DE102017200966A1

DE102017200966A1 - Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine sowie Verfahren zur Abgastemperaturkontrolle mit einer solchen

Info

Publication number: DE102017200966A1
Application number: DE102017200966.7A
Authority: DE
Inventors: Jan Hinrichs; Boris Rinn
Original assignee: Magna Powertrain Bad Homburg GmbH
Current assignee: Hanon Systems EFP Deutschland GmbH
Priority date: 2016-10-19
Filing date: 2017-01-20
Publication date: 2018-04-19

Abstract

Verbrennungskraftmaschine (1) für ein Kraftfahrzeug mit einem von Luft für die Verbrennungskraftmaschine (1) durchströmbaren Ansaugtrakt (2) und einem von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (1) durchströmbaren Abgastrakt (3), umfassend zumindest einen Verdichter (8), welcher im Ansaugtrakt (2) angeordnet ist und über eine im Abgastrakt (3) angeordnete Turbine (12) antreibbar ist, zumindest einen Ladeluftkühler (9), welcher im Ansaugtrakt (2) stromabwärts des Verdichters (8) angeordnet ist, einen Abgaskrümmer (7), und zumindest eine Luftleitung (13), die den Ansaugtrakt (2) im Bereich stromabwärts des Verdichters (8) und stromaufwärts des Ladeluftkühlers (9) oder stromabwärts des Ladeluftkühlers (9) mit dem Abgaskrümmer (7) verbindet, wobei in der Luftleitung (13) zumindest ein Schaltventil (10) angeordnet ist und der Ansaugtrakt (2) über das Schaltventil (10) in der Luftleitung (13) wahlweise mit dem Abgaskrümmer (7) verbindbar ist, wobei in der Luftleitung (13) stromabwärts des Schaltventils (10) zumindest ein Injektor (11) angeordnet ist und über den Injektor (11) zusätzlich Luft ansaugbar ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug mit einem von Luft für die Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren Ansaugtrakt und einem von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren Abgastrakt, umfassend zumindest einen Verdichter, zumindest einen Ladeluftkühler, einen Abgaskrümmer und zumindest eine Luftleitung.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Abgastemperaturkontrolle in einer Abgasanlage.
Stand der Technik
Moderne Verbrennungskraftmaschinen haben unter anderem ein Abgasturboladesystem und eine in dem Zylinderkopf integrierte Abgaskühlung, wobei als wärmeabführendes Medium das Motorkühlmittel fungiert. Dieser Ansatz begünstigt ein schnelleres Warmlaufen des Ottomotors, hat aber den Nachteil, dass in Volllastbetriebspunkten nennenswerte Wärmeleistung aus dem Abgas in das Kühlmittel übertragen wird. Hierfür ist der Kühlmittelkühler des Motors entsprechend zu dimensionieren, was sich beispielsweise nachteilig auf den benötigten Bauraum auswirkt und zusätzliche Kosten verursacht.
Eine Abgasanlage eines Kraftwagens ist beispielsweise bereits der DE 103 57 125 A1 als bekannt zu entnehmen. Der Krümmer umfasst dabei wenigstens ein äußeres Krümmerelement sowie wenigstens ein inneres Krümmerelement, welches unter Ausbildung wenigstens eines Luftspalts zwischen dem äußeren und dem inneren Krümmerelement zumindest teilweise von dem inneren Krümmerelement beabstandet angeordnet ist. Der Krümmer ist somit als sogenannter luftspaltisolierter Krümmer (LSI) ausgebildet, wobei der Luftspalt beziehungsweise im Luftspalt aufgenommene Luft zur Isolation, insbesondere Wärmeisolation, dient. Dadurch kann ein Wärmeverlust des den Krümmer durchströmendem Abgases einer Verbrennungskraftmaschine des Kraftwagens besonders gering gehalten werden. Dadurch ist es beispielsweise möglich, nach einem Start der Verbrennungskraftmaschine einen in Strömungsrichtung des Abgases durch die Abgasanlage stromab des Krümmers angeordneten Katalysator und/oder eine andere Abgasnachbehandlungseinrichtung besonders schnell aufzuwärmen und somit auf eine vorteilhafte Betriebstemperatur zu bringen, bei welcher der Katalysator das Abgas besonders effizient und effektiv nachbehandeln kann. Insbesondere nach einem Kaltstart und während einer Kaltstartphase ist es wünschenswert, im Abgas enthaltene Wärme möglichst verlustfrei zum Katalysator zu führen, um somit den Katalysator besonders schnell erwärmen zu können.
Diesem Wunsch, die Wärmeverluste des Abgases besonders gering zu halten, steht jedoch der Wunsch entgegen, ein Überangebot von Abgaswärme, das heißt eine übermäßig hohe Temperatur des Abgases in Hochlastphasen der Verbrennungskraftmaschine zu vermeiden, um dadurch eine Überhitzung und eine daraus resultierende Schädigung des Katalysators zu vermeiden. Insofern besteht also ein Zielkonflikt, zwischen dem Ziel, nach einem Start der Verbrennungskraftmaschine möglichst hohe Abgastemperaturen am Katalysator zu realisieren, und dem Ziel, bei Hochlastphasen übermäßig hohe Temperaturen des Abgases am Katalysator zu vermeiden.
Aus der DE102014018318 A1 ist eine Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor bekannt, mit einer Abgasanlage mit dem Krümmer, wobei hier ein Ventilelement vorgesehen ist, welches zwischen wenigstens einer eine Strömung von Gas durch einen Luftspalt des Krümmers ermöglichenden Offenstellung und einer die Strömung des Gases durch den Luftspalt verhindernden Schließstellung verstellbar ist. Dabei ist im Ansaugtrakt zusätzlich zum Verdichter des Abgasturboladers ein weiterer Verdichter vorgesehen, der durch einen Motor angetrieben ist. Der Verdichter entspricht bekannten Kompressoren, die unterstützend mit Abgasturboladern moderne Verbrennungskraftmaschinen mit Ladeluft versorgen.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine verbesserte Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine herzustellen, die eine Abgaskühlung mit minimal erforderlicher Antriebsleistung und verringertem, im Optimum nicht vorhandenen Wärmefluss aus dem Abgas ins Kühlmittel aufweist.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug mit einem von Luft für die Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren Ansaugtrakt und einem von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren Abgastrakt, umfassend zumindest einen Verdichter, welcher im Ansaugtrakt angeordnet ist und über eine im Abgastrakt angeordnete Turbine antreibbar ist, zumindest einen Ladeluftkühler, welcher im Ansaugtrakt stromabwärts des Verdichters angeordnet ist, einen Abgaskrümmer, und zumindest eine Luftleitung, die den Ansaugtrakt im Bereich stromabwärts des Verdichters und stromaufwärts des Ladeluftkühlers oder stromabwärts des Ladeluftkühlers mit dem Abgaskrümmer verbindet, wobei in der Luftleitung zumindest ein Schaltventil angeordnet ist und der Ansaugtrakt über das Schaltventil in der Luftleitung wahlweise mit dem Abgaskrümmer verbindbar ist und in der Luftleitung stromabwärts des Schaltventils zumindest ein Injektor angeordnet und über den Injektor zusätzlich Luft ansaugbar ist.
Wird der Luftmassenstrom stromabwärts des Ladeluftkühlers abgegriffen, so wird eine höhere Temperaturdifferenz im Abgaswärmetauscher erreicht und ein besonders vorteilhafter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine gewährleistet.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen angegeben.
Bevorzugt ist der Abgaskrümmer doppelwandig ausgeführt wobei derart ein Zwischenraum im Abgaskrümmer, nämlich ein Luftraum zwischen den beiden Wänden des Abgaskrümmers, ausgebildet wird. Der Ansaugtrakt ist vorzugsweise über das Schaltventil in der Luftleitung wahlweise mit dem Zwischenraum des Abgaskrümmers verbindbar.
Die Erfindung ermöglicht es auf konstruktiv einfache Weise einen Luftmassenstrom aus dem Ansaugtrakt abzuzweigen, über ein Schaltventil und einen Injektor vorzugsweise eine Strahlpume oder Venturidüse zu leiten und dem Abgaskrümmer, genauer dem Zwischenraum des Abgaskrümmers zuzuleiten.
Die erfindungsgemäße Ausbildung der Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine bedingt eine Verringerung der Abgastemperatur bei gleichzeitiger Verringerung des Wärmeübergangs ins Kühlmittel, nämlich ins Kühlwasser der Verbrennungskraftmaschine. Im optimalsten Fall findet dabei kein Wärmeübergang statt. Weiterhin wird eine Verringerung der Gemischanfettung in Vollastbetriebspunkten erzielt.
Optimaler Weise arbeitet das System im Vollastbetriebspunkt, wenn im Verdichtungsbetriebspunkt bedingt mehr Ansaugluft zur Verfügung gestellt werden kann, als vom Motor benötigt wird.
Vorteilhafterweise wird keine zusätzliche Antriebsenergie benötigt, da die Energie im Abgas der Verbrennungskraftmaschine genutzt wird. Es wird ein besonders einfacher und kostengünstiger Aufbau zur Steuerung des Luftmassenstroms bereitgestellt.
Vorteilhafterweise ist das Schaltventil eine Kombination mit einem Venturi -Ventil. Das Kombinations-Schaltventil übt dann eine Druckkontrolle aus, so dass es als Waste Gate und Ladedruckkontolle eingesetzt werden kann.
Das Verfahren hat den Vorteil, dass ein Strömungsgleichgewicht zwischen den parallel geschalteten Komponenten der Luftströmungszweige hergestellt wird.
Dabei ist der Strömungswiderstand mindestens an einer Komponente jedes Luftströmungszweigs einstellbar.
Das Verfahren zur Abgastemperaturkontrolle hat den Vorteil, dass der Strömungswiderstand dem Ladedruck entspricht.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass der Abfall des Strömungswiderstands am Injektor am größten ist, so dass ein Maximum an Luft angesagt wird.
Figurenliste
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.

1 zeigt eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Luftstromabgriff im Ansaugtrakt über eine Luftleitung oberhalb eines Ladeluftkühlers.
2 zeigt eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Luftstromabgriff im Ansaugtrakt über eine Luftleitung unterhalb eines Ladeluftkühlers.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die beispielhafte Abgasanlage 20 ist in 1 beschrieben. Eine Verbrennungskraftmaschine 1 ist als Hubkolben-Verbrennungsmaschine ausgebildet und ein weist ein Zylindergehäuse auf, durch welches vier Brennräume in Form von Zylindern 6 gebildet sind. Im Rahmen eines gefeuerten Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 1 werden den Zylindern Kraftstoff und Luft zugeführt, sodass im jeweiligen Zylinder 6 ein Kraftstoff-Luft-Gemisch gebildet wird. Dieses Kraftstoff-Luft-Gemisch verbrennt, woraus Abgas resultiert.
Die Verbrennungskraftmaschine 1 weist einen Ansaugtrakt 2 auf, welcher von der Luft, die den Zylindern 6 zugeführt wird, durchströmbar ist. Die Strömungsrichtung der Luft ist in 1 und 2 durch einen Pfeil in den beiden Luftströmungszweigen 4a und 4b schematisch dargestellt.
Ferner umfasst die Verbrennungskraftmaschine 1 einen Abgasturbolader, mit einer im Abgastrakt 3 angeordneten und von dem den Abgastrakt 3 durchströmenden Abgas antreibbaren Turbine 12. Ferner umfasst der Abgasturbolader einen im Ansaugtrakt 2 angeordneten Verdichter 8, mittels welchem die den Zylindern 6 zuzuführende Luft verdichtet wird. Infolge der durch den Verdichter 8 bewirkten Verdichtung der Luft wird diese erwärmt. Zur Realisierung eines besonders hohen Aufladegrades ist im Ansaugtrakt 2 stromab des Verdichters 8 eine Kühleinrichtung in Form eines Ladeluftkühlers 9 angeordnet, mittels welchem die verdichtete Luft stromab des Verdichters 8 und stromauf der Zylinder 6 gekühlt wird.
Der Verdichter 8 und der Ladeluftkühler 9 sind im Ansaugtrakt 2 im Wesentlichen in Serie angeordnet.
Weiterhin weist die Verbrennungskraftmaschine 1 einen Abgastrakt 3, der von Abgas der Verbrennungskraftmaschine 1 durchströmbar ist, auf. Die Strömungsrichtung des Abgases ist in 1 und 2 durch einen Pfeil 5 schematisch dargestellt. Über den Abgastrakt 3 wird Abgas aus den Zylindern 6 der Verbrennungskraftmaschine 1 abgeführt. Die Turbine 12 ist von dem den Abgastrakt 3 durchströmenden Abgas antreibbar und über eine Welle (nicht dargestellt) antriebswirksam mit dem Verdichter 8 verbunden. Die Turbine 12, die Welle sowie der Verdichter 8 sind dem Abgasturbolader zugeordnet.
Weiterhin umfasst die Verbrennungskraftmaschine 1 einen Abgaskrümmer 7. Der Abgaskrümmer 7 ist direkt an den Zylindern 6 der Verbrennungskraftmaschine 1 angeordnet und leitet die Abgase gezielt ab. Der Abgaskrümmer 7 ist in den beiden in 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine 1 doppelwandig, d.h. eine Außenwand und eine Innenwand umfassend, ausgebildet. Durch die Doppelwandigkeit des Abgaskrümmers 7 wird zwischen der Innenwand und der Außenwand ein nicht dargestellter Zwischenraum ausgebildet.
Die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine 1 weist weiterhin eine Luftleitung 13 auf. In 1 verbindet die Luftleitung 13 wahlweise den Ansaugtrakt 2 im Bereich stromabwärts aber oberhalb des Ladeluftkühlers 9 mit dem Abgaskrümmer 7, genauer dem Zwischenraum des Abgaskrümmers 7. Wenn die Luftleitung 13 zwischen dem Verdichter 8 und dem Ladeluftkühler 9 abzweigt, führt die Zuluft durch die Luftzufuhr 22 des Injektors zu einer Absenkung der Temperatur im Luftstromzweig 4a.
In 2 verbindet die Luftleitung 13 wahlweise den Ansaugtrakt 2 im Bereich stromabwärts des Verdichters 8 und unterhalb des Ladeluftkühlers 9 d.h. in Bezug auf die Strömungsrichtung der Luft 4 nach dem Ladeluftkühler 9, mit dem Abgaskrümmer 7, genauer dem Zwischenraum des Abgaskrümmers 7.
In der Luftleitung 13 ist ein Schaltventil 10 angeordnet. Das Schaltventil 10 kann beispielsweise elektronisch angesteuert und geschalten werden. Stromabwärts des Schaltventils 10, zwischen dem Abgaskrümmer 7 und dem Schaltventil 10, ist in der Luftleitung 13 ein Injektor 11 angeordnet. Über den Injektor 11 ist zusätzliche Luft 22 ansaugbar. Durch den Injektor 11 kann der Luftmassenstrom in der Luftleitung 13 erhöht werden. Der Luftmassenstrom aus der Luftleitung 13 wird in den Zwischenraum des Abgaskrümmers 7 geleitet und dient der Abkühlung des durch den Abgaskrümmer 7 strömenden Abgases aus den Zylindern 6. Der erhitzte Luftstrom aus dem Zwischenraum des Abgaskrümmers 7 wird über einen separaten Luftpfad 21 in die Umgebung geleitet.
Der Injektion 11 stellt dabei, wie in den Figuren schon angedeutet, einen Strömungswiderstand dar, damit beim Öffnen des Schaltventils 10 der Druck im Ansaugtrakt nicht zusammenbricht.
Das Schaltventil 10 kann in Kombination mit einem Venturi- Ventil ausgebildet sein.
Der durch die Drosselklappenverstellung vorgegebene Druck im Ansaugtrakt 2 wird über das Schaltventil mit einer Waste Gate-Funktion konstant gehalten.
Alle in der Strömungsrichtung der Luft befindlichen Komponenten, der Ladeluftkühler 9, Drosselklappe 23, dass Schaltventils 10 sowie der Injektion 11 sind in den beiden Luftströmungszweigen 4a und 4b parallel geschaltet.
Die parallele Schaltung soll zu gleichen Druckverhältnissen führen, sodass gleich große Strömungswiderstände in den beiden Luftströmungszweigen vorhanden sein müssen.
Die Strömungswiderstände der einzelnen Komponenten sind dabei entweder voreingestellt oder können variabel an die Anforderungen angepasst werden. Dabei wird der Strömungswiderstand mindestens an einer Komponente jedes Luftströmungszweigs 4a, 4b eingestellt. Das Optimum ist dann erreicht, wenn der Strömungswiederstand dem Ladedruck entspricht.
Das Verfahren erlaubt es, dass ein Strömungsgleichgewicht zwischen den parallel geschalteten Komponenten der Luftströmungszweige 4a, 4b hergestellt wird.
Um die Luftzufuhr durch den Injektor 11 zu optimieren werden die Strömungswiederstände aller Komponenten in der Parallelschaltung der Strömungswiderstände so geschaltet, dass der Abfall des Strömungswiderstands am Injektor 11 am größten ist.
Bezugszeichenliste

1: Verbrennungskraftmaschine
2: Ansaugtrakt
3: Abgastrakt
4: 4a, 4b Luftströmungszweigen
5: Strömungsrichtung des Abgases (Pfeil)
6: Zylinder
7: Abgaskrümmer
8: Verdichter
9: Ladeluftkühler
10: Schaltventil
11: Injektor
12: Turbine
13: Luftleitung
20: Abgasanlage
21: Luftpfad
22: Luftzufuhr
23: Drosselklappe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10357125 A1 [0004]
DE 102014018318 A1 [0006]

Claims

Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine (1) für ein Kraftfahrzeug mit einem von Luft für die Verbrennungskraftmaschine (1) durchströmbaren Ansaugtrakt (2) und einem von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (1) durchströmbaren Abgastrakt (3), umfassend • zumindest einen Verdichter (8), welcher im Ansaugtrakt (2) angeordnet ist und über eine im Abgastrakt (3) angeordnete Turbine (12) antreibbar ist, • zumindest einen Ladeluftkühler (9), welcher im Ansaugtrakt (2) stromabwärts des Verdichters (8) angeordnet ist, • einen Abgaskrümmer (7), und • zumindest eine Luftleitung (13), die den Ansaugtrakt (2) im Bereich stromabwärts des Verdichters (8) und stromaufwärts des Ladeluftkühlers (9) oder stromabwärts des Ladeluftkühlers (9) mit dem Abgaskrümmer (7) verbindet, wobei in der Luftleitung (13) zumindest ein Schaltventil (10) angeordnet ist und der Ansaugtrakt (2) über das Schaltventil (10) in der Luftleitung (13) wahlweise mit dem Abgaskrümmer (7) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Luftleitung (13) stromabwärts des Schaltventils (10) zumindest ein Injektor (11) angeordnet ist und über den Injektor (11) zusätzlich Luft ansaugbar ist.
Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine (1) für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor (11) einen vordefinierten Strömungswiderstand aufweist.
Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskrümmer (7) doppelwandig ausgeführt ist und so ein Zwischenraum ausgebildet ist, wobei der Ansaugtrakt (2) über das Schaltventil (10) in der Luftleitung (13) wahlweise mit dem Zwischenraum des Abgaskrümmers (7) verbindbar ist.
Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftleitung (13) im Bereich stromabwärts des Verdichters (8) entweder zwischen Verdichter (8) und Ladeluftkühler (9) oder zwischen Ladeluftkühler (9) und Drosselklappe (23) abzweigt.
Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltventil (10) eine Kombination mit einem Venturi -Ventil ist.
Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltventil (10) eine Druckkontrolle ausübt.
Verfahren zur Abgastemperaturkontrolle in einer Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine (1) für ein Kraftfahrzeug mit einem von Luft für die Verbrennungskraftmaschine (1) durchströmbaren Ansaugtrakt (2) und einem von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (1) durchströmbaren Abgastrakt (3), umfassend: zumindest einen Verdichter (8), welcher im Ansaugtrakt (2) angeordnet ist und über eine im Abgastrakt (3) angeordnete Turbine (12) antreibbar ist, zumindest einen Ladeluftkühler (9), welcher im Ansaugtrakt (2) stromabwärts des Verdichters (8) angeordnet ist, einen Abgaskrümmer (7), und zumindest eine Luftleitung (13), die den Ansaugtrakt (2) im Bereich stromabwärts des Verdichters (8) und stromaufwärts des Ladeluftkühlers (9) oder stromabwärts des Ladeluftkühlers (9) mit dem Abgaskrümmer (7) verbindet, wobei in der Luftleitung (13) zumindest ein Schaltventil (10) angeordnet ist und der Ansaugtrakt (2) über das Schaltventil (10) in der Luftleitung (13) wahlweise mit dem Abgaskrümmer (7) verbindbar ist, wobei in der Luftleitung (13) stromabwärts des Schaltventils (10) zumindest ein Injektor (11) angeordnet ist und über den Injektor (11) zusätzlich Luft ansaugbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strömungsgleichgewicht zwischen den parallel geschalteten Komponenten der Luftströmungszweige (4a,4b) hergestellt wird.
Verfahren zur Abgastemperaturkontrolle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die der Strömungswiderstand mindestens an einer Komponente (10, 11, 23) jedes Luftströmungszweigs (4a, 4b) einstellbar ist.
Verfahren zur Abgastemperaturkontrolle nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungswiderstand dem Ladedruck entspricht.
Verfahren zur Abgastemperaturkontrolle nach Anspruch 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abfall des Strömungswiderstands am Injektor (11) am größten ist.