DE102010005831A1

DE102010005831A1 - Abgasstrang für eine Brennkraftmaschine sowie Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102010005831A1
Application number: DE102010005831A
Authority: DE
Inventors: Simon Schmuck-Soldan
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-01-27
Filing date: 2010-01-27
Publication date: 2011-07-28
Also published as: US20110179770A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgasstrang für eine Brennkraftmaschine umfassend eine Abgasleitung (2) und eine Turbine (1) eines Abgasturboladers, wobei die Turbine (1) in der Abgasleitung (2) angeordnet ist, wobei die Abgasleitung (2) einen an der Turbine (1) vorbeilaufenden Bypasskanal (3) aufweist, dessen Einlass stromaufwärts und dessen Auslass stromabwärts der Turbine (1) in der Abgasleitung (2) angeordnet ist, wobei ein Katalysator (4) in dem Bypasskanal (3) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasstrang für eine Brennkraftmaschine sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine umfassend einen Abgasstrang.
An die Leistung von Brennkraftmaschinen werden laufend höhere Ansprüche gestellt. Eine Möglichkeit der Leistungssteigerung bietet die Verwendung eines Abgasturboladers, dessen Verdichter den Druck im Ansaugtrakt des Motors erhöht und durch eine Turbine im Abgasstrom angetrieben wird. Üblicherweise erfolgt die Auslegung eines Abgasturboladers derart, dass sich bereits bei niedriger Motordrehzahl ein hoher Ladedruck einstellt. Die Ladedruckregelung erfolgt durch einen turbinenseitigen Bypass, durch welchen bei hohen Drehzahlen und großen Abgasmassenströmen ein Teil der Abgasmenge um die Turbine herum geleitet wird.
Weiterhin werden Umweltschutzvorschriften und gesetzliche Vorgaben für die Schadstoffemission immer strenger. Zur Reduzierung der Schadstoffemissionen werden Brennkraftmaschinen mit verschiedenen Abgasnachbehandlungssystemen ausgestattet. Um bestehende und zukünftige gesetzliche Vorgaben zur Schadstoffemission von Brennkraftmaschinen zu erfüllen, müssen Abgasnachbehandlungssysteme laufend verbessert werden. Nachteilig bei Abgasnachbehandlungssystemen ist insbesondere, dass Katalysatoren für eine effektive Abgasreinigung zunächst auf Betriebstemperatur aufgewärmt werden müssen. Insbesondere nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine werden zunächst verhältnismäßig kühle Abgase abgegeben, die von einem noch kalten Katalysator nicht gereinigt werden können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Schadstoffemission von Brennkraftmaschinen, die mit Abgasturboladern ausgerüstet sind, zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird durch einen Abgasstrang gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine umfassend einen Abgasstrang gemäß Anspruch 8 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der erfindungsgemäße Abgasstrang für eine Brennkraftmaschine umfasst eine Abgasleitung und eine Turbine eines Abgasturboladers, wobei die Turbine in der Abgasleitung angeordnet ist, wobei die Abgasleitung einen an der Turbine vorbeilaufenden Bypasskanal aufweist, dessen Einlass stromaufwärts und dessen Auslass stromabwärts der Turbine in der Abgasleitung angeordnet ist, wobei ein Katalysator in dem Bypasskanal angeordnet ist.
Der erfindungsgemäß in dem Bypasskanal der Turbine vorgesehene Katalysator hat den Vorteil, dass ein Abgasstrom, der an der Turbine vorbei geleitet wird, gereinigt wird. Dies ist insbesondere in der Kaltstartphase einer Brennkraftmaschine vom großem Vorteil. Der erfindungsgemäß in dem Bypasskanal vorgesehene Katalysator ist vorzugsweise von geringer Größe und kann daher schnell auf seine Betriebstemperatur erwärmt werden und bereits nach kurzer Zeit eine Reinigung des Abgases bewirken. Der erfindungsgemäß in dem Bypasskanal vorgesehene Katalysator ist vorzugsweise motornah angeordnet und kann auch als ”closed coupled” Katalysator bezeichnet werden. Der erfindungsgemäß vorgesehene Katalysator ergänzt in vorteilhafter Weise die Funktion eines üblicherweise in der Abgasanlage ohnehin vorgesehenen, beispielsweise unmittelbar vor dem Auspuff auf der Abgasseite angeordneten, Hauptkatalysators. Während des Warmlaufens der Brennkraftmaschine benötigt der Hauptkatalysator jedoch eine gewisse Zeit, um die Betriebstemperatur zu erreichen, und kann während dieser Zeitspanne keine oder nur eine geringe katalytische Umwandlung der Schadstoffe und damit Reduzierung der Schadstoffemissionen entfalten.
Insbesondere in der Kaltlaufphase der Brennkraftmaschine wird der erfindungsgemäß in dem Bypasskanal angeordnete Katalysator durch die heißen Abgase zuerst aufgeheizt und kann aufgrund des geringeren Abstandes zur Brennkraftmaschine und einer bevorzugt geringeren Größe wesentlich rascher die Betriebstemperatur erreichen. Insbesondere in der Kaltstartphase kann der an der noch nicht benötigten Turbine vorbeigeleitete Abgasstrom durch den erfindungsgemäß in dem Bypasskanal vorgesehenen Katalysator somit effektiv gereinigt werden. Damit kann die in der Kaltlaufphase üblicher Weise mangelnde Reinigung durch den Hauptkatalysator ausgeglichen werden. Selbst wenn der Hauptkatalysator noch nicht aktiv ist, kann das Abgas das Kraftfahrzeug gereinigt verlassen.
Durch die verbesserte Abgasreinigung können die derzeit bereits geforderten Vorgaben für die Schadstoffemission auch in der Kaltstartphase mit geringem technischen Aufwand eingehalten werden. Weiterhin können auch zukünftige Vorgaben für die Kaltstartphase eingehalten werden. Weiterhin kann eine Einhaltung der Vorgaben für die Schadstoffemission in der Kaltstartphase unter geringerem Treibstoffverbrauch und verbesserter Motorleistung erzielt werden.
Somit kann die Schadstoffkonzentration insbesondere in der Warmlaufphase nach dem Kaltstart oder im Leerlauf der Brennkraftmaschine reduziert werden. Der erfindungsgemäß in dem Bypasskanal vorgesehene Katalysator kann somit in vorteilhafter Weise sowohl die Schadstoffemission eines Kraftfahrzeugs reduzieren wie auch die Leistung des Abgasturboladers optimieren. Weiterhin kann durch die Verwendung des erfindungsgemäß vorgesehenen Katalysators in der Kaltlaufphase signifikant Kraftstoff eingespart werden.
Von Vorteil ist weiterhin, dass der Bypasskanal nicht nur in der Kaltstartphase in vorteilhafter Weise ermöglicht, dass der Abgasstrom über den erfindungsgemäß vorgesehenen Katalysator geleitet wird, sondern auch, dass bei hohen Drehzahlen und großen Abgasmassenströmen eine Ladedruckregelung durch eine Regulierung des Abgasstroms durch die Turbine zur Verfügung gestellt wird. Der erfindungsgemäß mit einem Katalysator ausgerüstete Bypasskanal kann somit die Last des Motors regulieren, wenn der Katalysator nicht zur Reinigung des Abgases benötigt wird, und für den Fall, dass dieser insbesondere in der Kaltstartphase benötigt wird, eine Reinigung des Abgases zur Verfügung stellen.
Die Turbine des Abgasturboladers weist vorzugsweise ein Gehäuse auf. Bevorzugt wird der Bypasskanal durch das Gehäuse ausgebildet. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der in dem Bypasskanal angeordnete Katalysator in dem Gehäuse der Turbine des Abgasturboladers angeordnet. Es stellt eine sehr vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung dar, den in dem Bypasskanal angeordneten Katalysator in das Turbinengehäuse zu integrieren. Ein Vorteil den Katalysator in das Turbinengehäuse zu integrieren liegt insbesondere in der sehr motornahen Einbauposition, wodurch der Katalysator schnell aufgewärmt wird. Der Katalysator kann alternativ in einem getrennten Gehäuse vorgesehen sein.
Weiterhin wird durch einen in das Turbinengehäuse integrierten Katalysator eine kompakte Bauweise ermöglicht. Der Bypasskanal kann teilweise oder vollständig in das Turbinengehäuse integriert sein. Dies hat den Vorteil, dass in vorteilhafter Weise kein zusätzliches Gehäuse erforderlich ist. Es kann ein baulich günstiges Turbinengehäuse in kompakter Bauweise bereitgestellt werden. Durch einen in das Turbinengehäuse des Abgasturboladers integrierten Katalysator kann der technische Aufwand der Anbringung des Katalysators in der Bypassleitung reduziert werden. Darüber hinaus ist von Vorteil, dass dies eine einfache Umsetzung der Waste-Gate Funktion (Ladedruck-Kontrollregelung) und der Katalysator-Bypass-Funktion zur Verfügung stellt.
Vorzugsweise ist der erfindungsgemäß in dem Bypasskanal vorgesehene Katalysator und/oder der üblicher Weise vorhandene Hauptabgaskatalysator ausgewählt aus der Gruppe umfassend Oxidationskatalysatoren insbesondere Dieseloxidationskatalysatoren, NO_x-Speicherkatalysatoren auch NO_x-Absorber genannt, Partikelfilter, insbesondere katalytisch beschichtete Partikelfilter und/oder Dreiwegekatalysatoren. Es kann bevorzugt sein, dass eine Kombination der genannten Katalysatoren vorliegt. Dies hat den Vorteil, dass das Abgas umfassend von Schadstoffen gereinigt wird. Katalysatoren werden auch als katalytische Konverter bezeichnet.
Der Bypasskanal ist vorzugsweise eine Bypassleitung. Der Bypasskanal ist bevorzugt steuerbar ausgebildet. In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Bypasskanal wenigstens ein steuerbares Bypassventil auf. In besonders zweckmäßiger Weise lässt sich ein steuerbares Bypassventil in Form einer Bypassklappe realisieren. Vorzugsweise weist der Bypasskanal wenigstens eine last- und/oder drehzahlregelbare Bypassklappe auf.
In weiteren Ausführungsformen ist das wenigstens eine Bypassventil vorzugsweise die wenigstens eine Bypassklappe stromaufwärts oder stromabwärts des Katalysators und/oder der Turbine in der Abgasleitung angeordnet. Vorzugsweise ist die Bypassklappe stromabwärts des Katalysators angeordnet. Von Vorteil ist hierbei, dass wenn der Abgasstrom über die Turbine geleitet wird, der Abgasstrom die Position der Bypassklappe unterstützen kann. Es kann auch vorgesehen sein, die Bypassklappe alternativ stromaufwärts des Katalysators anzuordnen. In diesem Fall kann von Vorteil sein, dass die Bypassklappe den Abgasstrom über die Turbine leitet und gleichzeitig den Zugang des Abgasstroms über den Katalysator verhindert und diesen damit schützen kann.
Zum Öffnen bzw. Schließen des Bypassventils insbesondere einer Bypassklappe ist vorzugsweise ein Aktuator vorgesehen. Möglich sind variable Aktuatoren, beispielsweise ein auf einer elektrischen Bauweise beruhender Aktuator, ein auf einer pneumatischen Bauweise beruhender Aktuator oder ein auf einer hydraulischen Bauweise beruhender Aktuator mit entsprechend ausgelegten Betätigungsmitteln zur Betätigung des Bypassventils. In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein elektrischer Aktuator zum Betätigen des Bypassventils vorzugsweise der Bypassklappe vorgesehen. Eine elektrische Ansteuerung des Aktuators hat den Vorteil, das Bypassventil nach motorischen oder thermodynamischen Kriterien zu stellen, unabhängig von den Drücken. Ein Elektromotor eines elektrischen Aktuators kann ein elektrisches Ausgangssignal des Motorsteuergerätes direkt in eine Stellbewegung des Bypassventils umsetzen.
Ein Leiten des Abgasstroms über die Turbine und damit Bypassen des Katalysators erzeugt eine geringere oder keine Wärmeabgabe an den Katalysator. Dies ermöglicht, einen motornahen Katalysator zu betreiben, ohne ihn bei höherlastigem Betrieb kühlen zu müssen. Im Hinblick auf die vom Katalysator entwickelte Hitze kann eine Kühlung des Katalysators jedoch vorteilhaft sein.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Katalysator und/oder die Turbine eine Wasserkühlung und/oder eine Luftkühlung aufweisen. Eine Wasserkühlung hat gegenüber einer Luftkühlung den Vorteil, durch eine Wasserpumpe einen gleichmäßigen Transport der Wärme gewährleisten zu können. Weiterhin kann eine bessere Kühlleistung gegenüber Luftkühlungen zur Verfügung gestellt werden. Der Katalysator und/oder die Turbine können beispielsweise von einem wassergekühlten Gehäuse umgeben sein. In bestimmten Anwendungen kann auch nur ein bestimmter Teil des Katalysators gekühlt sein. Bei flach ausgebildeten Katalysatoren kann beispielsweise in Bezug auf das Fahrzeug die Außenseite gekühlt sein, während der dem Motor zugewandte Teil des Katalysators keine Wasserkühlung aufweist. Insbesondere bei höherlastigem Betrieb kann eine Kühlung der Turbine von Vorteil sein.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug umfassend einen erfindungsgemäßen mit einer Brennkraftmaschine verbundenen Abgasstrang. Die Brennkraftmaschine ist insbesondere eine turboaufgeladene Brennkraftmaschine. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise ein Verbrennungsmotor, insbesondere ein Diesel- oder Ottomotor.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine umfassend einen insbesondere erfindungsgemäßen Abgasstrang, wobei ein Abgasstrom wahlweise über einen in einem Bypasskanal angeordneten Katalysator und/oder eine Turbine geleitet wird. Das Leiten des Abgasstrom über den in dem Bypasskanal angeordneten Katalysator und/oder die Turbine wird bevorzugt durch Öffnen und Schließen eines Bypassventils des Bypasskanals durchgeführt.
Eine Lenkung des Abgasstroms ist vorteilhaft, da während einer Kaltstartphase der in dem Bypasskanal angeordnete Katalysator eine Reinigung des Abgases zur Verfügung stellen kann und darüber hinaus der Bypasskanal bei normalem Betrieb der Brennkraftmaschine die Leistung des Abgasturboladers und damit den Ladedruck nach Bedarf regulieren kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine und/oder während einer Aufwärmphase bis zum Erreichen der Anspringtemperatur eines Hauptabgaskatalysators der Abgasstrom durch den Bypasskanal geleitet.
Von Vorteil ist, dass der Bypasskanal dem Abgasstrom einen Weg über den in dem Bypasskanal angeordneten Katalysator unter Umgehung der Turbine ermöglicht. Insbesondere während einer Kaltstartphase kann der Abgasstrom ganz oder teilweise durch den Bypasskanal über den in dem Bypasskanal angeordneten Katalysator geleitet werden. Dies ist insbesondere in der Kaltstartphase einer Brennkraftmaschine vom großem Vorteil, da in der Kaltstartphase der Hauptkatalysator noch nicht ausreichend erwärmt ist, um eine effektive Reinigung des Abgases leisten zu können. Der in dem Bypasskanal vorgesehene Katalysator ist zum einen günstiger Weise motornah in kurzem Abstand zur Brennkraftmaschine angeordnet und zum anderen vorzugsweise von geringer Größe und kann daher schneller als der Hauptkatalysator auf seine Betriebstemperatur erwärmt werden. Hierdurch kann bereits zu einem frühen Zeitpunkt in einer Kaltstartphase der Abgasstrom effektiv gereinigt werden. Damit kann die in der Kaltlaufphase üblicher Weise mangelnde Reinigung durch den Hauptkatalysator ergänzt werden. Zur Minimierung der Abgasemissionen ist es daher von Vorteil, während des Kaltstarts einen möglichst großen Abgasstrom über den in dem Bypasskanal angeordneten Katalysator zu leiten. Ein hoher Abgasstrom hat weiter den selbstverstärkenden Effekt, das Aufheizen des Katalysators noch zu beschleunigen.
In weiter bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens wird bei Temperaturen des Hauptabgaskatalysators oberhalb der Anspringtemperatur der Abgasstrom nach Bedarf zur Regelung der Turbine durch den Bypasskanal geleitet. Bei warmgelaufener Brennkraftmaschine kann der Abgasstrom durch den Bypasskanal nach Bedarf geregelt werden, um den Abgasstrom über die Turbine und damit die Leistung des Abgasturboladers bzw. den Ladedruck zu regeln.
Bei einem höherlastigen Betrieb des Motors wenn der Hauptkatalysator seine Temperatur erreicht, wird in vorteilhafter Weise durch Benutzen der Turbine der Katalysator in dem Bypasskanal nicht mit dem vollem oder keinem Abgasmassenstrom beaufschlagt. Hierdurch wird der effektive Abgasgegendruck reduziert. Damit erhöht sich die Leistung des Motors und der Motor verbrennt effizienter und/oder mit weniger Verbrauch.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben. Die Figuren zeigen im Einzelnen:
1 eine schematische Prinzipskizze eines Abgasstrangs mit geöffneter Bypassklappe;
2 eine schematische Prinzipskizze des Abgasstrangs aus 1 mit geschlossener Bypassklappe.
1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel für einen Abgasstrang für eine Brennkraftmaschine. Eine Turbine 1 eines Abgasturboladers ist in einer Abgasleitung 2 des Abgasstrangs 10 angeordnet. Die Abgasleitung 2 weist eine an der Turbine 1 des Abgasturboladers vorbeilaufende Bypassleitung 3 auf. Der Einlass der Bypassleitung ist stromaufwärts und der Auslass stromabwärts der Turbine 1 in der Abgasleitung 2 angeordnet. In der Bypassleitung 3 ist ein Katalysator 4 angeordnet. Zur Steuerung des Abgasstromes durch die Bypassleitung 3 ist eine Bypassklappe 5 vorgesehen, die stromabwärts der Turbine 1 in der Abgasleitung 2 angeordnet ist. Durch das vollständige Öffnen der Bypassklappe 5 strömt das Abgas über die Turbine 1, wie anhand der durch den Pfeil in 1 dargestellten Strömungsrichtung des Abgasstromes erkennbar ist. Dies ist beispielsweise bei betriebswarmer Brennkraftmaschine nach Erreichen der Betriebstemperatur des Hauptkatalysators der Fall.
In 2 ist die Bypassklappe 5 in geschlossenem Zustand dargestellt. Durch das vollständige Schließen der Bypassklappe 5 strömt das Abgas über den Katalysator 4, wie anhand der durch den Pfeil in 2 dargestellten Strömungsrichtung des Abgasstromes erkennbar ist. Dies ist beispielsweise in einer Kaltstartphase der Fall. So verlässt gereinigtes Abgas das Kraftfahrzeug, selbst wenn der Hauptkatalysator noch nicht aktiv ist.
Die Bypassklappe 5 kann abgesehen von einer vollständigen Öffnung bzw. vollständigen Schließung nach Bedarf Zwischenpositionen einnehmen, um den Abgasstrom über die Turbine 1 und damit die Leistung des Turboladers sowie den Ladedruck zu regeln. Dies entspricht im Wesentlichen der Funktion eines so genannten waste gate.

Claims

Abgasstrang für eine Brennkraftmaschine umfassend eine Abgasleitung (2) und eine Turbine (1) eines Abgasturboladers, wobei die Turbine (1) in der Abgasleitung (2) angeordnet ist, wobei die Abgasleitung (2) einen an der Turbine (1) vorbeilaufenden Bypasskanal (3) aufweist, dessen Einlass stromaufwärts und dessen Auslass stromabwärts der Turbine (1) in der Abgasleitung (2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Katalysator (4) in dem Bypasskanal (3) angeordnet ist.
Abgasstrang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (1) des Abgasturboladers ein Gehäuse aufweist, wobei der in dem Bypasskanal (3) angeordnete Katalysator (4) in dem Gehäuse der Turbine (1) angeordnet ist.
Abgasstrang nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypasskanal (3) wenigstens ein steuerbares Bypassventil aufweist, vorzugsweise wenigstens eine last- und/oder drehzahlregelbare Bypassklappe (5).
Abgasstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Bypassventil stromaufwärts oder stromabwärts des Katalysators (4) und/oder der Turbine (1) in der Abgasleitung (2) angeordnet ist.
Abgasstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Aktuator zum Betätigen des Bypassventils vorzugsweise der Bypassklappe (5) vorgesehen ist.
Abgasstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (4) und/oder die Turbine (1) eine Wasserkühlung und/oder eine Luftkühlung aufweist.
Kraftfahrzeug umfassend einen mit einer Brennkraftmaschine verbundenen Abgasstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine umfassend einen Abgasstrang insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abgasstrom wahlweise über einen in einem Bypasskanal (3) angeordneten Katalysator (4) und/oder eine Turbine (1) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine und/oder während einer Aufwärmphase bis zum Erreichen der Anspringtemperatur eines Hauptabgaskatalysators der Abgasstrom durch den Bypasskanal (3) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Temperaturen eines Hauptabgaskatalysators oberhalb der Anspringtemperatur der Abgasstrom nach Bedarf zur Regelung der Turbine (1) durch den Bypasskanal (3) geleitet wird.