WO2019201547A1 - Brennkraftmaschine mit einer abgasanlage - Google Patents

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WO2019201547A1
WO2019201547A1 PCT/EP2019/057176 EP2019057176W WO2019201547A1 WO 2019201547 A1 WO2019201547 A1 WO 2019201547A1 EP 2019057176 W EP2019057176 W EP 2019057176W WO 2019201547 A1 WO2019201547 A1 WO 2019201547A1
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exhaust gas
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combustion engine
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Christian Schwarz
Dirk Christian Leinhos
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine having an exhaust system with the features of the preamble of patent claim 1.
  • the technical environment is, for example, the German
  • Catalyst is passed through an exhaust passage, wherein the catalyst in the exhaust passage, a second catalyst is arranged downstream.
  • the first emission control system is bypassed by a bypass with a shut-off, wherein the
  • the mixture enrichment leads to high CO concentrations in the exhaust gas and the CO is in the catalyst due to the prevailing in the exhaust gas
  • Boost pressure set After the turbine and after the supply of the wastegate channel to the main flow of the exhaust gas is typically as close as possible to a rapid heating after the start of the
  • a catalyst also called close-coupled catalyst.
  • the waste gate is also wide open to direct as much hot exhaust gas directly to the close-coupled catalyst for heating.
  • typically high exhaust gas mass flows (about 30-45%) must be routed past the turbine via the waste gate. Since this exhaust gas is not expanded in the turbine, it is very hot. This is the mean
  • Turbine outlet temperature It may exceed the maximum exhaust gas inlet temperature allowed for the catalyst.
  • z. B the performance of the internal combustion engine are throttled, which is not desirable.
  • an internal combustion engine with an exhaust system which is connected via an exhaust manifold to the internal combustion engine.
  • a first and in the flow direction of the exhaust gas behind a second emission control system are arranged, wherein the first emission control system via a bypass with a
  • the shut-off element is arranged according to the invention in the exhaust manifold.
  • the object of the present invention is to identify a measure with which higher specific powers of the internal combustion engine can be achieved without thermal damage to the catalyst close to the engine.
  • the first exhaust pipe can also be cooled. This can be done for example with a coolant of the internal combustion engine, whereby the thermal protection of the second emission control system is again significantly improved.
  • Figure 1 shows a first embodiment of an inventive
  • Figure 2 shows a second embodiment of a
  • Figure 1 shows schematically a first embodiment of a
  • Inlet silencer 14 sucked. An influx of fresh air is shown symbolically by an arrow. Then the fresh air is through an unnumbered intake passage through a compressor 15 of a
  • Exhaust gas turbocharger 6 passed and after the compressor 15 further cooled in a charge air cooler 16. After the intercooler 16, the fresh air flows through a throttle element 17, such as a throttle valve. After the throttle element 17, the fresh air enters an air collector 18, from which the fresh air in the present embodiment is divided into four cylinders 2. In these four cylinders 2, the fresh air is mixed with fuel and burned.
  • a throttle element 17 such as a throttle valve.
  • the fresh air collector 18 from which the fresh air in the present embodiment is divided into four cylinders 2. In these four cylinders 2, the fresh air is mixed with fuel and burned.
  • the exhaust gas flows per cylinder 2 via two unnumbered, each represented by a circle gas exchange exhaust valves first through an exhaust manifold 4 and further into the exhaust system 3. A transition from the exhaust manifold 4 to the exhaust system 3 is shown in dashed lines. Each two cylinders 2 are corresponding to a cylinder order of
  • Internal combustion engine 1 combined to form a cylinder group.
  • a typical firing order for a present four-cylinder internal combustion engine is, for example, cylinder 1, cylinder 3, cylinder 4, cylinder 2.
  • cylinders 1 and 4 and cylinders 2 and 3 each form a cylinder group.
  • Ignition order is cylinder 1, cylinder 2, cylinder 4, cylinder 3.
  • the first cylinder (cylinder 1) is the, the power output side / clutch
  • the exhaust gas flows through a turbine housing of the exhaust gas turbocharger 6, in which a turbine wheel 5 is arranged.
  • the turbine wheel 5 is rotatably coupled to the compressor wheel 15, which compresses the fresh air.
  • Emission control system 7 a close-coupled catalyst, and in the
  • a third emission control system 13 leaves the exhaust system 3 in the present embodiment in the Ambient air.
  • a leakage of the exhaust gas from the exhaust system 3 is shown symbolically by an arrow.
  • a first exhaust pipe 8 is arranged, in which a first shut-off element 11 is arranged.
  • the first shut-off element 11 is shown closed. With the shut-off element 11 open, exhaust gas can flow past the turbine shaft 5 through the first exhaust pipe 8.
  • a second exhaust gas purification device 12 is arranged in the first exhaust pipe 8.
  • a second exhaust pipe 9 is arranged, a so-called. Turbine bypass, in which a second shut-off element 10 is arranged. Also, the second shut-off element 10 is shown in a closed position. When the second shut-off element 10 is open, hot exhaust gas may be at the
  • Turbine 5 are passed over to the first emission control system 7 after a cold start of the engine 1 quickly to their
  • the second shut-off element 10 is closed and a boost pressure control via the first
  • the first and / or the second exhaust pipe 8, 9 are also cooled. This can be done, for example, with a coolant
  • Figure 2 shows a second embodiment of the internal combustion engine 1 according to the invention with the exhaust system 3.
  • Figure 2 differs from Figure 1 in that the second and the first shut-off element 10, 11 are not arranged in parallel, but serially. That means the first one
  • Exhaust pipe 8 and the second exhaust pipe 9 have a single connection to the exhaust manifold 4 and the second shut-off element 10 in
  • the second exhaust pipe 9 branches off from the first exhaust pipe 8 between the second shut-off element 10 and the first shut-off element 11.

Abstract

Brennkraftmaschine mit zumindest einem Zylinder und mit einer Abgasanlage, die an einem, an der Brennkraftmaschine angeordneten Abgaskrümmer angeordnet ist, wobei in der Abgasanlage ein Turbinengehäuse mit einem Turbinenrad eines Abgasturboladers und in Strömungsrichtung eines Abgases hinter dem Turbinengehäuse eine erste Abgasreinigungsanlage angeordnet ist, wobei von dem Abgaskrümmer ein erstes Abgasrohr Abgas führend abzweigt und nach der ersten Abgasreinigungsanlage wieder in die Abgasanlage mündet, wobei der Abgaskrümmer über ein zweites Abgasrohr, in dem ein zweites Absperrelement angeordnet ist, mit der Abgasanlage zwischen dem Turbinenrad und der ersten Abgasreinigungsanlage und/oder mit dem ersten Abgasrohr, in dem ein erstes Absperrelement angeordnet ist, in Strömungsrichtung eines Abgases mit der Abgasanlage verbindbar ist Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung können höhere spezifische Leistungen für die Brennkraftmaschine erreicht werden, bei gleichzeitig thermischem Bauteilschutz.

Description

Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Zum technischen Umfeld wird beispielsweise auf die Deutsche
Offenlegungsschrift DE 28 51 675 A1 hingewiesen. Aus dieser
Offenlegungsschrift ist eine Nachverbrennungsvorrichtung für die Abgase von Brennkraftmaschinen bekannt. Es wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, zum Nachverbrennen von Abgasen von Brennkraftmaschinen mit einem Katalysator, für die Oxidation von CO (Kohlenmonoxid) und HC
(Kohlenwasserstoffe), bei dem im oberen Lastbereich der
Brennkraftmaschine ein Teil des Abgases unter Umgehung eines
Katalysators durch einen Abgaskanal geleitet wird, wobei dem Katalysator in dem Abgaskanal ein zweiter Katalysator nachgeordnet ist.
Eine Weiterbildung der aus der DE 28 51 675 A1 bekannten
Nachverbrennungsvorrichtung ist in der noch nicht veröffentlichten deutschen Patentanmeldung, mit dem amtlichen Aktenzeichen 10 2017 218 837.5, beschrieben. In dieser Patentanmeldung ist eine Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage beschrieben, die über einen Abgaskrümmer verfügt, der mit der der Brennkraftmaschine verbunden ist. In der Abgasanlage sind eine erste und in Strömungsrichtung des Abgases dahinter eine zweite
Abgasreinigungsanlage angeordnet. Die erste Abgasreinigungsanlage ist über einen Bypass mit einem Absperrelement umgehbar, wobei das
Absperrelement in dem Abgaskrümmer angeordnet ist.
Bei Ottobrennkraftmaschinen wird bei hohen Motordrehzahlen und hoher Leistung üblicher weise das Kraftstoff-Luft-Gem isch angereichert (Lambda < 1 ), um die abgasführenden Bauteile vor thermischer Überbeanspruchung zu schützen. Dies gilt insbesondere für aufgeladene Brennkraftmaschinen, bei denen die Abgasturbine und der Katalysator ansonsten durch zu hohe Abgastemperaturen zerstört werden könnten.
Die Gemischanreicherung führt zu hohen CO-Konzentrationen im Abgas und das CO wird im Katalysator aufgrund des im Abgas vorherrschenden
Sauerstoffmangels in nachteiliger Weise nicht oxidiert. Der Katalysator arbeitet in diesem Betriebsbereich nicht mehr als 3-Wege-Katalysator, da kein stöchiometrisches Gemisch (Lambda = 1 ) eingestellt wird. Damit wird die Erfüllung zukünftiger Zulassungsanforderung für Kraftfahrzeuge gefährdet.
Heutige Abgasanlagen, insbesondere von turboaufgeladenen Otto- Brennkraftmaschinen verfügen typischerweise über einen Turbinenbypass, auch Waste-Gate genannt, mit regelbarem Abgas-Massenstrom durch das Waste-Gate. Mit diesem Waste-Gate wird der Abgas-Massenstrom über die Turbine und damit die Turbinenleistung und damit der gewünschte
Ladedruck eingestellt. Nach der Turbine und nach der Zuführung des Waste- Gate-Kanals zum Hauptstrom des Abgases befindet sich typischerweise so nah wie möglich, um ein schnelles Aufheizen nach dem Start der
Brennkraftmaschine zu gewährleisten, ein Katalysator (auch motornaher Katalysator genannt). Beim Start der Brennkraftmaschine wird das Waste- Gate zudem weit geöffnet, um für das Aufheizen möglichst viel heißes Abgas direkt auf den motornahen Katalysator zu leiten. In der Volllast, bei hohen Leistungen der Brennkraftmaschine, müssen typischerweise hohe Abgas-Massenströme (ca. 30 - 45%) über das Waste- Gate an der Turbine vorbeigeleitet werden. Da dieses Abgas nicht in der Turbine expandiert wird, ist es sehr heiß. Damit liegt die mittlere
Abgastemperatur nach dem Mischen von Turbinenaustritts-Abgas- Massenstrom und Waste-Gate-Abgas-Massenstrom höher als die
Turbinenaustrittstemperatur. Sie kann die maximale, für den Katalysator erlaubte Abgas-Eintrittstemperatur übersteigen. In Folge muss z. B. die Leistung der Brennkraftmaschine gedrosselt werden, was nicht gewünscht ist.
Aus der noch nicht veröffentlichten Deutschen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen DE 10 2017 218 837, von der die vorliegende
Erfindung ausgeht, ist eine Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage bekannt, die über einen Abgaskrümmer mit der Brennkraftmaschine verbunden ist. In der Abgasanlage sind eine erste und in Strömungsrichtung des Abgases dahinter eine zweite Abgasreinigungsanlage angeordnet, wobei die erste Abgasreinigungsanlage über einen Bypass mit einem
Absperrelement umgehbar ist. Das Absperrelement ist erfindungsgemäß in dem Abgaskrümmer angeordnet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Maßnahme aufzuzeigen, mit der höhere spezifische Leistungen der Brennkraftmaschine erreicht werden können, ohne eine thermische Schädigung des motornahen Katalysators.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Brennkraftmaschine mit der Abgasanlage sind deutlich höhere Leistungen der Brenn kraftmasch ine erzielbar, ohne eine thermische Schädigung des motornahen Katalysators.
Mit der Ausgestaltung gemäß den Patentansprüchen 2 und 3 wird eine bestmögliche Abgasreinigung erzielt.
Mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 4 wird der thermische Schutz der ersten Abgasreinigungsanlage nochmals deutlich verbessert.
In weiteren bevorzugten Ausführungsform gemäß Patentanspruch 5 kann das erste Abgasrohr auch gekühlt werden. Dies kann beispielsweise mit einem Kühlmittel der Brennkraftmaschine erfolgen, wodurch der thermische Schutz der zweiten Abgasreinigungsanlage nochmals deutlich verbessert wird.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand von zwei Figuren näher erläutert.
Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße
Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage.
Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für eine
erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage.
Im Folgenden gelten in den Figuren 1 und 2 für gleiche Bauelemente die gleichen Bezugsziffern.
Figur 1 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel für eine
erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 mit einer Abgasanlage 3. Wie aus dem Stand der Technik bekannt, wird Frischluft über einen
Ansauggeräuschdämpfer 14 angesaugt. Ein Einströmen der Frischluft ist mit einem Pfeil symbolisch dargestellt. Anschließend wird die Frischluft durch eine nicht bezifferte Ansaugleitung durch einen Verdichter 15 eines
Abgasturboladers 6 geleitet und nach dem Verdichter 15 weiter in einem Ladeluftkühler 16 abgekühlt. Nach dem Ladeluftkühler 16 durchströmt die Frischluft ein Drosselelement 17, wie beispielsweise eine Drosselklappe. Nach dem Drosselelement 17 tritt die Frischluft in einen Luftsammler 18 ein, von dem aus die Frischluft im vorliegenden Ausführungsbeispiel auf vier Zylinder 2 aufgeteilt wird. In diesen vier Zylindern 2 wird die Frischluft mit Brennstoff vermischt und verbrannt.
Das Abgas strömt je Zylinder 2 über zwei nicht bezifferte, durch jeweils einen Kreis symbolisch dargestellte Gaswechselauslassventile zuerst durch einen Abgaskrümmer 4 und weiter in die Abgasanlage 3 aus. Ein Übergang vom Abgaskrümmer 4 zur Abgasanlage 3 ist gestrichelt eingezeichnet. Jeweils zwei Zylinder 2 sind entsprechend einer Zylinderreihenfolge der
Brennkraftmaschine 1 zu einer Zylindergruppe zusammengefasst. Eine typische Zündreihenfolge für eine vorliegende Vierzylinder- Brennkraftmaschine ist beispielsweise Zylinder 1 , Zylinder 3, Zylinder 4, Zylinder 2. Bei dieser Zündreihenfolge bilden die Zylinder 1 und 4 und Zylinder 2 und 3 jeweils eine Zylindergruppe. Eine weitere mögliche
Zündreihenfolge ist Zylinder 1 , Zylinder 2, Zylinder 4, Zylinder 3. Hierbei ist der erste Zylinder (Zylinder 1 ) der, der Kraftabgabeseite/Kupplung
gegenüberliegende Zylinder.
Nach dem Abgaskrümmer 4 durchströmt das Abgas ein Turbinengehäuse des Abgasturboladers 6, in dem ein Turbinenrad 5 angeordnet ist. Das Turbinenrad 5 ist drehfest mit dem Verdichterrad 15 gekoppelt, welches die Frischluft verdichtet.
Nach dem Abgasturbolader 6 durchströmt das Abgas eine erste
Abgasreinigungsanlage 7, ein motornaher Katalysator, und in dem
vorliegenden Ausführungsbeispiel eine dritte Abgasreinigungsanlage 13 und verlässt die Abgasanlage 3 in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in die Umgebungsluft. Ein Austreten des Abgases aus der Abgasanlage 3 ist mit einem Pfeil symbolisch dargestellt.
Weiter ist an den Abgaskrümmer 4 ein erstes Abgasrohr 8 angeordnet, in dem ein erstes Absperrelement 11 angeordnet ist. Das erste Absperrelement 11 ist geschlossen dargestellt. Bei offenem Absperrelement 11 kann Abgas durch das erste Abgasrohr 8 an dem Turbinenrad 5 vorbei strömen. Für eine bestmögliche Abgasreinigung ist in dem ersten Abgasrohr 8 eine zweite Abgasreinigungsvorrichtung 12 angeordnet.
Weiter ist an den Abgaskrümmer 4 ein zweites Abgasrohr 9 angeordnet, ein sog. Turbinenbypass, in dem ein zweites Absperrelement 10 angeordnet ist. Auch das zweite Absperrelement 10 ist in einer Schließstellung dargestellt. Bei offenem zweiten Absperrelement 10 kann heißes Abgas an dem
Turbinenrad 5 vorbei geleitet werden, um die erste Abgasreinigungsanlage 7 nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine 1 schnell auf ihre
Anspringtemperatur (light off) zu bringen, um schnellstmöglich das Abgas zu reinigen.
Bei einer Volllast der Brennkraftmaschine 1 wird das zweite Absperrelement 10 geschlossen und eine Ladedruckregelung erfolgt über das erste
Absperrelement 11. Bei einer Teillast der Brennkraftmaschine 1 wird das erste Absperrelement 11 geschlossen und die Ladedruckregelung erfolgt über das zweite Absperrelement 10, genauso wie das Aufheizen der ersten Abgasreinigungsanlage 7, das sog. Katheizen.
In beiden Fällen wird somit heißes Abgas an dem Turbinenrad 5 des
Abgasturboladers 6 vorbei geführt, damit die erste Abgasreinigungsanlage 7, aber auch das Turbinenrad 5 selbst, thermisch geschont wird. Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung sind nun deutlich höhere
Volllastleistungen für die Brenn kraftmasch ine 1 darstellbar, da die erste Abgasreinigungsanlage 7 und auch das Turbinenrad 5, durch an der Turbine 5 vorbei geströmten Abgas-Massenstrom, thermisch geschützt ist.
- Vorteil: Temperaturabsenkung vor der ersten Abgasreinigungsanlage 7 bei Nennleistung ggü. dem Zumischen des Waste-Gate- Abgasmassenstroms vor ersten Abgasreinigungsanlage 7.
- Vorteil: Katheizen ist über das zweite Abgasrohr 9 möglich.
- Nachteil: aufwändigerer Abgaskrümmer 4, zwei Wastegates (erstes und zweites Abgasrohr 8, 9).
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen, die figürlich nicht dargestellt sind, können das erste und/oder das zweite Abgasrohr 8, 9 auch gekühlt werden. Dies kann beispielsweise mit einem Kühlmittel der
Brennkraftmaschine erfolgen.
Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 mit der Abgasanlage 3. Figur 2 unterscheidet sich von Figur 1 dadurch, dass das zweite und das erste Absperrelement 10, 11 nicht parallel, sondern seriell angeordnet sind. Das heißt, dass das erste
Abgasrohr 8 und das zweite Abgasrohr 9 einen einzigen Anschluss an dem Abgaskrümmer 4 haben und das zweite Absperrelement 10 in
Strömungsrichtung vor dem ersten Absperrelement 11 angeordnet ist. Das zweite Abgasrohr 9 zweigt zwischen dem zweiten Absperrelement 10 und dem ersten Absperrelement 11 von dem ersten Abgasrohr 8 ab.
- Vorteil: Temperaturabsenkung vor der ersten Abgasreinigungsanlage 7 bei Nennleistung ggü. dem Zumischen des Waste-Gate- Abgasmassenstroms vor ersten Abgasreinigungsanlage 7.
- Vorteil: Katheizen ist über das zweite Abgasrohr 9 möglich.
- Nachteil: die Dichtigkeit des ersten und des zweiten Absperrelementes 11 , 10 muss sichergestellt sein.

Claims

Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage PATENTANSPRÜCHE
1. Brennkraftmaschine (1 ) mit zumindest einem Zylinder (2) und mit einer Abgasanlage (3), die an einem, an der Brennkraftmaschine
angeordneten Abgaskrümmer (4) angeordnet ist, wobei in der
Abgasanlage (3) ein Turbinengehäuse mit einem Turbinenrad (5) eines Abgasturboladers (6) und in Strömungsrichtung eines Abgases hinter dem Turbinengehäuse eine erste Abgasreinigungsanlage (7) angeordnet ist, wobei von dem Abgaskrümmer (4) ein erstes Abgasrohr (8) Abgas führend abzweigt und nach der ersten
Abgasreinigungsanlage (7) wieder in die Abgasanlage (3) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskrümmer (4) über ein zweites Abgasrohr (9), in dem ein zweites Absperrelement (10) angeordnet ist, mit der Abgasanlage (3) zwischen dem Turbinenrad (5) und der ersten Abgasreinigungsanlage (7) und/oder mit dem ersten Abgasrohr (8), in dem ein erstes Absperrelement (11 ) angeordnet ist, in
Strömungsrichtung eines Abgases mit der Abgasanlage (3) verbindbar ist
2. Brennkraftmaschine nach Patentanspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Abgasrohr (8) in
Strömungsrichtung des Abgases hinter dem ersten Absperrelement (11 ) eine zweite Abgasreinigungsanlage (12) angeordnet ist.
3. Brennkraftmaschine nach einem der Patentansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasanlage (3) in
Strömungsrichtung des Abgases hinter einer Einmündung des ersten Abgasrohres (8) eine dritte Abgasreinigungsanlage (13) angeordnet ist.
4. Brennkraftmaschine nach einem der Patentansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass für das zweite Abgasrohr (9) eine Kühlvorrichtung vorgesehen ist.
5. Brennkraftmaschine nach einem der Patentansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass für das erste Abgasrohr (8) eine
Kühlvorrichtung vorgesehen ist.
PCT/EP2019/057176 2018-04-17 2019-03-22 Brennkraftmaschine mit einer abgasanlage WO2019201547A1 (de)

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DE102018205769.9A DE102018205769A1 (de) 2018-04-17 2018-04-17 Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage

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