DE10233495A1

DE10233495A1 - Brennkraftmaschine mit in einer Abgasleitung angeordnetem Abgasturbolader

Info

Publication number: DE10233495A1
Application number: DE2002133495
Authority: DE
Inventors: Marcus Dr. Bollig; Jan Velthuis; Julia Miersch
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2002-07-24
Filing date: 2002-07-24
Publication date: 2004-01-29

Abstract

Für eine Brennkraftmaschine mit in einer Abgasleitung angeordnetem Abgasturbolader mit nachgeschaltet angeordnetem Katalysator ist zur Reduzierung des in der Anordnung aus Abgasturbolader und Katalysator bewirkten Abgasgegendruckes eine zu dieser Anordnung parallele Bypassleitung vorgesehen, die ein kennfeld-aktivierbares Ventil umfasst und stromab des Katalysators in die Abgasleitung mündet.

Description

Die Erfindung bezieht sich nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 auf eine Brennkraftmaschine mit in einer Abgasleitung angeordnetem Abgasturbolader, dem in der Abgasleitung ein Katalysator nachgeschaltet angeordnet ist, und ferner eine stromauf des Abgasturboladers mit der Abgasleitung in mediumsführender Verbindung stehende, querschnittsgesteuerte Bypassleitung umfasst.

Eine derartige Brennkraftmaschine ist z.B. aus der DE-197 34 065 A1 bekannt, wobei die stromauf der Abgasturbine des Abgasturboladers mit der Abgasleitung verbundene Bypassleitung stromab der Abgasturbine und stromauf eines benachbarten Katalysators in die Abgasleitung mündet. Die die Abgasturbine umgehende Bypassleitung ist mit einem kennfeldgesteuerten Ventil zur lastabhängigen Querschnittseinstellung ausgerüstet. In dieser Anordnung bewirken der Abgasturbolader und der Katalysator durch ihre Reihenschaltung insbesondere bei geschlossenem Bypass-Ventil einen nachteilig hohen Abgasgegendruck, wodurch Leistung, Drehmoment und Ansprechverhalten der Brennkraftmaschine ungünstig beeinflusst sind. Bei Vollast-Betrieb ist zum Schutz der Abgasturbine sowie eines motornah vorgesehen Katalysators eine erhöhte Kraftstoffzufuhr zur Temperatursenkung erforderlich.

Die DE-43 44 277 A1 zeigt und beschreibt ebenfalls eine Brennkraftmaschine mit einem in einer Haupt-Abgasleitung angeordneten Abgasturbolader mit seriell nachgeschaltetem Haupt-Katalysator. Diese Brennkraftmaschine umfasst je Zylinder mehrere Auslassventile zu gesonderten Abgasleitungen, wobei jeweils eine Abgasleitung eines Zylinders mit einem Start-Katalysator ausgerüstet ist. Sämtliche derartigen Abgasleitungen münden in eine gemeinsame Neben-Abgasleitung, die im Bypass am Abgasturbolader vorbeigeleitet in die Haupt-Abgasleitung stromauf des Haupt-Katalysators einmündet. Mit Erreichen der Konversionstemperatur des Haupt-Katalysators werden die Abgasleitungen mit den Start-Katalysatoren abgeschaltet, so dass sich auch hierbei ein hoher Abgasgegendruck mit den weiter oben ubeschriebenen Nachteilen einschließlich der zusätzlichen Maßnahmen ergibt.

Schließlich ist aus der DE-43 22 736 A1 eine Brennkraftmaschine bekannt mit einem Abgassystem mit einer Katalysatoranordnung, der zwecks Vermeidung einer unerwünschten Abkühlung bei Schubabschaltungsphasen der Brennkraftmaschine einem Katalysator ein mit Schaltmitteln ausgerüsteter Bypass zugeordnet ist derart, dass bei Schubbetrieb die in die Abgasleitung ausgebrachte Ladung am Katalysator vorbeigeleitet ist. Ein Abgasturbolader ist bei dieser bekannten Anordnung nicht vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine eine den Abgasgegendruck mit einfachen Mitteln reduzierende Weiterbildung aufzuzeigen.

Diese Aufgabe ist mit dem Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die Bypassleitung stromab des dem Abgasturbolader nachgeschaltet angeordneten Katalysators in die Abgasleitung mündet.

Zur vorteilhaften Reduzierung des Abgasgegendruckes ist die Bypassleitung in ihrem Strömungsquerschnitt derart bemessen, dass mindestens 50% bei maxima lem Abgasstrom der Brennkraftmaschine an Abgasturbolader und Katalysator im Bypass vorbeigeleitet stromab des Katalysators der Abgasleitung zugeführt sind.

Damit ist am Turbinenausgang des Abgasturboladers insbesondere bei Volllast der Brennkraftmaschine auch eine Temperaturreduzierung erzielt, wodurch sich einerseits eine durch zusätzliche Kraftstoffzufuhr bewirkte Anfettung zum Bauteilschutz durch Kühlung im wesentlichen erübrigt, und zum anderen ist eine Auslegung auf maximale motorseitige Abgastemperaturen von über 1000° C bei Volllast möglich. Die vorgenannte Temperaturreduzierung resultiert aus dem mit der Erfindung verbundenen Wegfall des internen Waste-Gate und ist im weiteren derart vorteilhaft ausgeprägt, dass der Katalysator zum schnelleren Aufheizen dem Abgasturbolader relativ eng benachbart anzuordnen ist unter Beibehaltung eines günstigen Alterungsverhaltens, wobei mit einer geringeren Edelmetallbeladung auch eine Kostenersparnis erzielbar ist. Mit dem Wegfall des Waste-Gate ergibt sich weiter ein besserer Wirkungsgrad der Abgasturbine.

Schließlich eröffnet die mit der Erfindung verbundene, deutliche, turbinen-abströmseitige Temperaturreduzierung die Nutzung des Potentials einer neuen Tuurbinentechnologie, die eine Auslegung der maximalen Abgastemperatur (über 1000°C) deutlich über der konventionellen Auslegungstemperatur ermöglicht.

Die vorgenannten Vorteile lassen sich mit einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung dadurch umsetzen, dass der turbosueitige Katalysator als Startkatalysator ausgebildet ist und dass eine weitere Katalysatoreinrichtung in der Abgasleitung vorgesehen ist mit wenigstens einem Dreiwege-Katalysator. Wie oben bereits angedeutet, ist der Startkatalysator der Abgasturbine des Abgasturboladers relativ eng benachbart angeordnet mit dem Vorteil einer besseren Nutzung der reduzierten Temperaturen, womit auch die nachgeordnete Katalysatoreinrichtung schneller auf Betriebstemperatur gebracht ist.

Zur Regelung des Abgasgegendruckes umfasst die querschnitts-gesteuerte/geregelte Bypassleitung ein kennfeld-aktivierbares Ventil, das bei Kaltstart der Brennkraftmaschine in Schließstellung gesteuert/geregelt ist. Bei betriebswarmen Startkatalysator und betriebswarmer Katalysatoreinrichtung dient das Ventil bei im wesentlichen unwirksamen Abgasturbolader der Steuerung/Regelung einer den jeweiligen lastabhängigen Abgasgegendruck reduzierenden Offenstellung der Bypassleitung. Weiter findet das Ventil bei wirksamen Abgasturbolader im Teil- oder Vollastberueich über seine jeweils gesteuerte/geregelte Offenstellung bis zur Schließstellung Verwendung für eine verdichterseitige Ladedruckregelung. Schließlich ist das Bypass-Ventil im Schubbetrieb der Brennkraftmaschine in Offenstellung gebracht zur Vermeidung einer zu starken Abkühlung des Startkatalysators.

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben.
Eine Brennkraftmaschine 1 weist in einer Abgasleitung 2 einen angeordneten Abgasturbolader 3 auf, dem ein Katalysator 4 nachgeschaltet angeordnet ist. Zur Reduzierung des sich in der Anordnung aus Abgasturbolader 3 und Katalysator 4 ausbildenden Abgasgegendruckes ist eine zu dieser Anordnung parallel angeordnete, querschnittsgesteuerte Bypassleitung 5 vorgesehen, die stromauf des Abgasturboladers 3 mit der Abgasleitung 2 in mediumsführender Verbindung steht, und die erfindungsgemäß stromab des dem Abgasturbolader 3 nachgeschaltet angeordneten Katalysators 4 in die Abgasleitung 2 mündend angeordnet ist.
Zur besonders wirksamen Reduzierung ist die Bypassleitung 5 in ihrem Strömungsquerschnitt derart bemessen, dass mindestens 50% bei maximalem Abgasstrom der Brennkraftmaschine 1 an Abgasturbolader 3 und Katalysator 4 im Bypass vorbeigeleitet stromab des Katalysators 4 der Abgasleitung 2 zugeführt sind.
Da sich mit der erfindungsgemäßen Bypassleitung 5 ein in der Abgasturbine 3' integriertes Waste-Gate erübrigt und mit dessen Wegfall neben einer verbesserten Abgasausströmung aus der Abgasturbine 3' und damit gesteigertem Wirkungsgrad auch eine nicht unerhebliche Abgastemperatur-Senkung verbunden ist, kann der turboladerseitige Katalysator 4 als Startkatalysator 4' ausgebildet sein, wobei eine weitere Katalysatoreinrichtung 6 in der Abgasleitung 2 vorgesehen ist mit wenigstens einem Dreiwegekatalysator. Ferner kann auch ein Nox-Katalysator zusätzlich angeordnet sein.
In Verbindung mit der niedrigeren Abgastemperatur austrittseitig der Abgasturbine 3' ist der Startkatalysator 4' der Abgasturbine 3' des Abgasturboladers 3 relativ eng benachbart angeordnet.
Für eine lastabhängig angepasste Reduzierung des Abgasgegendruckes umfasst die querschnitts-gesteuerte/geregelte Bypassleitung 5 ein kennfeld-aktivierbares Ventil 7, das bei Kaltstart der Brennkraftmaschine 1 in Schließstellung gesteuert/geregelt ist. Weiter ist das Bypass-Ventil 7 bei betriebswarmen Startkatalysator 4' und betriebswarmer Katalysatoreinrichtung 6 bei im wesentlichen unwirksamen Abgasturbolader 3 in eine den Abgasgegendruck reduzierende Offenstellung der Bypassleitung 5 gesteuert/geregelt. Bei wirksamen Abgasturbolader 3 dient das Ventil 7 über seine jeweils gesteuerte/geregelte Offenstellung bis zur Schließstellung einer verdichterseitigen Ladedruckregelung. Im Schubbetrieb der Brennkraftmaschine 1 ist das Ventil 7 in maximale Offenstellung gebracht, um eine wesentliche Abkühlung des Startkatalysators 4' zu vermeiden.
Mit der Erfindung sind Leistung, Drehmoment und Ansprechverhalten der Brennkraftmaschine 1 bei vorteilhaft einfacher Ausgestaltung erheblich verbessert.

Claims

Brennkraftmaschine mit in einer Abgasleitung angeordnetem Abgasturbolader – dem in der Abgasleitung (2) ein Katalysator (4) nachgeschaltet angeordnet ist, und ferner – eine stromauf des Abgasturboladers (3) mit der Abgasleitung (2) in mediumsführender Verbindung stehende, querschnittsgesteuerte Bypassleitung (5) umfasst, dadurch gekennzeichnet, – dass die Bypassleitung (5) stromab des dem Abgasturbolader (3) nachgeschaltet angeordneten Katalysators (4) in die Abgasleitung (2) mündend angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, a. dass die Bypassleitung (5) in ihrem Strömungsquerschnitt derart bemessen ist, dass b. mindestens 50% bei maximalem Abgasstrom der Brennkraftmaschine (1) an Abgasturbolader (3) und Katalysator (4) im Bypass vorbeigeleitet stromab des Katalysators (4) der Abgasleitung (2) zugeführt sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 und 2 , dadurch gekennzeichnet, a. dass der turboladerseitige Katalysator (4) als Startkatalysator (4') ausgebildet ist, und b. dass eine weitere Katalysatoreinrichtung (6) in der Abgasleitung (2) vorgesehen ist mit wenigstens einem Dreiwegekatalysator.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, a. dass der Startkatalysator (4') der Abgasturbine (3') des Abgasturboladers (3) relativ eng benachbart angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, a. dass die querschnitts-gesteuerte/geregelte Bypassleitung (5) ein kennfeld-aktivierbares Ventil (7) umfasst, das b. bei Kaltstart der Brennkraftmaschine (1) in Schließstellung gesteuert/geregelt ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, a. dass das Ventil (7) bei betriebswarmen Startkatalysator (4') und betriebswarmer Katalysatoreinrichtung (6) bei im wesentlichen unwirksamen Abgasturbolader (3) in eine den Abgasgegendruck reduzierende Offenstellung der Bypassleitung (5) gesteuert/geregelt ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, a. dass das Ventil (7) bei wirksamen Abgasturbolader (3) über seine jeweils gesteuerte/geregelte Offenstellung bis zur Schließstellung einer verdichterseitigen Ladedruckregelung dient.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass – das Ventil (7) im Schubbetrieb der Brennkraftmaschine (1) in maximale Offenstellung gesteuert/geregelt ist.