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DE102008057572B4 - Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine Download PDF

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Abstract

Abgasanlage (1) für eine Brennkraftmaschine (2), bestehend zumindest aus einem Abgaskrümmer (3), der gasführend mit einem Abgasstrang (4) verbunden ist, in dem ein von einem Abgas der Brennkraftmaschine (2) durchflutbarer Abgasturbolader (5) angeordnet ist, wobei das Abgas zuerst den Abgaskrümmer (3) und anschließend den Abgasturbolader (5) durchflutet und wobei zwischen dem Abgaskrümmer (3) und dem Abgasturbolader (5) eine Abgasreinigungsanlage (6) in dem Abgasstrang (4) angeordnet ist, wobei ein Strömungsquerschnitt der Abgasreinigungsanlage (6) ein Teilströmungsquerschnitt des Abgasstrangs (4) ist und wobei der Strömungsquerschnitt der Abgasreinigungsanlage (6) von einem Schließelement (7) verschließbar ist und wobei in Strömungsrichtung des Abgases nach dem Abgasturbolader (5) in dem Abgasstrang (4) ein zweiter Abgasturbolader (8) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasturbolader (5) und die Abgasreinigungsanlage (6) einen gemeinsamen Bypass (9) aufweisen, in dem ein Drosselelement (10) angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 41 39 291 A1 , von der die vorliegende Erfindung ausgeht, sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasturboaufladung bekannt. Das Verfahren dient zum Betreiben der Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung, bei dem die Abgasturbine zumindest zeitweilig durch zusätzliche Brennstoff- und/oder Verbrennungsluftzufuhr mit einem erhöhten Abgasmassenstrom beaufschlagt wird, wobei zur Erzielung einer verbesserten Abgasentgiftung und einem schnellen Hochlaufen der Abgasturbine das Abgas stromauf der Turbine katalytisch gezündet wird. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist einen elektrisch beheizbaren Katalysator auf, der parallel zu einer ersten Abgasleitung stromauf der Abgasturbine angeordnet ist und der mittels eines Absperrventils zeitweilig in den Abgasstrom ein- und abschaltbar ist.
  • Nachteilig an der bekannten Ausgestaltung sind die relativ geringe Dauerhaltbarkeit der Abgasreinigungsanlage aufgrund der ständigen thermischen Belastung und die schlechte Dynamik der Brennkraftmaschine aufgrund der thermischen Masse des Katalysators vor der Abgasturbine.
  • Die JP S61-70115 A offenbart einen turbogeladenen Motor mit einem Kompressor zum Pumpen von Ansaugluft und einer Turbine, die den Kompressor antreibt, der in einem Abgaskanal angeordnet ist und einen Katalysator vor der Turbine installiert hat. Dabei ist eine Luftzufuhrvorrichtung zum Zuführen von Luft zu einem Abgaskanal stromaufwärts des Bypasses des Katalysators vorgesehen. Ein Durchgang dient zum Umgehen des Katalysators und eine Ventilvorrichtung zum Steuern der Durchflussrate des Abgases, das durch den Katalysator durch den Bypass gemäß einem Betriebszustand des Motors strömt. Weitere, vergleichbare Systeme sind den Druckschriften JP S59-203815 A und JP S63-309726 A zu entnehmen.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die o. g. Nachteile zu vermeiden.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird die Dauerhaltbarkeit der Abgasreinigungsanlage gegenüber dem Stand der Technik deutlich erhöht und die Nachteile bezüglich der Dynamik der Brennkraftmaschine werden vollständig eliminiert. Zudem ist durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung eine bevorzugte Stufenaufladung gegeben und eine bedarfsgerechte Anströmung der Hochdruckturbine möglich.
  • Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 ist eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante.
  • Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 3 ist eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante.
  • Im Folgenden ist die Erfindung näher erläutert.
    • 1 zeigt schematisch eine Abgasanlage, bei welcher ein Schließelement in der Stellung „geschlossen“ dargestellt ist.
    • 2 zeigt schematisch eine Variante, bei welcher das Schließelement in der Stellung „offen“ dargestellt ist.
    • 3 zeigt schematisch die in 2 gezeigte Variante anhand einer zweistufig aufgeladenen Brennkraftmaschine.
  • In den 1 bis 3 gelten für gleiche Bauelemente die gleichen Bezugsziffern.
  • 1 zeigt schematisch eine 6-zylindrige Brennkraftmaschine 2, wobei die 6 Zylinder durch Kreise dargestellt sind. Die Brennkraftmaschine 2 weist abgasseitig eine Abgasanlage 1 auf, mit einem Abgaskrümmer 3, der in einen Abgasstrang 4 mündet. In dem Abgasstrang 4 ist eine Abgasreinigungsanlage 6 angeordnet, deren Strömungsquerschnitt von einem Schließelement 7 verschließbar ist. Das Schließelement 7 wird von einem nicht näher bezifferten Stellelement, DDE genannt, angesteuert. Stromab der Abgasreinigungsanlage 6 ist eine Turbine eines Abgasturboladers 5 in dem Abgasstrang 4 angeordnet. Stromab der Turbine des Abgasturboladers 5 ist eine zweite Abgasreinigungsanlage 11 angeordnet, mit Sensoren 20. Wiederum stromab der zweiten Abgasreinigungsanlage 11 ist ein Schalldämpfer 12 vorgesehen.
  • Beim Betrieb der Brennkraftmaschine 2 treibt die Turbine des Abgasturboladers 5 einen Verdichter des Abgasturboladers 5 an, wodurch Luft in einer Ansaugluftleitung 13 angesaugt wird. In der Ansaugluftleitung 13, vor dem Verdichter des Abgasturboladers 5, ist ein Ansauggeräuschdämpfer 14 vorgesehen. In Strömungsrichtung der Frischluft vor dem Ansauggeräuschdämpfer 14 ist ebenfalls ein Sensor 20 angeordnet. Die Ansaugluft wird von dem Verdichter in der Ansaugluftleitung 13 weiter durch einen Ladeluftkühler 15 gefördert, nach dem wiederum ein Sensor 20 angeordnet ist. Weiter wird die Luft durch die Ansaugluftleitung 13 in einen Ansaugluftsammler 16 gefördert, in dem ein weiterer Sensor 20 angeordnet ist, wobei die Ansaugluft anschließend vom Ansaugluftsammler 16 in die Zylinder gefördert wird.
  • Zwischen der abgasseitigen Anordnung und der ansaugseitigen Anordnung ist eine Abgasrückführleitung 17 angeordnet, mit einem Abgaskühler 18, an dem ebenfalls ein Sensor 20 angeordnet ist. Der Abgaskühler 18 weist einen von einem Schaltelement 19 verschließbaren Bypass auf. Ein rückgeführter Abgasmassenstrom wird mit einem Abgasrückführventil 23 eingestellt.
  • Obwohl die Sensoren 20 unterschiedlicher Art sind, wird auf diese explizit nicht eingegangen, da sie für die Erfindung nicht relevant und aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt sind.
  • 2 zeigt schematisch eine weitere Variante. 2 zeigt schematisch prinzipiell den gleichen Aufbau wie 1, mit dem Unterschied, dass mit dem Schließelement 7 der Strömungsquerschnitt der Abgasreinigungsanlage 6 offen und der Teilströmungsquerschnitt des Abgasstrangs 4 verschlossen ist. Ansonsten gilt das Gleiche wie zu 1 Gesagte.
  • 3 zeigt schematisch die besagte Variante anhand einer zweistufig aufgeladenen Brennkraftmaschine 2. Im Unterschied zu 2 ist in 3 in dem Abgasstrang 4 nach dem Abgasturbolader 5 in Strömungsrichtung des Abgases ein zweiter Abgasturbolader 8 angeordnet. Ansaugseitig ist die Ansaugluftleitung 13 derart ausgeführt, dass entweder nur der Abgasturbolader 5 oder der zweite Abgasturbolader 8 oder beide gemeinsam in Betrieb sind. Darüber hinaus weist die Turbine des Abgasturboladers 5 einen gemeinsamen Bypass 9 für die Abgasreinigungsanlage 6 und die Turbine des Abgasturboladers 5 auf. Der gemeinsame Bypass 9 ist von einem Drosselelement 10 verschließbar. Auch die Turbine des zweiten Abgasturboladers 8 weist einen zweiten Bypass 21 auf, der von einem zweiten Drosselelement 22 verschließbar ist. Ansonsten gilt das Gleiche wie zu den 1 und 2 Gesagte.
  • Das Schließelement 7, das Drosselelement 10, das Schaltelement 19 und das zweite Drosselelement 22 können durch bekannte Bauelemente, wie Klappen, Drehschieber etc. dargestellt werden.
  • Maßnahmen zur Anhebung der Abgastemperatur, wie z. B. elektrisch beheizbare Katalysatoren, externe Kraftstoffbrenner, innermotorische Heizmaßnahmen usw., wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, haben alle beim Betrieb einen Kraftstoffmehrverbrauch der Brennkraftmaschine zur Folge. Die hier vorgestellte erfindungsgemäße Lösung bietet folgende Vorteile:
    • ❖ Kraftstoffmehrverbrauch/CO2-Emission: Alle bislang untersuchten Lösungsmöglichkeiten verursachen, wie oben dargestellt, einen Kraftstoffmehrverbrauch von zumindest 2 % vom aktuellen Entwicklungsstand. Dieser lässt sich durch Einsatz des hier beschriebenen, erfindungsgemäßen Aufbaus vermeiden.
    • ❖ Kosten: Aufgrund der kleinen Abmessungen der zusätzlichen Bauteile vor dem Abgasturbolader 5 liegen die Kosten für diese Lösung trotz höherer spezifischer Edelmetallbeladung sehr gering und liegen deutlich unter allen, bislang untersuchten Maßnahmen. Ziel ist es, die Mehrkosten durch eine Reduktion der Edelmetallbeladung auf den nachfolgenden katalytischen Bauteilen zu kompensieren, wodurch sich eine kostenneutrale Umsetzung ergibt.
    • ❖ Package/Gewicht: Aufgrund der Integration des zusätzlichen Katalysatorelementes (Abgasreinigungsanlage 6) vor dem Abgasturbolader 5 in bestehende Bauteile, wie Abgaskrümmer 3 und/oder in den Abgasturbolader 5 ist diese Lösung in allen Fahrzeug-/Brennkraftmaschinenvarianten packageneutral unterzubringen. Die Gewichtsmehrung ist aufgrund der kleinen Abmessungen sehr gering. Beides ist bei anderen Lösungen, welche zusätzliche Hardware benötigen, nicht der Fall.
    • ❖ Emissionen: Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Abgasanlage 1 können die Kohlenwasserstoff- (HC) und Kohlenmonoxid- (CO) Emissionen deutlich reduziert werden. Im Neuzustand ist man damit in der Lage, mit ausreichend Sicherheitsabstand die gesetzlichen Emissionsgrenzwerte zu unterschreiten und die Typprüfung positiv zu bestehen. Über die Laufzeit reduziert man das Risiko, die Emissionsgrenzwerte in sog. „In-Use-Tests“ nicht zu bestehen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Abgasanlage
    2
    Brennkraftmaschine
    3
    Abgaskrümmer
    4
    Abgasstrang
    5
    Abgasturbolader
    6
    Abgasreinigungsanlage
    7
    Schließelement
    8
    zweiter Abgasturbolader
    9
    gemeinsamer Bypass
    10
    Drosselelement
    11
    zweite Abgasreinigungsanlage
    12
    Schalldämpfer
    13
    Ansaugluftleitung
    14
    Ansauggeräuschdämpfer
    15
    Ladeluftkühler
    16
    Ansaugluftsammler
    17
    Abgasrückführleitung
    18
    Abgaskühler
    19
    Schaltelement
    20
    Sensor
    21
    zweiter Bypass
    22
    zweites Drosselelement
    23
    Abgasrückführventil

Claims (3)

  1. Abgasanlage (1) für eine Brennkraftmaschine (2), bestehend zumindest aus einem Abgaskrümmer (3), der gasführend mit einem Abgasstrang (4) verbunden ist, in dem ein von einem Abgas der Brennkraftmaschine (2) durchflutbarer Abgasturbolader (5) angeordnet ist, wobei das Abgas zuerst den Abgaskrümmer (3) und anschließend den Abgasturbolader (5) durchflutet und wobei zwischen dem Abgaskrümmer (3) und dem Abgasturbolader (5) eine Abgasreinigungsanlage (6) in dem Abgasstrang (4) angeordnet ist, wobei ein Strömungsquerschnitt der Abgasreinigungsanlage (6) ein Teilströmungsquerschnitt des Abgasstrangs (4) ist und wobei der Strömungsquerschnitt der Abgasreinigungsanlage (6) von einem Schließelement (7) verschließbar ist und wobei in Strömungsrichtung des Abgases nach dem Abgasturbolader (5) in dem Abgasstrang (4) ein zweiter Abgasturbolader (8) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasturbolader (5) und die Abgasreinigungsanlage (6) einen gemeinsamen Bypass (9) aufweisen, in dem ein Drosselelement (10) angeordnet ist.
  2. Abgasanlage nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Schließelement (7) der Strömungsquerschnitt der Abgasreinigungsanlage (6) und der Teilströmungsquerschnitt des Abgasstrangs (4) wechselweise verschließbar ist.
  3. Abgasanlage nach einem der Patentansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasreinigungsanlage (6) und/oder die zweite Abgasreinigungsanlage (11) eine NOx-Speicherbeschichtung aufweist.
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