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Die Erfindung bezieht sich auf ein Abgasleitsystem für einen fremdgezündeten oder einen selbstzündenden Motor mit einer an einen Auslasskrümmer des Motors anschließbaren Abgasleitung, mit einer an einen Einlasskrümmer des Motors anschließbaren Einlassleitung und mit einer in der Abgasleitung angeordneten Turbine mit einem eine Eintrittsöffnung aufweisenden Turbinengehäuse, an welches die weitere Abgasleitung anschließt, wobei eine Abgasrückführungsleitung vorgesehen ist, die in der Einlassleitung des Motors mündet, und wobei die Abgasleitung mindestens eine Bypass-Leitung für die Turbine aufweist, die stromauf der Turbine abzweigt und stromab der Turbine in die Abgasleitung mündet, und wobei die Abgasrückführungsleitung und die Bypass-Leitung stromauf der Turbine eine gemeinsame Abzweigleitung aufweisen und in der Abzweigleitung ein Partikelfilter mit einem Partikelfiltergehäuse vorgesehen ist, wobei die Abgasrückführungsleitung und die Bypass-Leitung ein gemeinsames Trennungsstück aufweisen und stromab des Trennungsstücks getrennt ausgebildet sind.
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Aus der
DE 10 2009 014 277 A1 ist ein Abgasrückführungssystem bekannt, bei dem die Abgasrückführungsleitung ein Abgasrückführventil aufweist und ergänzend die Abgasrückführungsleitung über ein Wege-Ventil an die Frischluftleitung bzw. die Hauptabgasleitung ankoppelbar ist. Ein Abkoppeln bzw. Entkoppeln der Turbine ist mit den beiden zuvor genannten Ventilen nicht möglich. Die Abgasrückführungsleitung bildet zugleich eine Umgehungsleitung für die Abgasturbine.
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Aus der
US 2008/0000226 A1 ist ebenfalls ein Abgasrückführungssystem bekannt, bei dem die Abgasrückführungsleitung über ein Ventil mit der Abgasleitung verbunden ist. Darüber hinaus ist eine zweistufige Turbine vorgesehen, wobei die Niederdruckstufe eine Umgehungsleitung aufweist, welche über ein Bypass-Ventil regelbar ist.
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Aus der
US 9,551,286 B2 ist ebenfalls ein Abgasrückführungssystem bekannt, bei dem die Abgasrückführungsleitung über ein Ventil an die Abgasleitung angekoppelt ist. Zudem ist eine Umgehungsleitung für die Abgasturbine vorgesehen, welche über ein separates Ventil schaltbar ist.
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Aus der
DE 10 2015 108 224 A1 ist ein Abgasleitsystem mit einer Abgasturbine bekannt, jedoch ohne Wastegate bzw. Umgehungsleitung hierfür.
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Aus der
DE 10 2015 108 223 A1 ist ein Abgasleitsystem mit einer Abgasturbine sowie einer Umgehungsleitung bzw. einem Wastegate bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Abgasleitsystem für einen Motor derart auszubilden und anzuordnen, dass eine verbesserte Abgasdynamik und eine verbesserte Erwärmung der Abgasreinigungsbausteine im Kaltstartbetrieb erreicht werden.
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Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass die Abzweigleitung am Turbinengehäuse oder stromauf des Turbinengehäuses an bzw. von der Abgasleitung an einer Abzweigstelle abzweigt, wobei eine Abzweig-Ventil-Anordnung vorgesehen ist, mittels der die Abzweigleitung geöffnet oder geschlossen werden kann.
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Durch die Abzweig-Ventil-Anordnung, die vorzugsweise nahe der Eintrittsöffnung des Turbinengehäuses bzw. nahe des Krümmerausgangs platziert ist, kann im Low-End-Torque-Betrieb des Motors das Volumen der Abzweigleitung sowie das Volumen der daran anschließenden AGR-Leitung und das Volumen der angeschlossenen Bypass-Leitung gegenüber der Abgasleitung abgeschottet werden. Mit der Abschottung dieses Totvolumens wird ein etwaiger nachteiliger Einbruch der Leistung der Turbine vermieden.
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Zudem kann im Kaltstart-Betrieb des Motors, wenn die Abzweigleitung über die Abzweig-Ventil-Anordnung geöffnet ist, die Abgasleitung über die Abzweig-Ventil-Anordnung geschlossen, mithin die Abgasturbine abgeschottet werden. Das Abgas kann über die Abzweigleitung unmittelbar stromauf der Turbine direkt in einen kleinen Partikelfilter mit katalytischer Beschichtung geleitet werden. Dieser kann entsprechend schnell aufgeheizt werden und seine Light-off-Temperatur erreichen. Während des Kaltstarts des Motors befindet sich dieser im Leerlauf oder allenfalls im Bereich niedriger Motorlast, so dass ein Einsatz der Turbine nicht notwendig ist. Mit dem Erreichen der Light-off-Temperatur kann durch die katalytische exotherme Reaktion auf der Filteroberfläche auch der Regenerationseffekt des Partikelfilters begünstigt werden, wobei aufgrund der Oxidation der Partikel ergänzend Wärme erzeugt wird. Diese kann der Aufheizung der weiteren Abgasanlage und insbesondere des stromab platzierten Haupt-3-Wege-Katalysators dienen. Mit dieser Anordnung kann die Zeit bis zum Erreichen der Light-off-Temperatur der Katalysatoren deutlich, mitunter bis zu 90% im Vergleich zu einer konventionellen Abgasanlage ohne externen Turbinen Bypass verringert werden.
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Während und nach dem Motorstart bzw. Motorkaltstart ist die Aufladefunktion des Turboladers noch nicht gegeben, da die Abgasenergie, insbesondere der Abgasdruck in diesen Betriebspunkten zu niedrig ist. Im Gegenteil: Die Abgasturbine stellt einen Strömungswiderstand dar, der den Motorbetrieb beeinträchtigt. Daher kann der Abgasstrom über den beschichteten Partikelfilter der AGR-Strecke und die Bypass-Leitung vollständig bzw. nahezu vollständig an der Turbine vorbei geleitet werden. Durch das Motorabgas erfolgt eine schnellere Erwärmung der Katalysatorbeschichtung des Partikelfilters und damit eine frühere Konvertierung von unverbrannten Verbrennungsprodukten.
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Wenn ausgehend vom Leerlaufbereich mehr Motorleistung beansprucht wird und der Motor in den Low-End-Torque-Betrieb oder in den Lastbetrieb bzw. den geregelten Boostbetrieb kommt, kann die Turbine wieder zugeschaltet werden. Im gewünschten Zeitpunkt kann die Abzweigleitung geöffnet werden und damit die Abgasrückführungsleitung geöffnet werden, solange der Motor nicht in den Low End Torque Betrieb kommt. Über das stromab liegende AGR-Ventil kann die Abgasrückführung aktiviert und geregelt werden. Im Lastbetrieb kann die nachstehend beschriebene Bypass-Ventil-Anordnung als Wastegate-Ventil verwendet werden. Kommt der Motor in den Low-End-Torque-Betrieb, ist vorzugsweise das Abzweigventil zur Abzweigleitung geschlossen.
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Als Krümmer wird bezeichnet jedes Gaszusammenführungsorgan, über das die Gasströme zum Motor bzw. vom Motor in Bezug auf die einzelnen Zylinder aufgeteilt bzw. gesammelt werden.
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Als Light-off wird der Zeitpunkt nach Motorstart bezeichnet, bei der die katalytische Reaktion innerhalb des Katalysators im Umfang von mindestens 50% stattfindet. Je eher dieser Zeitpunkt nach Motostart eintritt, desto günstiger bzw. besser ist das Konvertierungsverhalten des Katalysators. Beim Kaltstart besteht grundsätzlich das Problem zu geringer Temperaturen des Katalysators und des damit einhergehenden Wirkungsgradverlustes des Katalysators.
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Die vom Motor über den Abgasstrom zur Verfügung gestellte Wärme dient zwar der Aufwärmung des Katalysators. Aber gleichermaßen werden Abgasrohrleitungen und auch die Abgasturbine aufgewärmt. Daher dauert es vor dem Hintergrund der beim Kaltstart begrenzten Wärmemenge und der großen aufzuheizenden Massen entsprechend lange, bis die Light-off-Temperatur des Katalysators erreicht ist.
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Das hier beschriebene Abgasleitsystem weist im Kern ein Abgasrückführsystem (HD-AGR-System) mit einem externen Turbinen-Bypass-System (Wastegate-Funktion) auf. Ein AGR-System besteht in der Regel zumindest aus einer Abgasrückführungsleitung (AGR-Leitung), einem Abgasrückführungskühler (AGR-Kühler) und einer Abgasrückführungsklappe (AGR-Ventil). Das Turbinen-Bypass-System besteht aus zumindest einer außerhalb des Turbinengehäuses befindlichen Bypass-Leitung und einem Bypass-Ventil.
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Im Rahmen dieser Gebrauchsmusteranmeldung wird unterschieden zwischen drei Betriebszonen eines Motors, dem Kaltstartbetrieb, dem Low-End-Torque-Betrieb und dem Lastbetrieb. Zum Kaltstartbetrieb zählt der Bereich niedriger Motorlast, auch bei betriebswarmen Motor, bei dem die Turbine nicht im Einsatz ist. Der Kaltstartbetrieb könnte demnach auch als „Kaltstart- und Niedriglastbetrieb” bezeichnet werden. Im Low-End-Torque-Betrieb ist die Turbine im Einsatz, gibt aber aufgrund der geringen Abgasenergie nur eine begrenzte Auflade-Leistung ab. Im Lastbetrieb ist die Abgasenergie so groß, dass diese zur Abgabe der geforderten Turbinenleistung ausreicht bzw. diese übersteigt.
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Vorteilhaft kann es hierzu sein, wenn die Abzweig-Ventil-Anordnung ausgebildet ist als
- a) 3-Wege-Ventil in der Abzweigstelle von Abzweigleitung und Abgasleitung;
- b) Doppel-Ventil-Anordnung mit einem Haupt-Abzweig-Ventil in der Abzweigleitung und einem Neben-Abzweig-Ventil in der Abgasleitung;
- c) Einfach-Ventil-Anordnung mit einem Haupt-Abzweig-Ventil in der Abzweigleitung.
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Während die Varianten a) und b) technische Alternativen darstellen, ist die Variante c) deutlich einfacher ausgestaltet. Die Abgasleitung kann damit zwar nicht geschlossen werden. Dies wird aber dann durch die nachstehend beschriebene Bypass-Ventil-Anordnung erreicht.
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Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung kann es von Vorteil sein, wenn eine Abgasturbinenauslassleitung mit einem Strömungsquerschnitt A und mindestens eine Bypass-Ventil-Anordnung vorgesehen sind, wobei die Bypass-Leitung und die Abgasturbinenauslassleitung an der Bypass-Ventil-Anordnung mittel- oder unmittelbar anschließen, wobei über die Bypass-Ventil-Anordnung das Verhältnis zwischen dem Abgasvolumenstrom der Bypass-Leitung und der Abgasturbinenauslassleitung einstellbar ist, wobei über die Bypass-Ventil-Anordnung der Strömungsquerschnitt A der Abgasturbinenauslassleitung um mindestens 90%, idealer Weise um 100% verringerbar ist, so dass die Abgasturbinenauslassleitung nahezu geschlossen bzw. geschlossen ist.
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Im Low-End-Torque-Betrieb, wenn die Turbine zum Einsatz kommt, ist die Abgasturbinenauslassleitung bzw. die Abgasleitung über die Bypass-Ventil-Anordnung geöffnet, wobei die Bypass-Leitung über die Bypass-Ventil-Anordnung geschlossen ist. Im Lastbetrieb wird der Abgasvolumenstrom in der Bypass-Leitung über die Bypass-Ventil-Anordnung betriebspunktabhängig geregelt. Die Bypass-Leitung übernimmt dann die Wastegate-Funktion der Turbine. Ein Turbinen-internes Wastegate-Ventil kann somit entfallen.
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Die Kombination aus Bypass-Leitung inklusive Bypass-Ventil-Anordnung und Abgasrückführungsleitung inklusive AGR-Ventil erlaubt eine Anhebung des Abgasvolumenstroms in der Bypass-Leitung bzw. eine Abschottung der Turbine im Kaltstart-Betrieb einerseits und eine unabhängige Steuerung des Abgasvolumenstroms in der Abgasrückführungsleitung andererseits. Sowohl das AGR-Ventil als auch die Bypass-Ventil-Anordnung sind unabhängig voneinander steuerbar, so dass der darüber geführte Abgasvolumenstrom entsprechend steuerbar ist.
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Beim Öffnen der Bypass-Leitung wird ein Teil des Abgasstromes an der Turbine vorbei in die Abzweigleitung geführt und somit der durch die Abgasturbine geführte Teil des Abgasstroms reduziert. Somit wird die Regeneration des Partikelfilters in der Abzweigleitung sitzend in Phasen mit geschlossenem AGR-Ventil, wie beispielsweise im Schubbetrieb und in Phasen mit offenem AGR-Ventil, wie beispielsweise im Magerbetrieb möglich.
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Durch die zusätzlich zuschaltbare Abzweigleitung mit anschließender Bypass-Leitung kann ein Teil des Abgases an der Abgasturbine vorbei geleitet werden. In diesem Fall übernimmt die Abzweigleitung mit der Bypass-Leitung auch die genannte Funktion eines Wastegate-Ventils, wie es bei konventionellen Turboladern im Gehäuse der Turbine bislang integriert ist. Ein integrales Turbo-Wastegate-Ventil ist nicht ausgeschlossen und kann ergänzend vorgesehen sein. Somit sind die Abzweigleitung mit der Bypass-Leitung sowie die AGR-Leitung nicht nur im Kaltstartbetrieb, sondern auch im Lastbetrieb verwendbar, wenn die Abgasenergie die notwendige Antriebsenergie für den Verdichter des Abgasturboladers übersteigt. Auch in diesem Fall kann aufgrund des im Abgas enthaltenen Restsauerstoffs und der hohen Abgastemperatur der Partikelfilter regeneriert werden.
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Vorteilhaft kann es insbesondere sein, wenn die Bypass-Ventil-Anordnung ausgebildet ist als
- a) 3-Wege-Ventil in der Anbindungsstelle von Bypass-Leitung und Abgasleitung;
- b) Doppel-Ventil-Anordnung mit einem Haupt-Bypass-Ventil in der Bypass-Leitung und einem Neben-Bypass-Ventil in der Abgasleitung;
- c) Einfach-Ventil-Anordnung mit einem Haupt-Bypass-Ventil in der Bypass-Leitung.
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Während die Varianten a) und b) technische Alternativen darstellen, ist die Variante c) deutlich einfacher ausgestaltet. Die Abgasleitung kann damit zwar nicht geschlossen werden. Dies wird aber dann durch die vorstehend beschriebene Abzweig-Ventil-Anordnung erreicht.
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Entweder ist die Eintrittsöffnung des Turbinengehäuses über die Abzweig-Ventil-Anordnung oder über das Neben-Abzweig-Ventil abschottbar oder alternativ hierzu die Abgasturbinenauslassleitung über die Bypass-Ventil-Anordnung oder über das Neben-Bypass-Ventil schließbar. Somit kann im Kaltstart-Betrieb ein sehr schnelles Light-off des Katalysators in der Abzweigleitung erreicht werden.
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Dabei kann es vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass das Trennungsstück als Teil des Partikelfiltergehäuses ausgebildet ist. Somit ist ein einfacher und ein kompakter Aufbau gewährleistet.
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Zudem kann es vorteilhaft sein, wenn die Eintrittsöffnung des Turbinengehäuses einen Durchmesser D aufweist und die Abzweig-Ventil-Anordnung oder das Abzweig-Ventil oder die Abzweigstelle stromauf oder stromab mit einem Abstand d zur Eintrittsöffnung angeordnet ist, mit d <= x und 1,5 D <= x <= 4 D. Der Abstand d sollte maximal 500 mm sein. Ein möglichst geringer Abstand hat den Vorteil, dass die in die Abzweigleitung eintretenden Abgase wenig abgekühlt sind. Bei einer Platzierung stromab ist die Abzweig-Ventil-Anordnung am Turbinengehäuse vorgesehen. Letzteres separat angeflanscht oder integral als Teil des Turbinengehäuses. Mit dem geringen Abstand geht eine kürzere Reaktionszeit der AGR-Strecke einher. Zudem entsteht eine kleinere thermische parasitäre Masse, die bei abgeschotteter Abgasturbine im Kaltstartbetrieb erwärmt werden muss.
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Vorteilhaft kann es auch sein, wenn die Eintrittsöffnung des Turbinengehäuses einen Durchmesser D aufweist und das Abzweig-Ventil oder das Haupt-Abzweig-Ventil mit einem Abstand a zur Abzweigstelle angeordnet ist, mit a <= X und 1,0 D <= X <= 10 D. Ein möglichst geringer Abstand hat den Vorteil, dass im Kaltstartbetrieb bei abgeschotteter Turbine das Totvolumen in der Abzweigstrecke möglichst klein ist.
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Hierzu kann es vorteilhaft sein, wenn der Partikelfilter eine katalytisch wirkende Beschichtung zur Umwandlung von CO, HC und NOx aufweist oder der Partikelfilter eine SCR-Beschichtung aufweist, mittels der NOx reduzierbar ist. Somit ist auch im Kaltstart, wenn der gesamte Abgasstrom über die Abzweigleitung geführt wird, eine Reinigung der Abgase gewährleistet.
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Vorteilhaft kann es ferner sein, wenn stromab des Partikelfilters ein Kühler innerhalb der Abgasrückführungsleitung vorgesehen ist, der baulich getrennt vom Partikelfilter ausgeführt ist oder zumindest gegenüber dem Partikelfilter thermisch getrennt ist, und wenn in der Abgasrückführungsleitung stromab des Kühlers ein AGR-Ventil vorgesehen ist, über das der Volumenstrom in der Abgasrückführungsleitung einstellbar ist. Der Kühler ist räumlich bzw. zumindest thermisch vom Partikelfilter getrennt, so dass der Partikelfilter möglichst in weiten motorischen Betriebszuständen hohe Temperaturen aufweist, damit er bei genügend Sauerstoffüberschuss im Abgas durch Oxidation der gefilterten Bestandteile regeneriert. Damit wird ein möglichst großer Arbeitsbereich des Partikelfilters zur Regenerierung erzielt. Der Kühler ist entweder als Abgas-Luft-, als Abgas-Motorkühlwasser- oder als Abgas-Niedertemperaturkühlwasser-Kühler ausgebildet. In besonderen Ausführungsformen können mehrere Kühler der Abgasrückführung, die auch zuschaltbar ausgebildet sein können, in Reihe oder auch parallel angeordnet sein.
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Über das AGR-Ventil ist in der Abgasrückführungsleitung betriebspunktabhängig der Abgasmassenstrom einstellbar. Das AGR-Ventil ist vorteilhafterweise stromab des Partikelfilters platziert. In Schubphasen des Motors kann mit dem AGR-Ventil die Regeneration des Partikelfilters über die Menge der rückgeführten Frischluftmenge beeinflusst werden. Außerdem kann es vorteilhaft sein, wenn das AGR-Ventil stromab des Kühlers vorgesehen ist. Somit wird dieses vor übermäßiger Temperaturbelastung geschützt.
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Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn die Abgasturbinenauslassleitung durch das Partikelfiltergehäuse geführt ist. Damit ist das Abgasleitsystem insgesamt sehr kompakt ausbildbar.
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Vorteilhaft kann es auch sein, wenn die Abgasrückführungsleitung stromauf oder stromab eines Verdichters mündet. Je nach Betriebspunkt sind eine HD-AGR oder eine MD-AGR vorteilhaft. Die Abzweigung der AGR-Leitung stromauf der Turbine gewährleistet höhere Abgastemperaturen, die sich insgesamt positiv auf die Partikelfilterregeneration und die Schadstoffreduktion auswirken. Die Mündung stromab des Verdichters hat den Vorteil, dass die Regelstrecke kürzer ist. Allerdings steht möglicherweise nicht in allen gewünschten Betriebszuständen ein ausreichend hohes Druckgefälle zwischen Abgassystem und Ansaugsystem für die Zuführung der gewünschten rückgeführten Abgasmenge zur Verfügung. Für den Fall, dass eine zusätzliche Kühlung des zurückgeführten Abgases gefordert ist, kann das gereinigte Abgas auch nach dem Verdichter und vor dem Ladeluftkühler dem Ansaugsystem zugeführt werden. Damit wird das Abgas nicht nur im AGR-Kühler, sondern zusätzlich auch im Ladeluftkühler gekühlt. Denkbar ist auch eine Anordnung, in der der Ladeluftkühler so effektiv ausgelegt ist, dass für das rückgeführte Abgas kein AGR-Kühler in der AGR-Leitung erforderlich ist.
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Die MD-AGR gewährleistet eine große Druckdifferenz innerhalb der AGR-Leitung auch für größere geforderte Abgasrückführungsmengen. Allerdings wird dadurch die Regelstrecke länger als bei der HD-AGR und der Verdichter und die Turbine müssen an die veränderten Massendurchsätze ggf. angepasst werden.
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Gelöst wird die Aufgabe auch durch eine Abgasanlage und/oder einen Motor mit einem Abgasleitsystem wie vorgehend beschrieben.
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Gelöst wird die Aufgabe auch durch ein Verfahren zum Betrieb eines Motors mit einem Abgasleitsystem oder einer Abgasanlage wie vorgehend beschrieben, bei dem
- a) im Kaltstart-Betrieb des Motors die Abzweigleitung über die Abzweig-Ventil-Anordnung geöffnet ist und die Bypass-Leitung über die Bypass-Ventil-Anordnung geöffnet ist und ergänzend
– die Abgasleitung über die Abzweig-Ventil-Anordnung geschlossen ist oder
– die Abgasturbinenauslassleitung über die Bypass-Ventil-Anordnung geschlossen ist;
- b) im Low-End-Torque-Betrieb des Motors die Abgasturbinenauslassleitung über die Bypass-Ventil-Anordnung geöffnet ist, wobei die Abzweigleitung über die Abzweig-Ventil-Anordnung geschlossen ist oder wobei die Bypass-Leitung über die Bypass-Ventil-Anordnung geschlossen ist;
- c) im Lastbetrieb des Motors die Abzweigleitung über die Abzweig-Ventil-Anordnung geöffnet ist und der Abgasvolumenstrom in der Bypass-Leitung über die Bypass-Ventil-Anordnung betriebspunktabhängig geregelt ist und die Abgasturbinenauslassleitung über die Bypass-Ventil-Anordnung geöffnet ist.
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Im Kaltstart-Betrieb wird somit eine Umgehung des Turboladers mit gleichzeitiger Durchströmung des in der EGR-Strecke befindlichen beschichteten Partikelfilters ermöglicht, ohne dass Abgas in die Einlassleitung des Motors gelangt. Damit wird eine schnellere Aufwärmung der Katalysatoren erreicht. Im Low-End-Torque-Betrieb wird das Volumen vor der Turbine klein gehalten, wodurch das Anspringverhalten des Turboladers bei niedrigen Drehzahlen durch die auftretenden Druckpulsationen begünstigt wird. Im Lastbetrieb kann bei zu hoher Abgasenergie für die Turbine der Wastegate-Abgasmassenstrom geregelt werden. Gleichzeitig kann bei gewünschtem AGR-Betrieb der AGR-Massenstrom geregelt werden.
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Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn
- a) im Kaltstart-Betrieb und/oder im Low-End-Torque-Betrieb die Abgasrückführungsleitung über das AGR-Ventil geschlossen ist;
- b) im Lastbetrieb der Abgasvolumenstrom in der Abgasrückführungsleitung über das AGR-Ventil geregelt wird. Mit einer verbesserten AGR-Führung gehen verbesserte Abgaswerte einher.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Schutzansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt. Es zeigen:
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1, 2 eine Prinzipskizze einer HD-AGR mit Bypass-Leitung;
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3 eine Prinzipskizze nach 1 mit MD-AGR;
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4 eine Prinzipskizze zum Aufbau;
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5 eine Prinzipskizze eines Motorkennfeldes eines Motors.
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In allen Prinzipskizzen nach den 1 bis 3 ist dargestellt ein Abgasleitsystem 1 (AGR-System), das in das Abgas- und Ladeluftsystem eines Motors 2 mit Auslasskrümmer 2.1 und Einlasskrümmer 2.2 sowie mit Abgasturbine 3 und Ladeluftverdichter 4 integriert ist. Das Abgas- und Ladeluftsystem weist eine an den Auslasskrümmer 2.1 des Motors 2 angeschlossene Abgasleitung 2.3 auf, in die die Turbine 3 integriert ist. Am Ende der Abgasleitung 2.3 verlässt Abgas 7 das Abgasleitsystem 1 und strömt in die weitere, nicht dargestellte Abgasstrecke. Zudem ist eine an den Einlasskrümmer 2.2 des Motors 2 angeschlossene Einlassleitung 2.4 vorgesehen, in die der Verdichter 4 integriert ist. Die Einlassleitung 2.4 wird über ein nicht dargestelltes Luftzuführsystem mit Frischluft 8 versorgt. Ergänzend ist mindestens eine Abgasrückführungsleitung 1.1, 1.1' (AGR-Leitung) mit einem Abgasrückführungsventil (AGR-Ventil) 1.3, 1.3' vorgesehen, die in der Einlassleitung 2.4 mündet. Zudem ist eine Bypass-Leitung 3.2 für die Turbine 3 vorgesehen, die stromab der Turbine 3 in der Abgasleitung 2.3 mündet.
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Die Abgasrückführungsleitung 1.1 und die Bypass-Leitung 3.2 weisen eine gemeinsame Abzweigleitung 13 auf, wobei in der Abzweigleitung 13 ein Partikelfilter 13.2 mit einem Partikelfiltergehäuse 13.3 vorgesehen ist. Die Abzweigleitung 13 weist im Bereich nach dem Auslasskrümmer 2.1 eine Abzweigstelle 13.5 auf. Stromab des Partikelfilters 13.2 weisen die Abgasrückführungsleitung 1.1 und die Bypass-Leitung 3.2 ein gemeinsames Trennungsstück 13.4 auf und sind stromab des Trennungsstücks 13.4 getrennt ausgebildet.
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In der Abzweigleitung 13 ist der Partikelfilter 13.2 angeordnet, der das rückgeführte bzw. rückzuführende Abgas 7 filtert. Der Partikelfilter 13.2 weist eine katalytisch wirkende Beschichtung zur Umwandlung von CO, HC und/oder NOx auf, wie beispielsweise ein 3-Wege-Katalysator, ein SCR-Katalysator oder ein Oxidationskatalysator.
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Ferner ist in der AGR-Leitung 1.1 stromab des Partikelfilters 13.2 mindestens ein AGR-Kühler 1.2 vorgesehen. Stromab des jeweiligen AGR-Kühlers 1.2 bzw. vor der Mündung in die Einlassleitung 2.4 ist ein AGR-Ventil 1.3, 1.3' zur Regelung des Massestroms innerhalb der AGR-Leitung 1.1 platziert.
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In der Einlassleitung 2.4 ist eine Ladeluft- bzw. Frischluft-Drosselklappe 2.6 stromauf der Einleitungsstelle der Abgasrückführungsleitung 1.1 in die Einlassleitung 2.4 vorgesehen. Dieser Teil der Einlassleitung 2.4 wird auch als Frischluftleitung 2.4a bezeichnet. Der Teil der Einlassleitung 2.4 stromab der Einleitungsstelle der Abgasrückführungsleitung 1.1 wird auch als Ladeluftluftleitung 2.4b bezeichnet. Innerhalb der Frischluftleitung 2.4a ist zudem ein Frischluftkühler 6 vorgesehen. Ergänzend oder alternativ ist innerhalb der Ladeluftleitung 2.4b ein Ladeluftkühler 2.5 vorgesehen.
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Stromab der Turbine 3 ist in der Abgasleitung 2.3 ein Haupt-Katalysator 5 vorgesehen, der ebenfalls als 3-Wege-Katalysator, als SCR-Katalysator oder als Oxidationskatalysator ausgebildet sein kann.
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Grundsätzlich unterscheidet man zwischen zwei Varianten der Abgasrückführung in Abhängigkeit der Abzweigung der AGR-Leitung 1.1 von der Abgasleitung 2.3 und der Mündung der AGR-Leitung 1.1 in der Einlassleitung 2.4. Die Kombination aus Abzweigung der AGR-Leitung 1.1 stromauf der Turbine 3 und Mündung der AGR-Leitung 1.1 stromab des Verdichters 4 wird als Hochdruck-AGR (HD-AGR) bezeichnet. Die Kombination aus Abzweigung der AGR-Leitung 1.1 stromauf der Turbine 3 und Mündung der AGR-Leitung 1.1 stromauf des Verdichters 4 wird als Maximaldruck-AGR (MD-AGR) bezeichnet.
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Im Schaubild nach 1 und 2 ist eine HD-AGR dargestellt, gebildet durch die AGR-Leitung 1.1, die stromauf der Turbine 3 abzweigt und die stromab des Verdichters 4 mündet. Die Mündung erfolgt stromab der Ladeluft- bzw. Frischluft-Drosselklappe 2.6.
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Im Ausführungsbeispiel nach 3 sind eine HD-AGR und eine MD-AGR kombiniert. Stromab des Kühlers 1.2 verzweigt die AGR-Leitung 1.1 und mündet sowohl stromauf als auch stromab des Verdichters 4. In der jeweiligen AGR-Leitung 1.1, 1.1' ist ein AGR-Ventil 1.3, 1.3' vorgesehen. Anstatt der beiden AGR-Ventile 1.3, 1.3' kann gemäß gestrichelter Alternative aus 1, 2 auch ein 3-Wege-Ventil Anwendung finden, durch welches das Verhältnis zwischen dem Abgasvolumenstrom beider AGR-Leitungen 1.1, 1.1' einstellbar ist.
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Gemäß Ausführungsbeispiel 1 zweigt die Abzweigleitung 13 an einer Abzweigstelle 13.5 von der Abgasleitung 2.3 ab. Innerhalb der Abzweigleitung 13 ist eine Abzweig-Ventil-Anordnung 13.1 in Form eines Abzweig-Ventils 13.1 vorgesehen, über welches die Abzweigleitung 13 geöffnet oder geschlossen werden kann. Im Unterschied dazu ist im Ausführungsbeispiel gemäß 2 die Abzweig-Ventil-Anordnung 13.1 als 3-Wege-Ventil ausgebildet, wobei das 3-Wege-Ventil die Abzweigstelle 13.5 bildet. Über das 3-Wege-Ventil kann ebenso die Abzweigleitung 13 geöffnet oder geschlossen werden. Zudem kann die Abgasleitung 2.3 geschlossen bzw. die Abgasturbine abgeschottet werden.
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Alternativ zu der Ausbildung als 3-Wege-Ventil kann (gestrichelt dargestellt) als Abzweig-Ventil-Anordnung 13.1 auch eine Doppel-Ventil-Anordnung Anwendung finden mit einem Haupt-Abzweig-Ventil 13.1a in der Abzweigleitung 13 und einem Neben-Abzweig-Ventil 13.1b in der Abgasleitung 2.3. Über das 3-Wege-Abzweig-Ventil ist das Verhältnis zwischen dem Abgasvolumenstrom der Abzweigleitung 13 und der Abgasturbinenauslassleitung 3.4 bzw. der Abgasleitung 2.3 einstellbar.
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Gemäß Ausführungsbeispiel 1 münden die Abgasleitung 2.3 und die Bypass-Leitung 3.2 in einer Bypass-Ventil-Anordnung 3.5, die als 3-Wege-Ventil ausgebildet ist. Über die Bypass-Ventil-Anordnung 3.5 ist das Verhältnis zwischen dem Abgasvolumenstrom der Bypass-Leitung 3.2 und der Abgasturbinenauslassleitung 3.4 einstellbar und wird in die weitere Abgasleitung 2.3 abgeleitet. Zudem kann die Abgasturbinenauslassleitung 3.4 durch die Bypass-Ventil-Anordnung 3.5 geschlossen, mithin die Turbine abgeschottet werden.
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Alternativ zu der Ausbildung als 3-Wege-Ventil kann (gestrichelt dargestellt) als Abzweig-Ventil-Anordnung 3.5 auch eine Doppel-Ventil-Anordnung Anwendung finden mit einem Haupt-Bypass-Ventil 3.5a in der Bypass-Leitung 3.2 und einem Neben-Bypass-Ventil 3.5b in der Abgasleitung 2.3.
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Entsprechend Ausführungsbeispiel 2 ist lediglich ein Bypass-Ventil 3.5 in der Bypass-Leitung 3.2 vorgesehen, über welches der Abgasvolumenstrom in der Bypass-Leitung 3.2 steuerbar ist.
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Die Ausführungsbeispiele nach 1 und 2 stellen in Bezug auf die Architektur der vorgenannten Ventil-Anordnungen Alternativen dar. Wenn die Abzweig-Ventil-Anordnung 13.1 als 3-Wege-Ventil oder als Doppel-Ventil-Anordnung ausgebildet ist, bedarf es für die Bypass-Ventil-Anordnung 3.5 nur eines einfachen Bypass-Ventils 3.5. Wenn die Bypass-Ventil-Anordnung 3.5 als 3-Wege-Ventil oder als Doppel-Ventil-Anordnung ausgebildet ist, bedarf es für die Abzweig-Ventil-Anordnung 13.1 nur eines einfachen Abzweig-Ventils 13.1.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 3 geht zurück auf die Ausprägung der Ventil-Anordnung 3.5, 13.1 auf 1. Nach 3 ist die bereits genannte MD-AGR ergänzend vorgesehen.
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Diese Ausbildung der MD-AGR ist auch für das Ausführungsbeispiel nach 2 und der dort vorhandenen Ausprägung von Abzweig-Ventil-Anordnung 13.1 und Bypass-Ventil-Anordnung 3.5 möglich.
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Der prinzipielle Aufbau des Abgasleitsystems ist in den 4a, 4b dargestellt. In beiden Alternativen ist eine Turbine 3 mit einem Turbinengehäuse 3.1 sowie einer Eintrittsöffnung 3.3 vorgesehen, an welche eine weiterführende Abgasleitung 2.3 bzw. ein Abgasauslass des Motors angeschlossen werden kann. An das Turbinengehäuse 3.1 schließt eine Abgasturbinenauslassleitung 3.4 als Teil der Abgasleitung 2.3 an. Im Bereich der Eintrittsöffnung 3.3 ist die Abzweigleitung 13 vorgesehen, die an der Abzweigstelle 13.5 direkt über die Abzweig-Ventil-Anordnung 13.1 angeschlossen ist, über welche sie geöffnet oder geschlossen werden kann. Die Abzweigleitung 13 mündet in den Partikelfilter 13.2 bzw. ein Partikelfiltergehäuse 13.3. Auslassseitig stellt das Partikelfiltergehäuse 13.3 ein Trennungsstück 13.4 dar, an welches die Abgasrückführleitung 1.1 sowie die Bypass-Leitung 3.2 anschließen. Während die Abgasrückführleitung 1.1 in ein nicht weiter dargestelltes AGR-Ventil führt, mündet die Bypass-Leitung 3.2 gemeinsam mit der Abgasturbinenauslassleitung 3.4 in einer Bypass-Ventil-Anordnung 3.5, über welche das Verhältnis des Abgasstroms zwischen beiden Leitungen 3.2, 3.4 regelbar ist. Über die Bypass-Ventil-Anordnung 3.5 führt der Abgasstrom in die daran angeschlossene weitere Abgasleitung 2.3.
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Die Abzweig-Ventil-Anordnung 13.1 bzw. die Abzweigstelle 13.5 weisen zur Eintrittsöffnung 3.3 einen Abstand d auf, der etwa so groß ist wie der Durchmesser D der Eintrittsöffnung 3.3.
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Die Abzweig-Ventil-Anordnung 13.1 ist unmittelbar am Turbinengehäuse 3.1 vorgesehen bzw. angeordnet. Alternativ (gestrichelt gezeichnet) ist ein Abzweig-Ventil 13.1 vorgesehen, das einen Abstand a zur Abzweigstelle 13.5 aufweist. Dieser Abstand sollte möglichst gering sein und ist nach Ausführungsbeispiel 4a etwa so groß wie der Durchmesser D der Eintrittsöffnung 3.3.
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Nach einem alternativen Ausführungsbeispiel (nicht dargestellt) unterscheidet sich der Aufbau gegenüber dem Ausführungsbeispiel 4 dadurch, dass die Abgasturbinenleitung 3.4 durch das Partikelfiltergehäuse 13.3 geführt ist, so dass die Abgasturbinenleitung 3.4 von dem Partikelfiltergehäuse 13.3 umgeben ist.
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Nach 5 ist dargestellt ein typisches Motorkennfeld eines mit Turbolader geladenen Motors, bei dem die Last über der Drehzahl aufgeführt ist. Das Motorkennfeld ist aufgeteilt in drei Bereiche A, B, C. Der Bereich A bei niedriger Last wird als Kaltstart-Betrieb bezeichnet. Die Abgasturbine ist dort nicht in Betrieb. Oberhalb des Bereichs A sind zwei Bereiche B und C ausgewiesen. Bei dem Bereich B handelt es sich um den Low-End-Torque-Bereich, während der Bereich C als Lastbereich bezeichnet wird. In beiden Bereichen B, C ist die Abgasturbine in Betrieb.
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Im Kaltstartbetrieb A sind die Abzweigleitung 13 und die Bypass-Leitung 3.2 geöffnet, während die Abgasleitung 2.3, mithin die Turbine, abgeschottet und die AGR-Leitung geschlossen sind. Im Low-End-Torque-Betrieb B des Motors ist die Abzweigleitung 13 und somit auch die AGR-Leitung 1.1 sowie die Bypass-Leitung 3.2 geschlossen, während die Abgasleitung 2.3 zum Betrieb der Turbine geöffnet ist. Im Lastbereich C sind sowohl die Abzweigleitung 13, mithin die Bypass-Leitung 3.2 sowie die AGR-Leitung 1.1 und auch die Abgasleitung 2.3 geöffnet. Sowohl der Abgasstrom in der Bypass-Leitung 3.2 als auch der Abgasstrom in der AGR-Leitung 1.1 werden durch das entsprechende Ventil 3.5, 1.3 geregelt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Abgassystem/Abgasleitsystem
- 1.1
- Abgasrückführungsleitung, AGR-Leitung
- 1.1'
- Abgasrückführungsleitung, AGR-Leitung
- 1.2
- Kühler, AGR-Kühler
- 1.3
- AGR-Ventil
- 1.3'
- AGR-Ventil
- 2
- Motor
- 2.1
- Auslasskrümmer
- 2.2
- Einlasskrümmer
- 2.3
- Abgasleitung
- 2.4
- Einlassleitung
- 2.4a
- Frischluftleitung
- 2.4b
- Ladeluftleitung
- 2.5
- Ladeluftkühler
- 2.6
- Ladeluft-Drosselklappe, Frischluft-Drosselklappe
- 3
- (Abgas-) Turbine
- 3.1
- Turbinengehäuse
- 3.2
- Bypass-Leitung
- 3.3
- Eintrittsöffnung
- 3.4
- Abgasturbinenauslassleitung
- 3.5
- Bypass-Ventil-Anordnung, Bypass-Ventil
- 3.5a
- Haupt-Bypass-Ventil
- 3.5b
- Neben-Bypass-Ventil
- 4
- Verdichter, Ladeluftverdichter
- 5
- Katalysator, 3-Wege-Katalysator, SCR-Katalysator, Oxi-Katalysator
- 6
- Frischluftkühler
- 7
- Abgas
- 8
- Frischluft
- 13
- Abzweigleitung für 1.1 und 3.2
- 13.1
- Abzweig-Ventil-Anordnung, Abzweig-Ventil
- 13.1a
- Haupt-Abzweig-Ventil
- 13.1b
- Neben-Abzweig-Ventil
- 13.2
- Partikelfilter
- 13.3
- Partikelfiltergehäuse
- 13.4
- Trennungsstück
- 13.5
- Abzweigstelle
- A
- Strömungsquerschnitt
- a
- Abstand
- D
- Durchmesser
- d
- Abstand
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009014277 A1 [0002]
- US 2008/0000226 A1 [0003]
- US 9551286 B2 [0004]
- DE 102015108224 A1 [0005]
- DE 102015108223 A1 [0006]
