DE102005056011A1

DE102005056011A1 - Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader

Info

Publication number: DE102005056011A1
Application number: DE102005056011A
Authority: DE
Inventors: Dirk Dr.-Ing. Hagelstein; Eckhard Pult; Jens Kühlmeyer; Ekkehard Dr.-Ing. Pott
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2005-11-24
Filing date: 2005-11-24
Publication date: 2007-06-06

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einer Abgasanlage (14) und einem Abgasturbolader (16), der eine in der Abgasanlage (14) abgeordnete Turbine (18) und einen von der Turbine (18) angetriebenen Verdichter (20) aufweist, wobei die Turbine (18) einen Abström-Ausgang (28) zum Abströmen von über ein Turbinenrad (34) der Turbine (18) strömendem Abgas und einen Wastegate-Ausgang (30) zum überbrückenden Vorbeiströmen des Abgases an dem Turbinenrad (34) der Turbine (18) vorbei aufweist. Hierbei ist der Abström-Ausgang (28) der Turbine (18) mit einer ersten Abgasflut (36) und der Wastegate-Ausgang (30) der Turbine (18) mit einer von der ersten Abgasflut (36) getrennten zweiten Abgasflut (38) verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einer Abgasanlage und einem Abgasturbolader, der eine in der Abgasanlage angeordnete Turbine und einen von der Turbine angetriebenen Verdichter aufweist, wobei die Turbine einen Abström-Ausgang zum Abströmen von über ein Turbinenrad der Turbine strömendem Abgas und einen Wastegate-Ausgang zum überbrückenden Vorbeiströmen des Abgases an dem Turbinenrad der Turbine vorbei aufweist, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Zum Senken des Kraftstoffverbrauchs bei Brennkraftmaschinen werden verstärkt "Downsizingkonzepte" entwickelt und zum Einsatz gebracht. Der Begriff "Downsizing" meint, die Leistung eines großvolumigen, vielzylindrigen Motors mit einem hubraumkleinen Motor mit in der Regel weniger Zylindern durch zusätzliche Aufladung darzustellen. Durch die Hubraumreduktion ergibt sich durch eine Lastpunktverschiebung im Motorkennfeld hin zu besseren Wirkungsgraden in der Teillast ein Verbrauchsvorteil gegenüber dem leistungsgleichen Motor mit großem Hubraum und ohne Aufladung. Damit ein derartiger "Downsizing Motor" auch im instationären Betrieb ein akzeptabler Ersatz des "großen" Saugmotors, d.h. des Saugmotors mit großem Hubraum, ist, muss das sog. Turboloch vermieden werden. Dies kann beispielsweise kostenintensiv mit einem aufwändigen Aufladekonzept erreicht werden. Alternativ kann man einen einfachen, sehr kleinen Abgasturboladers (ATL) verwenden, der schon bei kleinen Massenströmen in der Lage ist hohe Druckverhältnisse aufzubauen und über entsprechend geringe Hochlaufzeiten bei Lastsprüngen verfügt. Nachteil einer solchen ATL-Auslegung ist das große Turbinendruckverhältnis des Laders bei hohen Massenströmen, wodurch sich das Abgas vor der Turbine stark aufstaut und einen entsprechend hohen Druck auf der Auslassseite des Motors verursacht. Dieses wiederum führt unweigerlich zu einer hohen Temperatur im Abgaskrümmer, die über eine entsprechende Gemischanfettung des Motors auf bauteilverträgliche Temperaturniveaus gekühlt werden muss.
Die Durchsatzfreudigkeit einer derartig kleinen Turbine des ATL kann durch eine starke Entdrosselung der Abgasleitung nach Turbinenaustritt erhöht werden. Aus Packagegründen lassen sich aber nicht beliebig dicke Rohrleitungen unter den Fahrzeugen verlegen. Moderne aufgeladene Motoren stoßen mittlerweile trotz ihres kleinen Hubraumes in die Leistungsklassen der hubraumstarken Saugmotoren vor, müssen aber mit einer einflutigen Abgasanlage auskommen, was zu einem entsprechend hohen Gegendruck nach der ATL-Turbine führt und, wie oben beschrieben, aus thermischen Gründen eine Gemischanfettung erfordert, was zu einem hohen Verbrauch im Betriebsbereich mit hohen Massenströmen führt.

Aus der DE 102 33 495 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit in einer Abgasleitung angeordnetem Abgasturbolader mit nachgeschaltetem Katalysator zur Reduzierung des in der Anordnung aus Abgasturbolader und Katalysator bewirkten Abgasgegendruckes bekannt, bei der eine zu dieser Anordnung parallele Bypassleitung vorgesehen ist, die ein kennfeld-aktivierbares Ventil umfasst und stromab des Katalysators wieder in die Abgasleitung mündet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine der o.g. Art Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemissionen zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Brennkraftmaschine der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.

Dazu ist es bei einer Brennkraftmaschine der o.g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Abström-Ausgang der Turbine mit einer ersten Abgasflut und der Wastegate-Ausgang der Turbine mit einer von der ersten Abgasflut getrennten zweiten Abgasflut verbunden ist.

Dies hat den Vorteil, dass durch Reduzierung des Gegendruckes nach der Turbine mittels der zweiflutigen Ausgestaltung der Abgasanlage stromab der Turbine der Anfettungsbedarf des Motors reduziert und somit der Kraftstoffverbrauch an der Volllast und der hohen Teillast reduziert wird.

Dadurch, dass stromab der Turbine eine fluidleitende Verbindung zwischen der ersten Abgasflut und der zweiten Abgasflut ausgebildet ist, können sich Druck und Temperatur zwischen den beiden Abgasfluten aufteilen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist in der ersten Abgasflut und der zweiten Abgasflut stromab der Turbine jeweils wenigstens ein Katalysator angeordnet.

Zweckmäßigerweise ist die fluidleitende Verbindung zwischen der ersten und zweiten Abgasflut stromab aller Katalysatoren in der ersten und zweiten Abgasflut oder stromauf des Katalysators in der ersten Abgasflut und stromab des Katalysators in der zweiten Abgasflut oder stromab des Katalysators in der ersten Abgasflut und stromauf des Katalysators in der zweiten Abgasflut oder stromab des Katalysators in der zweiten Abgasflut und zwischen zwei Katalysatoren in der ersten Abgasflut angeordnet.

Um Maßnahmen zum Heizen der Katalysatoren nach einem Kaltstart in den beiden Abgasfluten nutzen zu können, ist die fluidleitende Verbindung zwischen der ersten und zweiten Abgasflut stromauf aller Katalysatoren in der ersten und zweiten Abgasflut angeordnet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in
1 ein schematisches Blockschaltbild einer ersten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine,
2 ein schematisches Blockschaltbild einer Abgasanlage einer zweiten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine,
3 ein schematisches Blockschaltbild einer Abgasanlage einer dritten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine,
4 ein schematisches Blockschaltbild einer Abgasanlage einer vierten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine und
5 ein schematisches Blockschaltbild einer Abgasanlage einer fünften bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.
Die in 1 dargestellte, erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine umfasst einen Verbrennungsmotor 10, einen den Verbrennungsmotor 10 mit Frischluft versorgende Frischluftstrang 12, eine Abgase von dem Verbrennungsmotor 10 abführende Abgasanlage 14 und einen Abgasturbolader (ATL) 16. Der Abgasturbolader 16 umfasst eine in der Abgasanlage 14 angeordnete Turbine (ATL-Turbine) 18 und einen von der Turbine 18 angetriebenen und in dem Frischluftstrang 12 angeordneten Verdichter 20: In dem Frischluftstrang 12 ist ein Ladeluftkühler (LLK) 22 und eine Drosselklappe (DKL) 24 angeordnet. Die Turbine 18 des Abgasturboladers 16 weist ein Turbinengehäuse 26 auf, das einen Abström-Ausgang 28 zum Abströmen von über ein Turbinenrad 34 der Turbine 18 strömendem Abgas und einen Wastegate-Ausgang 30 mit Wastegate 32 zum überbrückenden vorbeiströmen des Abgases an dem Turbinenrad 34 der Turbine 18 vorbei auf. Erfindungsgemäß ist der Abström-Ausgang 28 mit einer ersten Abgasflut 36 und der Wastegate-Ausgang 30 mit einer von der ersten Abgasflut 36 getrennten zweiten Abgasflut 38 verbunden, so dass sich stromab der Turbine 18 bzw. des Turbinengehäuses 26 des Abgasturboladers 16 eine vollständig und durchgehend zweiflutige Abgasanlage ergibt.
Die Verwendung einer solchen zweiflutigen Abgasanlage erlaubt die Verwendung einer kleineren Turbine 18, als dies bei einer herkömmlichen (einflutigen) Abgasanlage der Fall ist und stellt somit eine Low-end torque Maßnahme dar. Das Instationärverhalten der Brennkraftmaschine bzw. des Verbrennungsmotors 10 ist mit einer kleineren ATL-Turbine 18 ebenfalls besser, als mit einer größeren.
In der ersten Abgasflut 36 ist ein erster Katalysator 40 und in der zweiten Abgasflut 38 ist ein zweiter Katalysator 42 angeordnet. 2 bis 5 zeigen weitere bevorzugte Ausführungsformen der zweiflutigen Abgasanlage 14, wobei optional ein dritter Katalysator 44 in der ersten Abgasflut 36 angeordnet ist. Ferner ist bei den Ausführungsformen gemäß 2 bis 5 zusätzlich eine fluidleitende Verbindung 46 stromab der Turbine 18 bzw. dem Turbinengehäuse 26 angeordnet, der die erste Abgasflut 36 mit der zweiten Abgasflut 36 verbindet. Hierdurch können sich Druck und Temperatur auf beide Abgasfluten 36, 38 verteilen.
Bei Verwendung einer gleich großen ATL-Turbine 18, wie sie bisher im Zusammenspiel mit einer einflutigen Abgasanlage zur Anwendung kommt, handelt es sich bei der Erfindung um eine Verbrauchsmaßnahme. Da bei der Verwendung eines sehr kleinen ATL 16 im Nennpunktbereich zur Laderuckregelung 50% oder mehr des Abgasmassenstromes über das Wastegate 32 abgeregelt werden müssen, wird durch die erste Abgasflut 36 nach Turbinenaustritt 28 nur noch max. die Hälfte des gesamten Abgasmassenstromes geführt, da der Bypass-Massentrom durch die zweite Abgasflut 38 abgeführt wird. Dadurch lässt sich der Abgasgegendruck am Turbinenaustritt 28 deutlich – je nach Auslegung der Rohrdurchmesser der beiden Fluten 36, 38 bis auf –40% des ursprünglichen Gegendruckes – reduzieren. Die ATL-Turbine 18 entspannt somit gegen einen deutlich reduzierten Druck, was bei gleicher Leistungsabgabe der Turbine 18 zu einem ebenfalls deutlich reduzierten Abgasdruck vor Turbine 18 führt. Da über die Turbine 18 das Druckverhältnis näherungsweise konstant bleibt, wird der Druck vor Turbine 18 um das Turbinendruckverhältnis als Faktor stärker reduziert, als die Druckreduktion, die durch die neue zweiflutige Abgasanlage nach Turbine 18 erzielt wurde. Durch den geringen Druck vor Turbine 18 reduziert sich zwangsläufig die bauteilkritische Temperatur vor ATL-Turbine 18. In Folge dessen ist eine geringere Anfettung des Gemisches erforderlich, so dass der Kraftstoffverbrauch reduziert wird.
Um die Forderungen nach immer schärferen Abgasgrenzwerten erfüllen zu können, ist der zweite Katalysator 42 in der zweiten Abgasflut 38 stromab des Wastegates 32 mit einer ggü. dem hinter der Turbine 18 in der ersten Abgasflut 36 angeordneten ersten Katalysator 40 mit einem kleineren Volumen, einer höheren Zelldichte, einem abweichenden Trägermaterial, einer geringeren Trägermaterialwandstärke, einer höheren Edelmetalbeladung, einem in der Basizität abweichenden Washcoat oder mit einer elektrischen Heizspirale ausgerüstet. Diese Heizmaßnahme ist insbesondere dann erforderlich, wenn das Wastegate 32 nicht spätestens in einer dem Motorstart folgenden Leerlaufphase geöffnet werden kann. Die üblichen Katalysatorheizmaßnahmen können dann aufgrund des in der Teillast geschlossen Wastegates 32 nur für den ersten Katalysator 40 in der ersten Abgasflut 36 nach Turbine 18 angewendet werden. Der zweite Katalysator 38 in der zweiten Abgasflut 38 stromab des Wastegates 32 wird erst mit Abgas beaufschlagt, wenn ein Teil des Abgases über das Wastegate 32 abgeregelt werden muss. Da dies je nach Fahrprofil zu einem unbestimmten Zeitpunkt nach dem Motorstart geschieht, muss der zweite Katalysator 42 in der zweiten Abgasflut 38 stromab des Wastegates 32 ohne einen Abgasmassenstrom auf Betriebstemperatur gebracht werden.
Über eine Temperaturmesssonde im zweiten Katalysator 42 in der zweiten Abgasflut 38 stromab des Wastegates 32 oder entsprechende (vorzugsweise im Motorsteuergerät abgelegte) Temperaturmodelle lässt sich eine Temperaturregelung dieses zweiten Katalysators 42 umsetzen, um auch bei ungünstigen Motorbetriebsbedingungen, beispielsweise bei langen Betriebszeiten in der Motorteillast, d.h. bei lange geschlossenem Wastegate 32, diesen zweiten Katalysator 42 immer auf der optimalen Arbeitstemperatur halten zu können.
Als alternative ist die Übersprechstelle bzw. fluidleitende Verbindung 46 zwischen den beiden Abgasfluten 36, 38 vorgesehen. Die verschiedenen Konfigurationen zeigen 2 bis 5. Über die Übersprechstelle 46 können sich Druck und Temperatur zwischen den beiden Abgasfluten 36, 38 aufteilen und die bekannten Katalysatorheizmaßnahmen können z.T. für beide Katalysatoren genutzt werden (5). Der Vorteil einer Anordnung mit Übersprechstelle 46 ist eine weitere Absenkung des Abgasgegendruckniveaus in der Teillast. Ein Auskühlen des zweiten Katalysators 42 in der zweiten Abgasflut 38 stromab des Wastegates 32 kann bei der Lösung mit Übersprechstelle nach dem zweiten Katalysator 42 (2 bis 4) insbesondere dann vermieden werden, wenn eine Ansteuerung des Wastegates 32 gewählt wird, die ein Öffnen des Wastegates 32 auch in der Teillast ermöglicht (z.B. E-Steller, Unterdruckansteuerung, Steuerdose mit Über- und Unterdruckbeaufschlagung usw.).
Die Gemischregulierung erfolgt bei Verwendung einer solchen erfindungsgemäßen Abgasanlage sinnvollerweise mit einer Lambdasonde stromauf der Wastegate-Abzweigung oder mit zwei Lambdasonden, wobei je eine Sonde vor jedem Katalysator 40, 42 eingesetzt wird. Abhängig vom Öffnungszustand des Wastegates 32 (hierzu ist entweder ein Wastegate 32 mit einer Lagerückmeldung erforderlich oder ein geeignetes Rechenmodell im Steuergerät) kann die Lambdaregelung des Motorsteuergerätes alternativ oder zusätzlich auf die Messwerte weiterer Sonden zugreifen, beispielsweise auf die Messwerte einer Sonde in der ersten Abgasflut 36 zwischen der Turbine 18 und den nachgeschalteten Katalysatoren 40, 44, etwa bei geschlossenem Wastegate 32 (Motorteillast). Bei einer weniger strengen Abgasgesetzgebung ist generell eine Gemischregelung mit nur einer Lambdasonde (in der ersten Abgasflut 36 nach der Turbine 18) ausreichend. Bei Verwendung nur einer Lambdasonde kann auch auf ein Wastegate 32 ohne Lagerückmeldung zurückgegriffen werden.
Als weitere Möglichkeit bei Verwendung der erfindungsgemäßen zweiflutigen Abgasanlage ergeben sich neue Möglichkeiten bzgl. Sound-Design. Das ATL-Wastegate 32 ist als schaltbare Abgasklappe vorhanden. Eine bedarfsabhängige asymmetrische Aufteilung des Abgases auf die Schalldämpfer (nicht dargestellt) in den beiden Abgasfluten kann bei dem hier vorgestellten Konzept "zweiflutige Abgasanlage bei Monoturboaufladung an einem Verbrennungsmotor" zu einer Soundgestaltung genutzt werden, die von der Motordrehzahl abhängig ist, beispielsweise sportlich sonor bei niedrigen Motordrehzahlen (Klappe des Wastegates 32 geschlossen) und komfortabel leise bei hohen Motordrehzahlen (Klappe des Wastegates 32 zunehmend geöffnet).

Claims

Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einer Abgasanlage (14) und einem Abgasturbolader (16), der eine in der Abgasanlage (14) angeordnete Turbine (18) und einen von der Turbine (18) angetriebenen Verdichter (20) aufweist, wobei die Turbine (18) einen Abström-Ausgang (28) zum Abströmen von über ein Turbinenrad (34) der Turbine (18) strömendem Abgas und einen Wastegate-Ausgang (30) zum überbrückenden Vorbeiströmen des Abgases an dem Turbinenrad (34) der Turbine (18) vorbei aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Abström-Ausgang (28) der Turbine (18) mit einer ersten Abgasflut (36) und der Wastegate-Ausgang (30) der Turbine (18) mit einer von der ersten Abgasflut (36) getrennten zweiten Abgasflut (38) verbunden ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass stromab der Turbine (18) eine fluidleitende Verbindung (46) zwischen der ersten Abgasflut (36) und der zweiten Abgasflut (38) ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Abgasflut (36) und der zweiten Abgasflut (38) stromab der Turbine (18) bzw. des Turbinengehäuses (26) jeweils wenigstens ein Katalysator (40, 42, 44) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die fluidleitende Verbindung (46) zwischen der ersten und zweiten Abgasflut (36, 38) stromab aller Katalysatoren (40, 42) in der ersten und zweiten Abgasflut (36, 38) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die fluidleitende Verbindung (46) zwischen der ersten und zweiten Abgasflut (36, 38) stromauf aller Katalysatoren (40, 42) in der ersten und zweiten Abgasflut (36, 38) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die fluidleitende Verbindung (46) zwischen der ersten und zweiten Abgasflut (36, 38) stromauf des Katalysators (40) in der ersten Abgasflut (36) und stromab des Katalysators (42) in der zweiten Abgasflut (38) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die fluidleitende Verbindung (46) zwischen der ersten und zweiten Abgasflut (36, 38) stromab des Katalysators (40) in der ersten Abgasflut (36) und stromauf des Katalysators (42) in der zweiten Abgasflut (38) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die fluidleitende Verbindung (46) zwischen der ersten und zweiten Abgasflut (36, 38) stromab des Katalysators (42) in der zweiten Abgasflut (38) und zwischen zwei Katalysatoren (40, 44) in der ersten Abgasflut (36) angeordnet ist.