WO2008155268A1 - Brennkraftmaschine mit zweistufiger turboaufladung und oxidationskatalysator - Google Patents

Brennkraftmaschine mit zweistufiger turboaufladung und oxidationskatalysator Download PDF

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Georg Weber
Roderich Otte
Jochen Mueller
Frank Weberbauer
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine, in particular a diesel engine, with two-stage turbocharging according to the preamble of claim 1, and a method for operating such an internal combustion engine according to claim 11.
  • Internal combustion engines with two-stage turbocharging are equipped with two exhaust gas turbochargers whose turbines are arranged in series in the exhaust tract of the internal combustion engine.
  • Such internal combustion engines are disclosed inter alia in DE 102 22 919 A1, DE 10 2004 009 794 A1 and in DE 10 2005 025 885 A1.
  • the turbines of the two turbochargers are running simultaneously, while only the low pressure turbocharger pressed compressed air at speeds in excess of 3000 min "1 in the cylinders of the internal combustion engine.
  • the control of the exhaust gas turbocharger is carried out with Help of load- and speed-controlled exhaust or bypass flaps in the exhaust tract.
  • oxidation catalysts in the exhaust tract of diesel engines for reducing the proportion of unburned hydrocarbons (HC) and carbon monoxide (CO) in the combustion exhaust gases is well known.
  • the oxidation catalytic converters of conventional diesel engines are designed for the conversion of very low HC / CO emissions and, in the case of diesel engines with an exhaust gas turbocharger, are usually arranged behind the turbine outlet.
  • the turbine acts as a heat sink, so that, in particular after a cold start and during transient operation, the temperature of the exhaust gases behind the turbine can have significantly lower values than before the turbine.
  • oxidation catalysts work satisfactorily only when the so-called light-off temperature of about 200 ° C. is reached, lower exhaust-gas temperatures lead to the light-off temperature being reached later.
  • the time delay is even greater when the exhaust gases in internal combustion engines of the type mentioned above must flow through two turbines connected in series, both of which act as a heat sink.
  • HCCI Homogeneous Charge Compression Ignition
  • the present invention seeks to improve an internal combustion engine of the type mentioned and a method for operating the internal combustion engine to the effect that, despite an arrangement of the catalyst in close proximity to the engine at high speeds and high engine load pressure losses are avoided in the exhaust system and the Aging of the catalyst is slowed down.
  • This object is achieved in terms of the internal combustion engine according to the invention in that the oxidation catalyst is arranged behind the branch of the bypass line and in front of the turbine of the first turbocharger and.
  • the feature combination according to the invention makes it possible to pass the exhaust gases at high rotational speeds and / or high engine load not only on the turbine of the first exhaust gas turbocharger but also on the oxidation catalytic converter arranged in front of this turbine.
  • pressure losses in the exhaust gas tract can be avoided and the aging of the oxidation catalytic converter arranged in front of the turbine caused by high exhaust gas temperatures as a result of a high engine load can be delayed.
  • the oxidation catalyst is heated quickly before the turbine of the first exhaust gas turbocharger after the start of the internal combustion engine, so that it reaches its light-off temperature early and ensures exhaust aftertreatment.
  • Another advantage of the arranged upstream of the turbine oxidation catalyst is that the exhaust gas temperature is increased at the entrance of the turbine by the exothermic oxidation reaction, which leads to an increase in the performance of the first exhaust gas turbocharger and thus to build a higher boost pressure.
  • soot emissions makes it possible to increase the regeneration interval of a downstream diesel particulate filter, which not only offers a consumption advantage, but also leads to a lower thermal load of the oxidation catalyst and thus to a prolongation of its service life.
  • a preferred embodiment of the invention provides that the bypass line includes a load- and / or speed-controlled exhaust or bypass flap, so that the exhaust gases are passed as a function of the speed and / or engine load either through the catalyst and the turbine or through the bypass line can.
  • another oxidation catalyst is disposed behind the junction of the bypass line in the exhaust system, which is preferably installed behind the turbine of the second exhaust gas turbocharger, but also installed in front of this can be.
  • the internal combustion engine is expediently also provided with an exhaust gas recirculation line branching off from the exhaust gas tract upstream of the oxidation catalytic converter and leading to an intake tract of the internal combustion engine, which can advantageously branch off both upstream and downstream of the oxidation catalytic converters arranged in the exhaust manifold.
  • the inventive method provides that the bypass line is closed at low speeds and / or low engine load and is opened at high speeds and / or high engine load, the exhaust gases to the turbine of the first exhaust gas turbocharger and arranged upstream of the turbine oxidation catalyst to pass by.
  • a bypass flap is used whose position for charge pressure control can also be varied steplessly between “closed” and “open”, for example at medium speeds or medium load.
  • the oxidation of unburned hydrocarbons and carbon monoxide then takes place in both oxidation catalysts, wherein one part in the oxidation catalytic converter and another part in the further oxidation catalytic converter arranged behind the junction of the bypass line are oxidized.
  • an internal combustion engine according to the invention and a method according to the invention is particularly advantageous in internal combustion engines which are operated with an HCCI method.
  • use is also advantageous in conventional two-stage turbocharged internal combustion engines, especially when a significant portion of the exhaust gases are returned to the intake tract, resulting in a high proportion of unburned hydrocarbons and carbon monoxide in the exhaust gas and relatively low exhaust gas temperatures.
  • Figure 1 is a schematic view of an internal combustion engine with two-stage turbocharging and two oxidation catalysts in the exhaust system.
  • Fig. 2 is a view corresponding to Figure 1, but with four additional oxidation catalysts in an exhaust manifold of the exhaust tract.
  • Fig. 3 is a view corresponding to FIG. 2, but with a modified exhaust gas recirculation.
  • the four-cylinder internal combustion engines 2 with two-stage turbocharging illustrated in the drawing have an intake tract 4 for the intake of fresh air into the cylinders 6 of the internal combustion engine 2 and an exhaust tract 8 for removing the combustion exhaust gases from the cylinders 6.
  • the intake tract 4 comprises an air filter 10
  • the exhaust gas tract 8 comprises an exhaust manifold 12 and an exhaust pipe or exhaust pipe 16 leading from the exhaust manifold 12 to an exhaust 14.
  • this has a first high-pressure exhaust gas turbocharger 18 and a second low-pressure exhaust gas turbocharger 20.
  • the two exhaust gas turbochargers 18 and 20 each have a along the exhaust pipe or exhaust pipe 5 16 arranged, acted upon by the combustion exhaust gases from the cylinders 6 turbine 22 and 24, and one of the turbine 22 and 24 via a shaft 26 and 28 driven Compressor 30 and 32.
  • the turbine 22 of the high-pressure exhaust gas turbocharger 18 is arranged in the exhaust gas or exhaust pipe 16 in the flow direction of the exhaust gases upstream of the turbine 24 of the low-pressure exhaust gas turbocharger 20.
  • the two compressors 10 32 and 30 are also arranged in series in the intake tract 4 and compress the sucked by the air filter 10 from the environment fresh air before being fed into the cylinder. 6
  • a first oxidation catalyst 34 is installed in the exhaust pipe or exhaust pipe 16 between the exhaust manifold 12 and the turbine 22 of the high-pressure exhaust gas turbocharger 18, while behind the turbine 24 of the low-pressure exhaust gas turbocharger 20 and Before the exhaust 14, a second oxidation catalyst 36 and a downstream of the oxidation catalyst 36 diesel particulate filter 38 in the exhaust or exhaust pipe 16 are arranged.
  • the exhaust gas recirculation line 40 includes an exhaust gas recirculation valve 42 for controlling the amount of recirculated exhaust gases and an exhaust gas recirculation cooler 44 for cooling the recirculated exhaust gases.
  • the exhaust tract 8 further comprises a bypass line 46, which extends parallel to a Te- 30 piece of the exhaust pipe or exhaust pipe 16, in which the oxidation catalyst 34 and the turbine 22 of the high-pressure turbocharger 18 are installed.
  • the bypass line 46 branches off in front of the oxidation catalyst 34 and flows between the turbines 22 and 24 back into the exhaust or exhaust pipe 16.
  • the bypass line 46 includes a continuously adjustable bypass valve 48, which is speed and / or load-dependent adjustable to the exhaust gases from the cylinders 6 either with the flap 48 closed by the Oxi The catalytic converter 34 and the turbine 22, with open flap 48 by the bypass line 46 on the catalyst 46 and the turbine 22 to pass or with partially open flap 48 each part of the exhaust gases through the catalyst 34 and the turbine 22 and to lead this past.
  • both turbines 22 and 24 are in operation, but the turbine 22 is only partially flowed through by the exhaust gases.
  • the turbine 24 may have an integrated bypass (not shown) which is likewise provided with a bypass flap which can be regulated in terms of speed and / or load in the form of a so-called wastegate (not shown), through which at least part of the exhaust gases at the turbine 24 can be bypassed.
  • the first oxidation catalyst 34 is arranged closer to the cylinders 6 and before acting as a heat sink turbines 22 and 24 of the exhaust gas turbocharger 18 and 20, so that it reaches a cold start of the engine 2 faster its light-off temperature and early for oxidation of unburned hydrocarbons and carbon monoxide provides.
  • the oxidation in the oxidation catalyst 34 is exothermic, the temperature of the exhaust gases entering the turbine 22 is increased.
  • the compression ratio of the fresh air through the turbocharger 18 can be increased at low speeds and low load, thus improving the response of the internal combustion engine 2 in this speed range or avoiding the so-called "turbo lag".
  • the first turbocharger 18 preferably operates alone in this speed range in order to keep the temperature of the exhaust gases at the inlet of the second oxidation catalytic converter 36 as high as possible.
  • This catalyst 36 is like the catalyst 34 flows through the exhaust gases and ensures complete conversion of the unburned hydrocarbons and carbon monoxide before exiting the exhaust 14th
  • a medium speed and load range of the second exhaust gas turbocharger 20 is switched by closing the exhaust valve of the turbine 24 to the first exhaust gas turbocharger 18, so that in this speed range both turbines 22 and 24 run simultaneously and also both oxidation catalysts 34 and 36 are flowed through by the exhaust gases.
  • the exhaust flap 48 is opened in the bypass line 46, so that the exhaust gases are passed to the oxidation catalyst 34 and the turbine 22 over.
  • the pressure losses kept low in the exhaust tract 8 and thus the power losses of the internal combustion engine 2 and the aging of the oxidation catalyst 34 are slowed down due to high exhaust gas temperatures at high engine load.
  • the exhaust gases flow through the bypass line 46, the turbine 24 and the oxidation catalytic converter 36, which alone then takes over the conversion of the unburned hydrocarbons and of the carbon monoxide.
  • the internal combustion engine 2 illustrated in FIG. 2 has four additional oxidation catalytic converters 50, 52, 54, 56, which are installed in each case behind one of the four cylinders 6 in the exhaust manifold 12. Due to their close proximity to the cylinders 6, the oxidation catalysts 50, 52, 54, 56 are heated very rapidly to the light-off temperature, whereby the oxidation of unburned hydrocarbons and carbon monoxide in the exhaust gases used early and thus the pollutant emissions after a cold start is reduced.
  • the oxidation catalysts 50, 52, 54, 56 can be improved by the oxidation catalysts 50, 52, 54, 56 at low speeds and low engine load, the overall efficiency of the oxidation, since at the entrance of the catalysts 50, 52, 54, 56 significantly higher temperatures than at the entrance of the two catalysts 34 and 36 rule.
  • the additional oxidation of unburned hydrocarbons and carbon monoxide in the four oxidation catalysts 50, 52, 54, 56 leads to a further increase in the temperature of the exhaust gases prior to their entry into the turbine 22 and thus to an increase in the efficiency of the high-pressure exhaust gas turbocharger 18 compared to the internal combustion engine 2 of FIG. 1, where before the turbine 22 only in the oxidation catalyst 34, an oxidation of unburned hydrocarbons and carbon monoxide takes place.
  • the exhaust gases recirculated into the intake tract 4 can also be removed from the exhaust manifold 12 before passing through one of the catalysts 50, 52, 54, as shown in FIG. However, then the exhaust gas flow rate through the catalysts 50, 52, 54, 56, so that they are heated a little slower and the achievement of the
  • Light-off temperature is slightly delayed after a cold start of the internal combustion engine.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (2) mit einem Abgastrakt (8) und mit zweistufiger Turboaufladung, wobei der Abgastrakt (8) zwei Turbinen (22, 24) eines ersten und eines zweiten Abgasturboladers (18, 20) und mindestens einen Oxidationskatalysator (34, 36) in Reihenschaltung und eine Bypassleitung (46) in Parallelschaltung zur Turbine (22) des ersten Abgasturboladers (18, 20) umfasst. Es ist vorgesehen, dass der Oxidationskatalysator (34) vor der Turbine (22) des ersten Turboladers (18) und hinter dem Abzweig der Bypassleitung (46) angeordnet ist.

Description

Beschreibung
Titel
Brennkraftmaschine mit zweistufiger Turboaufladung und Oxidationskatalysator
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Dieselmotor, mit zweistufiger Turboaufladung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 11.
Stand der Technik
Brennkraftmaschinen mit zweistufiger Turboaufladung sind mit zwei Abgasturboladern ausgestattet, deren Turbinen in Serie im Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordnet sind. Solche Brennkraftmaschinen sind unter anderem in der DE 102 22 919 Al, der DE 10 2004 009 794 Al und in der DE 10 2005 025 885 Al offenbart.
Gemäß http://media.gm. com/be/opel/de/news/pr_old/pressrelease_3149. htm wurde weiter von der Fa. OPEL auf der Essen Motorshow im November 2003 ein Dieselmotor der eingangs genannten Art mit zweistufiger Turboaufladung für einen Pkw vorgestellt, bei dem durch die zweistufige Turboaufladung eine hohe spezifische Leistung ohne die sonstigen Nachteile bei Kraftstoffverbrauch und Emissionsverhalten erreicht wurde. Bei diesem Dieselmotor sorgt ein kleinerer schnell ansprechender Hochdruck-Turbolader bei niedrigen Drehzahlen bis 1800 min"1 für ein spontanes Ansprechverhalten des Brennkraftmaschine ohne Anfahrschwäche und ohne sogenanntes Turboloch, während sich oberhalb von 1800 min"1 ein großer, auf hohen Durchsatz ausgelegter Niederdruck- Turbolader zuschaltet. Bei Drehzahlen zwischen 1800 min"1 und 3000 min"1 laufen die Turbinen beider Turbolader gleichzeitig, während bei Drehzahlen oberhalb von 3000 min"1 nur noch der Niederdruck-Turbolader verdichtete Luft in die Zylinder der Brennkraftmaschine presst. Die Steuerung der beiden Abgasturbolader erfolgt mit Hilfe von last- und drehzahlgeregelten Abgas- oder Bypassklappen im Abgastrakt. Die Verwendung von Oxidationskatalysatoren im Abgastrakt von Dieselmotoren zur Verringerung des Anteils von unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) und Kohlenmonoxid (CO) in den Verbrennungsabgasen ist wohlbekannt. Dabei sind die Oxidationskatalysa- toren von konventionellen Dieselmotoren für die Konvertierung sehr niedriger HC/CO- Emissionen ausgelegt und sind bei Dieselmotoren mit einem Abgasturbolader zumeist hinter dem Ausgang der Turbine angeordnet. Jedoch wirkt die Turbine aufgrund ihrer Masse als Wärmesenke, so dass insbesondere nach einem Kaltstart und im instationären Betrieb die Temperatur der Abgase hinter der Turbine deutlich niedrigere Werte als vor der Turbine besitzen kann. Da jedoch Oxidationskatalysatoren erst bei Erreichen der sogenannten Light-Off- Temperatur von etwa 2000C zufriedenstellend arbeiten, führen niedrigere Abgastemperaturen dazu, dass die Light- Off- Temperatur erst später erreicht wird. Die zeitliche Verzögerung wird noch größer, wenn die Abgase bei Brennkraftmaschinen der eingangs genannten Art zwei hintereinander geschaltete Turbinen durch- strömen müssen, die beide als Wärmesenke wirken. Darüber hinaus wird dieses Problem in Zukunft wahrscheinlich noch verschärft werden, da Konzepte zur innermotorischen Reduzierung von Stickoxidemissionen, z.B. das sogenannte HCCI(Homogenous Charge Compression Ignition)-Verfahren, eine stärkere Homogenisierung und Verdünnung der Zylinderladung durch rückgeführtes Abgas vorsehen, was im Brennraum der Zylinder niedrigere Prozesstemperaturen zur Folge hat. Dies wiederum führt einerseits zu einem höheren Anteil an unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid in den Abgasen und somit zu größeren Anforderungen an den Oxidationskatalysator, während sich andererseits durch die niedrigeren Prozesstemperaturen ungünstigere Bedingungen für die Nachoxidation dieser Abgasbestandteile im Abgastrakt oder dem nach- geschalteten Oxidationskatalysator ergeben, dessen Aufheizung auf die Light-Off- Temperatur zudem durch die geringere Abgastemperatur weiter verzögert wird.
Wenn der Oxidationskatalysator näher bei der Brennkraftmaschine im Abgastrakt angeordnet wird, führt dies jedoch ebenfalls zu Nachteilen. Zum einen verursacht der Kataly- sator bei hohen Drehzahlen und hoher Motorlast einen Druckverlust im Abgastrakt, der einen entsprechenden Leistungsverlust der Brennkraftmaschine zur Folge hat. Zum anderen führen die höheren Abgastemperaturen im Katalysator zu einer schnelleren Alterung. Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art und ein Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine dahingehend zu verbessern, dass trotz einer Anordnung des Katalysators in größerer Nähe der Brennkraftmaschine bei hohen Drehzahlen und hoher Motorlast Druckverluste im Abgastrakt vermieden werden und die Alterung des Katalysators verlangsamt wird.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird im Hinblick auf die Brennkraftmaschine erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Oxidationskatalysator hinter dem Abzweig der Bypassleitung und vor der Turbine des ersten Turboladers und angeordnet ist.
Die erfindungsgemäße Merkmalskombination ermöglicht es, die Abgase bei hohen Drehzahlen und/oder hoher Motorlast nicht nur an der Turbine des ersten Abgasturbola- ders sondern auch an dem vor dieser Turbine angeordneten Oxidationskatalysator vorbei zu leiten. Dadurch können Druckverluste im Abgastrakt vermieden und die durch hohe Abgastemperaturen infolge einer hohen Motorlast verursachte Alterung des vor der Turbine angeordneten Oxidationskatalysators verzögert werden. Auf der anderen Seite wird der Oxidationskatalysator vor der Turbine des ersten Abgasturboladers nach dem Start der Brennkraftmaschine schnell erhitzt, so dass er frühzeitig seine Light-Off- Temperatur erreicht und für eine Abgasnachbehandlung sorgt. Ein weiterer Vorteil des vor der Turbine angeordneten Oxidationskatalysators besteht darin, dass durch die exotherme Oxidationsreaktion die Abgastemperatur am Eintritt der Turbine erhöht wird, was zu einer Steigerung der Leistung des ersten Abgasturboladers und damit zum Aufbau eines höheren Ladedrucks führt.
Bei Brennkraftmaschinen, die nach dem HCCI-Verfahren arbeiten, können mit der erfindungsgemäßen Merkmalskombination einerseits selbst bei sehr niedrigen Drehzahlen und sehr niedriger Motorlast unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid in den Abgasen trotz der verhältnismäßig niedrigen Abgastemperatur mit gutem Wirkungsgrad oxidiert und dadurch der HCCI-Betrieb hin zu niedrigeren Drehzahlen ausgeweitet werden. Andererseits ermöglicht es die Aufheizung der Abgase infolge der exothermen Reaktion im Oxidationskatalysator auch, den HCCI-Betrieb hin zu höheren Lasten auszuweiten. Diese beiderseitige Ausweitung des HCCI-Kennfeldbereichs führt wie- derum zu einer weiteren Reduzierung der Stickoxid- und Ruß- Emissionen, was bei Se- rienbrennkraftmaschinen den Einsatz des H CC I- Verfahrens beschleunigen kann. Darüber hinaus ermöglicht es die Reduzierung der Ruß- Emissionen, das Regenerationsintervall eines nachgeschalteten Dieselpartikelfilters zu vergrößern, was nicht nur einen Verbrauchsvorteil bietet, sondern auch zu einer geringeren thermischen Belastung des Oxidationskatalysators und damit zu einer Verlängerung seiner Lebensdauer führt.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Bypassleitung eine last- und/oder drehzahlgeregelte Abgas- oder Bypassklappe enthält, so dass die Abgase in Abhängigkeit von der Drehzahl und/oder Motorlast entweder durch den Katalysator und die Turbine oder durch die Bypassleitung geleitet werden können. Um zu vermeiden, dass die durch die Bypassleitung am Katalysator vorbei geleiteten Abgase ungereinigt durch den Auspuff austreten, ist hinter der Einmündung der Bypassleitung in den Abgastrakt ein weiterer Oxidationskatalysator angeordnet, der bevorzugt hinter der Turbine des zweiten Abgasturboladers eingebaut ist, aber auch vor dieser eingebaut sein kann.
Um unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid in den durch den Abgastrakt strömenden Abgasen sobald wie möglich nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine zu oxidieren, sieht eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung vor, in einem Abgaskrümmer der Brennkraftmaschine mindestens einen weiteren Oxidationskatalysa- tor anzuordnen, vorzugsweise einen hinter jedem Zylinder.
Die Brennkraftmaschine ist zweckmäßig auch mit einer vor dem Oxidationskatalysator aus dem Abgastrakt abzweigenden, zu einem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine führenden Abgasrückführleitung versehen, die mit Vorteil sowohl vor als auch hinter den im Abgaskrümmer angeordneten Oxidationskatalysatoren abzweigen kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass die Bypassleitung bei niedrigen Drehzahlen und/oder niedriger Motorlast geschlossen wird und bei hohen Drehzahlen und/oder hoher Motorlast geöffnet wird, um die Abgase an der Turbine des ersten Ab- gasturboladers und an dem vor der Turbine angeordneten Oxidationskatalysator vorbei zu leiten.
Zum Öffnen und Schließen der Bypassleitung dient eine Bypassklappe, deren Stellung zur Ladedruckregelung auch stufenlos zwischen "geschlossen" und "offen" variiert wer- den kann, beispielsweise bei mittleren Drehzahlen bzw. mittlerer Last. Die Oxidation von unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid erfolgt dann in beiden Oxidati- onskatalysatoren, wobei ein Teil im Oxidationskatalysator und ein anderer Teil in dem weiteren, hinter der Einmündung der Bypassleitung angeordneten Oxidationskatalysator oxidiert wird.
Der Einsatz einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine und eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist besonders vorteilhaft bei Brennkraftmaschinen, die mit einem HCCI- Verfahren betrieben werden. Jedoch ist ein Einsatz auch bei konventionellen Brennkraftmaschinen mit zweistufiger Turboaufladung von Vorteil, insbesondere dann, wenn ein bedeutender Anteil der Abgase in den Ansaugtrakt zurückgeführt wird, was zu einem hohen Anteil an unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid im Abgas und zu verhältnismäßig niedrigen Abgastemperaturen führt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im folgenden wird die Erfindung anhand einiger in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Brennkraftmaschine mit zweistufiger Turboaufladung und zwei Oxidationskatalysatoren im Abgastrakt;
Fig. 2 eine Ansicht entsprechend Fig. 1, jedoch mit vier zusätzlichen Oxidationskatalysatoren in einem Abgaskrümmer des Abgastrakts;
Fig. 3 eine Ansicht entsprechend Fig. 2, jedoch mit einer modifizierten Abgasrückführung.
Ausführungsformen der Erfindung
Die in der Zeichnung dargestellten Vierzylinder- Brennkraftmaschinen 2 mit zweistufiger Turboaufladung weisen einen Ansaugtrakt 4 zur Ansaugung von Frischluft in die Zylinder 6 der Brennkraftmaschine 2 und einen Abgastrakt 8 zur Abfuhr der Verbrennungsabgase aus den Zylindern 6 auf. Der Ansaugtrakt 4 umfasst einen Luftfilter 10, während der Abgastrakt 8 einen Abgaskrümmer 12 und ein vom Abgaskrümmer 12 zu einem Auspuff 14 führendes Abgas- oder Auspuffrohr 16 umfasst. Zur Aufladung der Brennkraftmaschine 2 weist diese einen ersten Hochdruck- Abgasturbolader 18 und einen zweiten Niederdruck-Abgasturbolader 20 auf. Die beiden Abgasturbolader 18 und 20 besitzen jeweils eine entlang des Abgas- oder Auspuffrohrs 5 16 angeordnete, mit den Verbrennungsabgasen aus den Zylindern 6 beaufschlagbare Turbine 22 bzw. 24, sowie einen von der Turbine 22 bzw. 24 über eine Welle 26 bzw. 28 angetriebenen Verdichter 30 bzw. 32. Die Turbine 22 des Hochdruck-Abgasturboladers 18 ist in Strömungsrichtung der Abgase vor der Turbine 24 des Niederdruck- Abgasturboladers 20 im Abgas- oder Auspuffrohr 16 angeordnet. Die beiden Verdichter 10 32 und 30 sind ebenfalls in Serie im Ansaugtrakt 4 angeordnet und verdichten die durch den Luftfilter 10 aus der Umgebung angesaugte Frischluft vor ihrer Zufuhr in die Zylinder 6.
Zur Behandlung der Abgase der Brennkraftmaschine 2 ist zwischen dem Abgaskrüm- 15 mer 12 und der Turbine 22 des Hochdruck- Abgasturboladers 18 ein erster Oxidations- katalysator 34 in das Abgas- oder Auspuffrohr 16 eingebaut, während hinter der Turbine 24 des Niederdruck-Abgasturboladers 20 und vor dem Auspuff 14 ein zweiter Oxidati- onskatalysator 36 und ein dem Oxidationskatalysator 36 nachgeschalteter Dieselpartikelfilter 38 im Abgas- oder Auspuffrohr 16 angeordnet sind.
20
Zur Reduzierung der Stickoxid- Emissionen der Brennkraftmaschine 2 und zur schnelleren Aufheizung der Brennkraftmaschine 2 nach einem Kaltstart sind der Abgastrakt 8 und der Ansaugtrakt 4 durch eine Abgasrückführleitung 40 verbunden, durch das ein Teil der Abgase aus dem Abgastrakt 8 in den Ansaugtrakt 4 zurückgeführt werden kann. 25 Die Abgasrückführleitung 40 enthält ein Abgasrückführventil 42 zur Regelung der Menge der zurückgeführten Abgase sowie einen Abgasrückführkühler 44 zur Kühlung der zurückgeführten Abgase.
Der Abgastrakt 8 umfasst weiter eine Bypassleitung 46, die sich parallel zu einem TeN- 30 stück des Abgas- oder Auspuffrohrs 16 erstreckt, in das der Oxidationskatalysator 34 und die Turbine 22 des Hochdruckturboladers 18 eingebaut sind. Die Bypassleitung 46 zweigt vor dem Oxidationskatalysator 34 ab und mündet zwischen den Turbinen 22 und 24 wieder in das Abgas- oder Auspuffrohr 16. Die Bypassleitung 46 enthält eine stufenlos verstellbare Bypassklappe 48, die drehzahl- und/oder lastabhängig regelbar ist, um 35 die Abgase aus den Zylindern 6 entweder bei geschlossener Klappe 48 durch den Oxi- dationskatalysator 34 und die Turbine 22, bei geöffneter Klappe 48 durch die Bypasslei- tung 46 am Katalysator 46 und an der Turbine 22 vorbei zu leiten oder bei teilweise geöffneter Klappe 48 jeweils einen Teil der Abgase durch den Katalysator 34 und die Turbine 22 bzw. an diesen vorbei zu leiten. Im zuletzt genannten Fall befinden sich beide Turbinen 22 und 24 im Betrieb, wobei jedoch die Turbine 22 nur anteilig von den Abgasen durchströmt wird. Die Turbine 24 kann einen integrierten Bypass (nicht dargestellt) aufweisen, der ebenfalls mit einer drehzahl- und/oder lastabhängig regelbaren Bypass- klappe in Form eines sogenannten Wastegate (nicht dargestellt) versehen ist, durch die mindestens ein Teil der Abgase an der Turbine 24 vorbeigeleitet werden kann.
Der erste Oxidationskatalysator 34 ist näher bei den Zylindern 6 und vor den als Wärmesenken wirkenden Turbinen 22 und 24 der Abgasturbolader 18 und 20 angeordnet, so dass er nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine 2 schneller seine Light-Off- Temperatur erreicht und frühzeitig für eine Oxidation von unverbrannten Kohlenwasser- Stoffen und Kohlenmonoxids sorgt. Da die Oxidation im Oxidationskatalysator 34 exotherm verläuft, wird außerdem die Temperatur der in die Turbine 22 eintretenden Abgase erhöht. Dadurch kann bei niedrigen Drehzahlen und niedriger Last das Verdichtungsverhältnis der Frischluft durch den Turbolader 18 gesteigert und so das Ansprechverhalten der Brennkraftmaschine 2 in diesem Drehzahlbereich verbessert bzw. das soge- nannte "Turboloch" vermieden werden. Der erste Turbolader 18 arbeitet in diesem Drehzahlbereich vorzugsweise alleine, um die Temperatur der Abgase am Eintritt des zweiten Oxidationskatalysators 36 möglichst hoch zu halten. Dieser Katalysator 36 wird wie der Katalysator 34 von den Abgasen durchströmt und sorgt für eine vollständige Umsetzung der unverbrannten Kohlenwasserstoffe und des Kohlenmonoxids vor dem Austritt aus dem Auspuff 14.
In einem mittleren Drehzahl- und Lastbereich wird der zweite Abgasturbolader 20 durch Schließen der Abgasklappe der Turbine 24 zum ersten Abgasturbolader 18 zugeschaltet, so dass in diesem Drehzahlbereich beide Turbinen 22 und 24 gleichzeitig laufen und ebenfalls beide Oxidationskatalysatoren 34 und 36 von den Abgasen durchströmt werden.
Bei hohen Drehzahlen und hoher Last wird die Abgasklappe 48 in der Bypassleitung 46 geöffnet, so dass die Abgase am Oxidationskatalysator 34 und an der Turbine 22 vorbei geleitet werden. Auf diese Weise können in diesem Betriebszustand die Druckverluste im Abgastrakt 8 und damit die Leistungsverluste der Brennkraftmaschine 2 niedrig gehalten und die Alterung des Oxidationskatalysators 34 infolge hoher Abgastemperaturen bei hoher Motorlast verlangsamt werden. Die Abgase strömen in diesem Betriebszustand durch die Bypassleitung 46, die Turbine 24 und den Oxidationskatalysator 36, der dann alleine die Umsetzung der unverbrannten Kohlenwasserstoffe und des Koh- lenmonoxids übernimmt.
Die in Fig. 2 dargestellte Brennkraftmaschine 2 weist vier zusätzliche Oxidationskataly- satoren 50, 52, 54, 56 auf, die jeweils hinter einem der vier Zylinder 6 in den Abgas- krümmer 12 eingebaut sind. Infolge ihrer großen Nähe zu den Zylindern 6 werden die Oxidationskatalysatoren 50, 52, 54, 56 sehr schnell bis zur Light- Off- Temperatur erhitzt, wodurch die Oxidation von unverbrannten Kohlenwasserstoffen und von Kohlenmonoxid in den Abgasen frühzeitig einsetzt und damit der Schadstoffausstoß nach einem Kaltstart verringert wird. Außerdem kann durch die Oxidationskatalysatoren 50, 52, 54, 56 bei niedrigen Drehzahlen und bei niedriger Motorlast der Wirkungsgrad der Oxidation insgesamt verbessert werden, da am Eingang der Katalysatoren 50, 52, 54, 56 erheblich höhere Temperaturen als am Eingang der beiden Katalysatoren 34 bzw. 36 herrschen. Darüber hinaus führt die zusätzliche Oxidation von unverbrannten Kohlenwasserstoffen und von Kohlenmonoxid in den vier Oxidationskatalysatoren 50, 52, 54, 56 zu einer weiteren Erhöhung der Temperatur der Abgase vor deren Eintritt in die Turbine 22 und damit zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades des Hochdruck-Abgasturboladers 18 im Vergleich zu der Brennkraftmaschine 2 aus Fig. 1, wo vor der Turbine 22 nur im Oxidationskatalysator 34 eine Oxidation von unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid stattfindet.
Um die Kühlleistung des Abgasrückführkühlers 44 zu verringern, können die in den Ansaugtrakt 4 zurückgeführten Abgase auch bereits vor dem Hindurchtritt durch einen der Katalysatoren 50, 52, 54, 56 aus dem Abgaskrümmer 12 abgeführt werden, wie in Fig. 3 dargestellt. Allerdings sinkt dann der Abgasvolumenstrom durch die Katalysatoren 50, 52, 54, 56, so dass sie etwas langsamer aufgeheizt werden und das Erreichen der
Light-Off- Temperatur nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine etwas verzögert wird.

Claims

Ansprüche
1. Brennkraftmaschine mit einem Abgastrakt und mit zweistufiger Turboaufladung, wobei der Abgastrakt zwei Turbinen eines ersten und eines zweiten Abgasturboladers und mindestens einen Oxidationskatalysator in Reihenschaltung und eine Bypassleitung in Parallelschaltung zur Turbine des ersten Abgasturboladers um- fasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Oxidationskatalysator (34) vor der Turbine (22) des ersten Turboladers (18) und hinter dem Abzweig der Bypassleitung (46) angeordnet ist.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (46) eine last- und/oder drehzahlgeregelte Abgasklappe (48) enthält.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (46) zwischen den Turbinen (22, 24) des ersten und des zwei- ten Abgasturboladers (18, 20) mündet.
4. Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen weiteren, hinter einer Einmündung der Bypassleitung (46) angeordneten Oxidationskatalysator (36).
5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Oxidationskatalysator (36) hinter der Turbine (24) des zweiten Abgasturboladers (20) angeordnet ist.
6. Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens einen noch weiteren, in einem Abgaskrümmer (12) angeordneten Oxidationskatalysator (50, 52, 54, 56).
7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass hinter jedem Zylinder (6) ein weiterer Oxidationskatalysator (50, 52, 54, 56) im Abgaskrümmer (12) angeordnet ist.
8. Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine vor dem Oxidationskatalysator (34) aus dem Abgastrakt (8) abzweigende, zu einem Ansaugtrakt (4) führende Abgasrückführleitung (40).
9. Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (2) ein Dieselmotor ist, der mit einem H CC I- Verfahren oder mit einem bedeutenden Anteil an rückgeführtem Abgas betrieben wird.
10. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach einem der vorange- henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (46) bei niedrigen Drehzahlen und/oder niedriger Motorlast geschlossen und bei hohen Drehzahlen und/oder hoher Motorlast geöffnet wird, um die Abgase an der Turbine (22) des ersten Abgasturboladers (18) und dem vor der Turbine (22) angeordneten Oxidationskatalysator (34) vorbei zu leiten.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (46) bei mittleren Drehzahlen und/oder mittlerer Motorlast teilweise geschlossen wird, einen Teil der Abgase an der Turbine (22) des ersten Abgasturboladers (18) und dem vor der Turbine (22) angeordneten Oxidationskatalysator (34) vor- bei zu leiten.
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