 gesteuert, die die Verschiebung der Phasen berechnet und die Nockenwelle 14 entsprechend einstellt.
-
In 2 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung 1 dargestellt. Die Anordnung 1 entspricht weitgehend der Anordnung 1 von 1, mit dem Unterschied, dass die Turbine 11 hier im ersten Abgaskrümmer 31 und mit diesem zusammen auch im Gehäuse der Brennkraftmaschine 10 integriert ist. Das Abgas strömt hier in räumlicher Nähe direkt nach dem Auslass aus den ersten Auslassventilen 41 in die Turbine 11. Stromabwärts der Turbine 11 führt die Abgasleitung 34 durch das Gehäuse der Brennkraftmaschine 10 aus diesem heraus und vereinigt sich mit dem zweiten Abgaskrümmer 32 zum Abgastrakt 30.
-
Der entsprechende mit der Turbine 11 verbundene Kompressor 13 ist extern seitlich vom Gehäuse der Brennkraftmaschine 10 angeordnet. Die integrierte Turbine 11 und der externe Kompressor 13 können als ein Modul bereitgestellt werden, das zum Teil in einen Zylinderkopf integriert und an diesem angeordnet ist.
-
In einem Verfahren zum Steuern eines Abgasstroms der Brennkraftmaschine 10 werden die Auslassventile mittels der Nockenwelle 14 entsprechend betätigt. Die Öffnungszeiten und der Hub der Auslassventile 43, 44 werden in Bezug auf den Abgasbedarf gesteuert. In 3 sind verschiedene Hub und Öffnungszeiten in den Diagrammen a - h zum Veranschaulichen dargestellt. Dabei entspricht die durchgezogene Linie dem ersten Auslassventil 43 und die gestrichelte Linie dem zweiten Auslassventil 44.
-
Gemäß dem Fließdiagramm von 4 wird in einem ersten Schritt S1 die Brennkraftmaschine 10 in Betrieb genommen, so dass sie durch die Verbrennung von Kraftstoff Abgas produziert. In einem zweiten Schritt S2 wird der Abgasbedarf der Turbine 11 und mindestens einer Einrichtung zur Abgasnachbehandlung erfasst.
-
In einem dritten Schritt S3 werden die Öffnungszeiten und der Hub der Auslassventile 43, 44 in Bezug auf den Abgasbedarf gesteuert. Gemäß 1 und 2 werden die Auslassventile mittels der durch die Steuerungseinrichtung 15 gesteuerten Nockenwelle 14 entsprechend betätigt. Bei einer gleichmäßigen Verteilung des Abgases auf Turbine und Abgasleitung entspricht die Ventilhubverteilung z.B. 3a.
-
Wird bei einer Leistungsanforderung eine hohe Verdichtungsleistung durch den Kompressor 13 benötigt, wird vor allem Abgas über die ersten Auslassventile 43 ausgestoßen und über den ersten Abgaskrümmer 21 zur Turbine 11 geleitet. Dazu können in einer Ausführungsform des Verfahrens die zweiten Auslassventile 44 vollständig geschlossen bleiben, so dass sämtliches Abgas zur und damit durch Turbine 11 in den Abgastrakt 10 geleitet wird (3g). In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden die Öffnungszeiten der Auslassventile 43, 44 auf früh verstellt, so dass mehr energiereiches Abgas produziert wird (3c, 3e und 3f).
-
Ist die Brennkraftmaschine 10 gerade gestartet und wird viel warmes Abgas benötigt, damit (nicht gezeigte) katalytisch aktive Einrichtungen im Abgastrakt 10 auf Betriebstemperatur kommen, wird vor allem Abgas über die zweiten Auslassventile 44 ausgestoßen und über den zweiten Abgaskrümmer 32 und die Bypassleitung (1) oder direkt (2) zum Abgastrakt 10 geleitet. Dazu können in einer Ausführungsform des Verfahrens die ersten Auslassventile 43 vollständig geschlossen bleiben, so dass sämtliches Abgas an der Turbine 11 vorbei direkt in den Abgastrakt 10 geleitet wird (3h). In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden die Öffnungszeiten der Auslassventile 43, 44 auf spät verstellt, so dass mehr wärmeres Abgas produziert wird (3b und 3d).
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Anordnung
- 10
- Brennkraftmaschine
- 11
- Turbine
- 12
- Welle
- 13
- Kompressor
- 14
- Nockenwelle
- 15
- Steuerungseinrichtung
- 20
- Ansaugtrakt
- 21
- Ansaugkrümmer
- 30
- Abgastrakt
- 31
- erster Abgaskrümmer
- 32
- zweiter Abgaskrümmer
- 33
- Bypassleitung
- 34
- Turbinenabgasleitung
- 40
- Zylinder
- 41
- erstes Einlassventil
- 42
- zweites Einlassventil
- 43
- drittes Einlassventil
- 44
- viertes Einlassventil
