DE4139291A1 - Verfahren und vorrichtung zum betreiben einer brennkraftmaschine mit abgasturboaufladung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum betreiben einer brennkraftmaschine mit abgasturboaufladung

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Abgas­ turboaufladung, bei dem die Abgasturbine zumindest zeit­ weilig durch zusätzliche Brennstoff- und/oder Luftzufuhr mit einem erhöhten Abgasmassenstrom beaufschlagt wird.
Ein derartiges Verfahren und eine verfahrensgemäße Brennkraftmaschine zeigt beispielsweise die DE 35 44 247 A1, bei der zur Erhöhung des Ladedruckes im unteren Drehzahlbereich eine Umluftleitung nahe den Brennräumen der Brennkraftmaschine in das Abgasleitungssystem mündet und der Brennstoffanteil im Brennstoff-Luftgemisch bei geöffnetem Umluftventil im "fetten" Bereich unterhalb des stöchiometrischen Wertes ≈=1 liegt. Dadurch stellt sich im Abgassystem stromauf der Abgasturbine ein noch brennbares Gemisch ein, welches entweder durch Nachzündung aus den Brennräumen (Fackelzündung) oder durch Fremdzündung gezündet wird und durch die erhöhte Abgasenergie das Ansprechen des Abgasturboladers im un­ teren Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine verbessert.
Aufgabe der Erfindung ist es, das gattungsgemäße Verfahren derart weiterzubilden, daß unter Berücksichtigung geringer Abgas-Schadstoffwerte im Kaltfahr- und Be­ schleunigungsbereich ein unverändert gutes Ansprechver­ halten des Abgasturboladers erzielt wird. Ferner soll eine einfache und robuste Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens geschaffen werden.
Die verfahrensgemäße Aufgabe wird mit den kennzeichnen­ den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird das durch Zusatzluft und/oder zu­ sätzlichen Brennstoff angereicherte Abgas stromauf der Turbine und relativ nahe den Brennräumen der Brennkraft­ maschine durch Einschaltung eines Katalysators in das Abgassystem katalytisch gezündet. Gemäß Anspruch 2 wird dabei insbesondere ein elektrisch beheizter Katalysator vorgeschlagen, über den unmittelbar mit dem Starten der noch kalten Brennkraftmaschine eine Zündung der noch brennbaren Abgasbestandteile ausgelöst wird.
Daraus resultiert zum einen eine noch schneller ein­ setzende Abgasentgiftung bzw. Konvertierung, weil die Anspringtemperatur des verwendeten Katalysators in Ver­ bindung mit der elektrischen Beheizung und der Nachver­ brennung nahezu ohne Zeitverzögerung erreicht wird. An­ dererseits wird der stromabliegende Abgasmassenstrom bzw. die darin enthaltene Abgasenergie derart erhöht, daß ähnlich der Verwendung einer Brennkammer eine starke Beschleunigung der Abgasturbine und damit verbunden die Bereitstellung eines hohen Ladedruckes erreicht wird.
Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen werden somit in vor­ teilhafter Weise eine sofort einsetzende Abgasentgiftung bei gleichzeitig energiereicherer Beaufschlagung der Ab­ gasturbine insbesondere im unteren Drehzahlbereich er­ zielt.
Der Katalysator kann zumindest zeitweilig durch Überfet­ tung des Brennstoff-Luftgemisches und ggf. Sekundärluft­ zufuhr eine Erhöhung des Abgasmassenstroms zum verbes­ serten Ansprechen der Abgasturbine bewirken, und/oder bei einem stöchiometrischen Kraftstoff-Luftgemisch mit τ=1 einer schnell einsetzenden Abgasentgiftung die­ nen. Bei Erreichen einer kritischen Temperatur des Kata­ lysators (Überhitzungsschutz) kann beispielsweise durch eine Bypass-Leitung im Abgassystem das Abgas an diesem vorbeigeführt bzw. die katalytische Zündung unterbrochen werden.
Eine einfache und robuste Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist im Patentanspruch 5 angeführt, gemäß der der Katalysator parallel zu einer weiteren Abgaslei­ tung angeordnet und diese Abgasleitung durch ein Ventil absperrbar ist. Bei abgesperrter Abgasleitung - was in der Kaltfahrphase der Brennkraftmaschine und bei Be­ schleunigungsintervallen bevorzugt der Fall ist - wird das ggf. mit Brennstoff und Sekundärluft angereicherte Abgas ausschließlich über den Katalysator geleitet, während bei geöffnetem Ventil der Katalysator mehr oder minder kurzgeschlossen ist. Mit dieser Anordnung kann relativ verlustfrei das Abgas wahlweise über den Kata­ lysator oder über die parallele Abgasleitung geleitet werden.
Das Absperrventil und die elektrische Beheizung des Ka­ talysators können bevorzugt abhängig vom Ladedruck in der Ladeluftleitung der Brennkraftmaschine und von der Katalysatortemperatur gesteuert werden. Ferner kann in baulich einfacher Weise das Ventil durch ein in der Funktion erweitertes, an sich bekanntes Bypassventil gebildet sein, welches zugleich die Bypassfunktion für die Abgasturbine steuert.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Die schemati­ sche Zeichnung zeigt eine Fünfzylinder-Hubkolben-Brenn­ kraftmaschine mit Abgasturboaufladung und einem stromauf der Abgasturbine liegenden elektrisch beheizten Kataly­ sator.
Mit 10 ist eine Fünfzylinder-Hubkolben-Brennkraftmaschi­ ne angedeutet, die beispielsweise im Viertaktverfahren mit Fremdzündung betrieben ist. Deren Zylinder I bis V sind über entsprechende Kanäle einlaßseitig an einen Verbrennungsluft zuführenden Ansaugverteiler 12 und aus­ laßseitig an einen Abgaskrümmer 14 angeschlossen.
Der Abgaskrümmer 14 ist unter Zwischenschaltung eines Doppelrohres 16 mit der Abgasturbine 20 eines Abgastur­ boladers 18 verbunden, deren Verdichter 22 Verbrennungs­ luft über eine Ladeluftleitung 24 zum Ansaugverteiler 12 fördert. An die Angasturbine 20 schließt in Strömungs­ richtung des Abgases das weitere Abgassystem der Brenn­ kraftmaschine an, in das ein Hauptkatalysator 26 (z. B. ein Dreiwegekatalysator) eingeschaltet ist.
Das Doppelrohr 16 setzt sich aus einer ersten Abgaslei­ tung 28 und einer davon abzweigenden und wieder einmün­ denden Nebenleitung 30 zusammen, wobei in der Nebenlei­ tung 30 ein monolithischer Metallkatalysator 32 mit einer elektrischen Widerstandsheizung in Form von mehre­ ren, radial einragenden Glühstiften 34 vorgesehen ist.
Von der ersten, in die Abgasturbine 20 einmündenden Ab­ gasleitung 28 zweigt ferner eine Bypass-Leitung 36 (Wastegate) ab, die stromab der Abgasturbine 20 jedoch stromauf des Hauptkatalysators 26 wieder in das weitere Abgassystem der Brennkraftmaschine (Verbindungsleitung 38) mündet.
Die Bypass-Leitung 36 und die Abgasleitung 28 werden ge­ meinsam von einem Absperrventil in Form einer schwenkbar gelagerten Klappe 40 gesteuert, die in der in ausgezoge­ ner Linie gezeichneten Stellung die Abgasleitung 28 ab­ sperrt, so daß der gesamte Abgasstrom aus dem Abgaskrüm­ mer 14 über den Katalysator 32 geleitet wird. In einer zweiten Stellung (90° verschwenkt) sperrt die Klappe 40 nur die Bypass-Leitung 36 und gibt schließlich in einer dritten Stellung (180° verschwenkt) die Abgasleitung 16 und die Bypass-Leitung 36 frei. Die Klappe 40 wird von einem elektrischen Stellmotor 42 betätigt, der an ein elektronisches Steuergerät 44 angeschlossen ist und der sowohl die drei beschriebenen Positionen als auch belie­ bige Zwischenstellungen der Klappe 40 einstellen kann.
Über das Steuergerät 44 wird ferner die elektrische Be­ heizung des Katalysators 32 geschaltet, wobei in dem Steuergerät 44 über eine nicht dargestellte logische Verknüpfungsschaltung der Ladedruck p1 in der Ladeluft­ leitung 24, der Druck p2 in dem Ansaugverteiler 12 stromab einer willkürlich steuerbaren Drosselklappe 46 zur Steuerung der Leistung der Brennkraftmaschine und schließlich die Temperatur T des Katalysators 32 erfaßt und signaltechnisch verarbeitet werden.
Im Betrieb der Brennkraftmaschine 10 wird mittels des Verdichters 22 des Abgasturboladers 18 über eine Leitung 48 mit einem Luftfilter 50 und einem Luftmengenmesser 52 üblicher Bauart Verbrennungsluft angesaugt und über die Ladeluftleitung 24 - in der ggf. ein Ladeluftkühler 54 angeordnet sein kann - dem Ansaugverteiler 12 zugeführt.
Abhängig von der Verbrennungsluftmenge, der Leistungsan­ forderung (Drosselklappenstellung) und weiteren Steuer­ parametern wie Drehzahl n und Temperatur T der Brenn­ kraftmaschine wird der Verbrennungsluft über eine nicht näher dargestellte Brennstoff-Zumeßeinrichtung mit einem Steuergerät 56 und Einspritzventilen 58 Brennstoff zuge­ führt und über ein nicht näher dargestelltes Zündsystem in den Zylindern I bis V der Brennkraftmaschine gezün­ det. Das Brennstoff-Luftgemisch kann ggf. lambdageregelt auf den stöchiometrischen Wert τ=1 eingestellt sein.
Wird über das Steuergerät 44 Kaltfahrbereich festge­ stellt (Temperatur T des Katalysators 32 und ggf. eines weiteren Temperaturgebers an der Brennkraftmaschine kleiner als vorgegeben) und/oder liegen der Ladedruck p1 und der Druck p2 unterhalb definierter Werte (entspre­ chend einer Beschleunigungsphase der Brennkraftmaschi­ ne), so schwenkt der Stellmotor 42 die Klappe 40 in die in ausgezogener Linie gezeichnete Position und schließt somit die Abgasleitung 28.
Sofern die Temperatur T des Katalysators 32 unterhalb eines vorgegebenen Wertes liegt, wird zugleich die Be­ heizung des Katalysators 32 aktiviert.
Desweiteren wird ein Umluftventil 60 angesteuert, wel­ ches Verbrennungsluft aus der Ladeluftleitung 24 über eine Leitung 62 in den Abgaskrümmer 14 überströmen läßt. Zeitgleich damit wird das Steuergerät 56 der Brennstoff- Zumeßeinrichtung angesteuert und eine Anfettung des Brennstoff-Luftgemisches (die üblicherweise vorhandene Lambda-Regelung wird kurzzeitig unterbrochen) auf ca. τ=0,8 (= fettes Gemisch/Luftmangel) eingestellt.
Diese Maßnahmen bewirken, daß der mit unverbrannten Brennstoffanteilen und Sekundärluft angereicherte Abgas­ massenstrom (τ nunmehr wieder etwa 1) in der Nebenlei­ tung 30 bzw. im Katalysator 32 sofort wirksam kataly­ tisch und über die Glühstifte 34 elektrisch gezündet wird und nachverbrennt, wobei durch die extrem schnelle Erhitzung des Katalysators 32 eine nahezu sofortige Ab­ gaskonvertierung einsetzt. Ferner wird aufgrund dieser Anreicherung die nutzbare Abgasenergie wirksam erhöht und somit die Abgasturbine bzw. der mit dieser gekoppel­ te Verdichter beschleunigt hochgefahren, wodurch der La­ dedruck p1 schnell ansteigt. Daraus resultiert ein schnelles Ansprechen der Brennkraftmaschine mit hohem Drehmomentaufbau bereits bei niedrigen Drehzahlen.
Bei Erreichen eines definierten Ladedruckes p1 oder eines kritischen Temperaturwertes des Katalysators 32 (Überhitzungsschutz) wird die Klappe 40 umgeschaltet und damit die Abgasleitung 28 geöffnet. Aufgrund deren ge­ ringeren Durchströmwiderstandes strömt nunmehr der über­ wiegende Anteil des Abgases über die Abgasleitung 28 zur Abgasturbine 20, während der Katalysator 32 im wesentli­ chen kurzgeschlossen ist. Die elektrische Beheizung 34 des Katalysators 32 kann bereits bei einem geringeren, oberhalb der Anspringtemperatur des Katalysators 32 lie­ genden Wert abgeschaltet sein (Nachzündung nur noch ka­ talytisch). Mit dem Umschalten der Klappe 40 wird zu­ gleich die Anfettung der Brennkraftmaschine und die Zu­ führung von Sekundärluft bzw. Umluft in den Abgaskrümmer 14 unterbrochen.
Bei einem weiteren Ansteigen des Ladedruckes p1 auf einen zweiten Schwellwert wird in herkömmlicher Weise durch Weiterverschwenken der Klappe 40 die Bypass-Lei­ tung 36 geöffnet und somit zu hoher Ladedruck vermieden.
Der Katalysator 32 kann ein Keramik- oder wie beschrie­ ben ein Metallkatalysator sein, der entweder reduzie­ rend/oxidierend oder nur oxidierend katalytisch be­ schichtet ist. Die Beschichtung ist dabei primär auf die Hochtemperaturfestigkeit anzulegen, während die An­ springtemperatur aufgrund der sehr raschen Aufheizung im Gegensatz zum Hauptkatalysator 26 weniger relevant ist.
Bei Verwendung eines Oxidationskatalysators kann der τ-Wert im Abgas durch vermehrte Zuführung von Sekun­ därluft auch auf 1,2-1,4 eingestellt, ggf. auch durch Verwendung einer entsprechenden Lambdasonde eingeregelt werden.

Claims (8)

1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung, bei dem die Abgasturbine zumindest zeitweilig durch zusätzliche Brennstoff- und/oder Luftzufuhr mit einem erhöhten Abgasmassen­ strom beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas stromauf der Abgasturbine (20) kata­ lytisch gezündet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündung durch elektrische Beheizung des Ka­ talysators (32) unterstützt wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die katalytische Zündung in der Kaltfahrphase der Brennkraftmaschine und/oder in Beschleunigungsphasen durchgeführt wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die katalytische Zündung oberhalb einer kritischen Temperatur des Katalysators unter­ bunden wird.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß im Abgassystem stromauf der Abgasturbine (20) ein Katalysator (32) parallel zu einer wei­ teren Abgasleitung (28) angeordnet ist, wobei diese Abgasleitung (28) durch ein Ventil (40) absperrbar ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die weitere Abgasleitung (28) und eine die Abgasturbine (20) umgehende Bypassleitung (36) durch ein gemeinsames Bypassventil (40, 42) ge­ steuert sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Katalysator (32) mit einer elek­ trischen Beheizung (34) versehen ist, die abhängig vom Ladedruck (P1) und/oder der Last (P2) und/oder der Katalysatortemperatur (T) aktiviert ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Beheizung durch mehrere, in den Kata­ lysator (32) quer zur Abgasströmungsrichtung einra­ gende Glühstifte (34) gebildet ist.
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