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Die
Erfindung betrifft eine Verbrennungsmotoreinrichtung nach Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Verbrennungsmotoreinrichtungen
mit Verbrennungsmotoren mit mehreren Abgassträngen und mit
zwei Abgasturboladern sind bekannt. Im Stand der Technik werden
hier Verbrennungsmotoreinrichtungen diskutiert, die einen Vorkatalysator
aufweisen, der den Turboladern nachgeordnet ist oder die nur über
einen motornahen Hauptkatalysator verfügen. An diesen ist
das vergleichsweise schlechte Kaltstartverhalten nachteilig. Aus
der
DE 10 2004 035
325 A1 ist eine Abgasnachbehandlung mit sequentieller Aufladung
ersichtlich, bei der in Abhängigkeit eines von einem Temperatursensor
ausgehenden Temperatursignals und eines von einem Sensor ausgehenden
Abgasemissionssignals ein Abgasturbolader ab- oder zuschaltbar ist.
Dabei ist vorgesehen, dass durch ein zwischen dem Verbrennungsmotor
und dem abzuschaltenden Abgasturbolader ein Absperrorgan zum zumindest
teilweisen Abtrennen eben dieses Abgasturboladers von den Abgasströmen
angeordnet ist. Es ist dort unter Anderem auch vorgesehen, dass
nur dem permanent in Betrieb befindlichen Abgasturbolader ein Vorkatalysator
nachgeordnet ist. Die Verbrennungsmotoreinrichtung nach diesem Stand
der Technik ist in Hinblick auf die Abgasnachbehandlung gewählt
und hierauf optimiert. Hieran ist nachteilig, dass nicht das volle
Potential des Verbrennungsmotors ausgeschöpft werden kann.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist, eine Verbrennungsmotoreinrichtung
bereitzustellen, die diesen Nachteil vermeidet.
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Hierzu
wird eine Verbrennungsmotoreinrichtung mit einem Verbrennungsmotor
mit mindestens zwei Abgassträngen, und mit zwei Abgasturboladern vorgeschlagen,
die jeweils an beide Abgasstränge angeschlossen sind, und
mit einem Vorkatalysator, der stromabwärts des einen, ersten
Abgasturboladers liegt, sowie mit einem ersten Absperr-/Stellorgan,
das dem anderen, zweiten Abgasturbolader zugeordnet ist. Das erste
Absperr-/Stellorgan liegt stromabwärts oder stromaufwärts
des zweiten Abgasturboladers oder ist in den zweiten Abgasturbolader
integriert. Dabei ist das erste Absperr-/Stellorgan ist so ausgeführt,
dass eine Trennung der Abgasstränge vor dem zweiten Abgasturbolader
gewährleistet wird. Es ist vorgesehen, dass stromabwärts des
zweiten Abgasturboladers und seines zugeordneten ersten Absperr-/Stellorgans
ein zweites Absperr-/Stellorgan angeordnet ist, und dass von einer Verbindungsleitung,
die den zweiten Abgasturbolader und/oder das erste Absperr-/Stellorgan
mit dem zweiten Absperr-/Stellorgan verbindet, eine Strangverbindungsleitung
ausgeht, die zum Eingang des Vorkatalysators führt. Auf
diese Weise kann vorteilhaft der Abgasvolumenstrom zwischen den
beiden, den Abgasturboladern stromabwärts gelegenen Abgassträngen
wahlweise auf den Vorkatalysator geleitet werden kann. Dies ist
auch dann möglich, wenn das zweite Absperr-/Stellorgan
geschlossen ist, so dass der zweite Abgasturbolader stufenlos in
Betrieb genommen werden kann, wenn das stromaufwärts der
Strangverbindungsleitung angeordnete, erste Absperr-/Stellorgan
geöffnet wird; hierbei wird der gesamte Abgasvolumenstrom über
den Vorkatalysator geleitet, so dass sich von Anbeginn des Betriebszyklus
des Verbrennungsmotors, insbesondere also in der Kaltstartphase,
eine sehr gute Abgasreinigung durch den sehr schnell Betriebstemperatur
erreichenden Vorkatalysator ergibt. Der Einsatzpunkt des zweiten
Abgasturboladers kann hierbei durch das erste Absperr-/Stellorgan
reguliert und gewählt werden. Auf diese Weise stehen bereits
von Anbeginn des Betriebszyklus des Verbrennungsmotors beide Abgasturbolader
zur Verfügung. Der erste Abgasturbolader ist hierbei vorzugsweise
immer in Betrieb, wohingegen der zweite Abgasturbolader nach Bedarf zugeschaltet
wird.
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Bevorzugt
ist vorgesehen, dass das erste Absperr-/Stellorgan stromabwärts
des zweiten Abgasturboladers liegt. Dabei ist eine Trennung der
Abgasstränge vor dem zweiten Abgasturbolader stets gewährleistet.
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In
einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der
eine, erste Abgasstrang, der den Vorkatalysator aufweist, stromabwärts
des Vorkatalysators in den anderen, zweiten Abgasstrang einmündet.
Auf diese Weise lässt sich einfach und kostensparend die
Anordnung von Hauptkatalysatoren beziehungsweise Unterbodenkatalysatoren
verwirklichen, die bei Erreichen ihrer Betriebstemperatur den gesamten
Abgasvolumenstrom behandeln.
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In
einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass zwischen
dem zweiten Abgasturbolader und dem ersten Absperr-/Stellorgan ein
Einblaspunkt gebildet ist, der einer stromaufwärts des
zweiten Turboladers einmündenden Waste-Gate-Brücke
zugehörig ist.
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In
einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die
Waste-Gate-Brücke in die Verbindungsleitung mündet
und von dem Abgasstrang stromaufwärts des zweiten Abgasturboladers
ausgeht. Durch diese Varianten der Waste-Gate-Anordnung lässt
sich, beispielsweise bei einer anzunehmenden Massenstromaufteilung
von 40:60 bei höheren Lasten und Drehzahlen (Verhältnis
des ersten Abgasturboladers zum zweiten Abgasturbolader) wird sich
durch die Lage der Waste-Gates am Abgasturbolader 2 eine
nahezu gleicher Druckverlust in beiden Abgassträngen bis
zum Einmünden des ersten Abgasstrangs in den zweiten Abgasstrang,
obschon im zweiten Abgasstrang kein Vorkatalysator vorhanden ist.
Bei niedrigeren Drehzahlen und im Betrieb des Zuschaltens des zweiten
Abgasturboladers verhilft der zu diesem Zeitpunkt geringere Druckverlust im
zweiten Abgasstrang dem zweiten Abgasturbolader zu einem besseren,
Hochlaufen und damit zu einer deutlich verbesserten Regelbarkeit
des zweiten Abgasturboladers.
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In
einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das
erste Absperr-/Stellorgan als Abgasregelklappe ausgebildet ist.
Diese, stromabwärts des zweiten Abgasturboladers angeordnete
Abgasregelklappe steuert hierbei das Hochlaufen und die Massenstromaufteilung
hinsichtlich des zweiten Abgasturboladers. Bei geschlossener Abgasregelklappe
steht der zweite Abgasturbolader praktisch still, da sich durch
die geschlossene Abgasregelklappe ein Staudruck ausbildet, wodurch
kein nennenswerter Eintrag von Bewegungsenergie durch Verbrennungsgase
in den zweiten Abgasturbolader erfolgt. Bei graduellem Öffnen
der Abgasregelklappe läuft der zweite Abgasturbolader an,
um bei vollständig geöffneter Abgasregelklappe
seine Nennleistung zu erreichen. Der Abgasvolumenstrom wird hierbei
stromabwärts der Abgasregelklappe entweder über
die Strangverbindungsleitung in den Vorkatalysator geleitet, oder über
das zweite Absperr-/Stellorgan in die Hauptkatalysatoren/Unterbodenkatalysatoren.
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In
einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das
zweite Absperr-/Stellorgan als Sperrklappe ausgebildet ist. Mittels
der Sperrklappe ist es möglich, den stromabwärts
der Abgasregelklappe auflaufenden Abgasvolumenstrom aufzuteilen
oder zu sperren, wobei der Abgasvolumenstrom bei geschlossener Sperrklappe
vollständig über den Vorkatalysator geleitet wird,
nämlich über die Strangverbindungsleitung, und
bei geöffneter Sperrklappe insbesondere in die Unterboden-/Hauptkatalysatoren.
Durch die Strangverbindungsleitung ergibt sich hierbei ein Druckausgleich
zwischen dem ersten Abgasstrang und stromaufwärts des Vorkatalysators und
dem zweiten Abgasstrang stromaufwärts der Sperrklappe und
stromabwärts der Abgasregelklappe. Hierdurch ergeben sich
ausgeglichene Druckverhältnisse entsprechend der Dimensionierung
der Abgasstränge insbesondere auch stromaufwärts
der Unterboden-/Hauptkatalysatoren.
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In
einer weiteren Ausführungsform weist die Sperrklappe eine
OBD-Funktionalität auf. Die Sperrklappe muss, um den Eintritt
von Abgas in die noch kalten Unterboden- /Hauptkatalysatoren zu vermieden,
vollständig dicht schließen. Dies wird bevorzugt über
OBD-Funktionalität überwacht und über
entsprechende, dem Fahrzeug zugehörige Kontroll- und Steuersysteme
ausgewertet.
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In
einer weiteren Ausführungsform bildet die Sperrklappe in
Verbindung mit der Strangverbindungsleitung einen Vorkat-Bypass
aus. Hierdurch kann bei leicht geöffneter Abgasregelklappe,
ein Grundenergieeintrag von Bewegungsenergie in den zweiten Abgasturbolader
und damit eine Grunddrehzahl für leichtes, sofortiges Ansprechen
und dauerhaft guten Schmierung ermöglicht werden, wobei
der entsprechende Abgasvolumenstrom in den Vorkatalysator geleitet
wird. Gleichzeitig ist es auch möglich, bei geschlossener
oder geöffneter Abgasregelklappe und teilweise oder ganz
geöffneter Sperrklappe einen Bypass, also eine Umgehung
des Vorkatalysators auszubilden, so dass je nach Stellung der Sperrklappe
der Vorkatalysator aufgrund des in ihm herrschenden Staudrucks teilweise
umgangen wird und der im ersten Abgasstrang auflaufende Abgasvolumenstrom über
die Sperrklappe abgeleitet wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste Abgasturbolader
ein Dauerlaufturbolader. Der erste Abgasturbolader ist immer in
Betrieb, und nimmt seinen Betrieb bereits mit dem Start des Verbrennungsmotors
auf. In einer weiteren Ausführungsform ist der zweite Abgasturbolader
ein Ladedruckregelungsturbolader. Er wird lediglich dann zugeschaltet,
insbesondere durch die Verstellung der Abgasregelklappe, wenn der
Verbrennungsmotor eine entsprechend hohe Leistung aufbringen muss. Auf
diese Weise lässt sich eine vorteilhafte Leistungsentwicklung
und ein vorteilhaftes Kennfeld bewirken, bei gleichzeitig sehr guter
Abgasnachbehandlung.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen
und aus Kombinationen derselben.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand einer Figur näher erläutert.
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Die
Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Verbrennungsmotoreinrichtung
mit zwei Abgasturboladern.
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Die
Figur zeigt eine Verbrennungsmotoreinrichtung 1 mit einem
Verbrennungsmotor 2, der als V6-Motor 3, also
als Sechszylindermotor 4 ausgebildet ist, dessen Zylinder 5 in zwei
Zylinderbänken 6 in Gruppen zu jeweils drei Zylindern 5 angeordnet
sind, wobei die Zylinderbänke 6 zu einander in
der Art eines "V" stehen, in dem sie beispielsweise einen Winkel
von 60° einschließen. Jeder Zylinderbank 6 ist
ein Abgasstrang 7 zugeordnet, nämlich einer ersten
Zylinderbank 8 ein erster Abgasstrang 9 und einer
zweiten Zylinderbank 10 ein zweiter Abgasstrang 11.
Dem Verbrennungsmotor 2 nachgelagert sind Abgasturbolader 12,
nämlich im ersten Abgasstrang 9 ein erster Abgasturbolader 13 und
im zweiten Abgasstrang 10 ein zweiter Abgasturbolader 14.
Durch Abgasstrangverzweigungen 15, die stromaufwärts
der Abgasturbolader 12 in sowohl dem ersten Abgasstrang 9 als auch
in dem zweiten Abgasstrang 11 angeordnet sind, werden beide
Abgasturbolader 12 jeweils auch vom Abgas des jeweils anderen
Abgasstranges 7 beaufschlagt, nämlich der erste
Abgasturbolader 13 über eine erste Verzweigungsleitung 16 mit
dem Abgas des zweiten Abgasstranges 11 und der zweite Abgasturbolader 14 über
eine zweite Verzweigungsleitung 17 mit dem Abgas des ersten
Abgasstranges 9.
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Dem
ersten Abgasturbolader 13 ist ein Vorkatalysator 18 stromabwärts
nachgelagert, der über einen Eingang 19 mit Abgas
beaufschlagt wird, das über einen Ausgang 20 in
einem Einmündungsknoten 21 den anderen, zweiten
Abgasstrang 11 einmündet. An dem Einmündungsknoten 21 wird
ein gemeinsamer Abgasstrang 22 ausgebildet, der in zwei parallel
angeordnete und betriebene Unterbodenkatalysatoren 23 einmündet,
wobei die Volumenstromverteilung auf beide Unterbodenkatalysatoren 23 im wesentlichen
gleich ist. Stromabwärts des zweiten Abgasturboladers 14 ist
ein erstes Absperr-/Stellorgan 24 angeordnet, dem über
eine Verbindungsleitung 25 ein zweites Absperr-/Stellorgan 26 nachgeordnet
ist. Das zweite Absperr-/Stellorgan ist als Sperrklappe 27 ausgebildet,
der eine OBD-Einheit 28 zugeordnet ist. Stromabwärts
der Sperrklappe 27 mündet der zweite Abgasstrang
in den Einmündungsknoten 21. Das erste Absperr-/Stellorgan 24 ist als
Abgasregelklappe 29 ausgebildet.
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Dem
zweiten Abgasstrang 11 ist ferner eine Waste-Gate-Brücke 30 zugeordnet,
die in einer ersten Waste-Gate-Variante 30a und in einer
zweiten Waste-Gate-Variante 30b vorliegen kann. In der
ersten Waste-Gate-Variante 30a beginnt die Waste-Gate-Brücke 30 als
Nebenstrom stromaufwärts des zweiten Abgasturboladers 14 und
mündet an einem Einblaspunkt 31, stromabwärts
des zweiten Abgasturboladers 14, aber stromaufwärts
des ersten Absperr-/Stellorgans 24. In der zweiten Waste-Gate-Variante 30b geht
die Waste-Gate-Brücke 30 stromaufwärts
des zweiten Abgasturboladers als Nebenstrom aus und mündet
in die Verbindungsleitung 25, stromabwärts der
Abgasregelklappe 29. Auf beide Weise lässt sich
eine entsprechende Regelung und Entlastung des zweiten Abgasturboladers 14 bewirken,
wobei die Wirkung in der ersten Waste-Gate-Variante 30a von
der Stellung der Abgasregelklappe 29 abhängig
ist, in der zweiten Waste-Gate-Variante 30b nicht. In der
zweiten Waste-Gate-Variante 30b wird ein Abgasnebenstrom
sowohl zum zweiten Abgasturbolader 14 als auch zur Abgasregelklappe 29 bewirkt.
Von der Verbindungsleitung 25 geht eine Strangverbindungsleitung 32 aus,
die zum Eingang des Vorkatalysators 18 führt, also
stromabwärts des ersten Abgasturboladers 13 in den
ersten Abgasstrang 9 einmündet.
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Bei
kaltem Verbrennungsmotor 2, insbesondere also in der Kaltstartphase,
ist die Abgasregelklappe 29 geschlossen. Lediglich der
erste Turbolader 13, dem stromabwärts der Vorkatalysator 18 nachgeordnet
ist, wird mit Abgas aus beiden Abgassträngen 7 beaufschlagt.
In diesem Zustand ist die Sperrklappe 27 ebenfalls geschlossen.
Auf diese Weise wird vermieden, dass die noch kalten Unterbodenkatalysatoren 23 mit
unbehandeltem Abgas beaufschlagt werden. Das dort eintreffende Abgas
ist bereits durch den Vorkatalysator 18 behandelt worden,
so dass eine katalytische Wirkung in den Unterbodenkatalysator 23 nicht
mehr gefordert wird. Das über den Vorkatalysator 18 behandelte
Abgas erwärmt die Unterbodenkatalysatoren 23.
Bei Erreichen einer Temperatur, die den katalytischen Betrieb der
Unterbodenkatalysatoren 23 gestattet, kann die Absperrklappe 27 geöffnet
werden, so dass über die Strangverbindungsleitung 32 eine
Entlastung des Vorkatalysators 18 stattfindet. Es wird
folglich der Abgasvolumenstrom, der den ersten Abgasturbolader 13 beaufschlagt,
nicht mehr nur ausschließlich über den Vorkatalysator 18 weiterbehandelt,
sondern stromaufwärts des Eingangs 19 des Vorkatalysators 18 über
die Strangverbindungsleitung 32 in die Verbindungsleitung 25 geführt,
wovon er durch die zumindest teilweise geöffnete Sperrklappe 27 über
den Einmündungsknoten 21 und den gemeinsamen Abgasstrang 22 den
mittlerweile erwärmten Unterbodenkatalysatoren 23 zugeführt
wird. Bei Erreichen des vorgesehenen Arbeitsbereiches der Unterbodenkatalysatoren 23 wird
die Abgasregelklappe 29 in Betrieb genommen, so dass der
zweite Abgasturbolader 14 zur Verfügung steht.
Dessen Einsatz wird über die Abgasregelklappe 29 gesteuert.
Im normalen Fahrbetrieb bei heißen Unterbodenkatalysatoren 23 ist
die Sperrklappe 27 geöffnet, während
die Abgasregelklappe 29 den Einsatz des zweiten Abgasturboladers 14 regelt.
Bei geschlossener Abgasregelklappe 29 läuft der
zweite Abgasturbolader 14 nicht oder nur ganz geringfügig,
um eine Mindestdrehzahl zum leichten Hochlaufen und eine ausreichende
Schmierung sicherzustellen, während bei voll geöffneter
Abgasregelklappe 29 der zweite Abgasturbolader 14 seine
volle Leistung erbringt. Durch die hier gewählte Anordnung,
die es gestattet, bei geschlossener Sperrklappe 27 die
Abgasregelklappe 29 durchaus geringfügig zu öffnen,
um hier bereits den zweiten Abgasturbolader 14 mit einem
Teil seiner Leistung in Betrieb zu nehmen, wobei der auf den Abgasturbolader 2 entfallende
Abgasvolumenstrom über die Strang verbindungsleitung 32 dem
Vorkatalysator 18 zugeführt wird, steht bereits
in der Kaltstartphase mehr Leistung als im Stand der Technik üblich
zur Verfügung. Der erste Abgasturbolader 13 ist
demzufolge als Dauerlaufturbolader 33 ausgebildet, während
der zweite Abgasturbolader 14 nur bei Bedarf und zur Bereitstellung
hoher Leistung Verwendung findet, so dass dieser als Ladedruckregelungsturbolader 34 ausgebildet
ist. Durch Ausbildung der Strangverbindungsleitung 32 lässt
sich in Verbindung mit der Sperrklappe 27 ein Vorkat-Bypass 35 ausbilden,
der eine Entlastung des Vorkatalysators 18 dadurch erlaubt,
dass die Abgasregelklappe 29 geschlossen ist, die Sperrklappe 27 jedoch
zumindest teilweise geöffnet ist. Der eingangsseitig des
Vorkatalysators 18 anfallende Abgasvolumenstrom wird hierbei über
die Sperrklappe 27 in den zweiten Abgasstrang abgeleitet.
Auch im Vollastbetrieb kann hierdurch eine Steuerung der Abgasvolumenströme hinsichtlich
des ersten Abgasstranges 9 und des zweiten Abgasstranges 11 und
ebenfalls eine Entlastung des Vorkatalysators 18 bewirkt
werden, wenn die Abgasregelklappe 29 geöffnet
und der zweite Abgasturbolader 14 in Betrieb ist.
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- 1
- Verbrennungsmotoreinrichtung
- 2
- Verbrennungsmotor
- 3
- V6-Motor
- 4
- Sechszylindermotor
- 5
- Zylinder
- 6
- Zylinderbank
- 7
- Abgasstrang
- 8
- 1.
Zylinderbank
- 9
- 1.
Abgasstrang
- 10
- 2.
Zylinderbank
- 11
- 2.
Abgasstrang
- 12
- Abgasturbolader
- 13
- 1.
Abgasturbolader
- 14
- 2.
Abgasturbolader
- 15
- Abgasstrangverzweigungen
- 16
- 1.
Verzweigungsleitung
- 17
- 2.
Verzweigungsleitung
- 18
- Vorkatalysator
- 19
- Eingang
- 20
- Ausgang
- 21
- Einmündungsknoten
- 22
- Gemeinsamer
Abgasstrang
- 23
- Unterbodenkatalysator
- 24
- 1.
Absperr-/Stellorgan
- 25
- Verbindungsleitung
- 26
- 2.
Absperr-/Stellorgan
- 27
- Sperrklappe
- 28
- OBD-Einheit
- 29
- Abgasregelklappe
- 30
- Waste-Gate-Brücke
- 31
- Einblaspunkt
- 32
- Strangverbindungsleitung
- 33
- Dauerlaufturbolader
- 34
- Ladedruckregelungsturbolader
- 35
- Vorkat-Bypass
- 30a
- 1.
Waste-Gate-Variante
- 30b
- 2.
Waste-Gate-Variante
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004035325
A1 [0002]