WO2015144277A1 - Brennkraftmaschine und verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine - Google Patents

Brennkraftmaschine und verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine Download PDF

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WO2015144277A1
WO2015144277A1 PCT/EP2015/000323 EP2015000323W WO2015144277A1 WO 2015144277 A1 WO2015144277 A1 WO 2015144277A1 EP 2015000323 W EP2015000323 W EP 2015000323W WO 2015144277 A1 WO2015144277 A1 WO 2015144277A1
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WO
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internal combustion
combustion engine
exhaust gas
exhaust
supply device
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PCT/EP2015/000323
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Marc Hehle
Alexander Kovacevic
Ralf MÜLLER
Original Assignee
Mtu Friedrichshafen Gmbh
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    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/12—Control of the pumps
    • F02B37/20—Control of the pumps by increasing exhaust energy, e.g. using combustion chamber by after-burning
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
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    • F01N5/02—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy the devices using heat
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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

  • Exhaust gas aftertreatment system comprises at least one exhaust aftertreatment element, for example an oxidation catalyst, a catalyst for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides, a particle filter, a metering and / or a mixing device.
  • the exhaust gas turbocharger has a turbine disposed in an exhaust gas line, which is driven by an exhaust gas flow flowing through the exhaust gas line.
  • the turbine is preferably operatively connected via a shaft to a compressor, which is arranged in a charge air line for supplying charge air to the internal combustion engine.
  • at least one exhaust gas aftertreatment element is arranged upstream of the turbine of the exhaust gas turbocharger, wherein the exhaust gas flow first flows through the exhaust gas aftertreatment element and then through the turbine.
  • Exhaust after-treatment element since the real space velocity in this, which is calculated as the quotient of the exhaust gas flow divided by the volume of the exhaust aftertreatment element, remains the same when the exhaust gas flow rate and to the same extent
  • an internal combustion engine having the features of claim 1.
  • This is characterized by a power supply device, which is set up to provide additional power for the turbine in at least one operating state of the internal combustion engine.
  • additional power means an excess of power which is supplied to the turbine of the exhaust gas turbocharger beyond the enthalpy contained in the at least one operating state in the exhaust gas stream, in particular upstream of the exhaust gas aftertreatment element. because enthalpy encompassed here only by the exhaust gas flow upstream of the exhaust-gas aftertreatment element is conducted past it to the turbine, although the exhaust-gas turbocharger does not have an inlet in the exhaust gas turbocharger
  • Power delivery device - additional energy supplied to available enthalpy.
  • the power supply device thus causes in the at least one operating state of the internal combustion engine, in which it provides power, no redistribution of power, but rather a supply of excess power.
  • it is possible to compensate for the enthalpy loss in the exhaust aftertreatment element, possibly even overcompensate, wherein the run-up behavior of the
  • Heat capacity of the exhaust aftertreatment element can be compensated or
  • An exemplary embodiment of the internal combustion engine is preferred, which is characterized
  • the additional power is thus preferably provided by the power supply device in an operating state in which it is particularly needed or shows a particularly large effect with regard to an improvement in the load behavior of the internal combustion engine as a whole.
  • the power supply device comprises a heat accumulator which is adapted to receive heat from the exhaust gas in at least a first
  • the additional power for the exhaust gas turbocharger is provided in this case by heat is transferred from the heat storage to the exhaust aftertreatment system and / or the turbine.
  • Using the heat accumulator is stored in a cost-effective and energy-saving manner in operating conditions in which no additional power is required on the exhaust gas turbocharger, heat in the heat accumulator, which then in
  • Power delivery facility would include.
  • the heat accumulator is provided upstream of the exhaust aftertreatment element. He absorbs heat from the exhaust gas in the first operating state and stores it. He acts as additional heat capacity to the heat capacity of the exhaust aftertreatment element. However, this is not detrimental in the first operating state, since no high performance of the exhaust gas turbocharger is required here, the downstream of the heat accumulator and the
  • Exhaust aftertreatment element still encompassed by the exhaust gas flow enthalpy sufficient to operate the exhaust gas turbocharger in a sufficient manner.
  • the second operating state preferably in a transient operating state of the internal combustion engine, the
  • Heat storage the stored heat at least partially from the exhaust gas flow again, whereby the exhaust gas is heated before it passes the exhaust aftertreatment element.
  • Exhaust after-treatment element and upstream of the turbine is arranged.
  • the amount of heat released by the heat accumulator in the second operating state, in particular in the transient operating state of the internal combustion engine, is supplied to the exhaust gas downstream of the exhaust aftertreatment element, wherein the thus heated exhaust gas is preferably fed directly to the turbine. Therefore, the additional power in this case is equal to the full extent available for the turbine, preferably without a further element is interposed, which would have to be heated first.
  • This embodiment of the internal combustion engine therefore speaks particularly fast at a
  • the heat accumulator is charged with heat when the
  • the heat accumulator has a phase change material.
  • a heat storage is also referred to as latent heat storage.
  • a phase change material can be particularly large
  • the heat is stored in the form of lattice energy or heat of crystallization, wherein the phase change material is liquefied during heat storage and absorbs lattice energy. It gives off heat when it crystallizes out again.
  • Heat storage is used, which preferably uses the enthalpy of a reversible chemical reaction, for example, the reaction enthalpy of a chemisorption based absorption and desorption process. It is special preferably possible that one thermochemical heat storage is used.
  • the heat accumulator preferably has a thermochemical material in this case.
  • the heat accumulator can be thermally insulated from the exhaust gas stream by means of a preferably exhaust-gas-temperature-controlled control device. In this way it is possible to temporarily store the stored heat and not to deliver it to the exhaust gas with a lower temperature level.
  • the control device is for this purpose preferably with an engine control unit of
  • Combustion engine operatively connected, implemented in the engine control unit, or as
  • Engine control unit of the internal combustion engine (engine control unit - ECU) is formed.
  • Heat accumulator is formed.
  • the heat stored in the memory is stored in the heat accumulator even with a temperature gradient between the heat accumulator and the exhaust gas flow until a triggering event is activated.
  • a metastable heat storage preferably has a phase change material which is metastable in a high enthalpy state.
  • the phase change material in the metastable state is liquid, with no crystallization spontaneously, but only after activation of the triggering event.
  • the buckling of a metal plate may preferably be used in contact with the phase change material.
  • the heat storage preferably has an activation element, particularly preferably a bendable metal plate.
  • An advantage of the design of the heat accumulator as a metastable heat storage is that can be dispensed with insulation against the exhaust gas mass flow, in particular to a switchable insulation.
  • the heat accumulator it is possible for the heat accumulator to be designed as a sensitive heat accumulator which stores and / or delivers heat with heat-temperature gradient control.
  • the heat output is controlled from the heat storage, in particular depending on a
  • Temperature ranges of the heat accumulator and the exhaust gas flow takes place.
  • Prescribed phase change material which has the heat storage.
  • the heat release or heat storage is then preferably carried out depending on a temperature gradient between the heat storage on the one hand and the exhaust gas flow on the other.
  • the heat storage even if provided upstream of the exhaust aftertreatment element, is not detrimental to its function because the temperature level upstream of the turbine is much higher than downstream thereof. Therefore, sufficient heat is also sufficient downstream of the heat accumulator and upstream of the turbine
  • An exemplary embodiment of the internal combustion engine is also preferred, which is characterized in that the power supply device has a supply device for supplying energy and / or enthalpy which does not originate from the exhaust gas flow. In that sense, the power supply device has a supply device for supplying energy and / or enthalpy which does not originate from the exhaust gas flow. In that sense, the power supply device has a supply device for supplying energy and / or enthalpy which does not originate from the exhaust gas flow. In that sense, the
  • Feed device preferably configured for the supply of external energy or enthalpy.
  • mechanical energy of the internal combustion engine mechanical or electrical energy of an internal combustion engine associated element, such as an electric motor, or chemical energy of a fuel in a separate burner, or to make electrical energy in a separate heater for the exhaust gas turbocharger without first requiring a diversion of power from the exhaust gas flow.
  • a supply device can also be combined with a device which, in one operating state, branches off power from the exhaust gas flow to give it power in another
  • the power supply device comprises an electric machine, which is set up to provide mechanical power to the exhaust gas turbocharger in the at least one operating state.
  • the additional power is thereby provided by the power supply device by mechanical power generated by the electric machine, which is supplied to the exhaust gas turbocharger.
  • an electric motor is operatively connected, through which the turbocharger is driven. This can be energized in the at least one operating state to drive the turbocharger. This is a particularly simple embodiment of the internal combustion engine.
  • Exhaust gas turbocharger in particular with the turbine, is operatively connected to the drive.
  • the electric machine of the drive train is electrically provided with one on the exhaust gas turbocharger, in particular on the turbine or on the shaft
  • Electric motor is connected so that electrical energy generated by the electric machine can be fed to the electric motor of the turbocharger, whereby this is supplied by the electric motor mechanical power.
  • the internal combustion engine that is characterized in that the electrical machine is connected to a memory for electrical energy.
  • electrical energy can be removed from the memory and converted by the electric machine into mechanical power. This makes it possible to save the storage of energy in time from its provision to
  • the electric machine connected to the accumulator prefferably be designed as an electric motor operatively connected to the exhaust-gas turbocharger.
  • the electric machine it is possible for the electric machine to be integrated into the drive train of the internal combustion engine and to be mechanically connected to the exhaust gas turbocharger, in particular to the turbine.
  • Power flow is realized, namely a power flow in the sense of a conventional turbo-compound device, the crankshaft additional power of the
  • Exhaust gas turbocharger a larger amount of heat is supplied.
  • Such a metering device is particularly simple and inexpensive to integrate into the exhaust system and also particularly easy to control.
  • Fuel is provided in a combustion chamber of the internal combustion engine.
  • the thus injected fuel is at least partially no longer burned in the combustion chamber, but ejected and finally implemented in the oxidation catalyst or on the oxidatively catalytically active material.
  • This embodiment has the advantage that it is possible to dispense with a separate metering device, but rather one anyway
  • metering or injection device can be used in the region of the combustion chamber.
  • the power supply device has a heating element for providing heat in the exhaust gas.
  • the heating element may preferably be designed as a burner or as an electric heater. In a preferred embodiment, it is provided directly on the exhaust aftertreatment element, preferably on a catalyst, in particular on an oxidation catalyst.
  • the fuel for the burner preferably the same fuel is used, which is also used to operate the internal combustion engine.
  • the power supply device comprises a compressed air reservoir through which - preferably by means of a valve element as needed switchable - compressed air is introduced into the exhaust stream. In this way, the turbine of the exhaust gas turbocharger can be additionally blown if necessary. Alternatively or additionally, the
  • Power supply device preferably has a compressor through which compressed air can be introduced into the exhaust gas flow.
  • the compressor is preferably driven by the internal combustion engine by means of mechanical or electrical operative connection.
  • the power supply device is preferably controllable depending on an operating state of the internal combustion engine for the provision of power.
  • it is possible to activate the power providing device in an operating state or to cause it to deliver power, in which additional power is needed, and to deactivate it when no additional power is needed.
  • the heat accumulator, the electrical accumulator and / or the electrical machine are particularly preferred mechanical connection between the crankshaft and the exhaust gas turbocharger, the metering device, the heating element, the compressed air reservoir and / or the compressor can be controlled or switched.
  • an embodiment of the internal combustion engine is preferred, which is characterized in that the exhaust aftertreatment element as an oxidation catalyst, as a catalyst for a selective catalytic reduction of nitrogen oxides (SCR catalyst), as a particle filter, as a metering device for an agent, or as a mixing device for mixing an agent is formed with the exhaust stream.
  • An agent may, for example, be a reducing agent, in particular a urea-water solution or ammonia.
  • the agent may also be a hydrocarbon or a hydrocarbon mixture.
  • Oxidation catalyst and an SCR catalyst benefit from the higher temperature level in the exhaust gas available upstream of the turbine.
  • the internal combustion engine in a passenger car or a commercial vehicle, such as a truck, preferably for driving it, provided.
  • the internal combustion engine is used to drive in particular heavy land or water vehicles, for example of
  • the internal combustion engine in this case preferably a Generator drives.
  • an application of the internal combustion engine in the field of promoting fossil raw materials and in particular fuels, for example oil and / or gas possible.
  • the internal combustion engine is preferably designed as a diesel engine, as a gasoline engine, as a gas engine for operation with natural gas, biogas, special gas or another suitable gas.
  • the internal combustion engine is designed as a gas engine, it is suitable for use in a cogeneration plant for stationary power generation.
  • Power supply device especially in stationary operated internal combustion engines, for example, for emergency power supply, is low. In particular, at the start of the
  • Combustion chambers of the internal combustion engine can be introduced. As a result, the internal combustion engine itself can deliver faster and more power.
  • Embodiment only has an oxidation catalyst.
  • the exhaust aftertreatment system comprises an oxidation catalyst and an SCR catalyst.
  • the exhaust aftertreatment system comprises an oxidation catalyst and an SCR catalyst.
  • the exhaust gas turbocharger is formed in one stage.
  • the exhaust gas turbocharger is preferably multi-stage, in particular formed in two stages, with he particularly preferred one
  • High-pressure turbine and a low-pressure turbine wherein the high-pressure turbine a High-pressure compressor drives, and wherein the low-pressure turbine drives a low-pressure compressor.
  • the object is also achieved by providing a method for operating an internal combustion engine having the features of claim 14.
  • the method is preferably carried out for operating an internal combustion engine according to one of the previously described embodiments.
  • In the internal combustion engine is at least one
  • Exhaust after-treatment element provided upstream of a turbine of an exhaust gas turbocharger.
  • the exhaust gas turbocharger is supplied with additional power by means of a power supply device in at least one operating state of the internal combustion engine.
  • a power supply device is preferably used in one of the manners explained above.
  • a combination of different power delivery facilities is possible.
  • a method is preferred which is characterized in that the exhaust gas turbocharger is supplied with additional power by means of the power supply device in a transient operating state of the internal combustion engine.
  • Embodiment of the internal combustion engine This is preferably characterized by at least one feature, which is due to at least one method step of the method.
  • Figure 1 is a schematic representation of a first embodiment of an internal combustion engine
  • Figure 2 is a schematic representation of a second embodiment of the
  • Figure 3 is a schematic representation of a third embodiment of the
  • Figure 4 is a schematic representation of a fourth embodiment of the
  • Figure 5 is a schematic representation of a fifth embodiment of
  • Figure 6 is a schematic representation of a sixth embodiment of the
  • Figure 7 is a schematic representation of a seventh embodiment of the
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a first embodiment of a
  • Internal combustion engine 1 This has an exhaust aftertreatment system 3 - seen in the flow direction of the exhaust gas - downstream of an engine portion 5 of the internal combustion engine 1.
  • the exhaust aftertreatment system 3 has at least one exhaust aftertreatment element 7, which is arranged upstream of a turbine 9 of an exhaust gas turbocharger 11.
  • Power supply device 13 a heat storage 15. This one is here
  • Heat storage 15 downstream of the exhaust aftertreatment element 7 and upstream of the turbine 9 is arranged. Heat can be stored in the heat accumulator 15 in stationary operating states of the internal combustion engine 1, in particular under full load, which in a transient operating state can be delivered from the heat accumulator 15 to the exhaust gas flow, so that additional enthalpy is available in the turbine 9.
  • the heat accumulator 15 is designed as a sensitive heat storage or as a switchable heat storage.
  • the heat accumulator 15 a is designed as a sensitive heat storage or as a switchable heat storage.
  • the heat accumulator 15 a is designed as a sensitive heat storage or as a switchable heat storage.
  • Phase change material wherein it is particularly preferably designed as a metastable heat storage 15 with a metastable phase change material.
  • a control device 17 is provided, by which a heat output from the heat accumulator 15 in particular depends on an operating state of the
  • Internal combustion engine 1 is controllable.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of a second embodiment of the
  • Power supply device 13 here has an electric machine 19, which is integrated in a hybrid drive train of the internal combustion engine 1 and is set up to
  • the electric machine 19 is operatively connected to a memory 23 for electrical energy.
  • the memory 23 is preferably designed as an accumulator or battery. It is possible that the electric machine 19 in a recuperation and / or
  • Generator operation generates electrical energy that can be stored in the memory 23.
  • the memory 23, which can be preferably also externally charged, electrical energy removed and the electric machine 19th can be supplied, which is then operated as an electric motor.
  • the electric machine 19 is preferably driven by the engine section 5 of the internal combustion engine 1.
  • the exhaust gas turbocharger 11 preferably has an electric motor 25, by which it can be driven. In this way, the function of the exhaust gas turbocharger 11 can be supported by the electric motor 25.
  • the electrical energy necessary for operating the electric motor 25 is preferably provided from the memory 23 and / or from the electric machine 19.
  • Fig. 3 shows a schematic representation of a third embodiment of the exhaust-gas turbocharger 11, in particular in a transient operating state of the internal combustion engine 1, so that its run-up behavior is improved.
  • the electric motor 25, the memory 23 and the electric machine 19 in this embodiment constitute an external energy supply means 26 which has not previously been taken out of the exhaust gas flow.
  • Fig. 3 shows a schematic representation of a third embodiment of the
  • Power supply device 13 here has a mechanical connection 27 between a crankshaft 29 of the internal combustion engine 1 and the exhaust gas turbocharger 11.
  • Exhaust gas turbocharger 11 preferably has the turbine 9, which is connected via a shaft 31 with a compressor 33, wherein the compressor 33 is mediated by the turbine 9 via the shaft 31 can be driven.
  • the mechanical connection 27 is preferably designed as a turbo-compound connection, wherein here mechanical power from the crankshaft 29 via the mechanical connection 27 of the shaft 31 and thus the exhaust gas turbocharger 11 can be fed. In this way, the run-up behavior of the internal combustion engine 1 can be improved in particular in transient operating conditions.
  • the mechanical connection 27 forms in this
  • an external energy supply means 26 not previously the
  • the mechanical connection 27 is designed to be switchable as a function of an operating state of the internal combustion engine 1, whereby a power flow between the crankshaft 29 and the exhaust gas turbocharger 11 can be influenced.
  • the control device 17 is preferably provided, by which the mechanical connection 27 is switched depending on the operating point of the internal combustion engine 1 such that either mechanical power flows from the exhaust gas turbocharger 11 to the crankshaft 29 or in the reverse direction.
  • Fig. 4 shows a schematic representation of a fourth embodiment of the
  • a metering device 35 for a fuel is provided, which is set up for introducing the fuel into the exhaust gas flow.
  • the same fuel is used, which is also used to operate the internal combustion engine 1, in particular gasoline, diesel, a gas, in particular natural gas, biogas or special gas, or a heavy oil, especially marines
  • the fuel is reacted in the exhaust gas aftertreatment element 7, in particular oxidized, whereby reaction heat is released, which is available as an additional power in the turbine 9.
  • the exhaust gas aftertreatment element 7 is preferably designed as an oxidation catalyst or coated with an oxidatively catalytically active material.
  • the metering device 35 forms in this embodiment, a supply means 26 for external energy, which was not previously removed from the exhaust stream.
  • Fig. 5 shows a schematic representation of a fifth exemplary embodiment of
  • the power supply device 13 is designed here as a heating element 37, for example as a burner or as an electric heater. It is possible that the heating element 37 - as shown here - upstream of the exhaust aftertreatment element 7 is arranged. Alternatively, it is possible that it is located downstream of the exhaust aftertreatment element 7. It is also possible for the heating element 37 to be connected directly to the exhaust-gas aftertreatment element 7 or to be arranged in the exhaust-gas aftertreatment element 7 in order to heat the latter and thus at least indirectly the exhaust gas flowing therein.
  • the heating element 37 forms in this embodiment, a supply device 26 for external energy, not previously the
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a sixth embodiment of the internal combustion engine 1.
  • the power supply device 13 is designed here as a compressed air reservoir 39. This is connected via a valve element 41 switchable with the exhaust gas flow in fluid communication.
  • Compressed air accumulator 39 the turbine 9 is inflated as needed to provide the exhaust gas turbocharger 11 additional power.
  • the compressed air reservoir 39 can be arranged upstream or, as shown here, downstream of the exhaust gas after-treatment element 7. It forms in this embodiment a supply means 26 for external energy, which was not previously removed from the exhaust gas stream.
  • Fig. 7 shows a schematic representation of a seventh embodiment of the
  • the power supply device 13 is designed here as a compressor 43, which is set up to blow the turbine 9 as needed and thus to provide additional power.
  • a fluid connection of the compressor 43 with the exhaust stream may upstream or - as shown here - downstream of the exhaust aftertreatment element 7 in this open.
  • the compressor 43 in this embodiment forms an external energy supply means 26 which has not previously been taken out of the exhaust gas flow.
  • the internal combustion engine 1 and / or an internal combustion engine operated by means of the method has an improved transient behavior, wherein it accelerates faster due to the additional power which is made available to the exhaust gas turbocharger 11 with a transient load request.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (1) mit wenigstens einem Abgasturbolader (11) und einem Abgasnachbehandlungssystem (3), wobei zumindest ein Abgasnachbehandlungselement (7) stromaufwärts einer Turbine (9) des Abgasturboladers (11) angeordnet ist. Dabei ist eine Leistungsbereitstellungseinrichtung (13), die eingerichtet ist zur Bereitstellung von zusätzlicher Leistung für den Abgasturbolader (11) in wenigstens einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine (1), vorgesehen.

Description

BESCHREIBUNG Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 14. Brennkraftmaschinen der hier angesprochenen Art sind grundsätzlich bekannt. Sie weisen einen Abgasturbolader und ein Abgasnachbehandlungssystem auf. Ein solches
Abgasnachbehandlungssystem weist wenigstens ein Abgasnachbehandlungselement, beispielsweise einen Oxidationskatalysator, einen Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden, einen Partikelfilter, eine Dosier- und/oder eine Mischeinrichtung auf. Der Abgasturbolader weist eine in einem Abgasstrang angeordnete Turbine auf, welche durch einen den Abgasstrang durchströmenden Abgasstrom angetrieben wird. Die Turbine ist vorzugsweise über eine Welle mit einem Verdichter wirkverbunden, der in einem Ladeluftstrang zur Zuführung von Ladeluft zu der Brennkraftmaschine angeordnet ist. In vorteilhafter Weise ist zumindest ein Abgasnachbehandlungselement stromaufwärts der Turbine des Abgasturboladers angeordnet, wobei der Abgasstrom zunächst das Abgasnachbehandlungselement und danach die Turbine durchströmt. Dadurch ist es möglich, das Abgasnachbehandlungselement näher an der Brennkraftmaschine und damit in einer Umgebung mit höherer Temperatur anzuordnen, wodurch sich bei gegebenem Abgasmassenstrom eine höhere Dichte des Abgases am Ort des Abgasnachbehandlungselements ergibt. Hierdurch sinkt bei gegebenem Abgasmassenstrom der Abgasvolumenstrom. Dies ermöglicht eine kleinere Bauweise des
Abgasnachbehandlungselements, da die reale Raumgeschwindigkeit in diesem, die als Quotient des Abgasvolumenstroms geteilt durch das Volumen des Abgasnachbehandlungselements berechnet wird, gleich bleibt, wenn der Abgasvolumenstrom und in gleichem Maße das
Volumen des Abgasnachbehandlungselements abnehmen. Zugleich ermöglicht das höhere Temperaturniveau vor der Turbine eine größere Aktivität einer Beschichtung des
Abgasnachbehandlungselements und/oder eine bessere Verdampfung von im Rahmen der Abgasnachbehandlung einzudosierenden Medien, beispielsweise eines Reduktionsmittels für die selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden. In diesem Zusammenhang ist es bei der entsprechenden Anordnung des Abgasnachbehandlungselements auch möglich, die Turbine des Abgasturboladers als Mischeinrichtung zur Durchmischung des Reduktionsmittels mit dem Abgasstrom zu nutzen. Insgesamt ist es so insbesondere möglich, die selektive Katalyse auch in niedrigen Lastpunkten der Brennkraftmaschine, in denen das Temperaturniveau des Abgases generell niedriger ist, einzusetzen.
Nachteilig hieran ist, dass das wenigstens eine Abgasnachbehandlungselement eine hohe Wärmekapazität aufweist und damit dem Abgasstrom eine vergleichsweise große Wärmemenge stromaufwärts der Turbine entzieht. Damit steht insbesondere bei transienten Lastanforderungen an die Brennkraftmaschine weniger Enthalpie in der Turbine zur Verfügung. Das
HochlaufVerhalten der Brennkraftmaschine ist verschlechtert, und es kommt zu
Leistungseinbußen.
Um der Turbine insbesondere in einem transienten Betriebszustand der Brennkraftmaschine die volle von dem Abgasstrom umfasste Enthalpie zur Verfugung stellen zu können, ist es bekannt, einen Bypass oder eine Umgehungsleitung um das Abgasnachbehandlungselement herum vorzusehen, durch welche das Abgasnachbehandlungselement quasi überbrückbar ist. Dabei ist in der Umgehungsleitung eine Ventileinrichtung angeordnet, mit der die Umgehungsleitung freigebbar oder sperrbar ist. Auf diese Weise ist es möglich, den Abgasstrom insbesondere in einem transienten Betriebszustand der Brennkraftmaschine um das
Abgasnachbehandlungselement herum zu der Turbine zu leiten, sodass keine oder höchstens eine deutlich reduzierte Enthalpiemenge an das Abgasnachbehandlungselement abgegeben wird. Es ist allerdings möglich, dass die auf diese Weise der Turbine zur Verfügung gestellte Enthalpie nicht ausreicht, um ein gewünschtes HochlaufVerhalten oder eine gewünschte Transientfahigkeit der Brennkraftmaschine zu gewährleisten.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine zu schaffen, welche diese Nachteile nicht aufweist. Zugleich liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren zu schaffen, mit welchem eine Brennkraftmaschine derart betreibbar ist, dass die genannten Nachteile nicht auftreten.
Die Aufgabe wird gelöst, indem eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen wird. Diese ist gekennzeichnet durch eine Leistungsbereitstellungseinrichtung, die eingerichtet ist zur Bereitstellung von zusätzlicher Leistung für die Turbine in wenigstens einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine. Der Begriff„zusätzliche Leistung" bedeutet einen Überschuss an Leistung, welcher der Turbine des Abgasturboladers über die in dem wenigstens einen Betriebszustand in dem Abgasstrom insbesondere stromaufwärts des Abgasnachbehandlungselements enthaltene Enthalpie hinaus zugeführt wird. Insoweit stellt beispielsweise ein Bypass um das Abgasnachbehandlungselement herum keine Leistungsbereitstellungseinrichtung dar, weil hier lediglich von dem Abgasstrom stromaufwärts des Abgasnachbehandlungselements umfasste Enthalpie an diesem vorbei zu der Turbine geleitet wird. Dabei wird jedoch dem Abgasturbolader nicht über eine in dem
Abgasstrom stromaufwärts des Abgasnachbehandlungselements - ohne die
Leistungsbereitstellungseinrichtung - zur Verfügung stehende Enthalpie hinaus zusätzliche Leistung zugeführt. Die Leistungsbereitstellungseinrichtung bewirkt also in dem wenigstens einen Betriebszustand der Brennkraftmaschine, in welchem sie Leistung bereitstellt, keine Umverteilung von Leistung, sondern vielmehr eine Zufuhr von Überschussleistung. Damit ist es möglich, den Enthalpieverlust in dem Abgasnachbehandlungselement auszugleichen, gegebenenfalls sogar überzukompensieren, wobei das Hochlaufverhalten der
Brennkraftmaschine und deren Transientfahigkeit aufgrund der zusätzlich dem Abgasturbolader zugeführten Leistung verbessert wird. Die Brennkraftmaschine reagiert agiler auf transiente Lastanforderungen und läuft schneller hoch. Leistungseinbußen aufgrund der hohen
Wärmekapazität des Abgasnachbehandlungselements können ausgeglichen oder
überkompensiert werden.
Es wird ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich dadurch
auszeichnet, dass die Leistungsbereistellungseinrichtung eingerichtet ist zur Bereitstellung von zusätzlicher Leistung für den Abgasturbolader in einem transienten Betriebszustand. Bei dem wenigstens einen Betriebszustand handelt es sich also insbesondere um einen transienten
Betriebszustand, insbesondere bei transienter Lastanforderung an die Brennkraftmaschine.
Gerade bei dieser Ausgestaltung verwirklicht sich der Vorteil eines verbesserten
Hochlaufverhaltens sowie einer verbesserten Transientfahigkeit der Brennkraftmaschine. Die zusätzliche Leistung wird durch die Leistungsbereitstellungseinrichtung also bevorzugt in einem Betriebszustand bereitgestellt, in welchem sie besonders benötigt wird oder einen besonders großen Effekt in Hinblick auf eine Verbesserung des Lastverhaltens der Brennkraftmaschine insgesamt zeigt. Es wird auch ein Ausfuhrungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Leistungsbereitstellungseinrichtung einen Wärmespeicher aufweist, der eingerichtet ist zur Aufnahme von Wärme aus dem Abgas in wenigstens einem ersten
Betriebszustand und zur Abgabe von Wärme an das Abgasnachbehandlungssystem und/oder an die Turbine in wenigstens einem zweiten Betriebszustand. Die zusätzliche Leistung für den Abgasturbolader wird in diesem Fall bereitgestellt, indem Wärme aus dem Wärmespeicher an das Abgasnachbehandlungssystem und/oder die Turbine abgegeben wird. Insbesondere ist es möglich, in dem wenigstens einen ersten Betriebszustand Enthalpie in dem Wärmespeicher zu speichern, die in dem wenigstens einen zweiten Betriebszustand, besonders bevorzugt in einem transienten Betriebszustand, an das Abgasnachbehandlungssystem und/oder die Turbine des Abgasturboladers abgegeben wird. Mithilfe des Wärmespeichers wird auf kostengünstige und energiesparende Weise in Betriebszuständen, in denen an dem Abgasturbolader keine zusätzliche Leistung benötigt wird, Wärme in dem Wärmespeicher gespeichert, die dann in
Betriebszuständen, in denen zusätzliche Leistung an dem Abgasturbolader benötigt wird, wieder freigegeben werden kann. Damit steht dem Abgasturbolader insbesondere in dem transienten Betriebszustand mehr Enthalpie zur Verfügung, als sie der Abgasstrom in diesem
Betriebszustand stromaufwärts des Abgasnachbehandlungselements ohne die
Leistungsbereitstellungseinrichtung umfassen würde. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine ist der Wärmespeicher stromaufwärts des Abgasnachbehandlungselements vorgesehen. Er nimmt dabei in dem ersten Betriebszustand Wärme aus dem Abgas auf und speichert diese. Dabei wirkt er als zusätzliche Wärmekapazität zu der Wärmekapazität des Abgasnachbehandlungselements. Dies ist allerdings in dem ersten Betriebszustand nicht nachteilig, da hier keine hohe Leistung des Abgasturboladers gefordert ist, wobei die stromabwärts des Wärmespeichers und des
Abgasnachbehandlungselements noch von dem Abgasstrom umfasste Enthalpie ausreicht, um den Abgasturbolader in hinreichender Weise zu betreiben. In dem zweiten Betriebszustand, vorzugsweise in einem transienten Betriebszustand der Brennkraftmaschine, gibt der
Wärmespeicher die gespeicherte Wärme zumindest teilweise an den Abgasstrom wiederum ab, wodurch das Abgas aufgeheizt wird, bevor es das Abgasnachbehandlungselement passiert.
Aufgrund der hohen Wärmekapazität des Abgasnachbehandlungselements geht hier zwar wiederum Wärme verloren, gleichwohl kommt noch eine ausreichende Wärmemenge an der Turbine an. Außerdem zeigt sich, dass aufgrund des dann höheren Temperaturniveaus des Abgasnachbehandlungselements von der nachfolgenden Abgasströmung eine geringere Wärmemenge entnommen wird, wodurch so insgesamt eine größere Wärmemenge zu der Turbine gelangt und dort nutzbar gemacht werden kann.
Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass der Wärmespeicher stromabwärts des
Abgasnachbehandlungselements und stromaufwärts der Turbine angeordnet ist. In diesem Fall wird die durch den Wärmespeicher in dem zweiten Betriebszustand, insbesondere in dem transienten Betriebszustand der Brennkraftmaschine, abgegebene Wärmemenge dem Abgas stromabwärts des Abgasnachbehandlungselements zugeführt, wobei das derart aufgeheizte Abgas bevorzugt unmittelbar der Turbine zugeführt wird. Daher steht die zusätzliche Leistung in diesem Fall gleich in vollem Umfang für die Turbine zur Verfügung, vorzugsweise ohne dass ein weiteres Element zwischengeschaltet ist, welches zunächst aufgeheizt werden müsste. Dieses Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine spricht daher besonders schnell bei einer
Lastanforderung an und zeigt ein besonders günstiges Hochlaufverhalten. Bevorzugt ist es möglich, dass der Wärmespeicher mit Wärme beladen wird, wenn die
Brennl aftmaschine unter Volllast läuft. Der Abgasstrom ist in diesem Betriebszustand besonders heiß, sodass eine große Wärmemenge an den Wärmespeicher abgegeben werden kann. Diese Wärmemenge kann in anderen Betriebszuständen, insbesondere in transienten
Betriebszuständen, die eine geringere Abgastemperatur aufweisen, wieder an den Abgasstrom abgegeben werden.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine ist vorgesehen, dass der Wärmespeicher ein Phasenwechselmaterial aufweist. Ein solcher Wärmespeicher wird auch als Latentwärmespeicher bezeichnet. Ein Phasenwechselmaterial kann besonders große
Wärmemengen im Bereich seines zur Speicherung ausgewählten Phasenübergangs,
typischerweise eines fest/flüssig-Phasenübergangs, speichern. Dabei ist es insbesondere möglich, dass die Wärme in Form von Gitterenergie oder Kristallisationswärme gespeichert wird, wobei das Phasenwechselmaterial während der Wärmespeicherung verflüssigt wird und Gitterenergie aufnimmt. Es gibt Wärme ab, wenn es wieder auskristallisiert.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass als Wärmespeicher ein chemischer
Wärmespeicher verwendet wird, welcher bevorzugt die Enthalpie einer reversiblen chemischen Reaktion ausnutzt, beispielsweise die Reaktionsenthalpie eines auf Chemiesorption beruhenden Absorptions- und Desorptionsprozesses. Dabei ist es besondere bevorzugt möglich, dass ein thermochemischer Wärmespeicher verwendet wird. Der Wärmespeicher weist in diesem Fall bevorzugt ein thermochemisches Material auf.
Es ist möglich, dass zeitlich zwischen einem Betriebszustand, in welchem der Wärmespeicher geladen wird, insbesondere bei Volllast, und einem Betriebszustand, in welchem
bestimmungsgemäß Wärme aus dem Wärmespeicher entnommen wird, Betriebszustände liegen, in denen weder Wärme an den Wärmespeicher abgegeben werden kann, noch Wärme aus diesem entnommen werden soll. Beispielsweise ist es möglich, dass auf einen Volllastbetrieb der Brennkraftmaschine ein Schwachlast-, Teillast- oder Leerlaufbetrieb folgt, in welchem es keiner zusätzlichen Leistung für den Abgasturbolader bedarf, und wobei andererseits die
Abgastemperatur nicht ausreicht, um den Wärmespeicher weiter zu laden.
Für einen solchen Fall ist bevorzugt vorgesehen, dass der Wärmespeicher mittels einer vorzugsweise abgastemperaturgeführten Steuerungseinrichtung von dem Abgasstrom thermisch isolierbar ist. Auf diese Weise ist es möglich, die gespeicherte Wärme zwischenzuspeichem und nicht etwa an das Abgas mit niedrigerem Temperaturniveau abzugeben. Die
Steuerungseinrichtung ist vorzugsweise eingerichtet, um die thermische Isolation des
Wärmespeichers aufzuheben, wenn entweder ein Betriebszustand vorherrscht, in welchem der Wärmespeicher weitergeladen werden kann, insbesondere also bei einer Abgastemperatur, welche einen vorherbestimmten Schwell wert überschreitet, oder in einem transienten
Betriebszustand, in dem die zusätzliche Wärmemenge in dem Abgas benötigt wird, um sie dem Abgasturbolader zur Verfügung zu stellen.
Die Steuerungseinrichtung ist hierzu vorzugsweise mit einem Motorsteuergerät der
Brennkraftmaschine wirkverbunden, in das Motorsteuergerät implementiert, oder als
Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine (Engine Control Unit - ECU) ausgebildet.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass der Wärmespeicher als metastabiler
Wärmespeicher ausgebildet ist. In diesem Fall bleibt die in dem Speicher gespeicherte Wärme auch bei einem Temperaturgefälle zwischen dem Wärmespeicher und dem Abgasstrom in dem Wärmespeicher gespeichert, bis ein Auslöseereignis aktiviert wird. Insbesondere weist ein solcher metastabiler Wärmespeicher vorzugsweise ein Phasenwechselmaterial auf, welches in einem Zustand mit hohem Enthalpieinhalt metastabil ist. Beispielsweise ist es möglich, dass das Phasenwechselmaterial in dem metastabilen Zustand flüssig ist, wobei eine Kristallisation nicht spontan einsetzt, sondern nur nach Aktivierung des Auslöseereignisses. Als Auslöseereignis kann beispielsweise das Knicken eines Metallplättchens vorzugsweise in Kontakt mit dem Phasenwechselmaterial verwendet werden. Insoweit weist der Wärmespeicher vorzugsweise ein Aktivierungselement, besonders bevorzugt ein knickbares Metallplättchen auf. Eine
Kristallisation in dem Phasenwechselmaterial wird in diesem Fall ausgelöst entweder durch Schallwellen aufgrund des Knickens, oder durch Freisetzen von Kristallisationskeimen aus dem geknickten Plättchen.
Ein solcher metastabiler Wärmespeicher ist vorzugsweise mit einer Steuerungseinrichtung wirkverbunden, die eingerichtet ist zur Aktivierung des Auslöseereignisses in dem wenigstens einen Betriebszustand, insbesondere in einem transienten Betriebszustand, um die Wärme aus dem Wärmespeicher freizusetzen. Die Steuerungseinrichtung ist wiederum vorzugsweise mit einem Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine wirkverbunden, in das Motorsteuergerät integriert oder als Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine ausgebildet.
Vorteilhaft an der Ausgestaltung des Wärmespeichers als metastabiler Wärmespeicher ist, dass auf eine Isolation gegenüber dem Abgasmassenstrom, insbesondere auf eine schaltbare Isolation, verzichtet werden kann. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass der Wärmespeicher als sensibler Wärmespeicher ausgebildet ist, der wärmetemperaturgradientengeführt Wärme speichert und/oder abgibt.
Hierbei regelt sich die Aufnahme und -abgäbe von Wärme in beziehungsweise aus dem
Wärmespeicher selbst, sodass ein solches Ausführungsbeispiel sehr einfach und kostengünstig ist.
Es wird Folgendes deutlich: Bei einem Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine erfolgt die Wärmeabgabe aus dem Wärmespeicher gesteuert, insbesondere abhängig von einem
Betriebszustand der Brennkraftmaschine und/oder der Abgastemperatur. Alternativ ist vorgesehen, dass die Wärmespeicherung und/oder die Wärmeabgabe in definierten
Temperaturbereichen des Wärmespeichers und des Abgasstroms erfolgt. Insbesondere sind in diesem Fall bevorzugt definierte Temperaturbereiche für einen Phasenwechsel eines
Phasenwechselmaterials vorgegeben, welches der Wärmespeicher aufweist. Die Wärmeabgabe oder Wärmespeicherung erfolgt dann bevorzugt abhängig von einem Temperaturgradienten zwischen dem Wärmespeicher einerseits und dem Abgasstrom andererseits. Der Wärmespeicher ist auch dann, wenn er stromaufwärts des Abgasnachbehandlungselements vorgesehen ist, nicht nachteilig für dessen Funktion, weil das Temperaturniveau stromaufwärts der Turbine viel höher ist als stromabwärts derselben. Daher steht auch stromabwärts des Wärmespeichers und stromaufwärts der Turbine genügend Wärme für eine hinreichende
Funktion des Abgasnachbehandlungselements in dem Abgasstrom zur Verfügung.
Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Leistungsbereitstellungseinrichtung eine Zufuhreinrichtung zur Zufuhr von Energie und/oder Enthalpie aufweist, die nicht aus dem Abgasstrom stammt. Insofern ist die
Zufuhreinrichtung bevorzugt eingerichtet zur Zufuhr externer Energie oder Enthalpie. Auf diese Weise ist es möglich, beispielsweise mechanische Energie der Brennkraftmaschine, mechanische oder elektrische Energie eines der Brennkraftmaschine zugeordneten Elements, beispielsweise eines Elektromotors, oder chemische Energie eines Brennstoffs in einem separaten Brenner, oder elektrische Energie in einem separaten Heizer für den Abgasturbolader nutzbar zu machen, ohne dass es zuvor einer Abzweigung von Leistung aus dem Abgasstrom bedarf. Selbstverständlich kann eine solche Zufuhreinrichtung auch mit einer Einrichtung kombiniert werden, die in einem Betriebszustand Leistung aus dem Abgasstrom abzweigt um sie ihm in einem anderen
Betriebszustand wieder zuzuführen.
Es wird ein Ausführungsbespiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich dadurch
auszeichnet, dass die Leistungsbereitstellungseinrichtung eine elektrische Maschine aufweist, die zur Bereitstellung von mechanischer Leistung an dem Abgasturbolader in dem wenigstens einen Betriebszustand eingerichtet ist. Auf diese Weise ist es sowohl schnell als auch einfach und kostengünstig möglich, dem Abgasturbolader zusätzliche Leistung zur Verfügung zu stellen. Die zusätzliche Leistung wird dabei von der Leistungsbereitstellungseinrichtung bereitgestellt, indem von der elektrischen Maschine mechanische Leistung erzeugt wird, welche dem Abgasturbolader zugeführt wird. Es ist bei einem Ausführungsbeispiel möglich, dass mit der Turbine des Abgasturboladers ein Elektromotor wirkverbunden ist, durch welchen der Turbolader antreibbar ist. Dieser kann in dem wenigstens einen Betriebszustand bestromt werden, um den Turbolader anzutreiben. Dabei handelt es sich um eine besonders einfache Ausgestaltung der Brennkraftmaschine. Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, dass eine elektrische Maschine in den Antriebsstrang der Brennkraftmaschine integriert ist, wobei beispielsweise ein diesel-elektrischer Antriebsstrang oder ein hybridisierter Antriebsstrang vorgesehen ist. Bei einem Ausfuhrungsbeispiel ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine des Antriebsstrangs mechanisch mit dem
Abgasturbolader, insbesondere mit der Turbine, zu dessen Antrieb wirkverbunden ist. Alternativ ist bevorzugt vorgesehen, dass die elektrische Maschine des Antriebsstrangs elektrisch mit einem an dem Abgasturbolader, insbesondere an der Turbine oder auf der Welle vorgesehenen
Elektromotor verbunden ist, sodass von der elektrischen Maschine erzeugte elektrische Energie dem Elektromotor des Turboladers zuführbar ist, wodurch diesem durch den Elektromotor mechanische Leistung zugeführt wird.
Es ist möglich, dass die elektrische Maschine des Antriebsstrangs eingerichtet ist zur
Bereitstellung von zusätzlicher Leistung in einem Rekuperations- und/oder Generatorbetrieb. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die elektrische Maschine durch die
Brennkraftmaschine antreibbar ist, sodass sie elektrische Energie beziehungsweise Leistung erzeugt, welche dem Abgasturbolader als zusätzliche Leistung zugeführt werden kann.
Es wird auch ein Ausfuhrungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, dass sich dadurch auszeichnet, dass die elektrische Maschine mit einem Speicher für elektrische Energie verbunden ist. Auf diese Weise ist in dem wenigstens einen Betriebszustand elektrische Energie aus dem Speicher entnehmbar und durch die elektrische Maschine in mechanische Leistung wandelbar. Damit ist es möglich, die Speicherung von Energie zeitlich von deren Bereitstellung zur
Zuführung zusätzlicher Leistung an den Abgasturbolader zu entkoppeln. In diesem
Zusammenhang ist es möglich, dass die mit dem Speicher verbundene elektrische Maschine als mit dem Abgasturbolader wirkverbundener Elektromotor ausgebildet ist. Alternativ ist es möglich, dass die elektrische Maschine in den Antriebsstrang der Brennkraftmaschine integriert und mechanisch mit dem Abgasturbolader, insbesondere mit der Turbine, wirkverbunden ist.
Besonders bevorzugt wird allerdings ein Ausfuhrungsbeispiel der Brennkraftmaschine, bei welchem eine erste elektrische Maschine in den Antriebsstrang integriert ist, wobei eine zweite elektrische Maschine als Elektromotor mit dem Abgasturbolader wirkverbunden ist. Bevorzugt ist die zweite elektrische Maschine unmittelbar auf einer Welle des Abgasturboladers angeordnet oder durch ein Getriebe mit dieser verbunden. Die erste elektrische Maschine und die zweite elektrische Maschine sind vorzugsweise beide mit einem Speicher für elektrische Energie, vorzugsweise mit demselben Speicher, verbunden. Es ist dann möglich, dass die von der ersten elektrischen Maschine erzeugte elektrische Energie insbesondere in Betriebszuständen, in denen die erste elektrische Maschine als Generator wirkt und/oder Energie rekuperiert, in dem Speicher gespeichert wird. In einem Betriebszustand, in dem zusätzliche Leistung für den
Abgasturbolader bereitgestellt werden soll, ist es möglich, die elektrische Energie aus dem Speicher zu entnehmen und der zweiten elektrischen Maschine zum Antrieb des Turboladers zuzuführen. Durch den Speicher ist es zugleich möglich, dass in demselben Betriebszustand die erste elektrische Maschine zur Unterstützung der Brennkraftmaschine als Elektromotor betrieben wird. Diese muss dann nämlich nicht als Generator wirken, weil die elektrische Energie für den Abgasturbolader aus dem Speicher entnommen und nicht unmittelbar durch die erste elektrische Maschine erzeugt wird.
Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Leistungsbereitstellungseinrichtung eine mechanische Verbindung zwischen einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und dem Abgasturbolader aufweist. In diesem Fall ist in dem wenigstens einen Betriebszustand der Kurbelwelle mechanische Leistung entnehmbar und als zusätzliche Leistung dem Abgasturbolader zuführbar. Bevorzugt ist dabei der Abgasturbolader, insbesondere die Turbine und/oder die Welle des Abgasturboladers, über ein Getriebe, insbesondere ein mechanisches oder hydraulisches Getriebe, mit der Kurbelwelle mechanisch verbunden. Dies entspricht einer umgekehrten Turbo-Compound-Konfiguration, bei welcher üblicherweise ein Drehmoment von dem Abgasturbolader oder einer Nutzturbine über eine mechanische Wirkverbindung der Kurbelwelle zuführbar ist.
Bevorzugt ist eine Kupplungseinrichtung vorgesehen, mit welcher die mechanische Verbindung geöffnet und geschlossen werden kann. Vorzugsweise ist eine Steuerungseinrichtung
vorgesehen, die eingerichtet ist zum Öffnen und Schließen der mechanischen Verbindung, insbesondere abhängig von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine in einem Betriebszustand mechanische Leistung entzogen wird, indem es keiner Zufuhr zusätzlicher Leistung an den Abgasturbolader bedarf. Die mechanische Verbindung wird demnach bevorzugt nur in einem Betriebszustand geschlossen, in welchem dem Abgasturbolader zusätzliche Leistung zugeführt werden soll, insbesondere in einem transienten Betriebszustand.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die mechanische Verbindung als schaltbare Turbo-Compound- Einrichtung ausgebildet ist, sodass einerseits in einem Betriebszustand, in welchem dem Abgasturbolader zusätzliche Leistung zur Verfügung gestellt werden soll, diese der Kurbelwelle entnommen werden kann, wobei in einem anderen Betriebszustand, in welchem dem
Abgasturbolader keine zusätzliche Leistung zugeführt werden soll, ein umgekehrter
Leistungsfluss verwirklicht wird, nämlich ein Leistungsfluss im Sinne einer herkömmlichen Turbo-Compound-Einrichtung, wobei der Kurbelwelle zusätzliche Leistung von dem
Abgasturbolader zugeführt wird.
Allgemein wird ein Ausfuhrungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, bei welchem die mechanische Verbindung abhängig von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine zur Beeinflussung eines Leistungsflusses schaltbar ist. Hierzu kann beispielsweise ein schaltbares Getriebe vorgesehen sein. Bevorzugt weist die Brennkraftmaschine eine Steuerungseinrichtung auf, die eingerichtet ist zum betriebspunktabhängigen Schalten der mechanischen Verbindung, um den Leistungsfluss zwischen dem Abgasturbolader und der Kurbelwelle zu beeinflussen. Vorzugsweise wird hierbei in stationären Betriebszuständen ein Leistungsfluss von dem
Abgasturbolader zur Kurbelwelle realisiert, wobei in transienten Betriebszuständen,
insbesondere bei einem Hochlaufen der Brennkraftmaschine, ein umgekehrter Leistungsfluss von der Kurbelwelle zu dem Abgasturbolader verwirklicht wird.
Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Leistungsbereitstellungseinrichtung eine Dosiereinrichtung für einen
Brennstoff stromaufwärts des Abgasnachbehandlungselements aufweist. Durch die Zudosierung des Brennstoffs ist dem Abgasstrom zusätzliche Exothermie zuführbar, sodass dem
Abgasturbolader eine größere Wärmemenge zugeführt wird. Eine solche Dosiereinrichtung ist besonders einfach und kostengünstig in den Abgasstrang integrierbar und darüber hinaus besonders einfach ansteuerbar.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Abgasnachbehandlungselement vorzugsweise als Oxidationskatalysator ausgebildet oder zumindest bereichsweise mit einem oxidativ katalytisch wirkenden Material beschichtet. Der eindosierte Brennstoff wird dann in dem
Oxidationskatalysator oder an dem oxidativ katalytisch wirkenden Material umgesetzt, wodurch Reaktionswärme frei wird, durch welche das Abgas aufgeheizt wird. Als Brennstoff wird vorzugsweise derselbe Brennstoff verwendet, der auch zum Betrieb der Brennkraftmaschine eingesetzt wird. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass Exothermie durch späte Einspritzung von
Brennstoff in einen Brennraum der Brennkraftmaschine bereitgestellt wird. Der derart eingespritzte Brennstoff wird zumindest teilweise nicht mehr in dem Brennraum verbrannt, sondern ausgestoßen und schließlich in dem Oxidationskatalysator oder an dem oxidativ katalytisch wirkenden Material umgesetzt. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass auf eine separate Dosierungseinrichtung verzichtet werden kann, wobei vielmehr eine ohnehin
vorgesehene Dosier- oder Injektionseinrichtung im Bereich des Brennraums einsetzbar ist. Eine separate Dosiereinrichtung stromaufwärts des Abgasnachbehandlungselements in dem
Abgasstrang ist jedoch vorteilhaft, weil der zusätzlich eingebrachte Brennstoff hierdurch genauer dosierbar und effizienter nutzbar ist.
Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Leistungsbereitstellungseinrichtung ein Heizelement zur Bereitstellung von Wärme in dem Abgas aufweist. Das Heizelement kann bevorzugt als Brenner oder als elektrischer Heizer ausgebildet sein. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist es direkt an dem Abgasnachbehandlungselement, bevorzugt an einem Katalysator, insbesondere an einem Oxidationskatalysator, vorgesehen. Als Brennstoff für den Brenner wird vorzugsweise derselbe Brennstoff verwendet, der auch zum Betrieb der Brennkraftmaschine eingesetzt wird. Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Leistungsbereitstellungseinrichtung einen Druckluftspeicher aufweist, durch den - vorzugsweise mittels eines Ventilelements bedarfsgerecht schaltbar - Druckluft in den Abgasstrom einbringbar ist. Auf diese Weise kann die Turbine des Abgasturboladers bei Bedarf zusätzlich angeblasen werden. Alternativ oder zusätzlich weist die
Leistungsbereitstellungseinrichtung bevorzugt einen Kompressor auf, durch den Druckluft in den Abgasstrom einbringbar ist. Der Kompressor wird bevorzugt durch die Brennkraftmaschine mittels mechanischer oder elektrischer Wirkverbindung angetrieben.
Die Leistungsbereitstellungseinrichtung ist vorzugsweise abhängig von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine zur Bereitstellung von Leistung ansteuerbar. Insbesondere ist es möglich, die Leistungsbereitstellungseinrichtung in einem Betriebszustand zu aktivieren oder zur Abgabe von Leistung zu veranlassen, in dem zusätzliche Leistung benötigt wird, und sie zu deaktivieren, wenn keine zusätzliche Leistung benötigt wird. Auf diese Weise sind besonders bevorzugt der Wärmespeicher, der elektrische Speicher und/oder die elektrische Maschine, die mechanische Verbindung zwischen der Kurbelwelle und dem Abgasturbolader, die Dosiereinrichtung, das Heizelement, der Druckluftspeicher und/oder der Kompressor ansteuer- beziehungsweise schaltbar. Schließlich wird ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass das Abgasnachbehandlungselement als Oxidationskatalysator, als Katalysator für eine selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden (SCR-Katalysator), als Partikelfilter, als Dosiereinrichtung für ein Agens, oder als Mischeinrichtung zur Durchmischung eines Agens mit dem Abgasstrom ausgebildet ist. Ein Agens kann beispielsweise ein Reduktionsmittel, insbesondere eine Harnstoff- Wasser- Lösung oder Ammoniak, sein. Das Agens kann auch ein Kohlenwasserstoff oder ein Kohlenwasserstoffgemisch sein. Auch eine Kombination der genannten Elemente stromaufwärts der Turbine ist möglich. Insbesondere ein
Oxidationskatalysator und ein SCR-Katalysator profitieren von dem höheren Temperaturniveau im Abgas, welches stromaufwärts der Turbine zur Verfügung steht.
Es zeigt sich auch, dass die verschiedenen, hier gemäß einzelner Ausführungsbeispiele dargestellten Ausgestaltungen der Leistungsbereitstellungseinrichtung miteinander kombiniert werden können. Dabei ist es sehr wohl möglich, dass die Brennkraftmaschine mehr als eine Leistungsbereitstellungseinrichtung aufweist. Hierbei können sich gegebenenfalls
betriebspunktabhängig die einzelnen Leistungsbereitstellungseinrichtungen ersetzen oder ergänzen, oder sie können kumulativ gemeinsam eine große Menge zusätzlicher Leistung für den Abgasturbolader bereitstellen.
Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Bei einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Brennkraftmaschine in einem Personenkraftwagen oder einem Nutzfahrzeug, beispielsweise einem Lastkraftwagen, vorzugsweise zu dessen Antrieb, vorgesehen. Bei einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel dient die Brennkraftmaschine dem Antrieb insbesondere schwerer Land- oder Wasserfahrzeuge, beispielsweise von
Minenfahrzeugen, Zügen, wobei die Brennkraftmaschine in einer Lokomotive oder einem Triebwagen eingesetzt wird, oder von Schiffen. Auch ein Einsatz der Brennkraftmaschine zum Antrieb eines der Verteidigung dienenden Fahrzeugs, beispielsweise eines Panzers, ist möglich. Ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine wird vorzugsweise auch stationär,
beispielsweise zur stationären Energieversorgung im Notstrombetrieb, Dauerlastbetrieb oder Spitzenlastbetrieb eingesetzt, wobei die Brennkraftmaschine in diesem Fall vorzugsweise einen Generator antreibt. Auch eine stationäre Anwendung der Brennkraftmaschine zum Antrieb von Hilfsaggregaten, beispielsweise von Feuerlöschpumpen auf Bohrinseln, ist möglich. Weiterhin ist eine Anwendung der Brennkraftmaschine im Bereich der Förderung fossiler Roh- und insbesondere Brennstoffe, beispielswiese Öl und/oder Gas, möglich. Auch eine Verwendung der Brennkraftmaschine im industriellen Bereich oder im Konstruktionsbereich, beispielsweise in einer Konstruktions- oder Baumaschine, zum Beispiel in einem Kran oder einem Bagger, ist möglich. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Dieselmotor, als Benzinmotor, als Gasmotor zum Betrieb mit Erdgas, Biogas, Sondergas oder einem anderen geeigneten Gas, ausgebildet. Insbesondere wenn die Brennkraftmaschine als Gasmotor ausgebildet ist, ist sie für den Einsatz in einem Blockheizkraftwerk zur stationären Energieerzeugung geeignet.
Es zeigt sich, dass die hier beschriebene Ausgestaltung der Brennkraftmaschine mit der
Leistungsbereitstellungseinrichtung gerade auch bei stationär betriebenen Brennkraftmaschinen, beispielsweise zur Notstromversorgung, günstig ist. Insbesondere beim Anspringen der
Notstromversorgung muss eine solche Brennkraftmaschine sehr schnell in transientem Betrieb hochlaufen, wobei es vorteilhaft ist, wenn dem Abgasturbolader zusätzliche Leistung zur Verfügung gestellt werden kann.
Generell steigt aufgrund der zusätzlich am Abgasturbolader zur Verfügung stehenden Leistung der Ladedruck, wodurch auch mehr Brennstoff und insgesamt eine größere Frischladung in
Brennräume der Brennkraftmaschine einbringbar sind. Hierdurch kann die Brennkraftmaschine selbst schneller und mehr Leistung abgeben.
Es zeigt sich, dass das Abgasnachbehandlungssystem bei einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel nur einen Oxidationskatalysator aufweist. Bei einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das Abgasnachbehandlungssystem einen Oxidationskatalysator und einen SCR-Katalysator auf. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass das
Abgasnachbehandlungssystem einen Partikelfilter aufweist. Bei einem Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine ist der Abgasturbolader einstufig ausgebildet. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist der Abgasturbolader bevorzugt mehrstufig, insbesondere zweistufig ausgebildet, wobei er besonders bevorzugt eine
Hochdruckturbine und eine Niederdruckturbine aufweist, wobei die Hochdruckturbine einen Hochdruckverdichter antreibt, und wobei die Niederdruckturbine einen Niederdruckverdichter antreibt.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 14 geschaffen wird. Das Verfahren wird bevorzugt durchgeführt zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele. Bei der Brennkraftmaschine ist mindestens ein
Abgasnachbehandlungselement stromaufwärts einer Turbine eines Abgasturboladers vorgesehen. Im Rahmen des Verfahrens wird dem Abgasturbolader in wenigstens einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine zusätzliche Leistung mittels einer Leistungsbereitstellungseinrichtung zugeführt. Bevorzugt wird dabei wenigstens eines der zuvor erläuterten Ausführungsbeispiele einer Leistungsbereitstellungseinrichtung in einer der zuvor erläuterten Weisen verwendet. Auch eine Kombination verschiedener Leistungsbereitstellungseinrichtungen ist möglich. Es wird ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass dem Abgasturbolader in einem transienten Betriebszustand der Brennkraftmaschine zusätzliche Leistung mittels der Leistungsbereitstellungseinrichtung zugeführt wird.
Im Rahmen des Verfahrens ergeben sich die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine erläutert wurden.
Die Beschreibung der Brennkraftmaschine einerseits und des Verfahrens andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Vorzugsweise sind Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine erläutert wurden, einzeln oder
miteinander kombiniert Schritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Dieses zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens einen Verfahrensschritt aus, der durch wenigstens ein Merkmal der Brennkraftmaschine bedingt ist. In analoger Weise sind Merkmale der
Brennkraftmaschine, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden, bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine. Diese zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens ein Merkmal aus, welches durch wenigstens einen Verfahrensschritt des Verfahrens bedingt ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine;
Figur 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der
Brennkraftmaschine;
Figur 3 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der
Brennkraftmaschine;
Figur 4 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels der
Brennkraftmaschine;
Figur 5 eine schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels der
Brennkraftmaschine;
Figur 6 eine schematische Darstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels der
Brennkraftmaschine, und
Figur 7 eine schematische Darstellung eines siebten Ausführungsbeispiels der
Brennkraftmaschine.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer
Brennkraftmaschine 1. Diese weist ein Abgasnachbehandlungssystem 3 - in Strömungsrichtung des Abgases gesehen - stromabwärts eines Motorbereichs 5 der Brennkraftmaschine 1 auf. Das Abgasnachbehandlungssystem 3 weist wenigstens ein Abgasnachbehandlungselement 7 auf, welches stromaufwärts einer Turbine 9 eines Abgasturboladers 11 angeordnet ist.
Durch die hohe Wärmekapazität des Abgasnachbehandlungselements 7 steht in einem
transienten Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 eine verringerte Enthalpie in der Turbine 9 zum Antrieb des Abgasturboladers 11 zur Verfügung.
Um dies auszugleichen und das Hochlaufverhalten der Brennkraftmaschine 1 zu verbessern, weist diese eine Leistungsbereitstellungseinrichtung 13 auf, die eingerichtet ist zur Bereitstellung von zusätzlicher Leistung für den Abgasturbolader in wenigstens einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 , insbesondere in einem transienten Betriebszustand, besonders beim Hochlaufen der Brennkraftmaschine 1.
Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die
Leistungsbereitstellungseinrichtung 13 einen Wärmespeicher 15 auf. Dieser ist hier
stromaufwärts des Abgasnachbehandlungselements 7 und stromabwärts des Motorbereichs 5 angeordnet. Alternativ ist es bei einem anderen Ausfuhrungsbeispiel möglich, dass der
Wärmespeicher 15 stromabwärts des Abgasnachbehandlungselements 7 und stromaufwärts der Turbine 9 angeordnet ist. In dem Wärmespeicher 15 ist in stationären Betriebszuständen der Brennkraftmaschine 1, insbesondere unter Volllast, Wärme speicherbar, welche in einem transienten Betriebszustand aus dem Wärmespeicher 15 an den Abgasstrom abgebbar ist, sodass zusätzliche Enthalpie in der Turbine 9 zur Verfugung steht.
Es ist möglich, dass der Wärmespeicher 15 als sensibler Wärmespeicher oder als schaltbarer Wärmespeicher ausgebildet ist. Bevorzugt weist der Wärmespeicher 15 ein
Phasenwechselmaterial auf, wobei er besonders bevorzugt als metastabiler Wärmespeicher 15 mit einem metastabilen Phasenwechselmaterial ausgestaltet ist.
Vorzugsweise ist eine Steuerungseinrichtung 17 vorgesehen, durch welche eine Wärmeabgabe aus dem Wärmespeicher 15 insbesondere abhängig von einem Betriebszustand der
Brennkraftmaschine 1 steuerbar ist.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der
Brennkraftmaschine 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Die
Leistungsbereitstellungseinrichtung 13 weist hier eine elektrische Maschine 19 auf, die in einen hybriden Antriebsstrang der Brennkraftmaschine 1 integriert und eingerichtet ist, um
Antriebsleistung an einen Verbraucher 21, beispielsweise einen Fahrmotor eines Kraftfahrzeugs, abzugeben. Die elektrische Maschine 19 ist mit einem Speicher 23 für elektrische Energie wirkverbunden. Der Speicher 23 ist bevorzugt als Akkumulator oder Batterie ausgebildet. Dabei ist es möglich, dass die elektrische Maschine 19 in einem Rekuperations- und/oder
Generatorbetrieb elektrische Energie erzeugt, die in dem Speicher 23 gespeichert werden kann. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass dem Speicher 23, der vorzugsweise auch extern geladen werden kann, elektrische Energie entnehmbar und der elektrischen Maschine 19 zuführbar ist, wobei diese dann als Elektromotor betrieben wird. Im Generatorbetrieb wird die elektrische Maschine 19 vorzugsweise von dem Motorbereich 5 der Brennkraftmaschine 1 angetrieben. Der Abgasturbolader 11 weist vorzugsweise einen Elektromotor 25 auf, durch den er antreibbar ist. Auf diese Weise kann die Funktion des Abgasturboladers 11 durch den Elektromotor 25 unterstützt werden. Die zum Betrieb des Elektromotors 25 nötige elektrische Energie wird vorzugsweise aus dem Speicher 23 und/oder von der elektrischen Maschine 19 bereitgestellt. Auf diese Weise kann dem Abgasturbolader 11 zusätzliche Leistung zur Verfügung gestellt werden, insbesondere in einem transienten Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1, sodass deren Hochlaufverhalten verbessert wird. Der Elektromotor 25, der Speicher 23 und die elektrische Maschine 19 bilden bei diesem Ausführungsbeispiel eine Zufuhreinrichtung 26 für externe Energie, die nicht zuvor dem Abgasstrom entnommen wurde. Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der
Brennkraftmaschine 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Die
Leistungsbereitstellungseinrichtung 13 weist hier eine mechanische Verbindung 27 zwischen einer Kurbelwelle 29 der Brennkraftmaschine 1 und dem Abgasturbolader 11 auf. Der
Abgasturbolader 11 weist dabei bevorzugt die Turbine 9 auf, welche über eine Welle 31 mit einem Verdichter 33 verbunden ist, wobei der Verdichter 33 durch die Turbine 9 vermittelt über die Welle 31 antreibbar ist. Die mechanische Verbindung 27 ist bevorzugt als Turbo-Compound- Verbindung ausgebildet, wobei hier mechanische Leistung von der Kurbelwelle 29 über die mechanische Verbindung 27 der Welle 31 und damit dem Abgasturbolader 11 zuführbar ist. Auf diese Weise kann das Hochlaufverhalten der Brennkraftmaschine 1 insbesondere in transienten Betriebszuständen verbessert werden. Die mechanische Verbindung 27 bildet bei diesem
Ausführungsbeispiel eine Zufuhreinrichtung 26 für externe Energie, die nicht zuvor dem
Abgasstrom entnommen wurde. Es ist möglich, dass zusätzlich eine Turbo-Compound- Verbindung vorgesehen ist, durch welche in anderen Betriebszuständen mechanische Energie von dem Abgasturbolader 11 an die
Kurbelwelle 29 abgebbar ist. Besonders bevorzugt ist allerdings die mechanische Verbindung 27 abhängig von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 schaltbar ausgebildet, wodurch ein Leistungsfluss zwischen der Kurbelwelle 29 und dem Abgasturbolader 11 beeinflussbar ist. Hierfür ist bevorzugt die Steuerungseinrichtung 17 vorgesehen, durch welche die mechanische Verbindung 27 abhängig von dem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 1 derart umschaltbar ist, dass entweder mechanische Leistung von dem Abgasturbolader 11 zu der Kurbelwelle 29 oder in umgekehrter Richtung fließt.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels der
Brennkraftmaschine 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Stromaufwärts des Abgasnachbehandlungselements 7 und stromabwärts des Motorbereichs 5 ist hier eine Dosiereinrichtung 35 für einen Brennstoff vorgesehen, die eingerichtet ist zum Einbringen des Brennstoffs in den Abgasstrom. Bevorzugt wird dabei derselbe Brennstoff verwendet, der auch zum Betrieb der Brennkraftmaschine 1 eingesetzt wird, insbesondere Benzin, Diesel, ein Gas, insbesondere Erdgas, Biogas oder Sondergas, oder ein Schweröl, insbesondere marines
Rückstandsöl. Der Brennstoff wird in dem Abgasnachbehandlungselement 7 umgesetzt, insbesondere oxidiert, wobei Reaktionswärme frei wird, welche als zusätzliche Leistung in der Turbine 9 zur Verfügung steht. Dabei ist das Abgasnachbehandlungselement 7 in diesem Fall bevorzugt als Oxidationskatalysator ausgebildet oder mit einem oxidativ katalytisch wirkenden Material beschichtet. Die Dosiereinrichtung 35 bildet bei diesem Ausführungsbeispiel eine Zufuhreinrichtung 26 für externe Energie, die nicht zuvor dem Abgasstrom entnommen wurde.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines fünften Ausfuhrungsbeispiels der
Brennkraftmaschine 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Dabei ist die Leistungsbereitstellungseinrichtung 13 hier als Heizelement 37 ausgebildet, beispielsweise als Brenner oder als elektrischer Heizer. Es ist möglich, dass das Heizelement 37 - wie hier dargestellt - stromaufwärts des Abgasnachbehandlungselements 7 angeordnet ist. Alternativ ist es möglich, dass es stromabwärts des Abgasnachbehandlungselements 7 angeordnet ist. Es ist auch möglich, dass das Heizelement 37 unmittelbar mit dem Abgasnachbehandlungselement 7 verbunden oder in dem Abgasnachbehandlungselement 7 angeordnet ist, um dieses und damit zumindest mittelbar das darin strömende Abgas zu heizen. Das Heizelement 37 bildet bei diesem Ausfuhrungsbeispiel eine Zufuhreinrichtung 26 für externe Energie, die nicht zuvor dem
Abgasstrom entnommen wurde. Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels der Brennkraftrnaschine 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Dabei ist die Leistungsbereitstellungseinrichtung 13 hier als Druckluftspeicher 39 ausgebildet. Dieser ist über ein Ventilelement 41 schaltbar mit dem Abgasstrom in Fluidverbindung. Mithilfe des
Druckluftspeichers 39 ist die Turbine 9 bedarfsgerecht anblasbar, um dem Abgasturbolader 11 zusätzliche Leistung bereitzustellen. Der Druckluftspeicher 39 kann stromaufwärts oder - wie hier dargestellt - stromabwärts des Abgasnachbehandlungselements 7 angeordnet sein. Er bildet bei diesem Ausführungsbeispiel eine Zufuhreinrichtung 26 für externe Energie, die nicht zuvor dem Abgasstrom entnommen wurde.
Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung eines siebten Ausführungsbeispiels der
Brennkraftmaschine 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Dabei ist die Leistungsbereitstellungseinrichtung 13 hier als Kompressor 43 ausgebildet, der eingerichtet ist, um die Turbine 9 bedarfsgerecht anzublasen und so zusätzliche Leistung bereitzustellen. Eine Fluidverbindung des Kompressors 43 mit dem Abgasstrom kann stromaufwärts oder - wie hier dargestellt - stromabwärts des Abgasnachbehandlungselements 7 in diesen einmünden. Der Kompressor 43 bildet bei diesem Ausführungsbeispiel eine Zufuhreinrichtung 26 für externe Energie, die nicht zuvor dem Abgasstrom entnommen wurde.
Insgesamt zeigt sich, dass die Brennkraftmaschine 1 und/oder eine mithilfe des Verfahrens betriebene Brennkraftmaschine ein verbessertes Transientverhalten aufweist, wobei sie durch die zusätzliche Leistung, welche dem Abgasturbolader 11 zur Verfügung gestellt wird, bei transienter Lastanforderung schneller hochläuft.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Brennkraftmaschine ( 1 ) mit wenigstens einem Abgasturbolader (11) und einem
Abgasnachbehandlungssystem (3), wobei zumindest ein Abgasnachbehandlungselement (7) stromaufwärts einer Turbine (9) des Abgasturboladers (11) angeordnet ist, gekennzeichnet durch eine Leistungsbereitstellungseinrichtung (13), die eingerichtet ist zur Bereitstellung von zusätzlicher Leistung für den Abgasturbolader (11) in wenigstens einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine (1).
2. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Leistungsbereitstellungseinrichtung (13) eingerichtet ist zur Bereitstellung von zusätzlicher Leistung für den Abgasturbolader (11) in einem transienten Betriebszustand.
3. Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Leistungsbereitstellungseinrichtung (13) einen Wärmespeicher (15) aufweist, der eingerichtet ist zur Aufnahme von Wärme aus dem Abgas in wenigstens einem ersten Betriebszustand und zur Abgabe von Wärme an das Abgasnachbehandlungssystem (3) und/oder die Turbine (9) in wenigstens einem zweiten Betriebszustand.
4. Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (15) stromaufwärts des
Abgasnachbehandlungselements (7) oder stromabwärts des Abgasnachbehandlungselements (7) und stromaufwärts der Turbine (9) angeordnet ist.
5. Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass, der Wärmespeicher (15) ein Phasenwechselmaterial und/oder ein thermochemisches Material aufweist.
6. Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Leistungsbereitstellungseinrichtung (13) eine Zufuhreinrichtung (26) zur Zufuhr von Energie und/oder Enthalpie aufweist, die nicht aus dem Abgasstrom stammt.
7. Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsbereitstellungseinrichtung (13) eine elektrische Maschine (19) aufweist, die zur Bereitstellung von mechanischer Leistung an dem Abgasturbolader (11) in dem wenigstens einen Betriebszustand eingerichtet ist.
8. Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (19) mit einem Speicher (23) verbunden ist, wobei der Speicher (23) eingerichtet ist zur Speicherung von elektrischer Energie.
9. Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Leistungsbereitstellungseinrichtung (13) eine mechanische
Verbindung (27) zwischen einer Kurbelwelle (19) der Brennkraftmaschine (1) und dem
Abgasturbolader (11) aufweist.
10. Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Leistungsbereitstellungseinrichtung (13) eine Dosiereinrichtung (35) für einen Brennstoff stromaufwärts des Abgasnachbehandlungselements (7) aufweist.
11. Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Leistungsbereitstellungseinrichtung (13) ein Heizelement (37) zur Bereitstellung von Wärme in dem Abgas, einen Druckluftspeicher (39) und/oder einen
Kompressor (43) aufweist.
12. Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Leistungsbereitstellungseinrichtung (13) zur Bereitstellung von Leistung abhängig von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine (1) ansteuerbar ist.
13. Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Abgasnachbehandlungselement (7) als Oxidationskatalysator, als Partikelfilter, als SCR-Katalysator, als Dosiereinrichtung für ein Agens, und/oder als
Mischeinrichtung zur Durchmischung eines Agens mit dem Abgasstrom ausgebildet ist.
14. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1), insbesondere einer
Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei mindestens ein Abgasnachbehandlungselement (7) stromaufwärts einer Turbine (9) eines Abgasturboladers (11) vorgesehen ist, und wobei dem Abgasturbolader (11) in wenigstens einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine (1) zusätzliche Leistung mittels einer Leistungsbereitstellungseinrichtung (13) zugeführt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass dem Abgasturbolader (11) mittels der Leistungsbereitstellungseinrichtung (13) zusätzliche Leistung in einem transienten Betriebszustand der Brennkraftmaschine (1) zugeführt wird.
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102017208637B4 (de) 2017-05-22 2020-12-24 Audi Ag Abgasanlage für ein Kraftfahrzeug sowie entsprechendes Kraftfahrzeug
DE102019124788A1 (de) * 2019-09-16 2020-08-20 Audi Ag Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug sowie entsprechende Antriebseinrichtung
DE102021110658A1 (de) * 2021-04-27 2022-10-27 Volkswagen Aktiengesellschaft Brennkraftmaschine mit elektrischer Abgasturbine und Abgasnachbehandlungseinrichtung stromauf der Abgasturbine

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10203309A1 (de) * 2002-01-29 2003-07-31 Daimler Chrysler Ag Luftverdichtende, selbstzündende Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader
DE102004052106A1 (de) * 2004-10-26 2006-05-04 J. Eberspächer GmbH & Co. KG Kombination eines Katalysators mit einem Wärmespeicher
DE102009045380A1 (de) * 2009-10-06 2011-04-07 Robert Bosch Gmbh Antriebseinrichtung
WO2012167052A2 (en) * 2011-06-03 2012-12-06 Gerneral Electric Company Systems and methods for an engine
EP2557386A2 (de) * 2011-08-10 2013-02-13 J. Eberspächer GmbH & Co. KG Latentwärmespeicher und Katalysator

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3818230A1 (de) * 1988-05-28 1989-12-07 Johann Wimmer Aggregat zur steigerung des ladedruckes an aufgeladenen verbrennungsmotoren, im teillast- und unteren drehzahlbereich
DE4139291B4 (de) * 1991-11-29 2005-08-18 Audi Ag Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung
DE4439573A1 (de) * 1994-11-05 1996-05-09 Mtu Friedrichshafen Gmbh Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader
DE102006037649A1 (de) * 2006-08-10 2008-02-14 Fev Motorentechnik Gmbh Gasmotor mit verbessertem instationären Verhalten
FR2907159A1 (fr) * 2006-10-17 2008-04-18 Renault Sas Systeme de traitement des gaz d'echappement d'un moteur diesel a turbocompresseur.
DE102008036157A1 (de) * 2008-08-02 2010-02-04 Daimler Ag Brennkraftmaschine
US8677751B2 (en) * 2009-07-24 2014-03-25 Vandyne Superturbo, Inc. Rich fuel mixture super-turbocharged engine system
WO2013042196A1 (ja) * 2011-09-20 2013-03-28 日立造船株式会社 ターボチャージャー制御システム及び制御方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10203309A1 (de) * 2002-01-29 2003-07-31 Daimler Chrysler Ag Luftverdichtende, selbstzündende Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader
DE102004052106A1 (de) * 2004-10-26 2006-05-04 J. Eberspächer GmbH & Co. KG Kombination eines Katalysators mit einem Wärmespeicher
DE102009045380A1 (de) * 2009-10-06 2011-04-07 Robert Bosch Gmbh Antriebseinrichtung
WO2012167052A2 (en) * 2011-06-03 2012-12-06 Gerneral Electric Company Systems and methods for an engine
EP2557386A2 (de) * 2011-08-10 2013-02-13 J. Eberspächer GmbH & Co. KG Latentwärmespeicher und Katalysator

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