DE102011008568A1

DE102011008568A1 - Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine und Verfahren zum Betreiben eines Abgassystems

Info

Publication number: DE102011008568A1
Application number: DE102011008568A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Wagenplast Michael
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-01-14
Filing date: 2011-01-14
Publication date: 2012-07-19
Also published as: WO2012095132A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine, umfassend einen ersten Abgasturbolader (12) mit einer ersten von Abgas der Verbrennungskraftmaschine antreibbaren Turbine (16), und einen zweiten Abgasturbolader (24) mit einer zweiten, von Abgas der Verbrennungskraftmaschine antreibbaren Turbine (26), und einen Abgaskatalysator (50), sowie eine ventilgesteuerte Leitungsanordnung, mit welcher Abgas der Verbrennungskraftmaschine über die erste und/oder die zweite Turbine (16; 26) leitbar ist. Erfindungsgemäß weist der Abgaskatalysator (50) ein erstes Katalysatorteil (50a) und ein in Bezug auf die Abgasströmungsrichtung nachgeschaltetes zweites Katalysatorteil (50b) auf, und es ist ein in Abhängigkeit von der Temperatur des von der Verbrennungskraftmaschine gelieferten Abgases und/oder ein in Abhängigkeit von einer Leistungsabgabe der Verbrennungskraftmaschine bestimmter Anteil von über die erste Turbine (16) geleitetem Abgas direkt zum zweiten Katalysatorteil (50b) leitbar.

Description

Die Erfindung betrifft ein Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art und ein Verfahren zum Betreiben eines Abgaskatalysators, der an eine einen ersten und einen zweiten Abgasturbolader aufweisende Aufladevorrichtung einer Verbrennungskraftmaschine angeschlossen ist.
Die US 2009/0178406 offenbart ein Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine mit einem ersten Abgasturbolader und einem zweiten Abgasturbolader. Für den ersten Abgasturbolader ist eine durch ein Ventil gesteuerte Bypassleitung vorgesehen. Je nach Öffnungsgrad des Ventils kann das von der Verbrennungskraftmaschine abgegebene Abgas nur über die Turbine des ersten Turboladers oder sowohl über die Turbine des ersten Turboladers als auch über die Turbine des zweiten Abgasturboladers oder nur über die Turbine des zweiten Abgasturboladers geleitet werden. Zwischen der Turbine des ersten und des zweiten Abgasturboladers ist ein Abgaskatalysator angeordnet, welcher vom gesamten, über die Turbine des ersten Abgasturboladers geleiteten Abgas durchströmt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Abgassystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Abgassystems anzugeben, welche bei möglichst guter Leistungsentfaltung der zugehörigen Verbrennungskraftmaschine eine verbesserte Abgasreinigung insbesondere bei niedrigen Abgastemperaturen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Abgassystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
Das erfindungsgemäße Abgassystem umfasst einen ersten Abgasturbolader mit einer ersten von Abgas der Verbrennungskraftmaschine antreibbaren Turbine und einen zweiten Abgasturbolader mit einer zweiten, von Abgas der Verbrennungskraftmaschine antreibbaren Turbine, einen Abgaskatalysator sowie eine ventilgesteuerte Leitungsanordnung, mit welcher Abgas der Verbrennungskraftmaschine über die erste und/oder die zweite Turbine leitbar ist. Dabei weist der Abgaskatalysator ein erstes Katalysatorteil und ein in Bezug auf die Abgasströmungsrichtung nachgeschaltetes zweites Katalysatorteil auf und ein in Abhängigkeit von der Temperatur des von der Verbrennungskraftmaschine gelieferten Abgases und/oder ein in Abhängigkeit von einer Leistungsabgabe der Verbrennungskraftmaschine bestimmter Anteil von über die erste Turbine geleitetem Abgas ist direkt zum zweiten Katalysatorteil leitbar. Infolge dieser Ausführungsform ist ein rasches Anspringen des Abgaskatalysators bzw. eine hohe Reinigungswirkung des Abgaskatalysators speziell bei niedrigen Temperaturen ermöglicht. Unter einer direkten Zuleitung von Abgas zum zweiten Katalysatorteil ist dabei zu verstehen, dass aus dem Turbinengehäuse des zweiten Abgasturboladers ausströmendes Abgas über eine entsprechende Leitung der Leitungsanordnung dem zweiten Katalysatorteil unter Vermeidung einer Durchströmung des ersten Katalysatorteils oder der zweiten Turbine zugeführt wird. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass in der entsprechenden Leitungsstrecke kein weiteres der Abgasbehandlung dienendes Bauteil angeordnet ist.
In Ausgestaltung der Erfindung ist Abgas der Verbrennungskraftmaschine nur über die erste Turbine oder über die erste und über die zweite Turbine oder nur über die zweite Turbine leitbar. Der erste und der zweite Abgasturbolader bilden eine zweistufige Aufladeeinrichtung, wobei ein einer jeweiligen Turbine zugeordneter Verdichter in einem Ansaugsystem der Verbrennungskraftmaschine derart angeordnet ist, dass von den Verdichtern verdichtete Verbrennungsluft der Brennkraftmaschine zugeführt werden kann. Dabei ist unter Verbrennungsluft hier wie im Folgenden auch ein durch Abgasrückführung gegebenenfalls gebildetes Abgas-Luftgemisch zu verstehen. Über Leitungen der Leitungsanordnung ist über die erste Turbine geleitetes Abgas in jeweils variablen und zueinander komplementären Anteilen direkt dem zweiten Katalysatorteil und der zweiten Turbine leitbar. Dabei können die Anteile zwischen 0% und 100% variieren. Vorgesehen ist es, dass bei niedriger Temperatur des von der Verbrennungskraftmaschine abgegebenen Abgases bzw. bei niedriger Last oder Leistung der Verbrennungskraftmaschine ein hoher Anteil von über die erste Turbine geleitetem Abgas direkt zum zweiten Katalysatorteil geleitet wird. Mit steigender Abgastemperatur bzw. Last nimmt dieser Anteil insbesondere kontinuierlich ab und es werden komplementär hierzu insbesondere kontinuierlich steigende Anteile zur zweiten Turbine geleitet. Dies ermöglicht einerseits eine rasche Erwärmung des zweiten Katalysatorteils bei einem Kaltstart bzw. Warmlauf und damit ein rasches Erreichen von dessen katalytischer Wirksamkeit (Anspringen). Ebenso wird ein Auskühlen bei niedriger Last vermieden. Gleichzeitig ist ein kontinuierlicher Hochlauf insbesondere der zweiten Turbine und damit des zugehörigen Verdichters ermöglicht. Ein so genanntes Turboloch, wie es typischerweise bei einer zweistufigen Aufladeeinrichtung bei einem abrupten Zuschalten des zweiten Abgasturboladers auftritt, wird dadurch ebenfalls wirksam vermieden. Die Leitungsanordnung umfasst hierfür ansaugseitig angeordnete schaltbare Leitungen für die anzusaugende bzw. zu verdichtende Verbrennungsluft. In Verbindung mit einer unterschiedlichen Durchströmung der Leitungen der abgasseitigen Leitungsanordnung sind unterschiedliche Betriebszustände darstellbar, welche eine wirksame und komfortable Leistungsfreisetzung der Verbrennungskraftmaschine und eine wirksame Abgasreinigung ermöglichen. In einem dieser Betriebszustände, welcher bei Niedriglast oder niedriger Teillast aktiv ist, wird der Verbrennungskraftmaschine zugeführte Verbrennungsluft entweder allein oder nahezu allein vom Verdichter des ersten Abgasturboladers verdichtet. In einem anderen Betriebszustand mit demgegenüber erhöhter Last (Teillast) erfolgt in einem seriellen Betrieb bei einer sequentiellen Anströmung der Verdichter von erstem und zweitem Abgasturbolader eine zweistufige Verdichtung der Verbrennungsluft. In einem weiteren Betriebszustand bei weiter erhöhter Last erfolgt in einem Parallelbetrieb mit einer zumindest überwiegend parallelen Anströmung der beiden Verdichter ein parallele Verdichtung. Schließlich erfolgt in einem weiteren Betriebzustand bei erhöhter Teillast bis Volllast eine Verdichtung der Verbrennungsluft hauptsächlich oder nahezu vollständig durch den Verdichter des zweiten Abgasturboladers. Dabei können die Übergänge zwischen diesen Betriebszuständen auch fließend erfolgen. Damit ergibt sich in Bezug Leistungsentfaltung der Verbrennungskraftmaschine ein besonders gutes Ansprechverhalten, speziell bei instationärem Fahrbetrieb.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist über die zweite Turbine geleitetes Abgas dem ersten Katalysatorteil zuführbar. Vom ersten Katalysatorteil gelangt das Abgas direkt und unmittelbar weiter zum zweiten Katalysatorteil. Hat der erste Katalysatorteil seine Anspringtemperatur bzw. seine volle Wirksamkeit noch nicht erreicht, so ist eine Schadstoffumsetzung im nachfolgenden zweiten Katalysatorteil ermöglicht, da dieser aufgrund der erfindungsgemäßen Abgasführung typischerweise bereits zu einem früheren Zeitpunkt eine Konvertierungsfähigkeit erreicht hat. Den oben genannten Betriebzuständen sind entsprechende, unterschiedliche Anströmungen des ersten und des zweiten Katalysatorteils zugeordnet. Mit zunehmender Last bzw. Leistungsabgabe der Verbrennungskraftmaschine werden im Wesentlichen abnehmende Anteile des über die erste Turbine geführten Abgases und damit des gesamten von der Verbrennungskraftmaschine abgegebenen Abgases von der ersten Turbine auf direktem Weg zum zweiten Katalysatorteil geführt. Hingegen wird vermehrt Abgas über die zweite Turbine und sodann zum ersten Katalysatorteil geführt und nach dessen Durchströmung weiter über den zweiten Katalysatorteil geleitet. Infolge dieser Strömungssteuerung ist ein besonders rasches Einsetzen einer Schadstoffkonvertierung ermöglicht. Insbesondere erfolgt ein sehr rasches Anspringen des zweiten Katalysatorteils, was für eine Schadstoffumsetzung des diesem Katalysatorteils direkt zugeführten, vergleichsweise niedrigen Abgasstroms ausreicht. Somit ist insbesondere in Verbindung mit einem Kaltstart oder Warmlauf aber auch allgemein bei niedriger Last und entsprechend niedrigen Abgastemperaturen eine besonders gute Schadstoffumsetzung ermöglicht.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Leitungsanordnung eine durch ein erstes Ventil gesteuerte Bypassleitung für die erste Turbine und eine durch ein zweites Ventil gesteuerte Verbindungsleitung auf, mit welcher Abgas von der ersten Turbine direkt zum zweiten Katalysatorteil leitbar ist. Diese Ausführung ermöglicht eine gezielte Strömungssteuerung des Abgases. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Ventile selbststeuernd, d. h. infolge der über dem Ventil anliegenden Druckdifferenz betätigbar sind. Bevorzugt ist eine Ausführung in der Art eines federbelasteten Rückschlagventils. Dadurch entfallen aufwändige Ansteuerungsmittel.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Abgaskatalysator als brennkraftmaschinennah angeordneter Startkatalysator ausgelegt. Der Startkatalysator ist somit vorzugsweise das in Abgasströmungsrichtung gesehen erste katalytisch wirksame Abgasnachbehandlungsbauteil des Abgassystems. Bevorzugt ist eine Ausführung als Oxidationskatalysator. Dieser kann auch mit einer geringen oder ohne Sauerstoffspeicherfähigkeit ausgebildet sein. Infolge der motornahen Anordnung ist ein besonders rasches Anspringen ermöglicht.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind das erste Katalysatorteil und das zweite Katalysatorteil mit geringem Abstand in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Aufgrund dieser Anordnung ist ein besonders guter Wärmeübergang zwischen den beiden Katalysatorteilen ermöglicht. Insbesondere ist eine Aufheizung des ersten Katalysatorteils durch vom stromabwärtigen, zweiten Katalysatorteil ausgehende, auf den ersten Katalysatorteil einwirkende Wärmestrahlung ermöglicht.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der erste Abgasturbolader kleiner dimensioniert ist als der zweite Abgasturbolader. Dies ermöglicht ein besonders rasches Ansprechen und Hochlaufen des ersten Abgasturboladers. Bevorzugt ist es, wenn der erste Abgasturbolader als so genannter VTG-Lader mit einer variablen Turbinengeometrie ausgebildet ist. Der zweite Abgasturbolader weist bevorzugt eine unveränderliche, feste Turbinen- und Verdichtergeometrie auf.
Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Abgassystems einer Verbrennungskraftmaschine mit einer einen ersten und einen zweiten Abgasturbolader aufweisenden Aufladevorrichtung und einem Abgaskatalysator mit einem ersten Katalysatorteil und einem in Bezug auf die Abgasströmungsrichtung nachgeschalteten zweiten Katalysatorteil. Dabei wird ein in Abhängigkeit von der Temperatur des von der Verbrennungskraftmaschine gelieferten Abgases und/oder ein in Abhängigkeit von einer Leistungsabgabe der Verbrennungskraftmaschine bestimmter Anteil von über die Turbine des ersten Abgasturboladers geleitetem Abgas direkt zum zweiten Katalysatorteil geleitet.
Typischerweise nimmt der Anteil von über die Turbine des ersten Abgasturboladers direkt zum zweiten Katalysatorteil geführten Abgases mit zunehmend Abgastemperatur und/oder mit zunehmender Leistungsabgabe der Verbrennungskraftmaschine ab. Auf diese Weise ist ausgehend von niedrigen Katalysatortemperaturen ein sehr rasches Aufheizen insbesondere des zweiten Katalysatorteils ermöglicht. Dementsprechend rasch ist eine Schadstoffumsetzung am Abgaskatalysator, insbesondere an dessen zweitem Teil ermöglicht. Auch bei niedriger Teillast der Verbrennungskraftmaschine mit entsprechend weniger heißem Abgas ist eine effektive Schadstoffumsetzung ermöglicht.
In Ausgestaltung des Verfahrens wird der Anteil von über die Turbine des ersten Abgasturboladers geleitetem Abgas, welcher nicht direkt zum zweiten Katalysatorteil geleitet wird, über die Turbine des zweiten Abgasturboladers geleitet. Über die Turbine des zweiten Abgasturboladers geführtes Abgas wird bevorzugt unmittelbar weiter zum ersten Katalysatorteil geleitet. Dabei ist in weiterer Ausgestaltung des Verfahrens vorgesehen, dass über den ersten Katalysatorteil geleitetes Abgas vollständig über den zweiten Katalysatorteil geleitet wird. Bevorzugt erfolgt ein Zuleitung von über den ersten Katalysatorteil geströmten Abgases zum zweiten Katalysatorteil ebenfalls unmittelbar, d. h. ohne eine weitere Zwischenbehandlung. Der zweite Katalysatorteil erhält somit stets den gesamten von der Verbrennungskraftmaschine abgegebenen Abgasstrom, wobei insbesondere bei niedriger bis mittlerer Abgastemperatur bzw. Leistungsabgabe ein vergleichsweise hoher Anteil dem zweiten Katalysatorteil direkt, ohne Durchströmung des ersten Katalysatorteil zugeleitet wird. Demgegenüber erhält der erste Katalysatorteil bei niedriger bis mittlerer Abgastemperatur bzw. Leistungsabgabe eine vergleichsweise geringen Anteil des Abgases oder nur vernachlässigbare Abgasmengen. Mit steigender Abgastemperatur und/oder Leistungsabgabe nimmt dieser Anteil im Wesentlichen zu. Diese Vorgehensweise ermöglicht eine besonders effektive Temperierung des Abgaskatalysators, der somit auch bei niedriger Leistungsabgabe aktiv ist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in den Figurenbeschreibungen genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegeben Kombination sondern auch in anderen Kombinationen oder in der Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Figuren zeigen in:
1 eine Prinzipskizze einer bevorzugten Ausführung von Luftzufuhrsystem und Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine,
2 eine weitere Prinzipskizze des Systems gemäß 1 ergänzt um Strömungspfeile entsprechend einem ersten Betriebszustand,
3 eine weitere Prinzipskizze des Systems gemäß 1 ergänzt um Strömungspfeile entsprechend einem zweiten Betriebszustand,
4 eine weitere Prinzipskizze des Systems gemäß 1 ergänzt um Strömungspfeile entsprechend einem dritten Betriebszustand,
5 eine weitere Prinzipskizze des Systems gemäß 1 ergänzt um Strömungspfeile entsprechend einem vierten Betriebszustand und
6 eine weitere Prinzipskizze des Systems gemäß 1 ergänzt um Strömungspfeile entsprechend einem fünften Betriebszustand.
Die 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine erfindungsgemäße, bevorzugte Ausführung von Luftzufuhrsystem und Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine wie beispielsweise einen Dieselmotor oder einen Ottomotor eines Kraftwagens, insbesondere eines Personenkraftwagens. Das Abgassystem umfasst einen ersten Abgasturbolader 12 mit einer in einem Abgastrakt 14 der Verbrennungskraftmaschine angeordneten ersten Turbine 16 und einem in einem Ansaugtrakt 18 der Verbrennungskraftmaschine angeordneten ersten Verdichter 20. Die erste Turbine 16 umfasst ein Turbinengehäuse, in welchem ein mit einer Welle 22 des ersten Abgasturboladers 12 drehfest verbundenes Turbinenrad drehbar aufgenommen ist. Der erste Verdichter 20 umfasst ein Verdichtergehäuse, in welchem ein ebenso mit der Welle 22 drehfest verbundenes Verdichterrad drehbar aufgenommen ist. Der erste Verdichter 20 dient dazu, der Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Luft zu verdichten.
Darüber hinaus umfasst das Abgassystem einen zweiten Abgasturbolader 24, welcher ebenso eine in dem Abgastrakt 14 angeordnete zweite Turbine 26 aufweist. Auch die zweite Turbine 26 umfasst ein Turbinengehäuse, in welchem ein drehfest mit einer weiteren Welle 28 des zweiten Abgasturboladers 24 verbundenes Turbinenrad drehbar aufgenommen ist. Der zweite Abgasturbolader 24 umfasst einen zweiten Verdichter 30 mit einem Verdichtergehäuse, in welchem ein mit der weiteren Welle 28 drehfest verbundenes Verdichterrad drehbar aufgenommen ist. Auch mittels des zweiten Verdichters 30 ist der Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Luft verdichtbar. Der erste Verdichter 20 und der zweite Verdichter 30 sind dabei von der jeweils korrespondierenden ersten Turbine 16 bzw. der zweiten Turbine 26 antreibbar. Die erste Turbine 16 und die zweite Turbine 26 sind infolge von über sie geleitetem Abgas antreibbar. Mit dem Abgas werden die Turbinenräder beaufschlagt und dadurch angetrieben, so dass über die Welle 22 und die weitere Welle 28 die Verdichterräder von erstem und zweitem Verdichter 20 bzw. 30 angetrieben werden.
Das Abgassystem umfasst weiter einen Abgaskatalysator 50, der erfindungsgemäß einen ersten Katalysatorteil 50a und einen strömungsmäßig nachgeschalteten zweiten Katalysatorteil 50b aufweist. Dem Abgaskatalysator 50 sind vorzugsweise ein oder mehrere der Abgasreinigung dienende Abgasnachbehandlungskomponenten nachgeschaltet, was nicht näher dargestellt ist. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Partikelfilter und/oder einen SCR-Katalysator und/oder einen Stickoxidspeicherkatalysator handeln. Der Abgaskatalysator 50 ist bevorzugt als motornah angeordneter Startkatalysator in der Art eines Oxidationskatalysators oder eines Drei-Wege-Katalysators ausgeführt, wobei die beiden Katalysatorteile 50a, 50b vorliegend in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Bevorzugt ist es, wenn der zweite Katalysatorteil 50b mit geringem Abstand zum ersten Katalysatorteil angeordnet ist. Infolge einer solchen eng benachbarten Anordnung kann von der Eintrittsseite des zweiten Katalysatorteils 50b ausgehende Wärmestrahlung den stromaufwärtigen ersten Katalysatorteil 50a verlustarm erreichen und diesen gegebenenfalls aufwärmen. Es ist außerdem bevorzugt, wenn die Katalysatorteile 50a und 50b annähernd gleich dimensioniert sind. Der zweite Katalysatorteil 50b kann jedoch auch etwas kleiner als der erste Katalysatorteil 50a ausgeführt sein, so dass er etwa 30% des Volumens des gesamten Abgaskatalysators 50 ausmacht. Dadurch ist gegebenenfalls ein verbessertes Anspringverhalten ermöglicht.
Um das Abgas der Verbrennungskraftmaschine der ersten Turbine 16, der zweiten Turbine 26 und/oder dem Abgaskatalysator 50 zuführen zu können, ist eine Leitungsanordnung mit einer eine Mehrzahl von Abgasleitungen 32, 34, 36, 38, 40 und 42 vorgesehen, welche von Abgas durchströmbar sind.
Ein Abgaskrümmer 44 der Verbrennungskraftmaschine sammelt das aus Brennräumen, insbesondere Zylindern, der Verbrennungskraftmaschine strömende Abgas, welches weiter der fluidisch mit dem Abgaskrümmer 44 verbundenen Abgasleitung 32 zugeführt wird.
Die erste Turbine 16 ist eingangsseitig fluidisch mit der Abgasleitung 34 verbunden, welche wiederum an einer Verbindungsstelle 48 fluidisch mit der Abgasleitung 32 verbunden ist. Ausgangsseitig ist die erste Turbine 16 fluidisch mit der Abgasleitung 40 verbunden, so dass das die erste Turbine 16 durchströmende Abgas von der ersten Turbine 16 abführbar und direkt zum zweiten Katalysatorteil 50b führbar ist.
Die zweite Turbine 26 ist eingangsseitig mit der Abgasleitung 36 fluidisch verbunden, so dass Abgas der Verbrennungskraftmaschine auch direkt zur zweiten Turbine 26 geleitet werden kann. Ausgangsseitig ist die zweite Turbine 26 mit der Abgasleitung 42 verbunden, mittels welcher Abgas von der zweiten Turbine 26 abgeführt und zum ersten Katalysatorteil 50a geleitet werden kann.
Um verschiedene Betriebszustände realisieren zu können, umfasst die Leitungsanordnung ein Regelventil 52, welches in der Abgasleitung 36 angeordnet ist, sowie ein Ventil 54, welches in der Abgasleitung 40 angeordnet ist. Das Regelventil 52 und das Ventil 54 sind zwischen einer die Abgasleitung 36 bzw. 40 fluidisch versperrenden Schließstellung und einer die Abgasleitung 36 bzw. 40 fluidisch freigebende Freigabestellung verstellbar, so dass Abgas in der Freigabestellung die Abgasleitung 36 bzw. 40 durchströmen kann bzw. in der Schließstellung die Abgasleitung 36 bzw. 40 nicht durchströmen kann. Darüber hinaus ist es möglich, insbesondere das Ventil 54 und/oder gegebenenfalls das Regelventil 52 in wenigstens eine Zwischenstellung zu schalten, in welcher ein Strömungsquerschnitt der Abgasleitung 36 bzw. 40 mittels des Regelventils 52 bzw. des Ventils 54 dargestellt ist, welcher größer ist als in der Schließstellung jedoch geringer als in der Freigabestellung. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass das Abgas in der Zwischenstellung die Abgasleitung 36 bzw. 40 durchströmen kann, jedoch über einen geringeren Querschnitt als in der Freigabestellung, so dass es die Abgasleitung 36 bzw. 40 gegenüber der Freigabestellung gedrosselt durchströmen kann.
Wie der 1 zu entnehmen ist, ist die Abgasleitung 38 einerseits an einer Verbindungsstelle 53 fluidisch mit der Abgasleitung 40 verbunden, wobei die Verbindungsstelle 53 stromab der ersten Turbine 16 und stromauf des Ventils 54 angeordnet ist. Andererseits ist die Abgasleitung 38 an einer Verbindungsstelle 56 fluidisch mit der Abgasleitung 36 verbunden, wobei die Verbindungsstelle 56 stromab des Regelventils 52 und stromauf der zweiten Turbine 26 angeordnet ist. Je nach Öffnungsgrad des Ventils 54 gelangt somit über die erste Turbine 16 geleitetes Abgas direkt zum zweiten Katalysatorteil 50b oder direkt zur zweiten Turbine 26.
Im Ansaugtrakt 18 angeordnete Luftleitungen 58, 60, 62, 64 und 66 dienen dazu, dem ersten Verdichter 20 und dem zweiten Verdichter 30 zu verdichtende Luft zuführen und verdichtete Luft von diesen abzuführen.
Die Luftleitung 58 ist einerseits verbunden mit einem in dem Ansaugtrakt 18 angeordneten Luftfilter 68, mittels welchem von der Verbrennungskraftmaschine angesaugte Luft zu filtern ist. Andererseits ist die Luftleitung 58 fluidisch mit dem zweiten Verdichter 30 verbunden, so dass dem zweiten Verdichter 30 über die Luftleitung 58 zu verdichtende, gefilterte Luft zugeführt werden kann. Ausgangsseitig ist der zweite Verdichter 30 mit der Luftleitung 60 verbunden, um die von diesem verdichtete Luft abzuführen. Die Luftleitung 60 ist des Weiteren mit einem Ladeluftkühler 72 fluidisch verbunden. Mittels des Ladeluftkühlers 72 ist die infolge der Verdichtung erwärmte Luft abzukühlen, um den Aufladegrad zu erhöhen.
Der erste Verdichter 20 ist eingangsseitig mit der Luftleitung 64 verbunden, um dem Verdichter 20 zu verdichtende gefilterte Luft zuführen zu können. Ausgangsseitig ist der erste Verdichter 20 mit der Luftleitung 66 verbunden, um die von dem ersten Verdichter 20 verdichtete Luft von diesem abführen zu können.
Die Luftleitung 62 ist einerseits an einer Verbindungsstelle 74 fluidisch mit der Luftleitung 58 und andererseits an einer Verbindungsstelle 76 mit der Luftleitung 60 fluidisch verbunden. An der Verbindungsstelle 76 ist auch die Luftleitung 64 fluidisch mit der Luftleitung 60 verbunden. Zur Darstellung unterschiedlicher Betriebszustände umfasst der Ansaugtrakt 18 ferner ein vorliegend als selbstregelndes Rückschlagventil ausgebildetes Ventil 78, welches in der Luftleitung 62 zwischen der Verbindungsstelle 74 und der Verbindungsstelle 76 angeordnet ist. Außerdem ist ein vorliegend ebenfalls als selbstregelndes Rückschlagventil ausgebildetes weiteres Ventil 80 vorgesehen, welches in der Luftleitung 60 angeordnet ist. Das Rückschlagventil 80 ist dabei stromab der Verbindungsstelle 76 und stromauf einer weiteren Verbindungsstelle 82 angeordnet, an welcher die Luftleitung 66 fluidisch mit der Luftleitung 60 verbunden ist. Die Rückschlagventile 78 und 80 sind dabei selbstregelend zwischen einer die Luftleitung 62 bzw. 60 fluidisch versperrenden Schließstellung und einer die Luftleitung 62 bzw. 60 fluidisch freigebenden Freigabestellung durch den anliegenden Differenzdruck betätigbar bzw. verstellbar.
Die erste Turbine 16 weist vorliegend eine so genannte variable Turbinengeometrie auf und ist dadurch an unterschiedliche Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine, das heißt an unterschiedliche Massenströme des den Abgastrakt 14 durchströmenden Abgases anpassbar. Mittels der variablen Turbinengeometrie kann ein effektiver Strömungsquerschnitt der ersten Turbine 16 eingestellt, d. h. vergrößert und demgegenüber verkleinert werden.
Die zweite Turbine 26 weist vorliegend eine feste Turbinengeometrie auf. Die zweite Turbine 26 ist, wie in der 1 schematisch dargestellt ist, hinsichtlich ihres effektiven Strömungsquerschnitts größer ausgestaltet und auf besonders große Massenströme des den Abgastrakt 14 durchströmenden Abgases ausgelegt. Dementsprechend weist das Turbinenrad eine gegenüber der Trägheit des Turbinenrads der ersten Turbine 16 höhere Trägheit auf, stellt jedoch aufgrund ihres gegenüber der ersten Turbine 16 größeren Strömungsquerschnitt einen geringeren Strömungswiderstand für das Abgas dar als die erste Turbine 16. Demgegenüber weist die erste Turbine 16 den Vorteil auf, dass ihr Turbinenrad eine geringere Trägheit als das Turbinenrad der zweiten Turbine 26 aufweist und dementsprechend schneller zu beschleunigen ist, was insbesondere bei geringeren Massenströmen des Abgases von Vorteil ist.
Nachfolgend wird anhand der 2 bis 6 für unterschiedliche Betriebszustände der Betrieb des erfindungsgemäßen Abgassystems näher erläutert. Dabei wird ohne Einschränkung der Allgemeinheit davon ausgegangen, dass ausgehend von einem kalten Zustand der Verbrennungskraftmaschine und des Abgassystems die Verbrennungskraftmaschine in Bezug auf ihre Leistungsabgabe ausgehend von niedrigen Werten auf Nennleistung hochgefahren wird, so dass der gesamte Lastbereich abgedeckt ist. Hierfür wird zunächst Bezug auf 2 genommen, in welcher das in 1 dargestellte System ergänzt um Strömungspfeile entsprechend einem Betriebszustand mit niedriger Last bzw. Abgastemperatur skizziert ist.
In diesem nachfolgend als ersten Betriebszustand bezeichneten Betrieb, welcher von Leerlauf bis zu einer niedrigen Last von etwa 30% bis 40% der Nennlast und vergleichsweise niedrigen Drehzahlen reicht, ist ausschließlich oder nahezu ausschließlich der erste Abgasturbolader 12 in Betrieb. Somit erfolgt eine Verdichtung von der Verbrennungskraftmaschine zugeführter Verbrennungsluft lediglich mittels des ersten Verdichters 20. In diesem ersten Betriebszustand befindet sich das Regelventil 52 in seiner Schließstellung, während sich das Ventil 54 in seiner Freigabestellung befindet. In diesem Betriebszustand strömt das Abgas aus dem Abgaskrümmer 44 in die Abgasleitung 32 gemäß dem Richtungspfeil 46 ein und strömt aufgrund des geschlossenen Regelventils 52 weiter über die Verbindungsstelle 48 in die Abgasleitung 34 gemäß einem Richtungspfeil 84 und in die erste Turbine 16, wodurch das Turbinenrad der ersten Turbine 16 und damit das Verdichterrad des ersten Verdichters 20 angetrieben wird. Nach Durchströmen der ersten Turbine 16 strömt das Abgas weiter in die Abgasleitung 40 gemäß einem Richtungspfeil 86. Die Abgasleitung 40 leitet das Abgas weiter über das geöffnete Ventil 54 gemäß einem Richtungspfeil 88 zum zweiten Katalysatorteil 50b.
Aufgrund des gegebenen Druckgefälles strömt das Abgas nicht oder ein nur sehr geringer Teil des Abgases von der Abgasleitung 40 über die Verbindungsstelle 53 in die Abgasleitung 38, so dass die zweite Turbine 26 nicht von dem Abgas angetrieben wird. Dies bedeutet, dass lediglich der erste Abgasturbolader 12 mit der ersten Turbine 16 aktiv ist, während der zweite Abgasturbolader 24 mit der zweiten Turbine 26 inaktiv ist.
Somit gelangt das gesamte von der Verbrennungskraftmaschine gelieferte Abgas oder zumindest dessen weit überwiegender über die erste Turbine 16 direkt zum zweiten Katalysatorteil 50b, wobei dieses ausgehend von einem kalten Zustand aufgewärmt wird. Da lediglich der typischerweise etwa die Hälfte oder einen kleinern Teil des gesamten Volumens des Abgaskatalysators 50 umfassende zweite Katalysatorteil 50b mit dem Abgas des Verbrennungskraftmaschine beaufschlagt wird, erfolgt trotz eines entsprechend der niedrigen Last der Verbrennungskraftmaschine niedrigen Abgastemperatur dennoch eine effektive und rasche Aufwärmung des zweiten Katalysatorteils 50b. Einen weiteren, insbesondere für die niedrigen Lasten im ersten Betriebszustand wichtigen Vorteil stellt der gegenüber einer Durchströmung des gesamten Abgaskatalysators 50 verminderte Druckverlust dar.
Auf Seiten des Ansaugtrakts 18 befindet sich das Rückschlagventil 80 in seiner Schließstellung, während sich das Rückschlagventil 78 in seiner Offenstellung befindet. Dadurch strömt die Luft aus dem Luftfilter 68 gemäß einem Richtungspfeil 70 in die Luftleitung 58 und aufgrund des geschlossenen Rückschlagventils 80 und des inaktiven zweiten Abgasturboladers 24 über die Verbindungsstelle 74 in die Luftleitung 62 und weiter über das geöffnete Rückschlagventil 78 gemäß einem Richtungspfeil 90 zum ersten Verdichter 20, welcher von der ersten Turbine 16 angetrieben wird und mittels welchem die Luft verdichtet wird. Nachdem der erste Verdichter 20 die Luft verdichtet hat, strömt diese weiter gemäß einem Richtungspfeil 92 zur Verbindungsstelle 82, strömt in die Luftleitung 60 stromab des Rückschlagventils 80 ein und gemäß einem Richtungspfeil 94 weiter zum Ladeluftkühler 72.
In diesem ersten Betriebszustand kann somit die Luft auch bei niedrigen Lasten und/oder Drehzahlen und bei niedrigen Massenströmen des Abgases besonders effizient verdichtet werden, da die erste Turbine 16, wie geschildert, besonders gut bei diesen Bedingungen angetrieben werden kann. Vorzugsweise ist bei derartig niedrigen Drehzahl- und/oder Lastbereichen der Verbrennungskraftmaschine mittels der variablen Turbinengeometrie der ersten Turbine 16 ein effektiver Strömungsquerschnitt der ersten Turbine 16 eingestellt, welcher gegenüber einem mittels der variablen Turbinengeometrie einstellbaren maximalen Strömungsquerschnitt geringer ist. So liegt ein gedrosselter Betrieb der ersten Turbine 16 vor, in welchem sie auch mit besonders geringen Massenströmen des Abgases besonders gut antreibbar ist.
Die Verhältnisse bei Steigerung der Leistungsabgabe und somit ansteigender Temperatur des von der Verbrennungskraftmaschine abgegebenen Abgases eines zweiten Betriebszustands sind in 3 skizziert. In dem auch als Übergangszustand oder Zwischenbereich zu bezeichnenden zweiten Betriebszustand mit gegenüber dem ersten Betriebszustand erhöhter Abgastemperatur bzw. Last von etwa 40% bis 50% der Nennlast und typischerweise erhöhter, mittlerer Drehzahl ist der erste Abgasturbolader 12 in Betrieb und der zweite Abgasturbolader 24 befindet sich in einem Anlaufzustand mit etwa 0% bis 20% seiner Nenndrehzahl. Im zweiten Betriebszustand verbleibt das Regelventil 52 in seiner die Abgasleitung 36 fluidisch versperrenden Schließstellung. Auch das Rückschlagventil 78 verbleibt in seiner Freigabestellung, und das Rückschlagventil 80 verbleibt in seiner Schließstellung.
Im Gegensatz zum mit Bezug zu 2 geschilderten ersten Betriebszustand wird das Ventil 54 in seine Zwischenstellung überführt, so dass Abgas die Abgasleitung 40 nur noch gedrosselt durchströmen kann. Dies bewirkt einen gegenüber dem ersten Betriebszustand höheren Widerstand für das Abgas, wodurch bewirkt ist, dass ein Teil von über die erste Turbine 16 geleitetem Abgas über die Verbindungsstelle 53 von der Abgasleitung 40 in die Abgasleitung 38 gemäß einem Richtungspfeil 96 einströmt. Der hierzu komplementäre, typischerweise größere Anteil des von der Verbrennungskraftmaschine insgesamt abgegebenen und über die erste Turbine 16 geführten Abgases gelangt weiterhin direkt von der ersten Turbine 16 zum zweiten Katalysatorteil 50b.
In die Abgasleitung 38 einströmendes Abgas strömt weiter über die Verbindungsstelle 56 in die Abgasleitung 36 und in die zweite Turbine 26, wodurch die zweite Turbine 26 bzw. dessen Turbinenrad angetrieben werden und anlaufen kann. Nach Durchströmen der zweiten Turbine 26 strömt das Abgas gemäß einem Richtungspfeil 98 in die Abgasleitung 42, mittels welcher das Abgas zum ersten Katalysatorteil 50a und nach dessen Durchströmung durch den zweiten Katalysatorteil 50b geleitet wird. Typischerweise ist zumindest der zweite Katalysatorteil 50b bereits derart aktiv, dass das gesamte von der Verbrennungskraftmaschine gelieferte und über den zweiten Katalysatorteil 50b geleitete Abgas entsprechend der Reinigungsfunktion des Abgaskatalysators 50 katalytisch gereinigt wird. Der zweite Katalysatorteil 50b wird dabei weiter, insbesondere durch das ihm direkt von der ersten Turbine 16 zugeführte, nunmehr deutlich heißere Abgas aufgeheizt. Der erste Katalysatorteil 50a wird durch das ihm von der zweiten Turbine 26 zugeführte Abgas aufgewärmt. Zusätzlich erfolgt eine Aufwärmung des ersten Katalysatorteils 50a durch vom nahe angeordneten zweiten Katalysatorteil 50b ausgehende Wärmestrahlung. Dadurch ist eine effektive Aufheizung des gesamten Abgaskatalysators 50 ermöglicht.
Im zweiten Betriebszustand wird die variable Turbinengeometrie der ersten Turbine 16 vorzugsweise derart eingestellt, dass sie gegenüber dem ersten Betriebszustand einen größeren Strömungsquerschnitt aufweist. Dies hat den Vorteil, dass der vergrößerte Strömungsquerschnitt nun für den größeren Massenstrom des Abgases keinen unerwünscht großen Strömungswiderstand darstellt, wie es beispielsweise bei einem demgegenüber kleineren und im ersten Betriebszustand vorzugsweise vorliegenden Strömungsquerschnitt der Fall wäre.
Durch diesen Übergangsbetriebszustand ist es ermöglicht, die zweite Turbine 26 und damit den zweiten Abgasturbolader 24 allmählich zu starten und auf Drehzahl zu bringen, ohne dass ein unerwünscht abrupter Übergang vor einem ersten zu einem weiteren Betriebszustand gegeben ist. Jedoch ist zu beachten, dass auch in dem Übergangszustand der Verbrennungskraftmaschine zugeführte Verbrennungsluft vollständig oder zumindest zum weit überwiegenden Teil nur mittels des ersten Verdichters 20 verdichtet wird. Der zweite Verdichter 30 trägt in diesem Übergangszustand noch nicht oder nur geringfügig zu der Verdichtung der Verbrennungsluft bei.
Die Verhältnisse bei weiterer Steigerung der Leistungsabgabe und somit weiter ansteigender Temperatur des von der Verbrennungskraftmaschine abgegebenen Abgases eines dritten Betriebszustands sind in 4 skizziert. In diesem Betriebszustand mit gegenüber dem zweiten Betriebszustand weiter erhöhter Abgastemperatur bzw. Last von etwa 50% bis 60% der Nennlast und typischerweise weiter erhöhter Drehzahl ist eine zweistufige serielle Verdichtung der Verbrennungsluft durch den ersten Verdichter 20 und den zweiten Verdichter 30 gegeben. Das Regelventil 52 befindet sich nach wie vor in seiner Schließstellung, während sich das Ventil 54 in seiner Zwischenstellung befindet. Somit strömt analog zum ersten und zum zweiten Betriebszustand das gesamte von der Verbrennungskraftmaschine gelieferte Abgas über die erste Turbine 16. Dabei weist die variable Turbinengeometrie der ersten Turbine 16 einen größeren Strömungsquerschnitt auf als im ersten Betriebszustand. Ebenso kann vorgesehen sein, dass die variable Turbinengeometrie zur Darstellung eines maximal einstellbaren effektiven Strömungsquerschnitts der ersten Turbine 16 maximal geöffnet ist.
Typischerweise ist der Öffnungsgrad des Ventils 54 gegenüber dem zweiten Betriebszustand vermindert und es wird ein entsprechend verminderter Anteil des über die erste Turbine 16 geleiteten Abgases über die Abgasleitung 40 entsprechend den Richtungspfeilen 86, 88 direkt weiter zum zweiten Katalysatorteil 50b geleitet. Dadurch wird eine unerwünscht hohe, insbesondere thermische Belastung des zweiten Katalysatorteils 50b vermieden. Der komplementäre, typischerweise größere Anteil des von der Verbrennungskraftmaschine insgesamt abgegebenen und über die erste Turbine 16 geführten Abgases gelangt über die Abgasleitung 38 zur zweiten Turbine 26. Somit erfolgt ein Hochlaufen des zweiten Abgasturboladers 24 und die zweite Turbine 26 bzw. deren Turbinenrad weist eine nicht unerhebliche Drehzahl auf, so dass der dadurch angetriebene zweite Verdichter 30 zur Verdichtung von Verbrennungsluft in nicht unerheblichem Maße beitragen kann. Eine katalytische Abgasreinigung durch den Abgaskatalysator 50 kann problemlos erfolgen, da dieser voll aktiv ist und für den größeren Teil des gesamten Abgasstroms das volle Katalysatorvolumen zur Verfügung steht.
Im Unterschied zu den vorhergehenden Betriebszuständen sind nun jedoch die Rückschlagventile 78 und 80 in ihre Schließstellungen eingestellt. Dies bewirkt, dass die Luft nun nicht über die Verbindungsstelle 74 in die Luftleitung 62 einströmt, sondern gemäß einem Richtungspfeil 100 über die Luftleitung 58 zum zweiten Verdichter 30 strömt und in diesen einströmt. Nachdem der zweite Verdichter 30 die Luft verdichtet hat, strömt diese weiter gemäß einem Richtungspfeil 102 durch die Luftleitung 60 und strömt aufgrund des geschlossenen Rückschlagventils 80 über die Verbindungsstelle 76 in die Luftleitung 64 gemäß einem Richtungspfeil 90 ein und wird dem ersten Verdichter 20 des ersten Abgasturboladers 12 zugeführt.
In dem in der 4 gezeigten dritten Betriebszustand wird die Verbrennungsluft somit zunächst durch den zweiten Verdichter 30 als erste Stufe und anschließend durch den seriell zu dem zweiten Verdichter 30 geschalteten und in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft durch den Ansaugtrakt 18 stromab dieses angeordneten ersten Verdichters 20 als zweite Stufe zweistufig nacheinander verdichtet.
In diesem Betriebszustand sind nicht nur der erste Verdichter 20 und der zweite Verdichter 30 sondern, wie schon in dem Übergangsbetriebszustand gemäß 3, auch die erste Turbine 16 und die zweite Turbine 20 seriell zueinander geschaltet. Dies bedeutet, dass Abgas zunächst die erste Turbine 16 und danach anschließend die zweite Turbine 26 durchströmt. So wird dieses Abgas zunächst durch die erste Turbine 16 und anschließend nochmals durch die zweite Turbine 26 expandiert. Da das Abgas stromauf der ersten Turbine 16 einen höheren Druck aufweist als stromauf der zweiten Turbine 26 und stromab der ersten Turbine 16, werden die erste Turbine 16 in derartigen Betriebszuständen als Hochdruck-Turbine und damit der erste Abgasturbolader 12 als Hochdruck-Abgasturbolader und die zweite Turbine 26 als Niederdruck-Turbine und damit der zweite Abgasturbolader 24 als Niederdruck-Abgasturbolader bezeichnet. Dabei sei angemerkt, dass sich die zweite Turbine 26 bzw. dessen Turbinenrad wie schon in dem zweiten Betriebszustand gemäß 3 noch in einer so genannten Anlauf- bzw. Hochlaufphase befindet, in welcher die zweite Turbine 26 bzw. das entsprechende Turbinenrad hinsichtlich seiner Drehzahl noch beschleunigt wird.
Bei ausgehend vom unter Bezug auf 4 geschilderten Betriebszustand erfolgender weiteren Erhöhung der Lasten und/oder der Drehzahlen der Verbrennungskraftmaschine wird ein weiterer, vierter Betriebszustand aktiv, welcher anhand der 5 nachfolgend erläutert ist.
In diesem Betriebszustand, welcher mit einem zugeordneten typischerweise relativ schmalen Leistungsband um etwa 65% der Nennlast auch als Übergangszustand betrachtet werden kann, befindet sich das Regelventil 52 in seiner Schließstellung. Das gesamte von der Verbrennungskraftmaschine gelieferte Abgas wird über die erste Turbine 16 geleitet. Dabei ist die variable Turbinengeometrie der Turbine 16 vorzugsweise auf ihren maximal einstellbaren, d. h. größtmöglichen effektiven Strömungsquerschnitt eingestellt, so dass sie für den mit den erhöhten Drehzahlen und/oder Lasten einhergehenden erhöhten Massenstrom des Abgases keinen unerwünscht hohen Strömungswiderstand darstellt.
Im Unterschied zu den oben erläuterten Betriebszuständen befindet sich nun das Ventil 54 in seiner Schließstellung, so dass Abgas die Abgasleitung 40 nicht durchströmen kann. Das gesamte von der Verbrennungskraftmaschine gelieferte Abgas gelangt somit von der ersten Turbine 16 weiter über die Abgasleitung 38 entsprechend dem Richtungspfeil 96 zur zweiten Turbine 26. Dabei steigert sich die Drehzahl der zweiten Turbine 26 bzw. die Drehzahl des entsprechenden Turbinenrads weiter in Richtung Nenndrehzahl. Der erste Abgasturbolader 12 und der zweite Abgasturbolader 24 sind daher abgasseitig bzw. turbinenseitig seriell betrieben bzw. geschaltet, woraus eine besonders gute Leistungsentfaltung der Verbrennungskraftmaschine resultiert. Infolge des geschlossenen Ventils 54 gelangt der nunmehr weiter in Bezug auf Menge und Temperatur angestiegene Abgasstrom vollständig über die Abgasleitung 42 gemäß dem Richtungspfeil 98 zur Eingangsseite des ersten Katalysatorteils 50a. Somit wird zur Abgasreinigung das gesamte Volumen des Abgaskatalysators 50 genutzt. Dadurch ist eine besonders gute Reinigungswirkung ermöglicht, da eine Überlastung des zweiten Katalysatorteils 50b vermieden ist.
Das Rückschlagventil 78 befindet sich indes differenzdruckbedingt in seiner Schließstellung, während sich das Rückschlagventil 80 in seiner Offenstellung befindet. Die gesamte der Verbrennungskraftmaschine zugeführte Verbrennungsluft wird zunächst über die Luftleitung 58 zum zweiten Verdichter 30 geführt, durch welchen die Verbrennungsluft verdichtet wird. Anschließend strömt ein typischerweise größerer Teil der bereits verdichteten Verbrennungsluft über die Luftleitung 60 zum Ladeluftkühler 72 gemäß einem Richtungspfeil 106. Ein typischerweise kleinerer Anteil der vom zweiten Verdichter 30 verdichteten Verbrennungsluft gelangt über Verbindungsstelle 76 und die Luftleitung 64 zum ersten Verdichter 20, durch welchen sie weiter verdichtet wird und gemäß dem Richtungspfeil 92 weiter durch die Luftleitung 66 und über die Verbindungsstelle 82 in die Luftleitung 60 strömt und gemäß dem Richtungspfeil 94 ebenso zu dem Ladeluftkühler 72.
Dadurch ist ein paralleler Betrieb des ersten Verdichters 20 und des zweiten Verdichters 30 dargestellt, welche Verbrennungsluft gleichzeitig verdichten. Die Turbinen 16 und 26 sind indes nach wie vor seriell zueinander geschaltet und werden nacheinander von Abgas durchströmt. Beide Abgasturbolader, der erste Abgasturbolader 12 und der zweite Abgasturbolader 24 sind aktiv. Infolge dieser Verdichterschaltung ist eine besonders gute Leistungsentfaltung der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht.
Bei weiterer Erhöhung der Last bzw. der Leistung und/oder der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine gelangt diese in den oder in die Nähe des Volllastbereichs mit typischerweise wenigstens 70% der Nennleistung und es wird ein weiterer, fünfter Betriebszustand aktiv, welcher anhand der 6 nachfolgend erläutert ist.
In diesem fünften Betriebszustand verbleibt das Ventil 54 in seiner Schließstellung wohingegen das Regelventil 52 in seine Freigabestellung verstellt wird. Von der Verbrennungskraftmaschine abgegebenes Abgas umgeht daher weitestgehend die erste Turbine 16 und strömt insbesondere aufgrund von gegebenen Druckgefällen über die Abgasleitung 36 und das geöffnete Regelventil 52 zumindest im Wesentlichen direkt zur zweiten Turbine 26 und treibt diese an. In diesem fünften Betriebszustand ist eine besonders hohe Leistung und ein besonders hohes Drehmoment darstellbar, da die insbesondere hinsichtlich ihrer Dimensionen, und insbesondere ihres Strömungsquerschnitts, im Verhältnis zur ersten Turbine 16 größere zweite Turbine 26 alleinig aktiv ist und vom Abgas angetrieben wird. Das Abgas muss in derartigen Volllastbereichen oder volllastnahen Betriebsbereichen nicht durch einen gegenüber der zweiten Turbine 26 vergleichsweise geringen Strömungsquerschnitt der ersten Turbine 16 strömen, was einen unerwünscht hohen Strömungswiderstand darstellen würde.
Analog zum vierten Betriebszustand gelangt das gesamte Abgas der Verbrennungskraftmaschine über die Abgasleitung 42 gemäß dem Richtungspfeil 98 zur Eingangsseite des ersten Katalysatorteils 50a. Somit steht für den hohen Abgasmassenstrom des fünften Betriebszustands das gesamte Volumen des Abgaskatalysators 50 zur Abgasreinigung zur Verfügung.
Auf der Seite des Ansaugtrakts 18 verbleibt das Rückschlagventil 78 in seiner Schließstellung, während das Rückschlagventil 80 in seiner Offenstellung verbleibt. Somit wird der erste Verdichter 20 zumindest im Wesentlichen umgangen und es erfolgt nun eine Verdichtung der gesamten der Verbrennungskraftmaschine zugeführten Verbrennungsluft zumindest im Wesentlichen lediglich mittels des zweiten Verdichters 30 und nicht mehr auch und/oder zusätzlich durch den Verdichter 20, wie es bei den Betriebszuständen gemäß 4 und 5 der Fall ist. Im fünften Betriebszustand erfolgt somit eine Verdichtung der Verbrennungsluft ebenso wie im ersten Betriebszustand lediglich durch einen einzelnen Abgasturbolader. Im Gegensatz zum ersten Betriebszustand gemäß 2 erfolgt nun allerdings die Verdichtung der Luft nicht durch den ersten Verdichter 20 des ersten, kleineren Abgasturboladers 12, sondern durch den der zweiten Turbine 26 zugeordneten zweiten Verdichter 30 des größeren, leistungsfähigeren zweiten Abgasturboladers 24.
Wie den 1 bis 6 zu entnehmen ist, ist das Abgassystem besonders flexibel an unterschiedliche Betriebszustände der Kraftmaschine und des Abgaskatalysators anpassbar und weist ein besonders gutes und geringes Ansprechverhalten auf, sodass bei Betriebspunktübergängen das so genannte Turboloch zumindest im Wesentlichen vermieden wird und die Verbrennungskraftmaschine zumindest nahezu in ihrem gesamten Kennfeld vorteilhaft mit verdichteter Luft versorgt werden kann. Dies kommt dem Fahrverhalten der Verbrennungskraftmaschine zugute, da so zumindest nahezu in dem gesamten Kennfeld gewünschte Leistungen und/oder Drehmomente zu realisieren sind. Dies bedeutet insbesondere eine sehr gute Anpassbarkeit des Fahrverhaltens der Verbrennungskraftmaschine an unterschiedliche Fahrsituationen wie beispielsweise das Fahren im Stadtverkehr oder über Land. In Bezug auf die Abgasreinigung resultiert ein besonders rasches Anspringen, wodurch ein besonders schadstoffarmer Kaltstart und Warmlauf ermöglicht ist.
Selbstverständlich können zusätzliche und/oder anderweitige Ventileinrichtungen als die in den 1 bis 6 gezeigten vorgesehen sein, um die geschilderten Betriebszustände zu realisieren. Auch eine anderweitige Anordnung ist möglich. Beispielsweise kann stromauf der ersten Turbine 16 eine Ventileinrichtung, insbesondere ein selbstregelndes Rückschlagventil vorgesehen sein. Ferner ist es möglich, stromab der ersten Turbine 16 und stromauf der zweiten Turbine 26 ein als Wastegate fungierendes Ventil einzusetzen, um den Ladedruck zu regeln. Alternativ oder zusätzlich ist möglich dass der erste Turbine 16 und/oder der zweite Turbine 26 ein als Wastegate fungierendes Ventil zugeordnet ist. Es ist selbstredend, dass die Ventile, Regelventil und Rückschlagventil, regelbar sind oder selbstregelnd ausgestaltet sein können.
Es versteht sich weiter, dass das dargestellt System auch in zweifacher Ausführung sinngemäß aufgebaut sein kann, um Abgase von zwei Zylindergruppen getrennt voneinander zu verarbeiten bzw. diesen getrennt voneinander Verbrennungsluft zuzuführen.
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

US 2009/0178406 [0002]

Claims

Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine, umfassend – einen ersten Abgasturbolader (12) mit einer ersten von Abgas der Verbrennungskraftmaschine antreibbaren Turbine (16), und – einen zweiten Abgasturbolader (24) mit einer zweiten, von Abgas der Verbrennungskraftmaschine antreibbaren Turbine (26), und – einen Abgaskatalysator (50), sowie – eine ventilgesteuerte Leitungsanordnung, mit welcher Abgas der Verbrennungskraftmaschine über die erste und/oder die zweite Turbine (16; 26) leitbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass – der Abgaskatalysator (50) ein erstes Katalysatorteil (50a) und ein in Bezug auf die Abgasströmungsrichtung nachgeschaltetes zweites Katalysatorteil (50b) aufweist, und – ein in Abhängigkeit von der Temperatur des von der Verbrennungskraftmaschine gelieferten Abgases und/oder ein in Abhängigkeit von einer Leistungsabgabe der Verbrennungskraftmaschine bestimmter Anteil von über die erste Turbine (16) geleitetem Abgas direkt zum zweiten Katalysatorteil (50b) leitbar ist.
Abgassystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Abgas der Verbrennungskraftmaschine nur über die erste Turbine (16) oder über die erste und über die zweite Turbine (16; 26) oder nur über die zweite Turbine (26) leitbar ist.
Abgassystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass über die zweite Turbine geleitetes Abgas dem ersten Katalysatorteil (50a) zuführbar ist.
Abgassystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungsanordnung eine durch ein erstes Ventil (52) gesteuerte Bypassleitung für die erste Turbine (16) und eine durch ein zweites Ventil (54) gesteuerte Verbindungsleitung (40) aufweist, mit welcher Abgas von der ersten Turbine (16) direkt zum zweiten Katalysatorteil (50b) leitbar ist.
Abgassystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskatalysator (50) als brennkraftmaschinennah angeordneter Startkatalysator ausgelegt ist.
Abgassystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass das erste Katalysatorteil (50a) und das zweite Katalysatorteil (50b) mit geringem Abstand in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind.
Abgassystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abgasturbolader (12) kleiner dimensioniert ist als der zweite Abgasturbolader (24).
Verfahren zum Betreiben eines Abgassystems einer Verbrennungskraftmaschine mit einer einen ersten und einen zweiten Abgasturbolader (12; 24) aufweisenden Aufladevorrichtung und einem Abgaskatalysator (50) mit einem ersten Katalysatorteil (50a) und einem in Bezug auf die Abgasströmungsrichtung nachgeschalteten zweiten Katalysatorteil (50b), wobei ein in Abhängigkeit von der Temperatur des von der Verbrennungskraftmaschine gelieferten Abgases und/oder ein in Abhängigkeit von einer Leistungsabgabe der Verbrennungskraftmaschine bestimmter Anteil von über die Turbine (16) des ersten Abgasturboladers (12) geleitetem Abgas direkt zum zweiten Katalysatorteil (50b) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil von über die Turbine (16) des ersten Abgasturboladers (12) geleitetem Abgas, welcher nicht direkt zum zweiten Katalysatorteil (50b) geleitet wird, über die Turbine (26) des zweiten Abgasturboladers (24) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass über den ersten Katalysatorteil (50a) geleitetes Abgas vollständig über den zweiten Katalysatorteil (50b) geleitet wird.