WO2011026547A1 - Brennkraftmaschine mit einer abgasanlage - Google Patents

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WO2011026547A1
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combustion engine
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Manfred Miklautschitsch
Samuel Bucher
Stefan Babernits
Julian Becker
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • Y10T29/49231—I.C. [internal combustion] engine making

Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine having an exhaust system with the features of the preamble of patent claim 1.
  • a secondary air system is described as follows:
  • the secondary air system is used in petrol engines to comply with the applicable emission standards and laws It also heats the catalytic converter very quickly to operating temperature.
  • the engine control unit uses the lambda sensors to detect the onset of the catalytic converter and then deactivates the secondary air pump is increasingly important to meet the increasingly stringent emission standards and laws.
  • a secondary air injection is used.
  • ambient air by means of a secondary air pump (SL pump) is introduced into the hot exhaust gas stream of the internal combustion engine to initiate, as already shown above, post-reactions.
  • SL pump secondary air pump
  • This secondary air injection is usually carried out as close to the exhaust valve as possible in the exhaust gas outlet ducts in the cylinder head in order to promote the initiation of the postreactions by the high exhaust gas temperatures at the injection point.
  • the ignition angle is usually set to late (ie ignition after ignition TDC (top dead center) of the piston) in order to intentionally achieve a low efficiency of the internal combustion engine, but particularly high exhaust gas temperatures.
  • the position of the camshaft (s) is derived during the Sekundär Kunststoffeinblasung from the requirements of the engine start and the subsequent transition to start, so that at most moderate overlaps of the intake and exhaust valves and thus low residual gas levels in the combustion chamber of the internal combustion engine result.
  • the internal combustion engine operation with secondary air injection and late ignition angle is terminated when certain limits, such as the time since engine start and / or the temperature of the catalyst and / or the internal combustion engine and / or the vehicle speed are exceeded.
  • a disadvantage of this technique is, for example, the one-sided optimization of the raw HC / CO emissions without consideration of the possible, additional advantageous potentials with respect to exhaust gas temperature and NOx emissions.
  • NO x nitrogen oxides
  • the object of the present invention is to avoid the disadvantages presented above.
  • the embodiment according to the invention makes it possible, for example, to comply with the SULEV emission limit values even in internal combustion engines with many combustion chambers and / or exhaust-gas turbochargers in which SULEV certification previously did not appear possible.
  • the noble metal loading of the catalyst can be reduced without endangering the emission certification in previous SULEV engines, which leads to a significant cost savings.
  • the cell density of the catalyst can be reduced without endangering the emission certification, resulting in a lower flow resistance and thus a lower exhaust backpressure. This leads to the achievement of higher performance and torque values and / or the elimination of previously required compensation measures for representing equal performance between standard and SULEV variants of an internal combustion engine.
  • the Sekundär Kunststoffeinblasestelle is laid out of the cylinder head in an advantageous manner, whereby common parts for standard and SULEV variants of an internal combustion engine are possible.
  • the installation of the secondary air injection point out of the cylinder head further favors the cooling and strength of the cylinder head in a SULEV version. This leads to an increase in the full load capability and service life of the cylinder head or the internal combustion engine.
  • FIG. 1 shows a section through a cylinder head of a SULEV-
  • FIG. 1 shows a section through a cylinder head of an internal combustion engine 1 with a section of an exhaust system 3, with which compliance with the SULEV limit values is possible.
  • a combustion chamber 2 of a cylinder is arranged in the cylinder head of the internal combustion engine 1.
  • the exhaust gases flow from the combustion chamber 2 into an exhaust gas outlet channel 5 in the cylinder head of the internal combustion engine 1.
  • a flow direction of the exhaust gas is shown symbolically by an arrow. Further, the exhaust gas flows into the exhaust system 3, to which a Sekundär Kunststoffmaschinesevor- device 4 is arranged.
  • a turbine of an exhaust-gas turbocharger is arranged in the exhaust system 3 in the flow direction of the exhaust gas behind the secondary-air injection point 4 'and upstream of the exhaust-gas purification system 5.
  • the residual gas content in the combustion chamber 2 can be achieved, for example, by means of a variable-stroke valve drive likewise not shown in FIG. 1 and / or via an intake and / or exhaust spread of the intake and / or exhaust camshaft, which is also not shown in FIG.
  • Combustion chamber 2 effect by lowering the peak combustion temperatures, a substantial suppression of NO x formation and the slower combustion with respect to the piston position a very late position of the center of gravity once again significantly higher exhaust gas temperatures with lower raw HC emissions than by a late firing angle can be achieved alone.
  • a secondary air injection is still required in most engine concepts.
  • the desired high residual gas contents in the combustion chamber 2 are substantially influenced inter alia by the return flow of exhaust gas from the exhaust gas outlet channel 5 into the combustion chamber 2.
  • This backflow can be caused by the downward movement of a piston with the gas exchange outlet valve open and the gas exchange inlet valve closed at the same time, or by the pressure difference between the exhaust gas outlet channel 5 and the fresh air inlet channel with simultaneously opened gas exchange inlet and gas outlet valves in the vicinity of the charge cycle OT of the piston.
  • secondary air injection into the exhaust gas outlet ducts 5 in the cylinder head as is known from the prior art, secondary air in particular enters the combustion chamber 2 instead of the desired exhaust gas. In this way, the described advantages of a high residual gas content in the combustion chamber 2 can not be utilized.
  • the high residual gas contents are usually well tolerated especially by supercharged internal combustion engines 1 because of the high charge movement anyway required for the full load, without the smoothness of the internal combustion engine 1 'decreases too much.
  • the "rich" fuel / air composition typical of secondary air injection also has a combustion-stabilizing effect in combustion chamber 2. Further, with internal combustion engine 1 with fuel injection directly into combustion chamber 2, fuel injection can also take place, for example Application of a multiple injection, to be optimized so that even at high residual gas contents, the variance (fluctuation range) of the combustion remains acceptable.
  • Secondary air injection device 4 'secondary air injection point

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Abstract

Brennkraftmaschine (1) mit zumindest einem Brennraum (2) und mit einer, an einen Abgasauslasskanal (5) angeordneten Abgasanlage (3) mit zumindest einer Sekundärlufteinblasevorrichtung (4) zum Einblasen von Sekundärluft in die Abgasanlage (3) zwischen dem Brennraum (2) und einer in der Abgasanlage (3) angeordneten Abgasreinigungsanlage (5), wobei beim Betrieb der Brennkraftmaschine (1) ein Restgasgehalt in dem Brennraum (2) veränderbar ist und eine Sekundärlufteinblasestelle (4') an der Abgasanlage (3) so weit vom Brennraum (2) entfernt ist, dass eingeblasene Sekundärluft aufgrund von rückströmendem Abgas in der Abgasanlage (3) in den Abgasauslasskanal (5), aber gerade nicht in den Brennraum (2) zurück strömt. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ist die Einhaltung der SULEV- Emissionsgrenzwerte auch bei Motoren mit vielen Brennräumen und/oder Abgasturboladern, bei denen eine SULEV-Zertifizierung bisher nicht möglich erschien, möglich.

Description

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

Claims

Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage Patentansprüche
1. Brennkraftmaschine ( ) mit zumindest einem Brennraum (2) und mit einer, an einen Abgasauslasskanal (5) angeordneten Abgasanlage (3) mit zumindest einer Sekundärlufteinblasevorrichtung (4) zum Einblasen von Sekundärluft in die Abgasanlage (3) zwischen dem Brennraum (2) und einer in der Abgasanlage (3) angeordneten Abgasreinigungsanlage (5),
dadurch gekennzeichnet, dass beim Betrieb der Brennkraftmaschine (1 ) ein Restgasgehalt in dem Brennraum (2) veränderbar ist und eine Se- kundärlufteinblasestelle (4') an der Abgasanlage (3) so weit vom Brennraum (2) entfernt ist, dass eingeblasene Sekundärluft aufgrund von rückströmendem Abgas in der Abgasanlage (3) in den Abgasauslasskanal (5), aber gerade nicht in den Brennraum (2) zurück strömt.
2. Brennkraftmaschine nach Patentanspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung des Abgases hinter der Sekundärlufteinblasestelle (4') und vor der Abgasreinigungsanlage (5) eine Turbine eines Abgasturboladers in der Abgasanlage (3) angeordnet ist. Brennkraftmaschine nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Restgasgehalt im Brennraum (2) über einen hubvariablen Ventiltrieb veränderbar ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Restgasgehalt im Brennraum (2) über eine Verstellung einer Einlass- und/oder Auslassnockenwelle veränderbar ist.
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