Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 .
In„Wikipedia", der freien Enzyklopädie, ist beispielsweise ein Sekundärluftsystem folgendermaßen beschrieben: Das Sekundärluftsystem wird bei Otto- Motoren zur Einhaltung der gültigen Abgasnormen und -gesetze eingesetzt. Es besteht im Wesentlichen aus der Sekundärluftpumpe und dem Sekundärluftventil. Das System wird in der Kaltstartphase dazu verwendet, die Abgasbestandteile HC (Kohlenwasserstoffe) und CO (Kohlenmonoxid) zu oxidie- ren. Außerdem heizt es den Katalysator sehr schnell auf Betriebstemperatur auf. Das Motorsteuergerät erkennt über die Lambdasonden die einsetzende Wirkung des Katalysators und schaltet die Sekundärluftpumpe danach ab. Ein Sekundärluftsystem ist immer wichtiger, um die immer strengeren Abgasnormen und -gesetze erfüllen zu können.
Wirkungsweise:
Durch Sekundärlufteinblasung werden HC- und CO-Schadstoffe in der Kaltstartphase und in der Warmlaufphase des Motors (A <1 , fettes Kraftstoff/Luft- Gemisch) durch thermische Nachverbrennung vermindert. In diesen Motor- betriebszuständen ist der geregelte Dreiwegekatalysator noch nicht voll betriebsbereit.
Allgemeiner Stand der Technik:
Zur Erreichung z. B. der kalifornischen SULEV Abgaszertifizierung (super ultra low emissions vehicle) und zur Einhaltung anderer sehr strenger Abgasgrenzwerte für Otto-Motoren kommt eine Sekundärlufteinblasung (SL- Einblasung) zum Einsatz. Hierbei wird unmittelbar nach dem Kaltstart für eine gewisse Zeit Umgebungsluft mittels einer Sekundärluft-Pumpe (SL- Pumpe) in den heißen Abgasstrom der Brennkraftmaschine eingeleitet, um, wie oben bereits dargestellt, Nachreaktionen zu initiieren. Diese Nachreaktionen bewirken die Oxidation von Produkten unvollständiger Verbrennung (HC, CO), was einerseits zu einer Minderung der HC- und CO-Emissionen und andererseits über die Reaktionswärme dieser Nachreaktion zu einem schnellen Erreichen der Konvertierungstemperatur des Abgaskatalysators führt (sog. Katalysator-Heizen). Diese Sekundärlufteinblasung erfolgt üblicher Weise möglichst auslassventilnah in die Abgasauslasskanäle im Zylinder- kopf, um durch die hohen Abgastemperaturen am Einblaseort die Initiierung der Nachreaktionen zu begünstigen. Während des Katalysator-Heizens wird üblicher weise der Zündwinkel auf spät (d. h. Zündung nach Zünd-OT (oberer Totpunkt) des Kolbens) gestellt, um absichtlich einen niedrigen Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine, aber besonders hohe Abgastemperaturen zu erreichen. Sofern eine Nockenwellenverstellung möglich ist, ist die Stellung der Nockenwelle(n) während der Sekundärlufteinblasung aus den Erfordernissen des Brennkraftmaschinenstarts und des späteren Übergangs in das Anfahren abgeleitet, so dass sich allenfalls moderate Überschneidungen der Ein- und Auslassventile und somit geringe Restgasgehalte im Brennraum der Brennkraftmaschine ergeben. Der Brennkraftmaschinenbetrieb mit Sekundärlufteinblasung und spätem Zündwinkel wird beendet, wenn gewisse Grenzen, beispielsweise der Zeit seit Brennkraftmaschinenstart und/oder der Temperatur das Katalysators und/oder der Brennkraftmaschine und/oder der Fahrzeuggeschwindigkeit überschritten werden.
Ein Nachteil dieser Technik ist beispielsweise die einseitige Optimierung der HC/CO-Rohemissionen ohne Berücksichtigung der möglichen, zusätzlichen vorteilhaften Potentiale bezüglich Abgastemperatur und NOx-Emissionen. Insbesondere bei Brennkraftmaschinen mit Abgasturbolader (ATL) ist zur Erreichung der SU LEV-G renzwerte ein sehr hoher Abgasentalpiestrom zum schnellen Aufheizen des Katalysators erforderlich, da die Turbine des Abgasturboladers als Wärmesenke wirkt und kompensiert werden muss. Zur Bereitstellung dieses Abgasentalpiestroms muss die Brennkraftmaschine mit sehr spätem Zündwinkel zur Erzielung von sehr hohen Abgastemperaturen betrieben werden, was wiederum eine hohe Zylinderfüllung mit einem
Frischgas/Kraftstoffgemisch zur Überwindung der inneren Reibung der kalten Brennkraftmaschine und zur Versorgung von Verbrauchern, wie z. B. Klimakompressor oder Lenkhilfepumpe erfordert. Unter diesen Betriebsbedingungen kommt es auch bei Sauerstoffunterschuss im Zylinder (Brennraum) zu erheblicher Bildung von Stickoxiden (NOx), die beispielsweise die SULEV- Grenzwerte leicht überschreiten können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die oben dargestellten Nachteile zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ist die Einhaltung beispielsweise der SULEV-Emissionsgrenzwerte auch bei Brennkraftmaschinen mit vielen Brennräumen und/oder Abgasturboladern, bei denen eine SULEV- Zertifizierung bisher nicht möglich erschien, möglich. In weiterer vorteilhafter Weise kann die Edelmetallbeladung des Katalysators verringert werden, ohne Gefährdung der Emissionszertifizierung bei bisherigen SULEV-Motoren, was zu einer deutlichen Kosteneinsparung führt. Weiter kann die Zelldichte des Katalysators ohne Gefährdung der Emissionszertifizierung verringert werden, woraus ein geringerer Strömungswiderstand und somit ein geringerer Abgasgegendruck resultiert. Dies führt zur Erzielung höherer Leistungs-
und Drehmomentwerte und/oder den Entfall von bisher erforderlichen Kompensationsmaßnahmen zur Darstellung von Leistungsgleichheit zwischen Standard- und SULEV-Varianten einer Brennkraftmaschine. Ferner ist die Sekundärlufteinblasestelle in vorteilhafter Weise aus dem Zylinderkopf heraus verlegt, wodurch Gleichteile für Standard- und SULEV-Varianten einer Brennkraftmaschine möglich sind. Die Verlegung der Sekundärlufteinblasestelle aus dem Zylinderkopf heraus begünstigt ferner die Kühlung und Festigkeit des Zylinderkopfes bei einer SULEV-Ausführung. Dies führt zu einer Erhöhung der Volllasttauglichkeit und Lebensdauer des Zylinderkopfes bzw. der Brennkraftmaschine.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Ausgestaltung sind in Unteransprüchen dargestellt.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles in einer einzigen Figur näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen Zylinderkopf einer SULEV-
Brennkraftmaschine mit einem Abschnitt einer Abgasanlage.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine 1 mit einem Abschnitt einer Abgasanlage 3, mit der die Einhaltung der SULEV-Grenzwerte möglich ist. In dem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine 1 ist ein Brennraum 2 eines Zylinders angeordnet. Beim Betrieb der Brennkraftmaschine 1 strömen die Abgase aus dem Brennraum 2 in einen Abgasauslasskanal 5 im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine 1. Eine Strömungsrichtung des Abgases ist durch einen Pfeil symbolisch dargestellt. Weiter strömt das Abgas in die Abgasanlage 3, an die eine Sekundärlufteinblasevor- richtung 4 angeordnet ist. Mit Hilfe dieser Sekundärlufteinblasevorrichtung 4 kann an einer Sekundärlufteinblasestelle 4' Frischluft (Sekundärluft) in den Abgasstrang 3 eingeblasen werden, um eine thermische Nachverbrennung von CO und HC zu initiieren.
Erfindungsgemäß ist beim Betrieb der Brennkraftmaschine 1 ein Restgasgehalt in dem Brennraum 2 veränderbar und die Sekundärlufteinblasestelle 4' ist an der Abgasanlage 3 so weit vom Brennraum 2 entfernt, dass eingeblasene Sekundärluft aufgrund von rückströmenden Abgasen (bedingt durch den Ladungswechsel) in der Abgasanlage 3 in den Abgasauslasskanal 5, aber gerade nicht in den Brennraum 2 zurückströmt.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist in Strömungsrichtung des Abgases hinter der Sekundärlufteinblasestelle 4' und vor der Abgasreinigungsanlage 5 eine in Fig. 1 nicht dargestellte Turbine eines Abgasturboladers in der Abgasanlage 3 angeordnet. Der Restgasgehalt im Brennraum 2 kann beispielsweise über einen in Fig. 1 ebenfalls nicht dargestellten hubvariablen Ventiltrieb und/oder über eine in Fig. 1 auch nicht dargestellte Einlassund/oder Auslassspreizung der Einlass- und/oder Auslassnockenwelle erzielt werden. Diese Maßnahmen sind dem Fachmann allgemein bekannt und werden im Folgenden nur kurz umrissen.
Erläuterung der Erfindung:
Die Anforderungen nach hohem Abgasentalpiestrom einerseits und niedrigen NOx-Rohemissionen andererseits lassen sich gleichzeitig erfüllen, wenn ein hoher Restgas- bzw. Abgasgehalt im Brennraum vorliegt. Dies kann bei Brennkraftmaschinen 1 mit Nockenwellenverstellern und variablem Einlassventilhub, wie z. B. bei der BMW Valvetronic, z. B. dadurch erreicht werden, dass sowohl Einlass- als auch Auslassnockenwellen auf spät gestellt werden und ein kleiner Einlassventilhub gewählt wird und bei Brennkraftmaschinen 1 mit Nockenwellenverstellern, aber ohne variablen Einlassventilhub, dadurch, dass eine große Gaswechselventilüberschneidung eingestellt wird. Bei Brennkraftmaschinen 1 , die nur über eine Einlassnockenwellenverstellung verfügen, kann der Restgasgehalt über eine Frühstellung der Einlassnockenwelle maximiert werden. Die so erreichten hohen Restgasgehalte im
Brennraum 2 bewirken durch die Absenkung der Spitzentemperaturen der Verbrennung eine weitgehende Unterdrückung der NOx-Bildung und durch die langsamere Verbrennung mit Bezug auf die Kolbenposition eine sehr späte Lage des Umsetzungsschwerpunkts nochmals erheblich höhere Abgastemperaturen bei gleichzeitig niedrigeren HC-Rohemissionen, als durch einen späten Zündwinkel allein erreicht werden kann. Zur Einhaltung der SULEV-Grenzwerte bezüglich HC ist aber bei den meisten Brennkraftmaschinenkonzepten dennoch eine Sekundärlufteinblasung erforderlich.
Die gewünschten hohen Restgasgehalte im Brennraum 2 werden unter anderem durch Rückströmen von Abgas aus dem Abgasauslasskanal 5 in den Brennraum 2 wesentlich beeinflusst. Dieses Rückströmen kann durch die Abwärtsbewegung eines Kolbens bei geöffnetem Gaswechselauslassventil und gleichzeitig geschlossenem Gaswechseleinlassventil bewirkt werden oder durch die Druckdifferenz zwischen Abgasauslasskanal 5 und Frischlufteinlasskanal bei gleichzeitig geöffneten Gaswechseleinlass- und Gaswech- selauslassventilen in der Nähe des Ladungswechsel-OTs des Kolbens. Bei Sekundärlufteinblasung in die Abgasauslasskanäle 5 im Zylinderkopf, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, gelangt nun aber anstelle des gewünschten Abgases vor allem Sekundärluft in den Brennraum 2. Hierdurch können die geschilderten Vorteile eines hohen Restgasgehalts im Brennraum 2 nicht genutzt werden. Zusätzlich kommt es zu einer„Verschwendung" von Sekundärluft, da diese bereits im Brennraum 2 an der Verbrennung teilnimmt und für Nachreaktionen in der Abgasanlage 3 nicht mehr zur Verfügung steht. Es ist daher zur Realisierung der Potentiale der Verbrennung mit hohem Restgasgehalt zwingend erforderlich, dass die Sekundärluft nicht aus- lassventilnah sondern so weit stromabwärts erfolgt, dass bei den gewählten Gaswechselventilsteuerzeiten und Nockenwelleneinstellungen die eingeblasene Sekundärluft gerade nicht in den Brennraum 2 zurückströmt. Dies resultiert erfindungsgemäß in eine Sekundärlufteinblasestelle 4', die weiter von den Gaswechselauslassventilen entfernt ist und somit beispielsweise im Abgaskrümmer oder dem Zylinderkopfseitigen Abgaskrümmerflansch liegt oder
in einem zwischen Zylinderkopf und Abgaskrümmerflansch einzusetzenden Zwischenflansch.
Die hohen Restgasgehalte werden insbesondere von aufgeladenen Brennkraftmaschinen 1 wegen der für die Volllast ohnehin erforderlichen hohen Ladungsbewegung meist gut vertragen, ohne dass die Laufruhe der Brennkraftmaschine 1 'zu stark abnimmt. Ferner hat auch die bei einer Sekundärlufteinblasung typische„fette" Kraftstoff/Luft-Zusammensetzung im Brennraum 2 (Sauerstoffunterschuss) eine die Verbrennung stabilisierende Wirkung. Weiterhin kann bei Brennkraftmaschinen 1 mit einer Brennstoffeinspritzung direkt in den Brennraum 2 auch die Brennstoffeinspritzung, z. B. durch Anwendung einer Mehrfacheinspritzung, dahingehend optimiert werden, dass auch bei hohen Restgasgehalten die Varianz (Schwankungsbreite) der Verbrennung akzeptabel bleibt.
Da die Geometrie von Abgasanlagen, Brennraumköpfen usw. von Brennkraftmaschine zu Brennkraftmaschine sehr stark variiert, können für die vorliegende Erfindung keine exakten Maße angegeben werden, wie weit die Se- kundärlufteinblasestelle 4' von den Auslassgaswechselventilen entfernt liegen muss, jedoch hat sich ein Wert von etwa 90 mm oder größer als akzeptabel erwiesen.
Bezuqszeichenliste:
1. Brennkraftmaschine
2. Brennraum
3. Abgasanlage
4. Sekundärlufteinblasevorrichtung 4' Sekundärlufteinblasestelle
5. Abgasauslasskanal