DE102006008228A1

DE102006008228A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erhöhung der Abgastemperatur einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102006008228A1
Application number: DE102006008228A
Authority: DE
Inventors: Ralf Farmington Hills Wirth; Dirk Samuelsen; Werner Christl; Carsten Becker; Michael Kolitsch; Andreas Fritsch; Stefan Motz; Tobias Pfister
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-02-22
Filing date: 2006-02-22
Publication date: 2007-08-23
Also published as: WO2007096221A1; JP2009527688A; US20090188252A1; EP1989408A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zeitweisen Temperaturerhöhung im Abgas einer Brennkraftmaschine mit zumindest zwei zugeordneten Turboladern mit jeweils einem Verdichter in einer Frischluftzuführung der Brennkraftmaschine und jeweils einer Turbine in einer Abgasleitung der Brennkraftmaschine, wobei zumindest einem Verdichter und/oder einer Turbine ein Bypass zugeordnet ist, und mit zumindest einem den Turbinen in Abgasrichtung nachgeschalteten Abgasnachbehandlungssystem. Dabei wird über Stellelemente in den Bypässen der an zumindest einem Verdichter und/oder einer Turbine durch die Bypässe vorbei geleitete Volumenstrom an Frischluft und/oder an Abgas erhöht, was zu einer Reduzierung des Ladedruckes und dadurch bedingt zu einer Verringerung des Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine und einer Erhöhung der Abgastemperatur führt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zeitweisen Temperaturerhöhung im Abgas einer Brennkraftmaschine mit zumindest zwei zugeordneten Turboladern mit jeweils einem Verdichter in einer Frischluftzuführung der Brennkraftmaschine und jeweils einer Turbine in einer Abgasleitung der Brennkraftmaschine, wobei zumindest einem Verdichter und/oder einer Turbine ein Bypass zugeordnet ist und mit zumindest einem den Turbinen in Abgasrichtung nachgeschalteten Abgasnachbehandlungssystem.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur zeitweisen Temperaturerhöhung im Abgas einer Brennkraftmaschine mit zumindest zwei zugeordneten Turboladern mit jeweils einem Verdichter in einer Frischluftzuführung der Brennkraftmaschine und jeweils einer Turbine in einer Abgasleitung der Brennkraftmaschine, wobei zumindest einem Verdichter und/oder einer Turbine ein Bypass zugeordnet ist und mit zumindest einem den Turbinen in Abgasrichtung nachgeschalteten Abgasnachbehandlungssystem.
In Abgasnachbehandlungssystemen sind häufig Bauelemente vorgesehen, welche von Zeit zu Zeit regeneriert werden müssen. So können im Abgasnachbehandlungssystem von Dieselmotoren Partikelfilter vorgesehen sein, welche bei Erreichen der Speicherkapazität freigebrannt werden müssen oder es können Katalysatoren, wie beispielsweise so genannte DENOX-Katalysatoren, eingesetzt sein, die ebenfalls durch eine erhöhte Abgastemperatur von Ablagerungen befreit werden müssen.

In der Schrift DE 199 23 299 ist ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine beschrieben, die Mittel umfasst, die das Abgas der Brennkraftmaschine beeinflussen, wobei bei Vorliegen bestimmter Bedingungen ein Sonderbetriebszustand eingeleitet wird, in dem ein erhöhter Energiegehalt des Abgases gewünscht ist, wobei in dem Sonderbetriebszustand ein Verbrennungsschwerpunkt derart beeinflusst wird, dass sich die Abgastemperatur erhöht. Der Verbrennungsschwerpunkt wird dabei in Richtung spät verschoben.

Insbesondere bei zweistufig aufgeladenen Brennkraftmaschinen wird ein im Vergleich zu einstufig aufgeladenen Brennkraftmaschinen deutlicher Anstieg des Wirkungsgrades erreicht. Daher sind weitere Maßnahmen notwendig, den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine so weit zu reduzieren, bis eine ausreichende Temperaturerhöhung im Abgas erreicht wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, welches eine ausreichende Temperaturerhöhung im Abgas von zweistufig aufgeladenen Brennkraftmaschinen ermöglicht und dabei die Betriebseigenschaften der Brennkraftmaschine nicht wesentlich beeinflusst.

Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, dazu eine Vorrichtung bereit zu stellen.

Vorteile der Erfindung

Die das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass über Stellelemente in den Bypässen der an zumindest einem Verdichter und/oder einer Turbine durch die Bypässe vorbei geleitete Volumenstrom an Frischluft und/oder an Abgas erhöht wird. Dadurch wird erreicht, dass der Ladedruck der Brennkraftmaschine abgesenkt wird, was einen verschlechterten Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zur Folge hat. Ein verschlechterter Wirkungsgrad führt zu der gewünschten Erhöhung der Abgastemperatur. Da bei dem Verfahren weniger Abgas über den oder die Turbolader geleitet wird, sind diese vor Überdrehzahl und Überhitzung geschützt. Die Aufheizung des Abgassystems und der darin enthaltenen Abgasnachbehandlungssysteme erfolgt schnell, da mehr heißes Abgas über die Bypässe an den Turbinen der Turbolader vorbei fließt, an welchen dem Abgas Wärmeenergie entzogen wird. Wegen der hohen Abgastemperatur, und da die Turbinen nicht vollständig umgangen werden, erfolgt weiterhin ein schneller Ladedruckaufbau. Der aus dem Normalbetrieb von zweistufig aufgeladenen Brennkraftmaschinen bekannte schnelle Drehmomentaufbau bleibt somit erhalten.

Eine zusätzliche Verringerung des Ladedruckes und somit des Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine kann dadurch erreicht werden, dass der Wirkungsgrad von zumindest einer Turbine durch eine verstellbare Turbinengeometrie oder einen Bypass verringert wird.

In einer bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Temperaturerhöhung des Abgases zur Regeneration von zumindest einem Bauelement des Abgasnachbehandlungssystems durchgeführt wird, wobei die Ansteuerung der Stellelemente durch ein Steuergerät in Abhängigkeit von einem ermittelten Regenerationsbedarf des Bauelementes vorgenommen wird. Bei dem Bauelement kann es sich beispielsweise um einen Partikelfilter handeln, bei welchem die angelagerten Partikel bei der erhöhten Temperatur verbrannt werden, oder es kann sich um einen Katalysator, beispielsweise um einen so genannten DENOX-Katalysator, handeln, bei welchem durch eine erhöhte Abgastemperatur in gewissen Abständen Ablagerungen, insbesondere Schwefel und/oder Schwefelverbindungen, beseitigt werden.

Ist es vorgesehen, dass während einer Normalbetriebsphase die Stellelemente entsprechend der für den Betrieb der Brennkraftmaschine günstigsten Einstellungen eingestellt werden, dass während einer Phase mit erhöhter Abgastemperatur die Stellelemente gegenüber der Normalbetriebsphase weiter geöffnet sind und dass während einer Übergangsphase zwischen der Normalbetriebsphase und der Phase mit erhöhter Abgastemperatur die Stellelemente, abhängig von den Betriebsparametern der Brennkraftmaschine, kontinuierlich geöffnet werden, so kann im Normalbetrieb die Brennkraftmaschine mit dem optimalen Ladedruck betrieben werden, während zur Erhöhung der Temperatur des Abgases der Ladedruck durch die weiter geöffneten Stellelemente verringert wird. Die Ansteuerung der Stellelemente in der Übergangsphase erfolgt entlang einer Rampe, deren Steigung entsprechend der Auswirkungen auf den Fahrbetrieb ausgelegt werden kann.

Einen geregelten, auf die Bedingungen und Anforderungen angepassten Betrieb der Turbolader auch während der Phasen erhöhter Abgastemperatur lässt sich dadurch erzielen, dass in Phasen mit erhöhter Abgastemperatur Sollwerte und Steuerparameter von im Steuergerät hinterlegten Druck- und Turbinendrehzahlreglern angepasst werden. Diese unterscheiden sich in der Regel von den Vorgabewerten im Normalbetrieb.

Um die benötigte Temperaturerhöhung im Abgas zu erreichen, kann es notwendig sein, dass begleitende weitere, den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine verringernde Maßnahmen zur Erhöhung der Abgastemperatur vorgenommen werden. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass im Verbrennungszyklus der Verbrennungsschwerpunkt nach hinten verlegt wird oder dass weitere bekannte Verfahren angewandt werden.

Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass in den Bypässen Stellelemente angeordnet sind, über die der Volumenstrom an Frischluft und/oder an Abgas durch die Bypässe einstellbar ist, dass die Öffnung der Stellelemente durch ein Steuergerät einstellbar ist und dass in Phasen mit erhöhter Abgastemperatur zumindest ein Stellelement gegenüber Normalbetriebsphasen weiter geöffnet ist. Durch die weiter geöffneten Stellelemente fließt mehr Frischluft beziehungsweise Abgas an dem Verdichter beziehungsweise der Turbine des Turboladers vorbei, was zu einem verringerten Ladedruck und somit einem verringerten Wirkungsgrad mit dem dadurch bewirkten Anstieg der Abgastemperatur führt. Dabei können ein oder mehrere Stellelemente vorgesehen beziehungsweise angesteuert werden. Das Steuergerät entscheidet aufgrund von Sensordaten, welche den Betriebszustand der Brennkraftmaschine, den Zustand des Abgases und/oder des Abgasnachbehandlungssystems ermitteln, auf Basis von dem Steuergerät vorliegenden Betriebsparametern der Brennkraftmaschine und/oder auf Basis von prognostizierten Zuständen des Abgases und/oder des Abgasnachbehandlungssystems, wann eine Phase mit erhöhter Abgastemperatur gestartet wird.

Ein kostengünstiger und zuverlässiger Aufbau lässt sich dadurch erreichen, dass als Stellelemente ansteuerbare Klappen, Ventile oder Rückschlagventile vorgesehen sind.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass als Brennkraftmaschine ein zweistufig aufgeladener Dieselmotor vorgesehen ist und dass das Abgasnachbehandlungssystem einen Partikelfilter enthält. Zweistufig aufgeladenen Dieselmotoren befinden sich derzeit in der Markteinführung. Sie zeichnen sich durch einen im Vergleich zur einstufigen Aufladung verbesserten Wirkungsgrad aus. Dieser verbesserte Wirkungsgrad erschwert die für die Regeneration des Partikelfilters notwendige Temperaturerhöhung des Abgases durch Verringerung des Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine nach bekannten Methoden. Gleichzeitig ist bei solchen Systemen die thermische Trägheit aufgrund der zusätzlich verbauten Teile vergrößert. Dadurch, dass Frischluft beziehungsweise Abgas an den Turboladern vorbei geleitet wird, kann der Ladedruck und somit der Wirkungs grad des Dieselmotors ausreichend reduziert werden, um die zur Regeneration des Partikelfilters notwendige Abgastemperatur zu erreichen. Weiterhin wird die thermische Trägheit des Systems herab gesetzt, da ein größerer Anteil an heißem Abgas an den Turbinen vorbei geführt wird.

Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Erhöhung der Abgastemperatur einer Brennkraftmaschine.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Vorrichtung zur Erhöhung der Abgastemperatur einer Brennkraftmaschine 20. Der Brennkraftmaschine 20 wird über eine Frischluftzuführung 21 Frischluft zugeführt, während das Abgas über eine Abgasleitung 22 abgeführt wird. Eine erste und eine zweite Turbine 12, 15 zweier Turbolader 10, 13 sind in der Abgasleitung 22 integriert. Ein erster und ein zweiter Verdichter 11, 14 der beiden Turbolader 10, 13 sind in der Frischluftzuführung 21 angeordnet. Zu dem ersten Verdichter 11 ist ein erster Bypass 16.1 mit einem ersten Stellelement 17.1 parallel geschaltet. Der ersten Turbine 12 ist ebenfalls ein zweiter Bypass 16.2 mit einem zweiten Stellelement 17.2 und der zweiten Turbine 15 ein dritter Bypass 16.3 mit einem dritten Stellelement 17.3 zugeordnet. Die Stellelemente 17.1, 17.2, 17.3 sind über Signalleitungen 31.1, 31.2, 31.3 mit einem Steuergerät 30 verbunden. In Abgasrichtung nach der zweiten Turbine 15 ist ein Abgasnachbehandlungssystem 23 in der Abgasleitung 22 angeordnet.
In der dargestellten Ausführungsvariante stellt die Brennkraftmaschine 20 einen zweistufig aufgeladenen Dieselmotor mit einem in dem Abgasnachbehandlungssystem 23 integrierten Partikelfilter dar. Nicht dargestellt sind weitere Komponenten des Luftsystems wie Drosselklappen, Sensoren und dergleichen.
Durch den Abgasstrom werden die Turbinen 12, 15 der Turbolader 10, 13 und darüber die Verdichter 11, 14 in der Frischluftzuführung 21 angetrieben. Die Verdichter 11, 14 erzeugen den Ladedruck für die Brennkraftmaschine 20. Über den Bypass 16.1 kann Frischluft an dem ersten Verdichter 11 vorbei der Brennkraftmaschine 20 zugeführt werden. Der über den ersten Bypass 16.1 fließende Luftvolumenstrom kann durch das erste Stellelement 17.1 eingestellt werden. Über den zweiten und dritten Bypass 16.2, 16.3 kann Abgas an den jeweiligen Turbinen 12, 15 vorbei geführt werden. Der jeweils vorbei geführte Abgasvolumenstrom kann mit den Stellelementen 17.2, 17.3 eingestellt werden. Die Ansteuerung der Stellelemente 17.1, 17.2, 17.3 erfolgt durch das Steuergerät 30, wobei die entsprechenden Steuersignale den Stellelementen 17.1, 17.2, 17.3 über die Signalleitungen 31.1, 31.2, 31.3 zugeführt werden.
Die Abgastemperatur der Brennkraftmaschine 20 ist maßgeblich von deren Wirkungsgrad abhängig, welcher wiederum von dem aufgebauten Ladedruck abhängt. Ein Absenken des Ladedruckes führt zu einem Anstieg der Abgastemperatur. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass zumindest eins der Stellelemente 17.1, 17.2, 17.3 weiter geöffnet wird. Im Falle des ersten Stellelementes 17.1 wird dabei ein größerer Teil der zugeführten Frischluft an dem ersten Verdichter 11 vorbei geführt und daher nicht verdichtet, was zu der gewünschten Verringerung des Ladedruckes führt. Im Falle des zweiten und des dritten Stellelementes 17.2, 17.3 wird eine größere Menge Abgas an den Turbinen 12, 15 der Turbolader 10, 13 vorbei geleitet, was zu einem verringerten Antrieb der Turbinen 12, 15 und dadurch ebenfalls zu einem verringerten Ladedruck führt.
Ist eine Regeneration des in dem Abgasnachbehandlungssystems 23 enthaltenen Partikelfilters durchzuführen, so leitet das Steuergerät 30 über eine entsprechende Öffnung der Steuerelemente 17.1, 17.2, 17.3 die Temperaturerhöhung im Abgas und somit die Regeneration des Partikelfilters ein. Nach Abschluss der Regeneration stellt das Steuerelement 30 wieder die für den Normalbetrieb vorgesehenen Öffnungen der Steuerelemente 17.1, 17.2, 17.3 ein.
Für den Betrieb der Brennkraftmaschine lassen sich somit drei Betriebsarten, der Normalbetrieb, der Regenerationsbetrieb und der Übergangsbetrieb, unterscheiden.
Im Normalbetrieb werden die Stellelemente 17.1, 17.2, 17.3 entsprechend bekannter Systeme eingestellt.
Im Regenerationsbetrieb werden die Stellelemente 17.1, 17.2, 17.3 gegenüber dem Normalbetrieb weiter geöffnet. Dabei können für alle Turbinen 12, 15 und Verdichter 11, 14 oder nur für einen Teil von ihnen Bypässe 16.1, 16.2, 16.3 vorgesehen sein oder es können alle oder nur ein Teil der Stellelemente 17.1, 17.2, 17.3 ansteuerbar sein. Zusätzlich zu den umgeleiteten Gasströmen kann der Wirkungsgrad der Turbinen 12, 15 über einen nicht dargestellten Verstellmechanismus verringert werden. Die Sollwerte und Parameter der im Steuergerät 30 vorhandenen Druck- und Turbinendrehzahlregler werden im Regenerationsbetrieb entsprechend angepasst.
Im Übergangsbetrieb wird zwischen den Ansteuerverhältnissen der Stellelemente 17.1, 17.2, 17.3 im Normalbetrieb und im Regenerationsbetrieb mit Hilfe einer Rampe umgeschaltet, deren Steigung entsprechend der Auswirkungen auf den Fahrbetrieb gestaltet wird.

Claims

Verfahren zur zeitweisen Temperaturerhöhung im Abgas einer Brennkraftmaschine (20) mit zumindest zwei zugeordneten Turboladern (10, 13) mit jeweils einem Verdichter (11, 14) in einer Frischluftzuführung (21) der Brennkraftmaschine (20) und jeweils einer Turbine (12, 15) in einer Abgasleitung (22) der Brennkraftmaschine (20), wobei zumindest einem Verdichter (11, 14) und/oder einer Turbine (12, 15) ein Bypass (16.1, 16.2, 16.3) zugeordnet ist und mit zumindest einem den Turbinen (12, 15) in Abgasrichtung nach geschalteten Abgasnachbehandlungssystem (23), dadurch gekennzeichnet, dass über Stellelemente (17.1, 17.2, 17.3) in den Bypässen (16.1, 16.2, 16.3) der an zumindest einem Verdichter (11, 14) und/oder einer Turbine (12, 15) durch die Bypässe (16.1, 16.2, 16.3) vorbei geleitete Volumenstrom an Frischluft und/oder an Abgas erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirkungsgrad von zumindest einer Turbine (12, 15) durch eine verstellbare Turbinengeometrie oder einen Bypass verringert wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturerhöhung des Abgases zur Regeneration von zumindest einem Bauelement des Abgasnachbehandlungssystems (23) durchgeführt wird, wobei die Ansteuerung der Stellelemente (17.1, 17.2, 17.3) durch ein Steuergerät (30) in Abhängigkeit von einem ermittelten Regenerationsbedarf des Bauelementes vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Normalbetriebsphase die Stellelemente (17.1, 17.2, 17.3) entsprechend der für den Betrieb der Brennkraftmaschine (20) günstigsten Einstellungen eingestellt werden, dass während einer Phase mit erhöhter Abgastemperatur die Stellelemente (17.1, 17.2, 17.3) gegenüber der Normalbetriebsphase weiter geöffnet sind und dass während einer Übergangsphase zwischen der Normalbetriebsphase und der Phase mit erhöhter Abgastemperatur die Stellelemente (17.1, 17.2, 17.3), abhängig von den Betriebsparametern der Brennkraftmaschine (20), kontinuierlich geöffnet werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Phasen mit erhöhter Abgastemperatur Sollwerte und Steuerparameter von im Steuergerät (30) hinterlegten Druck- und Turbinendrehzahlreglern angepasst werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass begleitende weitere, den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine (20) verringernde Maßnahmen zur Erhöhung der Abgastemperatur vorgenommen werden.
Vorrichtung zur zeitweisen Temperaturerhöhung im Abgas einer Brennkraftmaschine (20) mit zumindest zwei zugeordneten Turboladern (10, 13) mit jeweils einem Verdichter (11, 14) in einer Frischluftzuführung (21) der Brennkraftmaschine (20) und jeweils einer Turbine (12, 15) in einer Abgasleitung (22) der Brennkraftmaschine (20), wobei zumindest einem Verdichter (11, 14) und/oder einer Turbine (12, 15) ein Bypass (16.1, 16.2, 16.3) zugeordnet ist und mit zumindest einem den Turbinen (12, 15) in Abgasrichtung nach geschalteten Abgasnachbehandlungssystem (23), dadurch gekennzeichnet, dass in den Bypässen (16.1, 16.2, 16.3) Stellelemente (17.1, 17.2, 17.3) angeordnet sind, über die der Volumenstrom an Frischluft und/oder an Abgas durch die Bypässe (16.1, 16.2, 16.3) einstellbar ist, dass die Öffnung der Stellelemente (17.1, 17.2, 17.3) durch ein Steuergerät (30) einstellbar ist und dass in Phasen mit erhöhter Abgastemperatur zumindest ein Stellelement (17.1, 17.2, 17.3) gegenüber Normalbetriebsphasen weiter geöffnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Stellelemente (17.1, 17.2, 17.3) ansteuerbare Klappen, Ventile oder Rückschlagventile vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennkraftmaschine (20) ein zweistufig aufgeladener Dieselmotor vorgesehen ist und dass das Abgasnachbehandlungssystem (23) einen Partikelfilter enthält.