DE19812090C2 - Mehrzylindrische Kolbenbrennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylinderbänken - Google Patents
Mehrzylindrische Kolbenbrennkraftmaschine mit mindestens zwei ZylinderbänkenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine mehrzylindrische Kolbenbrenn
kraftmaschine mit mindestens zwei Zylinderbänken nach dem
Oberbegriff des Anspruches 1.
Aus der DE 196 11 363 C1 ist eine mehrzylindrige Kolbenbrenn
kraftmaschine bekannt, die zwei Zylinderbänke mit jeweils
mehreren Zylindern umfaßt, wobei eine Zylinderbank dauerbe
feuert wird und die andere Zylinderbank im Teillastbetrieb
abschaltbar ist. Jeder Zylinderbank ist ein Abgasstrang mit
einem Katalysator zugeordnet. Stromab der Katalysatoren mün
den die Abgasstränge beider Zylinderbänke in einen gemeinsa
men Rohrabschnitt, verzweigen danach in Abgasschalldämpfer
und werden anschließend in die Atmosphäre abgeleitet.
Im Teillastbetrieb wird in dem stromauf des Katalysators ge
legenen Abschnitt des zur abgeschaltenen Zylinderbank gehö
renden Abgasstrangs ein Unterdruck erzeugt, so daß das Abgas
der befeuerten Zylinderbank zunächst durch den ihr zugeordne
ten Katalysator strömt und dann stromab des Katalysators über
den gemeinsamen Rohrabschnitt durch den Katalysator der abge
schalteten Zylinderbank zurückgefördert wird. Der Katalysator
der abgeschalteten Zylinderbank wird hierdurch auch im Teil
lastbetrieb der Brennkraftmaschine auf seiner Betriebstempe
ratur gehalten und die Abgasemission nach dem Zuschalten die
ser Zylinderbank ist auf ein Minimum reduziert.
Eine vergleichbare Vorrichtung ist auch aus der DE 44 31 058 C1
bekannt. Diese Druckschrift zeigt eine Brennkraftmaschine mit
einer dauerbefeuerten und einer abschaltbaren Zylinderbank, wo
bei jeder Zylinderbank ein Katalysator zugeordnet ist. Zur Auf
rechterhaltung der Betriebstemperatur des Katalysators im Ab
gasstrang der abgeschalteten Zylinderbank wird im Teilabschalt
betrieb heißes Abgas aus der befeuerten Zylinderbank über einen
Verbindungsabschnitt stromauf der Katalysatoren in den Ab
gasstrang der abgeschalteten Zylinderbank geleitet. Als Folge
der unterschiedlichen Temperaturverteilung in den beiden Ab
gassträngen können thermisch bedingte Längenänderungen auftre
ten, die zu Spannungen und zu Verschleiß führen können.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, im Teillastbetrieb
den Katalysator der abgeschalteten Zylinderbank mit einfachen
Mitteln, insbesondere auch ohne Unterdruckvorrichtung, mit
hoher Funktionssicherheit auf Betriebstemperatur zu halten.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An
spruches 1 gelöst.
Der stromauf der Katalysatoren angeordnete Verbindungsab
schnitt zwischen den Abgassträngen der beiden Zylinderbänke
sorgt auch im Teillastbetrieb für eine Erwärmung beider Kata
lysatoren, indem ein Teil des Abgases der befeuerten Zylin
derbank über den als Überströmverbindung ausgebildeten Ver
bindungsabschnitt durch den Katalysator der abgeschalteten
Zylinderbank strömt. Es werden nunmehr beide Katalysatoren
mit erwärmtem Abgas der befeuerten Zylinderbank versorgt, wo
durch auch der Katalysator der abgeschalteten Zylinderbank in
kurzer Zeit auf Betriebstemperatur gebracht bzw. auf dieser
gehalten. Bei einem Zuschalten der zweiten Zylinderbank im
Vollastbetrieb wird das zusätzlich erzeugte Abgas ohne Zeit
verzug im vorgewärmten Katalysator gereinigt.
Die Erwärmung des Katalysators im Abgasstrang der nicht be
feuerten Zylinderbank funktioniert insbesondere auch ohne Un
terdruckvorrichtung, da der Verbindungsabschnitt stromauf der
beiden Katalysatoren angeordnet ist und daher ein Teil des
Abgasstroms allein aufgrund des Abgas-Überdrucks in den Ver
bindungsabschnitt und weiter in den zweiten Katalysator ver
zweigt.
Um thermisch bedingte Längenänderungen auszugleichen, welche
infolge der Erwärmung der motornahen Leitungsabschnitte vor
den Katalysatoren auftreten können, ist im Verbindungsab
schnitt zwischen den Abgassträngen ein Längenausgleichsele
ment vorgesehen. Unterschiedliche Bauteiltemperaturen und
thermisch bedingte Differenzen in den Bauteillängen können
durch das Längenausgleichselement kompensiert werden. Das Ab
gas strömt mit hoher Temperatur durch den oberen Leitungsab
schnitt des Abgasstrangs der befeuerten Zylinderbank sowie
durch den Verbindungsabschnitt, so daß diese Rohrteile sich
stark erwärmen und thermisch ausdehnen. Der obere Leitungsab
schnitt des Abgasstrangs der abgeschalteten Zylinderbank
weist dagegen eine deutlich niedrigere Temperatur auf. Infol
ge des Temperaturgradienten dehnen sich die Rohrteile unter
schiedlich stark aus, wobei diese Längendifferenz durch das
Längenausgleichselement ausgeglichen wird, so daß Risse und
Brüche, die zur Funktionsunfähigkeit führen können, vermieden
werden.
Durch die Kombination von Verbindungsabschnitt und Längenaus
gleichselement ist ein motornaher Übertritt des Abgases noch
vor den Katalysatoren möglich, so daß auch ohne Unterdruck
vorrichtung immer beide Katalysatoren von Abgas durchströmt
werden und zugleich die Nachteile der Wärmeleitung in den
Rohrsträngen kompensiert werden können.
In vorteilhafter Ausführung sind mehrere Längenausgleichsele
mente vorgesehen, zweckmäßig in jedem Abgasstrang jeweils ei
nes. Die Längenausgleichselemente können sowohl auf Zug als
auch auf Druck beansprucht werden.
In vorteilhafter Weiterbildung weist die Brennkraftmaschine
eine Unterdruckvorrichtung auf, bevorzugt eine Abgas-
Rückführleitung zwischen dem Abgasstrang der abschaltbaren
Zylinderbank und dem Ansaugrohr der dauerbefeuerten Zylinder
bank. Die Abgas-Rückführung hat den Vorteil, daß zusätzlich
angeordnete motornahe Katalysatoren sowie Sauerstoffsonden
durch das rückströmende Abgas auf Betriebstemperatur gehalten
werden.
Ein weiterer Vorteil der Abgas-Rückführung liegt darin, daß
das rückströmende Abgas thermische Energie abgibt und sich
abkühlt, wodurch die Dichte des rückgeführten Abgases an
steigt und höhere Abgas-Rückführraten realisiert werden kön
nen, die zu einer Reduzierung der Schadstoffemissionen füh
ren.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungsformen sind den
weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeich
nungen zu entnehmen. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraft
maschine mit zwei Zylinderbänken und zwei Ab
gassträngen,
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel,
Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel.
Die in Fig. 1 gezeigte Kolbenbrennkraftmaschine 1 umfaßt zwei
Zylinderbänke 2, 3 mit jeweils einer Mehrzahl an Zylindern.
Jeder Zylinderbank 2, 3 ist ein Abgasstrang 4, 5 zugeordnet,
wobei in jedem Abgasstrang 4, 5 in Strömungsrichtung aufein
anderfolgend Vor-Katalysatoren 17, 18 mit vor- und nachge
schalteten λ-Regel- und Führungssonden, ein Haupt-Katalysator
6, 7 und ein Abgasschalldämpfer 19, 20 angeordnet sind. Jede
Zylinderbank 2, 3 weist die gleiche Anzahl an Zylindern auf;
im Ausführungsbeispiel sind jeder Zylinderbank 2, 3 sechs Zy
linder zugeordnet.
Die Zylinderbank 2 ist dauerbefeuert ausgebildet, die Zylin
derbank 3 ist im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine 1 ab
schaltbar, um eine Abgasreduzierung zu erreichen. Im Teil
lastbetrieb wird nur die erste Zylinderbank 2 befeuert, deren
Abgas durch den Abgasstrang 4 geleitet wird.
Stromauf der Katalysatoren 6, 7 sind beide Abgasstränge 4, 5
miteinander verbunden, so daß im Teillastbetrieb Abgas des
der dauerbefeuerten Zylinderbank 2 zugeordneten Abgasstrangs
4 in den Abgasstrang 5 der abgeschalteten Zylinderbank 3
übertreten kann. Die Abgasstränge 4, 5 weisen motornahe Lei
tungsabschnitte 9, 10 auf, die unmittelbar stromauf der Kata
lysatoren 6, 7 über einen Verbindungsabschnitt 8 verbunden
sind. Durch diese Verbindung tritt im Teillastbetrieb ein
Teil des Abgases aus dem Abgasstrang 4 in den Abgasstrang 5
über und durchströmt den Katalysator 7 der abgeschalteten Zy
linderbank 3, so daß dieser Katalysator 7 auf Betriebstempe
ratur erwärmt bzw. gehalten wird.
Anstelle eines Verbindungsabschnitts kann die Verbindung auch
dadurch realisiert werden, daß die Abgasstränge 4, 5 stromauf
der Katalysatoren 6, 7 zu einem gemeinsamen Leitungsabschnitt
zusammengeführt werden.
Stromab der Katalysatoren 6, 7 münden die Abgasstränge 4, 5
in einen gemeinsamen Rohrabschnitt 21. Im weiteren Verlauf
verzweigen die Abgasstränge 4, 5 wieder und das Abgas wird
jeweils den Abgasschalldämpfern 19, 20 zugeführt.
Auf den gemeinsamen Rohrabschnitt 21 kann gegebenenfalls auch
verzichtet werden, so daß stromab der Katalysatoren die Ab
gasstränge vollständig getrennt sind.
Im stromauf des Katalysators 7 gelegenen Leitungsabschnitt 10
des zweiten Abgasstrangs 5 ist ein Längenausgleichselement 12
angeordnet, über das thermische Längenänderungen, bedingt
durch eine unterschiedlich starke Erwärmung der Abgasstränge
4, 5 insbesondere während des Teillastbetriebs, ausgeglichen
werden können. Das Längenausgleichselement 8 ist sowohl auf
Zug als auch auf Druck beanspruchbar, um Bauteildehnungen und
-kontraktionen kompensieren zu können.
Der abschaltbaren Zylinderbank 3 ist eine Unterdruckvorrich
tung 14 zugeordnet, die im Ausführungsbeispiel als Abgas-
Rückführvorrichtung ausgeführt ist und eine Abgas-
Rückführleitung 15 umfaßt, über die der Abgasstrang 5 der ab
schaltbaren Zylinderbank 3 mit dem Ansaugrohr der dauerbefeu
erten Zylinderbank 2 verbunden ist. Die Unterdruckvorrichtung
14 erzeugt im stromauf der Katalysatoren gelegenen Abschnitt
des Abgasstrangs 5 einen Unterdruck, wodurch im Teillastbe
trieb ein Teilstrom des Abgases aus dem Abgasstrang 4 der be
feuerten Zylinderbank 2 über den Verbindungsabschnitt 8 in
Pfeilrichtung 22 in den motornahen Abschnitt des Abgasstrangs
5 und weiter über die Abgas-Rückführleitung 15 in das Ansaug
rohr der Zylinderbank 2 strömt. Die Rückführung des Abgases
sorgt für eine Temperierung der motornahen Vor-Katalysatoren
18 sowie der diesen Vor-Katalysatoren 18 zugeordneten λ-Regel-
und Führungssonden. Zugleich kühlt das Abgas ab, wodurch eine
höhere Gasdichte und dadurch bedingt eine höhere Abgasrück
führrate erzielt wird.
In der Abgas-Rückführleitung 15 ist ein Sperrventil 16 ange
ordnet, über das die Abgas-Rückführleitung 15 abgesperrt
wird, sobald für den Motorbetrieb keine Abgasrückführung mehr
benötigt wird.
Fig. 2 zeigt eine der Fig. 1 vergleichbare Anordnung einer
Kolbenbrennkraftmaschine 1 mit zwei Zylinderbänken 2, 3 und
jeweils einem Abgasstrang 4, 5 mit Haupt-Katalysatoren 6, 7.
Die Abgasstränge 4, 5 sind wiederum stromauf der Katalysato
ren 6, 7 im Bereich ihrer motornahen Leitungsabschnitte 9, 10
über den Verbindungsabschnitt 8 verbunden. Gemäß diesem Aus
führungsbeispiel ist vorgesehen, daß in jedem Leitungsab
schnitt 9, 10 der beiden Abgasstränge 4, 5 jeweils ein Län
genausgleichselement 11, 12 angeordnet ist.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsvariante, bei der im
Verbindungsabschnitt 8 zwischen den beiden Abgassträngen 4, 5
der Brennkraftmaschine 1 mit den Zylinderbänken 2, 3 ein Län
genausgleichselement 13 angeordnet ist.
Es kann gegebenenfalls angezeigt sein, sowohl in beiden Ab
gassträngen als auch im zwischenliegenden Verbindungsab
schnitt jeweils ein Längenausgleichselement vorzusehen.
Claims (6)
1. Mehrzylindrische Kolbenbrennkraftmaschine mit mindestens
zwei Zylinderbänken, denen jeweils ein Abgasstrang (4, 5) mit
einem Katalysator (6, 7) zugeordnet ist, wobei eine Zylinder
bank (3) im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine (1) ab
schaltbar ist, und mit einem Verbindungsabschnitt (8) zwi
schen den Abgassträngen (4, 5),
dadurch gekennzeichnet,
daß der Verbindungsabschnitt (8) stromauf der Katalysatoren
(6, 7) zwischen den Leitungsabschnitten (9, 10) der Ab
gasstränge (4, 5) angeordnet ist und daß in dem Verbindungs
abschnitt (8) ein Längenausgleichselement (13) angeordnet
ist.
2. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Längenausgleichselement (11, 12) im Leitungsabschnitt
(9, 10) eines Abgasstranges (4, 5) angeordnet ist.
3. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß in beiden Abgassträngen (4, 5) jeweils ein Längenaus
gleichselement (11, 12) angeordnet ist.
4. Kolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Unterdruckvorrichtung (14) im Abgasstrang (5) einer
Zylinderbank (3) vorgesehen ist.
5. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Unterdruckvorrichtung (14) eine Abgas-Rückführleitung
(15) umfaßt.
6. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Abgas-Rückführleitung (15) den Abgasstrang (5) der
abschaltbaren Zylinderbank (3) mit dem Ansaugrohr der befeu
erten Zylinderbank (2) verbindet.
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