EP4352346A1 - Turbolader - Google Patents

Turbolader

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Publication number
EP4352346A1
EP4352346A1 EP22735364.6A EP22735364A EP4352346A1 EP 4352346 A1 EP4352346 A1 EP 4352346A1 EP 22735364 A EP22735364 A EP 22735364A EP 4352346 A1 EP4352346 A1 EP 4352346A1
Authority
EP
European Patent Office
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housing
exhaust gas
catalytic converter
turbine
compressor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22735364.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Robert Szolak
Paul BEUTEL
Bernd Danckert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Pending legal-status Critical Current

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    • F02C6/10—Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output supplying working fluid to a user, e.g. a chemical process, which returns working fluid to a turbine of the plant
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a turbocharger with a compressor arrangement, which is set up for compressing the fresh air of an internal combustion engine, containing at least one compressor housing with a fresh air inlet and a fresh air outlet, with at least one compressor wheel being arranged in the compressor housing, and with at least one exhaust gas turbine for driving the Compressor arrangement, having at least one turbine housing with an exhaust gas inlet and an exhaust gas outlet, wherein at least one turbine wheel is arranged in the turbine housing.
  • turbocharger contains a turbine, which takes kinetic energy from the exhaust gas flow and makes it available as mechanical power. This mechanical power is used to drive a compressor arrangement with which the internal combustion engine can be supplied with the fresh air required for combustion at increased pressure. As a result, the response behavior, the performance and/or the consumption can be optimized.
  • the exhaust aftertreatment device can contain a particle filter and/or at least one catalytic converter, for example.
  • soot particles can be retained or pollutants such as CO, CH x or NO x can be oxidized or reduced and thereby rendered harmless.
  • All known catalytic converters require an operating temperature that is higher than normal ambient conditions in order to remove pollutants from the exhaust gas to an appreciable extent.
  • a particle filter works reliably even after a cold start. However, this must be regenerated from time to time at an elevated temperature.
  • a heated catalytic converter is therefore known from WO 2020/193595 A1, which is set up to convert supplied fuel with exhaust gas or fresh air.
  • the Schukataly capacitor can be operated in different operating states.
  • the supplied fuel can only be evaporated Lich in order to be oxidized at an exhaust aftertreatment device, whereby heat is released and the exhaust aftertreatment device heats up.
  • the fuel can be at least partially converted into a synthesis gas, which has a lower light-off temperature at the exhaust gas aftertreatment device and thus enables better heating of the exhaust gas aftertreatment device in some operating states of the internal combustion engine.
  • the fuel can be completely converted in the heated catalytic converter in order to generate a hot gas in this way, which is fed to the exhaust gas treatment device and heats it up.
  • This known heated catalytic converter has the disadvantage that it requires additional installation space, which can be tight, especially in passenger cars and light commercial vehicles.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a device for rapid heating of an exhaust gas aftertreatment device of an internal combustion engine, which requires little installation space and is also suitable for retrofitting existing internal combustion engines.
  • the object is achieved according to the invention by a turbocharger according to claim 1.
  • a turbocharger which has at least one compressor arrangement and at least one exhaust gas turbine.
  • the compressor arrangement is intended to compress the fresh air to be supplied to an internal combustion engine.
  • the compressor arrangement contains at least one compressor housing with a fresh air inlet and a fresh air outlet, with at least one compressor wheel being arranged in the compressor housing.
  • the fresh air required for combustion of the fuel in the internal combustion engine is supplied to the compressor arrangement through the fresh air inlet at a first pressure and leaves the fresh air outlet at a second pressure, the second pressure being higher than the first pressure.
  • the compressor arrangement thus supplies mechanical work to the fresh air.
  • the at least one compressor wheel can have a plurality of rotor blades and can operate as a radial compressor or axial compressor.
  • the at least one compressor wheel may be part of a screw compressor, or a Roots blower, or a swash plate compressor.
  • the invention does not teach the use of a specific design of the Kompressoran order as a solution principle.
  • the at least one exhaust gas turbine is set up to drive the compressor arrangement.
  • the exhaust gas turbine on the one hand and the compressor arrangement on the other hand can be driven by a rotating shaft, a gearbox, a belt drive or be connected to one another in some other manner known per se.
  • the at least one exhaust gas turbine has at least one turbine housing with an exhaust gas inlet and an exhaust gas outlet, wherein at least one in the turbine housing Turbine wheel is arranged.
  • the exhaust gas turbine is set up to take energy from the exhaust gas flow and to make it available as mechanical power.
  • an exhaust gas flow from the internal combustion engine is supplied to the turbine housing via the exhaust gas inlet at a second pressure and discharged via the exhaust gas outlet at a first pressure, the second pressure being higher than the first pressure.
  • the turbocharger according to the invention also has a heated catalytic converter, which is set up to at least partially convert supplied fuel with fresh air and/or exhaust gas, the heated catalytic converter containing a catalytic converter housing with at least one gas inlet and at least one gas outlet and at least one fuel inlet. Fresh air and/or exhaust gas is supplied via the gas inlet.
  • Fuel for example petrol or diesel, is supplied to the heated catalytic converter via the fuel inlet.
  • a product gas is formed from fuel and exhaust gas and/or fresh air.
  • the fuel is vaporized in the heating catalyst and/or at least partially oxidized with the release of heat and/or converted into a synthesis gas via cracking reactions.
  • the product gas thus contains a hot gas and/or fuel vapor and/or synthesis gas.
  • the product gas leaves the heated catalyst via the gas outlet and is fed back into the exhaust gas pipe downstream of the exhaust gas turbine.
  • the turbulence generated by the exhaust gas turbine can therefore be used to ensure that the product gas produced in the heated catalytic converter is mixed with the exhaust gas.
  • Exhaust gas and/or fresh air can be supplied at the respective second pressure via the gas inlet and released into the exhaust gas flowing at the first pressure, so that there is a reliable flow through the catalyst housing without an additional conveying device.
  • the heated catalytic converter is set up to led to vaporize fuel without coking by means of a fleece.
  • the catalytic converter housing on the one hand and the compressor housing and/or the turbine housing on the other hand be in thermal contact on at least one partial surface.
  • internal combustion engines with a turbocharger that are already in use can easily be retrofitted with the heating device according to the invention by replacing the existing turbocharger with the turbocharger according to the invention. Additional thermal energy can thus be introduced into an exhaust gas aftertreatment device without reducing the efficiency of the internal combustion engine by internal engine measures.
  • the waste heat generated during operation of the turbocharger can be fed to the heated catalytic converter, so that the heated catalytic converter itself reaches operating temperature more quickly.
  • the supply of electrical auxiliary energy to the heated catalytic converter can be reduced or completely avoided, so that the heated catalytic converter can be operated in a consumption-optimized manner.
  • the turbocharger further includes a first transfer passage having a first end and an opposite second end, the first end connected to the exhaust gas inlet of the turbine housing and the second end connected to the gas inlet of the catalyst housing.
  • a first transfer passage having a first end and an opposite second end, the first end connected to the exhaust gas inlet of the turbine housing and the second end connected to the gas inlet of the catalyst housing.
  • the turbocharger may include at least a second transfer passage having a first end and an opposite second end, the first end being connected to the fresh air outlet of the compressor housing and the second end being connected to the gas inlet of the catalyst housing.
  • the second overflow duct thus serves to supply fresh air to the heated catalytic converter.
  • the compressed fresh air can also be used to supply additional thermal energy to the heating catalytic converter.
  • the fresh air is suitable as an oxidizing medium for the fuel supplied to the heated catalytic converter. This ensures that the fuel is oxidized independently of the operating state of the internal combustion engine, since the oxidation can take place independently of the composition of the raw exhaust gas.
  • the turbocharger may include a third transfer passage having a first end and an opposite second end, the first end being connected to the gas outlet of the catalyst housing and the second end being connected to the exhaust gas outlet of the turbine housing.
  • the third overflow channel is thus suitable and intended for feeding the product gas generated in the heated catalytic converter to the exhaust pipe downstream of the exhaust gas turbine.
  • the product gas can be a fuel vapor or contain one.
  • the product gas can be a synthesis gas or contain a synthesis gas which is obtained by converting the fuel on the heated catalyst.
  • the product gas can be a hot gas or contain a hot gas which is obtained by oxidizing the fuel on the heated catalytic converter.
  • first, second or third overflow channel does not have to be present in all embodiments of the invention. In some embodiments of the invention, only one or only two of the overflow channels mentioned can be present.
  • the first overflow duct and/or the second overflow duct and/or the third overflow duct can be designed at least in sections as a bore in the catalytic converter housing or in the compressor housing or in the turbine housing.
  • a bore can be introduced either by machining or when the housing is originally formed.
  • At least one nozzle can be arranged at the second end of the third overflow channel. This allows the product gas of the heating catalyst with a predetermined direction and / or to introduce a predetermined impulse into the exhaust gas flow, so that the mixing of the product gas with the exhaust gas flow is additionally promoted.
  • a two-way valve can be present in the first overflow channel and/or in the second overflow channel and/or in the third overflow channel.
  • Such a two-way valve can be influenced by an electrical signal from a control device, so that the flow in the respective overflow channel can be controlled or regulated.
  • exhaust gas or fresh air or a mixture of exhaust gas and fresh air can be fed into the heated catalytic converter, or the heated catalytic converter can be completely deactivated by closing at least one overflow channel.
  • the overflow channels can be used as a wastegate valve, in that impermissibly high charging pressure is discharged into the exhaust line through the heated catalytic converter, or exhaust gas is routed past the exhaust gas turbine.
  • An additional wastegate valve can thus be dispensed with.
  • the turbocharger can further include a three-way valve which has three inputs/outputs to which the first overflow channel and the second overflow channel and the gas inlet are connected.
  • the position of the three-way valve allows fresh air or exhaust gas or a mixture of fresh air and exhaust gas to be fed to the heated catalytic converter, so that the operating state of the heated catalytic converter can be set to a large extent using a single valve.
  • the heated catalytic converter can be taken out of operation, for example at full load or operating conditions close to full load, which do not require any additional heating measures for the exhaust aftertreatment.
  • at least a portion of the catalyst housing and either the compressor housing or the turbine housing may be integrally formed.
  • the housing can be manufactured at least partially in a 3D printing process.
  • at least part of the catalytic converter housing and at least part of the compressor housing or the turbine housing can be designed as a material bond, so that heat from the compressor housing or the turbine housing can be introduced into the heated catalytic converter with little loss. In this way, rough and/or oxidized contact surfaces with a comparatively high heat transfer resistance can be avoided.
  • At least a portion of the catalyst housing and at least a portion of the compressor housing and at least a portion of the turbine housing may be integrally formed. This results in a mechanically robust and compact structure for the entire turbocharger.
  • a heat flow of about 0.5 kW to about 6 kW can be introduced into the heated catalytic converter due to the thermal contact between the catalyst housing on the one hand and the compressor housing or the turbine housing on the other hand.
  • the heat flow introduced into the heated catalytic converter by the thermal contact can be between approximately 1 kW and approximately 4 kW.
  • the heat input can be between about 0.5 kW and about 3 kW.
  • the heating capacities mentioned allow the efficient vaporization and/or conversion of fuel in the heating catalyst without additional auxiliary electrical energy. the burning engine can therefore be operated in a consumption-optimized manner.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the turbocharger according to the invention in a first view.
  • FIG. 2 shows the first embodiment of the turbocharger according to the invention in a second view.
  • FIG. 3 shows the first embodiment of the turbocharger according to the invention in a third view.
  • FIG. 4 shows a second embodiment of the turbocharger according to the invention in a first view.
  • FIG. 5 shows the second embodiment of the turbocharger according to the invention in a second view.
  • FIG. 6 shows a block diagram of an internal combustion engine with an exhaust gas aftertreatment device and a turbocharger according to the invention.
  • the turbocharger 1 includes a compressor assembly 2, which is set up for compressing the fresh air required for combustion of an internal combustion engine.
  • the compressor assembly 2 is designed as a radial compressor.
  • the compressor arrangement 2 has a fresh air inlet 201 which is set up to draw in ambient air at a first pressure.
  • the compressor arrangement 2 has a fresh air outlet 202, which is set up to to deliver sealed fresh air with a second pressure.
  • the fresh air outlet 202 can then be connected to the intake manifold of an internal combustion engine and the fresh air required for combustion of the fuel in the internal combustion engine can be supplied to the internal combustion engine at increased pressure.
  • An exhaust gas turbine 3 with at least one turbine housing 30 is used to drive the compressor arrangement.
  • the turbine housing 30 has an exhaust gas inlet 301 and an exhaust gas outlet 302, with at least one turbine wheel being arranged in the turbine housing 30 .
  • the exhaust gas turbine is in the illustrated embodiment as a radial turbine leads out, d. H. the exhaust gas inlet 301 and the exhaust gas outlet 302 are arranged approximately at right angles to one another.
  • the turbine housing 30 and the compressor housing 20 can be produced in one piece, for example as a casting or in a 3D printing process.
  • the housings can be designed in multiple parts or can be separated and connected to one another by means of screw connections.
  • a heated catalyst 4 is also shown.
  • the heated catalytic converter 4 has a housing 40 with an approximately cylindrical basic shape. On the underside of the housing 4 there is a gas inlet 401 through which exhaust gas and/or fresh air can be supplied to the heated catalytic converter 4 .
  • the heated catalytic converter 4 has at least one fuel inlet 403 .
  • a gaseous or liquid fuel usually petrol or diesel, can be supplied via the fuel inlet 403 .
  • the fuel can be completely or partially converted in the manner described above with the exhaust gas or the fresh air supplied via the gas inlet 401 . That The product gas generated in this way in the heated catalytic converter 4 leaves the heated catalytic converter 4 via the gas outlet 402.
  • a bracket 43 can be seen in Figures 1 to 3, which can be made of a thermally conductive material, such as a metal or an alloy.
  • the bracket is set up to mechanically fix the catalytic converter housing 40 of the heated catalytic converter 4 .
  • An end of the bracket 43 facing away from the catalyst housing 40 is in mechanical and thermally conductive contact with the turbine housing 30.
  • the turbine housing 30 has hot exhaust gas flowing through it. As a result, the turbine housing 30 heats up. Some of the heat is given off to the environment by convection and radiation. However, part of the heat introduced into the turbine housing 30 flows via the bracket 43 and the partial surface 45 formed between the catalytic converter housing 40 and the bracket 43 into the heated catalytic converter 4.
  • the catalytic converter housing 40 can be at least partially made of a thermally conductive material, for example a metal or alloy.
  • the heated catalytic converter 4 can be brought to an elevated temperature without or with a reduced supply of electrical auxiliary energy, at which the conversion of the fuel with fresh air or exhaust gas can take place.
  • the catalyzer housing 40 can also have additional connections 41 . Temperature sensors or electrical heating devices can be connected via this. More than one fuel inlet 403 can optionally be present in order to enable a more homogeneous distribution of the fuel within the heated catalytic converter 4 .
  • the turbocharger according to the present invention further includes a first overflow channel 15 with a first end 151 and a second end 152.
  • the first end 151 is connected to the exhaust gas inlet 301 of the turbine housing 30.
  • the exhaust gas flow emerging from the internal combustion engine at a comparatively high pressure for example approximately 3.5 to approximately 5 bar, can be at least partially removed and fed to the heated catalytic converter 4 .
  • the second end 152 of the first overflow channel 15 is connected to the gas inlet 401 of the catalytic converter housing 40 .
  • An optional two-way valve (not shown in the figures) can be located in the overflow channel 15, with which the amount of exhaust gas fed to the heated catalytic converter 4 can be controlled.
  • the turbocharger according to the first embodiment of the invention contains a third transfer channel 35 with a first end 351 and an opposite second end 352.
  • the first end 351 is connected to the gas outlet 402 of the catalytic converter housing 40.
  • the second end 352 opens with an optional nozzle 353 downstream of the turbine wheel in the turbine housing 30. Downstream of the turbine wheel, on the one hand, there is a lower pressure, since the turbine wheel takes energy from the exhaust gas flow.
  • the turbine wheel causes turbulence and thus good mixing of the product gas generated in the heated catalytic converter 4 with the main exhaust gas flow.
  • the pressure difference results in a defined flow of exhaust gas through the heated catalytic converter 4 .
  • the turbocharger according to the invention has a compact design, which saves installation space and allows existing internal combustion engines to be retrofitted in a simple manner.
  • the second embodiment dispenses with a bracket 43 for the mechanical and thermal coupling of the turbine housing 30 and the catalytic converter housing 40.
  • the catalytic converter housing 40 is designed in two parts with a lower part 422 and an upper part 421.
  • the lower part 422 of the catalyst housing 40 is made in one piece together with the turbine housing 30, d. H.
  • the lower part 422 is also manufactured in the same process step as a homogeneous part of the turbine housing 30 .
  • the overflow channels 15, 25 and 35 can also be produced in a simple manner by means of recesses or bores in the housing.
  • two-way or three-way valves can also be integrated into the housing, which can influence the supply of exhaust gas or fresh air on the one hand and the discharge of product gas on the other hand in order to adjust the operating parameters of the heated catalytic converter 4 to be adapted to predeterminable target conditions.
  • FIG. 6 shows a block diagram of an internal combustion engine 7 with an exhaust gas aftertreatment device 72, 73 and 74 and a turbocharger according to the invention.
  • the compressor arrangement 2, the exhaust gas turbine 3 and the heated catalytic converter 4 are shown spatially separated in FIG.
  • the person skilled in the art is of course familiar with the fact that these components of the invention work together, as described above with reference to FIGS.
  • the internal combustion engine 7 can be a self-igniting or a spark-ignited internal combustion engine.
  • the internal combustion engine 7 is set up to provide mechanical power by burning fuel with ambient air.
  • the internal combustion engine 7 can be used in a car, a truck, a ship, a construction machine or stationary in a compressor, a generator, a combined heat and power plant or a similar device.
  • the internal combustion engine 7 is supplied with fresh or ambient air via an air filter 77 .
  • the fresh air is brought to a higher pressure level in the compressor arrangement 2 .
  • the fresh air is supplied to the fresh air inlet 201 , compressed with a compressor wheel and then supplied to the internal combustion engine 7 via the fresh air outlet 202 .
  • the compressor arrangement is driven via a rotating shaft 8 whose drive power is provided by an exhaust gas turbine 3 .
  • the exhaust gas from the internal combustion engine 7 is introduced into the exhaust gas turbine via the exhaust gas inlet 301 .
  • the exhaust gas then leaves the exhaust gas turbine 3 via an exhaust gas outlet 302.
  • the exhaust gas is then fed via an exhaust pipe 71 to an exhaust gas after-treatment device, which can reduce soot particles and gaseous pollutants.
  • the exhaust gas aftertreatment device contains an oxidation catalytic converter 72, which is set up to oxidize hydrocarbons and carbon monoxide.
  • the exhaust gas pretreated in this way reaches a particle filter 73, which retains fine dust.
  • exhaust gas is then fed into an SCR catalytic converter 74, which reduces nitrogen oxides with the addition of urea.
  • SCR catalytic converter 74 reduces nitrogen oxides with the addition of urea.
  • exhaust gas temperatures can be measured at different points using different temperature sensors TIA.
  • the oxidation catalytic converter 72 and the SCR catalytic converter 74 require elevated temperatures of, for example, more than 250° C. for their operation.
  • the particle filter 73 is also functional at low temperatures, but has to be operated at elevated temperatures from time to time in order to oxidize embedded particles and to regenerate the particle filter in this way. There is therefore a need to bring the exhaust gas flowing in the exhaust gas pipe 71 to predeterminable temperatures or to keep it at elevated temperatures. This can be done according to the prior art by appropriate operating conditions of the internal combustion engine 7, for example by late or Nachein injections. As a result, however, the exhaust behavior is worsened and the fuel requirement of the internal combustion engine 7 increases.
  • a heating catalyst 4 which is designed to introduce heat into at least one component 72, 73, 74 of the exhaust gas aftertreatment device.
  • fuel is fed to the heated catalytic converter 4 from a storage tank 74 via an electrically driven pump 46, which fuel is fed into the Catalyst housing 40 of the heated catalyst 4 via a fuel inlet 403 occurs.
  • a catalyst carrier is arranged, which is coated with a catalyst material.
  • the fuel entering via the fuel inlet 403 can be vaporized in the heated catalytic converter 4 and leave the catalytic converter housing 4 via the gas outlet 402 .
  • This fuel vapor can be introduced into the exhaust pipe 71 by means of a third overflow channel 35 with a first end 351 and an opposite second end 352, with the turbulence generated by the exhaust gas turbine 3 ensuring effective mixing.
  • the fuel vapor can then be oxidized at the oxidation catalytic converter 72 and/or a downstream component 73 or 74 and release heat there.
  • the fuel in the heating catalytic converter 4 can be reacted with exhaust gas and/or fresh air, so that either a hot gas or a synthesis gas is formed, which can be fed to the exhaust pipe 71 via the third overflow channel 35 in the same way.
  • a synthesis gas can also be converted at the oxidation catalytic converter 72 or a subsequent component 73, 74, in which case the light-off temperature can be reduced compared to fuel that has evaporated but is chemically unchanged.
  • the heated catalytic converter 4 also contains a gas inlet 401.
  • the gas inlet 401 is connected via a three-way valve 53 to a first overflow channel 15 and a second overflow channel 25.
  • the first overflow channel 15 is connected at its first end 151 to the gas inlet 301 of the exhaust gas turbine 3 so that exhaust gas can be removed at a comparatively high pressure level and fed to a connection of the three-way valve 53 .
  • the illustrated embodiment includes a second overflow channel 25, whose first end 251 is connected to the fresh air outlet 202 of the compressor assembly 2 Ver. The opposite second end 252 is connected to a further connection of the three-way valve 53 .
  • fresh air or exhaust gas or both can be fed into the catalytic converter housing 40 of the heating catalytic converter 4 via the gas inlet 401.
  • the oxygen content in the heated catalytic converter 4 can thus be adjusted by the position of the three-way valve 53, so that the type of conversion of the supplied fuel can be influenced.
  • Both the conversion of the fuel in the heated catalytic converter 4 and the mere evaporation require thermal energy. This can be generated on the one hand by at least partial oxidation of the fuel in the heated catalytic converter 4 .
  • this energy can also be realized according to the invention by thermally coupling the heated catalytic converter 4 to the exhaust gas turbine 3 and/or the compressor arrangement 2 .
  • An electronic control or regulating device 76 is available for controlling the fuel quantity supplied and the three-way valve 53 and, if appropriate, other components of the heated catalytic converter 4 .
  • This can optionally be connected to engine control 75 via a data bus, in order in this way to also take into account the operating conditions of internal combustion engine 7 when activating heated catalytic converter 4 .
  • the three-way valve 53 can also be used to replace a wastegate valve.
  • the fuel supply to the heated catalytic converter 4 can be interrupted and the three-way valve 53 can be opened so that exhaust gas flows through the heated catalyst 4 from the high-pressure side of the exhaust gas turbine 3 to the low-pressure side without additional heat being generated.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Turbolader (1) mit einer Verdichteranordnung (2), welche zur Verdichtung der Frischluft einer Brennkraftmaschine eingerichtet ist, enthaltend zumindest ein Verdichtergehäuse (20) mit einem Frischlufteingang (201) und einem Frischluftauslass (202), wobei in dem Verdichtergehäuse (20) zumindest ein Verdichterrad (22) angeordnet ist, sowie mit zumindest einer Abgasturbine (3) zum Antrieb der Verdichteranordnung (2), mit zumindest einem Turbinengehäuse (30) mit einem Abgaseingang (301) und einem Abgasauslass (302), wobei in dem Turbinengehäuse (30) zumindest ein Turbinenrad (32) angeordnet ist, sowie weiterhin mit einen Heizkatalysator (4), welcher dazu eingerichtet ist, zugeführten Kraftstoff mit Frischluft und/oder Abgas zumindest teilweise umzusetzen, wobei der Heizkatalysator (4) ein Katalysatorgehäuse (40) mit einem Gaseinlass (401) und einen Gasauslass (402) und einem Kraftstoffeinlass (403) enthält, wobei das Katalysatorgehäuse (40) einerseits und das Verdichtergehäuse (20) und/oder das Turbinengehäuse (30) andrerseits an zumindest einer Teilfläche in thermischem Kontakt stehen.

Description

Turbolader
Die Erfindung betrifft einen Turbolader mit einer Ver dichteranordnung, welche zur Verdichtung der Frischluft einer Brennkraftmaschine eingerichtet ist, enthaltend zumin dest ein Verdichtergehäuse mit einem Frischlufteingang und einem Frischluftauslass, wobei in dem Verdichtergehäuse zumindest ein Verdichterrad angeordnet ist, sowie mit zumindest einer Abgasturbine zum Antrieb der Verdichteran ordnung, mit zumindest einem Turbinengehäuse mit einem Abgaseingang und einem Abgasauslass, wobei in dem Turbinen gehäuse zumindest ein Turbinenrad angeordnet ist.
Aus der Praxis ist bekannt, eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem Turbolader auszustatten. Der Turbolader enthält eine Turbine, welche kinetische Energie aus dem Abgasstrom entnimmt und als mechanische Leistung bereit stellt. Diese mechanische Leistung dient zum Antrieb einer Verdichteranordnung, mit welcher der Brennkraftmaschine die zur Verbrennung erforderliche Frischluft mit erhöhtem Druck zugeführt werden kann. Hierdurch kann das Ansprechverhalten, die Leistung und/oder der Verbrauch optimiert werden.
Weiterhin ist aus der Praxis bekannt, die Abgase einer Brennkraftmaschine zumindest einer Abgasnachbehandlungs- einrichtung zuzuführen. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung kann beispielsweise einen Partikelfilter und/oder zumindest einen Katalysator enthalten. Hierdurch können Rußpartikel zurückgehalten oder Schadstoffe, wie beispielsweise CO, CHX oder NOx oxidiert bzw. reduziert und dadurch unschädlich gemacht werden. Sämtliche bekannten Katalysatoren benötigen eine gegenüber normalen Umgebungsbedingungen erhöhte Betriebstemperatur, um in nennenswertem Umfang Schadstoffe aus dem Abgas zu entfernen. Ein Partikelfilter arbeitet zwar bereits nach einem Kaltstart zuverlässig. Jedoch muss dieser von Zeit zu Zeit bei erhöhter Temperatur regeneriert werden.
Aus der WO 2020/193595 Al ist daher ein Heizkatalysator bekannt, welcher dazu eingerichtet ist, zugeführten Kraft stoff mit Abgas oder Frischluft umzusetzen. Der Heizkataly sator kann in unterschiedlichen Betriebszuständen betrieben werden. Beispielsweise kann der zugeführte Kraftstoff ledig lich verdampft werden, um an einer Abgasnachbehandlungs- einrichtung oxidiert zu werden, wodurch Wärme frei wird und die Abgasnachbehandlungseinrichtung aufheizt. In anderen Betriebszuständen kann der Kraftstoff zumindest teilweise in ein Synthesegas umgesetzt werden, welches an der Abgasnach behandlungseinrichtung eine niedrigere Light-Off-Temperatur aufweist und so in manchen Betriebszuständen der Brennkraft maschine eine bessere Erwärmung der Abgasnachbehandlungs- einrichtung ermöglicht. Schließlich kann der Kraftstoff im Heizkatalysator vollständig umgesetzt werden, um auf diese Weise ein Heißgas zu erzeugen, welches der Abgasnach behandlungseinrichtung zugeführt wird und diese aufheizt.
Dieser bekannte Heizkatalysator weist den Nachteil auf, dass dieser zusätzlichen Bauraum benötigt, welcher insbesondere in Pkw und leichten Nutzfahrzeugen knapp bemessen sein kann.
Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur raschen Auf- heizung einer Abgasnachbehandlungseinrichtung einer Brenn kraftmaschine anzugeben, welche geringen Bauraum benötigt und auch zur Nachrüstung bestehender Brennkraftmaschinen geeignet ist. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Turbolader gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird ein Turbolader vorgeschlagen, welcher zumindest eine Verdichteranordnung und zumindest eine Abgas turbine aufweist. Die Verdichteranordnung ist dazu einge richtet, die einer Brennkraftmaschine zuzuführende Frisch luft zu verdichten. Hierzu enthält die Verdichteranordnung zumindest ein Verdichtergehäuse mit einem Frischlufteingang und einem Frischluftauslass, wobei im Verdichtergehäuse zumindest ein Verdichterrad angeordnet ist. Die zur Verbrennung des Kraftstoffes in der Brennkraftmaschine erforderliche Frischluft wird der Verdichteranordnung durch den Frischlufteingang mit einem ersten Druck zugeführt und verlässt den Frischluftauslass mit einem zweiten Druck, wobei der zweite Druck höher ist als der erste Druck. Die Verdichteranordnung führt der Frischluft somit mechanische Arbeit zu.
Das zumindest eine Verdichterrad kann eine Mehrzahl von Rotorblättern aufweisen und als Radialverdichter oder Axialverdichter arbeiten. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das zumindest eine Verdichterrad Teil eines Schraubenverdichters oder eines Roots-Gebläses oder eines Taumelscheibenverdichters sein. Die Erfindung lehrt nicht die Verwendung einer bestimmten Bauweise der Verdichteran ordnung als Lösungsprinzip.
Die zumindest eine Abgasturbine ist dazu eingerichtet, die Verdichteranordnung anzutreiben. Hierzu kann die Abgas turbine einerseits und die Verdichteranordnung andererseits durch eine rotierende Welle, ein Getriebe, einen Riemenan trieb oder in anderer, an sich bekannter Weise miteinander verbunden sein. Die zumindest eine Abgasturbine weist zumin dest ein Turbinengehäuse mit einem Abgaseingang und einem Abgasauslass auf, wobei in dem Turbinengehäuse zumindest ein Turbinenrad angeordnet ist. Die Abgasturbine ist dazu eingerichtet, Energie aus dem Abgasstrom zu entnehmen und diese als mechanische Leistung bereitzustellen. Insoweit wird dem Turbinengehäuse über den Abgaseingang ein Abgas- ström der Brennkraftmaschine mit einem zweiten Druck zugeführt und über den Abgasauslass mit einem ersten Druck abgeführt, wobei der zweite Druck höher ist als der erste Druck.
Der erfindungsgemäße Turbolader weist weiterhin einen Heiz- katalysator auf, welcher dazu eingerichtet ist, zugeführten Kraftstoff mit Frischluft und/oder Abgas zumindest teilweise umzusetzen, wobei der Heizkatalysator ein Katalysatorgehäuse mit zumindest einem Gaseinlass und zumindest einem Gasaus lass und zumindest einem Kraftstoffeinlass enthält. Über den Gaseinlass wird Frischluft und/oder Abgas zugeführt. Über den Kraftstoffeinlass wird dem Heizkatalysator Kraftstoff zugeführt, beispielsweise Benzin oder Diesel. Im Heizkataly sator entsteht aus Kraftstoff und Abgas und/oder Frischluft ein Produktgas. Hierzu wird der Kraftstoff im Heizkataly sator verdampft und/oder unter Freisetzung von Wärme zumin dest teilweise oxidiert und/oder über Crack-Reaktionen in ein Synthesegas umgewandelt. Das Produktgas enthält somit ein Heißgas und/oder Kraftstoffdampf und/oder Synthesegas. Das Produktgas verlässt den Heizkatalysator über den Gas auslass und wird dem Abgasrohr stromab der Abgasturbine wieder zugeführt. Daher kann die durch die Abgasturbine erzeugte Turbulenz dazu eingesetzt werden, für eine Durch mischung des im Heizkatalysator produzierten Produktgases mit dem Abgas zu sorgen. Abgas und/oder Frischluft können mit dem jeweiligen zweiten Druck über den Gaseinlass zuge führt werden und in das mit dem ersten Druck strömenden Ab gas abgegeben werden, so dass sich eine zuverlässige Durch strömung des Katalysatorgehäuses ohne zusätzliche Förder einrichtung ergibt. In einigen Ausführungsformen der Erfin dung ist der Heizkatalysator dazu eingerichtet ist, zuge- führten Kraftstoff mittels eines Vlieses verkokungsfrei zu verdampfen .
Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, dass das Kataly satorgehäuse einerseits und das Verdichtergehäuse und/oder das Turbinengehäuse andererseits an zumindest einer Teil- fläche in thermischem Kontakt stehen. Dies führt einerseits zu einer kompakten Bauweise, da der Turbolader mit integriertem Heizkatalysator kaum mehr Bauraum benötigt als ein bekannter Turbolader ohne die zusätzliche Funktionalität eines Heizkatalysators. Darüber hinaus können bereits in Benutzung befindliche Brennkraftmaschinen mit Turbolader in einfacher Weise mit der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung nachgerüstet werden, indem der vorhandene Turbolader gegen den erfindungsgemäßen Turbolader ausgetauscht wird. Somit kann zusätzliche Wärmeenergie in eine Abgasnachbehandlungs- einrichtung eingebracht werden, ohne durch innermotorische Maßnahmen die Effizienz der Brennkraftmaschine zu reduzieren .
Weiterhin kann die bei Betrieb des Turboladers anfallende Abwärme dem Heizkatalysator zugeführt werden, sodass der Heizkatalysator selbst schneller auf Betriebstemperatur kommt. Hierdurch kann die Zufuhr elektrischer Hilfsenergie in den Heizkatalysator reduziert oder vollständig vermieden werden, sodass der Heizkatalysator verbrauchsoptimiert betrieben werden kann.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung enthält der Turbolader weiterhin einen ersten Überströmkanal mit einem ersten Ende und einem gegenüberliegenden zweiten Ende, wobei das erste Ende mit dem Abgaseingang des Turbinengehäuses verbunden ist und das zweite Ende mit dem Gaseinlass des Katalysatorgehäuses verbunden ist. Hierdurch ist es möglich, dem Heizkatalysator Abgas zuzuführen, welches einerseits thermische Energie in den Heizkatalysator einträgt, um dadurch die Umsetzung des Kraftstoffes am Katalysator zu ermöglichen oder zu befördern oder um Kraftstoff zu ver dampfen, d. h. von dem flüssigen in den gasförmigen Zustand zu überführen. Darüber hinaus kann das Abgas als Oxidations mittel eingesetzt werden, um den Kraftstoff zumindest teil weise zu oxidieren und dadurch Wärme freizusetzen. Hierzu eignet sich insbesondere sauerstoffreiches Abgas, welches sich beispielsweise bei magerem Betrieb (Luftzahl l> 1) einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine oder generell bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen einstellt.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Turbo lader zumindest einen zweiten Überströmkanal mit einem ersten Ende und einem gegenüberliegenden zweiten Ende enthalten, wobei das erste Ende mit dem Frischluftauslass des Verdichtergehäuses verbunden ist und das zweite Ende mit dem Gaseinlass des Katalysatorgehäuses verbunden ist. Der zweite Überströmkanal dient somit dazu, dem Heizkatalysator Frischluft zuzuführen. Ebenso wie das Abgas kann auch die verdichtete Frischluft dazu eingesetzt werden, dem Heiz katalysator zusätzliche thermische Energie zuzuführen. Darüber hinaus eignet sich die Frischluft als Oxidations mittel für den dem Heizkatalysator zugeführten Kraftstoff. Hierdurch kann eine Oxidation des Kraftstoffes unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine sichergestellt werden, da die Oxidation von der Zusammensetzung des Rohabgases unabhängig erfolgen kann.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Turbo lader einen dritten Überströmkanal enthalten, welcher ein erstes Ende und ein gegenüberliegendes zweites Ende auf weist, wobei das erste Ende mit dem Gasauslass des Kataly satorgehäuses verbunden ist und das zweite Ende mit dem Abgasauslass des Turbinengehäuses verbunden ist. Der dritte Überströmkanal ist somit dazu geeignet und bestimmt, das im Heizkatalysator erzeugte Produktgas stromabwärts der Abgas turbine dem Abgasrohr zuzuführen. Wie bereits vorstehend beschrieben, kann das Produktgas ein Kraftstoffdampf sein oder einen solchen enthalten. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Produktgas ein Synthesegas sein oder ein Synthesegas enthalten, welches durch Umsetzung des Kraftstoffes am Heizkatalysator erhalten wird. In wiederum anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Produktgas ein Heißgas sein bzw. ein Heißgas enthalten, welches durch Oxidation des Kraftstoffes am Heizkatalysator erhalten wird. Da dem Heizkatalysator somit Abgas oder Frischluft auf vergleichsweise hohem Druckniveau vor der Abgasturbine zugeführt wird und das Produktgas des Heizkatalysators stromabwärts der Abgasturbine auf niedrigerem Druck zugeführt wird, ergibt sich durch den Druckabfall innerhalb der Abgasturbine zwanglos eine Durchströmung des Heizkataly sators mit Abgas oder Frischluft.
Es versteht sich von selbst, dass der erste, zweite oder dritte Überströmkanal nicht in allen Ausführungsformen der Erfindung vorhanden sein muss. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann nur einer oder nur zwei der genannten Überströmkanäle vorhanden sein.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der erste Überströmkanal und/oder der zweite Überströmkanal und/oder der dritte Überströmkanal zumindest abschnittsweise als Bohrung im Katalysatorgehäuse bzw. im Verdichtergehäuse oder im Turbinengehäuse ausgeführt sein. Eine solche Bohrung kann entweder durch spanende Bearbeitung oder beim Urformen des Gehäuses eingebracht werden. Hierdurch ergibt sich zum einen eine einfache Fertigung des erfindungsgemäßen Turboladers und ein mechanisch robuster Betrieb, da auf verschleiß anfällige Kunststoff- oder GummiSchläuche sowie Anschluss stellen von Schläuchen am Gehäuse verzichtet werden kann.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann am zweiten Ende des dritten Überströmkanals zumindest eine Düse ange ordnet sein. Diese erlaubt es, das Produktgas des Heiz katalysators mit einer vorgebbaren Richtung und/oder einem vorgebbaren Impuls in den Abgasstrom einzubringen, sodass die Durchmischung des Produktgases mit dem Abgasstrom zusätzlich gefördert wird.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann im ersten Überströmkanal und/oder im zweiten Überströmkanal und/oder im dritten Überströmkanal ein Zwei-Wege-Ventil vorhanden sein. Ein solches Zwei-Wege-Ventil kann durch ein elektrisches Signal eines Steuergerätes beeinflusst werden, sodass die Strömung in dem jeweiligen Überströmkanal gesteuert oder geregelt werden kann. Hierdurch kann im Heiz- katalysator je nach Betriebszustand Abgas oder Frischluft oder ein Gemisch aus Abgas und Frischluft zugeführt werden oder der Heizkatalysator kann durch Schließen zumindest eines Überströmkanals vollständig deaktiviert werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Überströmkanäle als Wastegate-Ventil verwendet werden, indem unzulässig hoher Ladedruck durch den Heizkatalysator in die Abgasleitung abgeführt oder Abgas an der Abgasturbine vorbeigeleitet wird. Auf ein zusätzliches Wastegateventil kann dadurch verzichtet werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Turbo lader weiterhin ein Drei-Wege-Ventil enthalten, welches drei Ein-/Ausgänge aufweist, an welche der erste Überströmkanal und der zweite Überströmkanal und der Gaseinlass ange schlossen sind. Durch die Stellung des Drei-Wege-Ventils kann dem Heizkatalysator Frischluft oder Abgas oder eine Mischung aus Frischluft und Abgas zugeführt werden, sodass sich der Betriebszustand des Heizkatalysators mittels eines einzigen Ventils in einem weiten Umfang einstellen lässt. Durch Schließen des Drei-Wege-Ventils kann der Heizkataly sator außer Betrieb genommen werden, beispielsweise bei Volllast oder Volllast-nahen Betriebszuständen, welche keine zusätzlichen Aufheizmaßnahmen der Abgasnachbehandlung benötigen . In einer Ausführungsform der Erfindung kann zumindest ein Teil des Katalysatorgehäuses und entweder das Verdichter gehäuse oder das Turbinengehäuse einstückig gefertigt sein. Eine solche einstückige Fertigung kann insbesondere durch Urformen in einem Gießverfahren erfolgen. In anderen Aus führungsformen der Erfindung kann die Fertigung der Gehäuse zumindest teilweise in einem 3D-Druckverfahren erfolgen. Hierdurch kann zumindest ein Teil des Katalysatorgehäuses und zumindest ein Teil des Verdichtergehäuses oder des Turbinengehäuses Stoffschlüssig ausgeführt sein, sodass Wärme vom Verdichtergehäuse bzw. dem Turbinengehäuse ver lustarm in den Heizkatalysator eingebracht werden kann. Raue und/oder nach längerem Betrieb oxidierte Kontaktflächen mit vergleichsweise hohem Wärmeübergangswiderstand können auf diese Weise vermieden werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann zumindest ein Teil des Katalysatorgehäuses und zumindest ein Teil des Verdichtergehäuses und zumindest ein Teil des Turbinen gehäuses einstückig gefertigt sein. Hierdurch ergibt sich ein mechanisch robuster und kompakter Aufbau des gesamten Turboladers .
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann durch den thermischen Kontakt zwischen dem Katalysatorgehäuse einerseits und dem Verdichtergehäuse bzw. dem Turbinen gehäuse andererseits ein Wärmestrom von etwa 0,5 kW bis etwa 6 kW in den Heizkatalysator eingetragen werden. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der durch den thermischen Kontakt in den Heizkatalysator eingetragene Wärmestrom zwischen etwa 1 kW bis etwa 4 kW betragen. In wiederum anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Wärmeeintrag zwischen etwa 0,5 kW bis etwa 3 kW betragen.
Die genannten Heizleistungen erlauben das effiziente Verdampfen und/oder Umsetzen von Kraftstoff im Heizkataly sator ohne zusätzliche elektrische Hilfsenergie. Die Brenn- kraftmaschine kann daher verbrauchsoptimiert betrieben werden.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Dabei zeigt
Figur 1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Turboladers in einer ersten Ansicht.
Figur 2 zeigt die erste Ausführungsform des erfindungs gemäßen Turboladers in einer zweiten Ansicht.
Figur 3 zeigt die erste Ausführungsform des erfindungs gemäßen Turboladers in einer dritten Ansicht.
Figur 4 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungs gemäßen Turboladers in einer ersten Ansicht.
Figur 5 zeigt die zweite Ausführungsform des erfindungs gemäßen Turboladers in einer zweiten Ansicht.
Figur 6 zeigt ein Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasnachbehandlungseinrichtung und einem erfindungsgemäßen Turbolader.
Anhand der Figuren 1 bis 3 wird eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Turboladers erläutert. Der Turbo lader 1 enthält eine Verdichteranordnung 2, welche zur Verdichtung der zur Verbrennung erforderlichen Frischluft einer Brennkraftmaschine eingerichtet ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Verdichteranordnung 2 als Radialverdichter ausgeführt. Die Verdichteranordnung 2 weist einen Frischlufteingang 201 auf, welcher dazu eingerichtet ist, Umgebungsluft mit einem ersten Druck anzusaugen. Weiterhin weist die Verdichteranordnung 2 einen Frischluft auslass 202 auf, welcher dazu eingerichtet ist, die ver- dichtete Frischluft mit einem zweiten Druck abzugeben. Der Frischluftauslass 202 kann sodann mit der Ansaugbrücke einer Brennkraftmaschine verbunden werden und die zur Verbrennung des Kraftstoffes in der Brennkraftmaschine erforderliche Frischluft der Brennkraftmaschine mit erhöhtem Druck zuzuführen .
Zum Antrieb der Verdichteranordnung dient eine Abgas turbine 3 mit zumindest einem Turbinengehäuse 30. Das Turbinengehäuse 30 weist einen Abgaseingang 301 und einen Abgasauslass 302 auf, wobei im Turbinengehäuse 30 zumindest ein Turbinenrad angeordnet ist. Auch die Abgasturbine ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als Radialturbine ausge führt, d. h. der Abgaseingang 301 und der Abgasauslass 302 sind in etwa rechtwinklig zueinander angeordnet.
Das Turbinengehäuse 30 und das Verdichtergehäuse 20 können in einigen Ausführungsformen der Erfindung einstückig hergestellt sein, beispielsweise als Gussteil oder in einem 3D-Druckverfahren . In anderen Ausführungsformen der Erfindung können die Gehäuse mehrteilig ausgeführt sein bzw. separiert und mittels Schraubverbindungen miteinander verbunden sein.
In den Figuren 1 bis 3 ist weiterhin ein Heizkatalysator 4 dargestellt. Der Heizkatalysator 4 weist ein Gehäuse 40 mit einer in etwa zylindrischen Grundform auf. An der Unterseite des Gehäuses 4 befindet sich ein Gaseinlass 401, durch wel chen dem Heizkatalysator 4 Abgas und/oder Frischluft zuge führt werden kann. Weiterhin weist der Heizkatalysator 4 zumindest einen Kraftstoffeinlass 403 auf. Über den Kraft stoffeinlass 403 kann ein gasförmiger oder flüssiger Brenn stoff zugeführt werden, meist Benzin oder Diesel. Der Kraft stoff kann in der vorstehend beschriebenen Weise mit dem über dem Gaseinlass 401 zugeführten Abgas bzw. der Frischluft vollständig oder teilweise umgesetzt werden. Das im Heizkatalysator 4 auf diese Weise erzeugte Produktgas verlässt den Heizkatalysator 4 über den Gasauslass 402.
Weiterhin ist in den Figuren 1 bis 3 ein Haltewinkel 43 erkennbar, welcher aus einem thermisch leitfähigen Material gefertigt sein kann, beispielsweise einem Metall oder einer Legierung. Der Haltewinkel ist dazu eingerichtet, das Katalysatorgehäuse 40 des Heizkatalysators 4 mechanisch zu fixieren. Ein dem Katalysatorgehäuse 40 abgewandtes Ende des Haltewinkels 43 ist in mechanischem und thermisch leit fähigem Kontakt mit dem Turbinengehäuse 30. Bei Betrieb des Turboladers wird das Turbinengehäuse 30 von heißem Abgas durchströmt. Hierdurch heizt sich das Turbinengehäuse 30 auf. Die Wärme wird durch Konvektion und Strahlung teilweise an die Umgebung abgegeben. Ein Teil der in das Turbinen gehäuse 30 eingetragenen Wärme fließt jedoch über den Haltewinkel 43 und die zwischen dem Katalysatorgehäuse 40 und dem Haltewinkel 43 ausgebildete Teilfläche 45 in den Heizkatalysator 4. Hierzu kann das Katalysatorgehäuse 40 zumindest teilweise aus einem thermisch leitfähigen Material gefertigt sein, beispielsweise einem Metall oder einer Legierung. Auf diese Weise kann der Heizkatalysator 4 ohne oder mit reduzierter Zufuhr elektrischer Hilfsenergie auf eine erhöhte Temperatur gebracht werden, bei welcher die Umsetzung des Kraftstoffes mit Frischluft oder Abgas erfolgen kann.
Wie in den Figuren weiter ersichtlich ist, kann das Kataly satorgehäuse 40 darüber hinaus weitere Anschlüsse 41 auf weisen. Hierüber können Temperatursensoren oder elektrische Heizeinrichtungen angeschlossen sein. Optional kann mehr als ein Kraftstoffeinlass 403 vorhanden sein, um eine homogenere Verteilung des Kraftstoffes innerhalb des Heizkatalysators 4 zu ermöglichen.
Wie in den Figuren 1 und 2 weiter ersichtlich ist, enthält der Turbolader gemäß der vorliegenden Erfindung weiterhin einen ersten Überströmkanal 15 mit einem ersten Ende 151 und einem zweiten Ende 152. Das erste Ende 151 ist mit dem Abgaseingang 301 des Turbinengehäuses 30 verbunden. Auf diese Weise kann der aus der Brennkraftmaschine mit vergleichsweise hohem Druck, beispielsweise etwa 3,5 bis etwa 5 bar, austretende Abgasstrom zumindest teilweise entnommen und dem Heizkatalysator 4 zugeführt werden. Hierzu ist das zweite Ende 152 des ersten Überströmkanals 15 mit dem Gaseinlass 401 des Katalysatorgehäuses 40 verbunden. Im Überströmkanal 15 kann sich ein optionales, in den Figuren nicht dargestelltes Zwei-Wege-Ventil befinden, mit welchem die dem Heizkatalysator 4 zugeführte Abgasmenge kontrolliert werden kann.
Weiterhin enthält der Turbolader gemäß der ersten Aus führungsform der Erfindung einen dritten Überströmkanal 35 mit einem ersten Ende 351 und einem gegenüberliegenden zweiten Ende 352. Dabei ist das erste Ende 351 mit dem Gasauslass 402 des Katalysatorgehäuses 40 verbunden. Das zweite Ende 352 mündet mit einer optionalen Düse 353 strom abwärts des Turbinenrades im Turbinengehäuse 30. Stromab wärts des Turbinenrads stellt sich zum einen ein niedrigerer Druck ein, da das Turbinenrad Energie aus dem Abgasstrom entnimmt . Darüber hinaus verursacht das Turbinenrad Turbulenzen und dadurch eine gute Durchmischung des im Heiz- katalysator 4 generierten Produktgases mit dem Hauptabgas strom. Durch die Druckdifferenz ergibt sich eine definierte Durchströmung des Heizkatalysators 4 mit Abgas. Gleichzeitig weist der erfindungsgemäße Turbolader eine kompakte Bauweise auf, welche Bauraum einspart und eine Nachrüstung bestehender Brennkraftmaschinen in einfacher Weise ermöglicht .
Anhand der Figuren 4 und 5 wird eine zweite Ausführungsform der Erfindung näher erläutert. Gleiche Bestandteile der Erfindung sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass sich die nachfolgende Beschreibung auf die wesentlichen Unterschiede der Erfindung beschränkt.
Wie aus Figur 4 ersichtlich ist, verzichtet die zweite Ausführungsform auf einen Haltewinkel 43 zur mechanischen und thermischen Kopplung des Turbinengehäuses 30 und des Katalysatorgehäuses 40. Gemäß der zweiten Ausführungsform ist das Katalysatorgehäuse 40 zweiteilig ausgeführt mit einem Unterteil 422 und einem Oberteil 421. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Unterteil 422 des Katalysator gehäuses 40 einstückig zusammen mit dem Turbinengehäuse 30 gefertigt, d. h. beim Urformen des Turbinengehäuses 30 in einem Metallgussverfahren wird das Unterteil 422 im selben Verfahrensschritt als homogener Bestandteil des Turbinen gehäuses 30 mitgefertigt.
Durch die einstückige bzw. monolithische Fertigung des Unterteils 422 des Katalysatorgehäuses 40 und des Turbinen gehäuses 30 ergibt sich an der Teilfläche 45, welche eine thermische Kopplung der beiden Bauteile bewirkt, keine Grenzfläche, welche durch Unebenheiten, Verschmutzungen oder Oxidation den Wärmeübergang behindert. Der Wärmeeintrag vom Turbinengehäuse 30 in das Katalysatorgehäuse 40 kann dadurch homogener und/oder effektiver erfolgen. Eine solche Stoff- schlüssige Verbindung von zumindest einem Teil des Katalysa torgehäuses und dem Turbinengehäuse kann in anderen Aus führungsformen der Erfindung auch durch Löten, Schweißen oder 3D-Druck erfolgen.
Im Falle der monolithischen Fertigung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung können auch die Überström- kanäle 15, 25 und 35 in einfacher Weise durch Ausnehmungen bzw. Bohrungen im Gehäuse hergestellt werden. Darüber hinaus können in das Gehäuse auch Zwei- oder Drei-Wege-Ventile integriert werden, welche die Zufuhr von Abgas oder Frischluft einerseits und die Abfuhr von Produktgas andererseits beeinflussen können, um die Betriebsparameter des Heizkatalysators 4 an vorgebbare Sollbedingungen anzupassen .
Figur 6 zeigt ein Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine 7 mit einer Abgasnachbehandlungseinrichtung 72, 73 und 74 und einem erfindungsgemäßen Turbolader. Aus Gründen der Über sichtlichkeit ist die Verdichteranordnung 2, die Abgas turbine 3 und der Heizkatalysator 4 in Figur 6 räumlich getrennt dargestellt. Dem Fachmann ist selbstverständlich geläufig, dass diese Bestandteile der Erfindung Zusammen wirken, wie vorstehend anhand der Figuren 1 bis 5 beschrieben .
Die Brennkraftmaschine 7 kann eine selbstzündende oder eine fremdgezündete Brennkraftmaschine sein. Die Brennkraft maschine 7 ist dazu eingerichtet, durch Verbrennung von Kraftstoff mit Umgebungsluft mechanische Leistung bereitzu stellen. Die Brennkraftmaschine 7 kann in einem PKW, einm LKW, einem Schiff, einer Baumaschine oder stationär in einem Kompressor, einem Generator, einem Blockheizkraftwerk oder einem ähnlichen Gerät eingesetzt werden.
Bei Betrieb wird der Brennkraftmaschine 7 Frisch- bzw. Umgebungsluft über einen Luftfilter 77 zugeführt. Die Frischluft wird in der Verdichteranordnung 2 auf ein höheres Druckniveau gebracht. Hierzu wird die Frischluft dem Frisch lufteingang 201 zugeführt, mit einem Verdichterrad verdichtet und sodann über den Frischluftauslass 202 der Brennkraftmaschine 7 zugeführt.
Der Antrieb der Verdichteranordnung erfolgt über eine rotierende Welle 8, deren Antriebsleistung von einer Abgas turbine 3 bereitgestellt wird. Hierzu wird das Abgas der Brennkraftmaschine 7 über den Abgaseingang 301 in die Abgas turbine eingeleitet. Das Abgas verlässt die Abgasturbine 3 sodann über einen Abgasauslass 302. Das Abgas wird sodann über ein Abgasrohr 71 einer Abgasnach behandlungseinrichtung zugeführt, welche Rußpartikel und gasförmige Schadstoffe reduzieren kann. Im dargestellten Ausführungsbeispiel enthält die Abgasnachbehandlungs- einrichtung einen Oxidationskatalysator 72, welcher dazu eingerichtet ist, Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid zu oxidieren. Das solchermaßen vorbehandelte Abgas gelangt in einen Partikelfilter 73, welcher Feinstäube zurückhält. Sodann wird das Abgas in einen SCR-Katalysator 74 geleitet, welcher Stickoxide unter Zusatz von Harnstoff reduziert. Zur Steuerung bzw. Regelung des Heizkatalysators 4 und der Brennkraftmaschine 7 können Abgastemperaturen unter Einsatz verschiedener Temperatursensoren TIA an unterschiedlichen Stellen gemessen werden.
Der Oxidationskatalysator 72 und der SCR-Katalysator 74 benötigen zu ihrem Betrieb erhöhte Temperaturen von beispielsweise mehr als 250°C. Der Partikelfilter 73 ist auch bei niedrigen Temperaturen funktionsfähig, muss jedoch von Zeit zu Zeit mit erhöhten Temperaturen betrieben werden, um eingelagerte Partikel zu oxidieren und den Partikelfilter auf diese Weise zu regenerieren. Es besteht somit ein Bedürfnis, das im Abgasrohr 71 strömende Abgas auf vorgeb- bare Temperaturen zu bringen bzw. auf erhöhten Temperaturen zu halten. Dies kann nach dem Stand der Technik durch entsprechende Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine 7 erfolgen, beispielsweise durch Spät- oder Nachein spritzungen. Hierdurch wird jedoch das Abgasverhalten verschlechtert und der Brennstoffbedarf der Brennkraft maschine 7 erhöht.
Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, einen Heizkataly sator 4 einzusetzen, welcher dazu eingerichtet ist, Wärme in zumindest eine Komponente 72, 73, 74 der Abgasnachbe handlungseinrichtung einzubringen. Hierzu wird dem Heiz- katalysator 4 aus einem Vorratstank 74 über eine elektrisch angetriebene Pumpe 46 Kraftstoff zugeführt, welcher in das Katalysatorgehäuse 40 des Heizkatalysators 4 über einen Kraftstoffeinlass 403 eintritt. Innerhalb des Katalysator gehäuses 4 ist ein Katalysatorträger angeordnet, welcher mit einem Katalysatormaterial beschichtet ist.
Der über den Kraftstoffeinlass 403 eintretende Kraftstoff kann im einfachsten Fall im Heizkatalysator 4 verdampft werden und das Katalysatorgehäuse 4 über den Gasauslass 402 verlassen. Mittels eines dritten Überströmkanals 35 mit einem ersten Ende 351 und einem gegenüberliegenden zweiten Ende 352 kann dieser Kraftstoffdampf in das Abgasrohr 71 eingebracht werden, wobei die von der Abgasturbine 3 erzeugte Turbulenz für eine effektive Vermischung sorgt. Der Kraftstoffdampf kann sodann am Oxidationskatalysator 72 und/oder einer nachgelagerten Komponente 73 oder 74 oxidiert werden und dort Wärme freisetzen.
In anderen Betriebszuständen kann der Kraftstoff im Heiz katalysator 4 mit Abgas und/oder Frischluft umgesetzt werden, sodass sich entweder ein Heißgas oder ein Synthese gas bildet, welches dem Abgasrohr 71 über den dritten Über- strömkanal 35 in gleicher Weise zugeführt werden kann. Auch ein Synthesegas kann am Oxidationskatalysator 72 oder einer nachfolgenden Komponente 73, 74 umgesetzt werden, wobei die Light-Off-Temperatur gegenüber verdampftem, aber chemisch unverändertem Kraftstoff reduziert sein kann.
Um den Kraftstoff mit Abgas oder Frischluft umzusetzen, enthält der Heizkatalysator 4 weiterhin einen Gaseinlass 401. Der Gaseinlass 401 ist über ein Drei-Wege-Ventil 53 mit einem ersten Überströmkanal 15 und einem zweiten Überström- kanal 25 verbunden. Der erste Überströmkanal 15 ist mit seinem ersten Ende 151 am Gaseingang 301 der Abgasturbine 3 verbunden, sodass Abgas auf vergleichsweise hohem Druck niveau entnommen und einem Anschluss des Drei-Wege-Ventils 53 zugeführt werden kann. Weiterhin enthält die dargestellte Ausführungsform einen zweiten Überströmkanal 25, dessen erstes Ende 251 mit dem Frischluftauslass 202 der Ver dichteranordnung 2 verbunden ist. Das gegenüberliegende zweite Ende 252 ist mit einem weiteren Anschluss des Drei- Wege-Ventils 53 verbunden. Je nach Stellung des Drei-Wege- Ventils 53 kann somit Frischluft oder Abgas oder beides über den Gaseinlass 401 in das Katalysatorgehäuse 40 des Heiz katalysators 4 zugeführt werden. Durch die Stellung des Drei-Wege-Ventils 53 kann somit der Sauerstoffgehalt im Heizkatalysator 4 eingestellt werden, sodass die Art der Umsetzung des zugeführten Kraftstoffes beeinflusst werden kann.
Sowohl die Umsetzung des Kraftstoffes im Heizkatalysator 4 als auch die bloße Verdampfung erfordern thermische Energie. Diese kann einerseits durch zumindest teilweise Oxidation des Kraftstoffes im Heizkatalysator 4 erzeugt werden.
Darüber hinaus kann diese Energie jedoch erfindungsgemäß auch durch thermische Kopplung des Heizkatalysators 4 an die Abgasturbine 3 und/oder die Verdichteranordnung 2 realisiert werden.
Zur Ansteuerung der zugeführten Kraftstoffmenge und des Drei-Wege-Ventils 53 und gegebenenfalls weiterer Komponenten des Heizkatalysators 4 steht eine elektronische Steuer- oder Regeleinrichtung 76 zur Verfügung. Diese kann optional über einen Datenbus mit der Motorsteuerung 75 verbunden werden, um auf diese Weise auch die Betriebsbedingungen der Brenn kraftmaschine 7 bei der Ansteuerung des Heizkatalysators 4 zu berücksichtigen.
Die vollständige Integration des Heizkatalysators 4 in den AbgasTurbolader ermöglicht darüber hinaus, zusätzliche Komponenten einzusparen. Im dargestellten Ausführungs beispiel kann das Drei-Wege-Ventil 53 auch dazu eingesetzt werden, ein Wastegate-Ventil zu ersetzen. Hierzu kann bei unzulässigem Ansteigen des Druckes am Frischluftauslass 202 die Kraftstoffzufuhr zum Heizkatalysator 4 unterbrochen und das Drei-Wege-Ventil 53 geöffnet werden, sodass Abgas durch den Heizkatalysator 4 von der Hochdruckseite der Abgas turbine 3 zur Niederdruckseite strömt, ohne dass zusätzliche Wärme erzeugt wird.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die darge stellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Be schreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Ansprüche und die vorstehende Beschreibung „erste" und „zweite" Ausführungsformen definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Aus führungsformen, ohne eine Rangfolge festzulegen.

Claims

Ansprüche
1. Turbolader (1) mit einer Verdichteranordnung (2), welche zur Verdichtung der Frischluft einer Brennkraftmaschine eingerichtet ist, enthaltend zumindest ein Verdichtergehäuse (20) mit einem Frischlufteingang (201) und einem Frischluftauslass (202), wobei in dem Verdichtergehäuse (20) zumindest ein Verdichterrad angeordnet ist, sowie mit zumindest einer Abgasturbine (3) zum Antrieb der Verdichteranordnung (2), mit zumindest einem Turbinen gehäuse (30) mit einem Abgaseingang (301) und einem Abgasauslass (302), wobei in dem Turbinengehäuse (30) zumindest ein Turbinenrad angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbolader (1) weiterhin einen Heizkatalysator (4) enthält, welcher dazu eingerichtet ist, zugeführten Kraftstoff mit Frischluft und/oder Abgas zumindest teilweise umzusetzen, wobei der Heizkatalysator (4) ein Katalysatorgehäuse (40) mit einem Gaseinlass (401) und einen Gasauslass (402) und einem Kraftstoffeinlass (403) enthält, wobei das Katalysatorgehäuse (40) einerseits und das Ver dichtergehäuse (20) und/oder das Turbinengehäuse (30) andrerseits an zumindest einer Teilfläche (45) in thermischem Kontakt stehen.
2. Turbolader nach Anspruch 1, weiterhin enthaltend einen ersten Überströmkanal (15) mit einem ersten Ende (151) und einem gegenüberliegenden zweiten Ende (152), wobei das erste Ende (151) mit dem Abgaseingang (301) des Turbinengehäuses (30) verbunden ist und das zweite Ende (152) mit dem Gaseinlass (401) des Katalysatorgehäuses (40) verbunden ist.
3. Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 2, weiterhin enthaltend einen zweiten Überströmkanal (25) mit einem ersten Ende (251) und einem gegenüberliegenden zweiten
Ende (252), wobei das erste Ende (251) mit dem Frisch luftauslass (202) des Verdichtergehäuses (20) verbunden ist und das zweite Ende (252) mit dem Gaseinlass (401) des Katalysatorgehäuses (40) verbunden ist.
4. Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiterhin enthaltend einen dritten Überströmkanal (35) mit einem ersten Ende (351) und einem gegenüberliegenden zweiten
Ende (352), wobei das erste Ende (351) mit dem Gasauslass
(402) des Katalysatorgehäuses (40) verbunden ist und das zweite Ende (352) mit dem Abgasauslass (302) des Turbinengehäuses (30) verbunden ist.
5. Turbolader nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass am zweite Ende (352) des dritten Überströmkanals (35) zumindest eine Düse (353) angeordnet ist.
6. Turbolader nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, dass im ersten Überströmkanal (15) und/oder im zweiten Überströmkanal (25) und/oder im dritten Über strömkanal (35) ein 2-Wegeventil (52) vorhanden ist.
7. Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiterhin enthaltend ein 3-Wegeventil (53) mit drei Ein-/Ausgängen, an welche der erste Überströmkanal (15) und der zweite Überströmkanal (25) und der Gaseinlass (401) angeschlossen sind.
8. Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, dass zumindest ein Teil (421, 422) des Katalysatorgehäuses (40) und entweder das Verdichter gehäuse (20) oder das Turbinengehäuse (30) einstückig gefertigt sind
9. Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, dass zumindest ein Teil (42) des Katalysatorgehäuses (40) und das Verdichtergehäuse (20) und das Turbinengehäuse (30) einstückig gefertigt sind.
10. Turbolader nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeich net, dass der erste Überströmkanal (15) und/oder der zweite Überströmkanal (25) und/oder der dritte Überström kanal (35) zumindest abschnittsweise als Bohrung im Katalysatorgehäuse (40) und/oder im Verdichtergehäuse (20) und/oder im Turbinengehäuse (30) ausgeführt ist.
11. Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge kennzeichnet, dass durch den thermischen Kontakt zwischen dem Katalysatorgehäuse (40) einerseits und dem Ver dichtergehäuse (20) und/oder dem Turbinengehäuse (30) andrerseits ein Wärmestrom von etwa 0,5 kW bis etwa 6 kW oder von etwa 1 kW bis etwa 4 kW oder von etwa 0,5 kW bis etwa 3 kW in das Katalysatorgehäuse (40) eintragbar ist, wenn das Turbinengehäuse (30) von Abgas durchströmt wird.
12. Turbolader nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch ge kennzeichnet, dass das Katalysatorgehäuse (40) und zumindest entweder das Verdichtergehäuse (20) oder das Turbinengehäuse (30) als Gußteil gefertigt sind.
13.Verfahren zur Modifikation einer Brennkraftmaschine mit einem Turbolader, aufweisend folgende Verfahrensschritte: Ausbau des vorhandenen Turboladers und Einbau eines Turboladers nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
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