DE102007057603A1

DE102007057603A1 - Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader und Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader

Info

Publication number: DE102007057603A1
Application number: DE102007057603A
Authority: DE
Inventors: Mathias Goldhahn; Oliver Kirstein
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2007-11-28
Filing date: 2007-11-28
Publication date: 2009-06-04
Anticipated expiration: 2027-11-29
Also published as: DE102007057603B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Luftansaugsystem, einem Abgassystem und einem Abgasturbolader mit Verdichter (1) und Turbine (2). Es ist eine Luftzuführeinrichtung vorgesehen, mit der zur Verbrennung von im Abgas befindlichen teilweise oder vollständig unverbrannten Bestandteilen des Kraftstoffs Luft aus dem Luftansaugsystem an einer Position (33) stromabwärts des Verdichters (1) entnehmbar und in das Abgassystem einblasbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader nach den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
Eine bekannte Art der Abgasnachbehandlung bei Brennkraftmaschinen besteht darin, die Abgasemissionen durch eine thermische Nachbehandlung zu vermindern. Mit dieser Methode lassen sich die im Abgas nur teilweise verbrannten oder noch unverbrannten Bestandteile des Kraftstoffs durch hohe Temperaturen nachverbrennen. So wird bei einem Motorbetrieb im fetten Bereich, z. B. in einem Bereich des Luft/Kraftstoffverhältnisses von λ = 0,7–0,9, bei Kaltstart über eine elektrische Sekundärluftpumpe Luftsauerstoff hinter die Auslassventile der Brennkraftmaschine in das Abgas eingeblasen, wo es zur stark exothermen Oxidation der austretenden teiloxidierten Bestandteile des Kraftstoffs kommt. Durch die thermische Nachbehandlung lassen sich zum einen die Schadstoffkonzentrationen im Abgas senken und zum anderen der Zeitpunkt bis zur so genannten light-off-Temperatur des Katalysators durch die bei der Nachverbrennung frei werdenden Wärmeenergie verkürzen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine sowie ein Verfahren bereitzustellen, mit der bzw. mit dem eine Verbrennung von Kraftstoff im Abgas preiswert realisierbar ist.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.
Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit einem Luftansaugsystem, einem Abgassystem und einem Abgasturbolader mit Verdichter und Turbine weist eine Luftzuführeinrichtung auf, mit der zur Verbrennung von im Abgas befindlichem Kraftstoff Luft aus dem Luftansaugsystem an einer Position stromabwärts des Verdichters entnehmbar und in das Abgassystem einblasbar ist. Vorteilhaft kann zur verbesserten Verbrennung von nur teilweise oder nicht oxidierten Bestandteilen des Kraftstoffs im Abgas eine bereits vorhandene Turbine oder ein Kompressor des Abgasturboladers der Brennkraftmaschine eingesetzt werden. Auf eine separate Sekundärluftpumpe oder einen separaten Lader zur Sekundärluftzufuhr kann verzichtet werden, womit vorteilhaft ansonsten knapper Bauraum sowie Kosten eingespart werden können. Die Komplexität der Anordnung ist vereinfacht und deren Zuverlässigkeit erhöht.
Vorteilhaft kann das Luftansaugsystem stromaufwärts des Verdichters Mittel zur zusätzlichen Lufteinblasung aufweisen. Vorteilhaft können die Mittel zur zusätzlichen Lufteinblasung dabei wenigstens einen ersten Kompressor umfassen. Vorteilhaft kann der Kompressor eine erste Ladestufe zur Aufladung der Brennkraftmaschine bilden. Eine sowieso vorhandene mehrstufige Aufladung der Brennkraftmaschine lässt sich damit für die Sekundärlufteinblasung in das Abgassystem nutzen. Die Luft kann in die Luftzuführeinrichtung über ein geeignetes Ventil, wie z. B. ein pulsweitenmoduliertes gesteuertes Ventil oder eine Klappe etc., eingeleitet werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Luftzuführeinrichtung eine sekundäre Leitung umfassen kann, die in eine Abgasleitung stromaufwärts der Turbine mündet. Bevorzugt kann die sekundäre Leitung stromabwärts des Verdichters und stromaufwärts eines Ladeluftkühlers aus dem Luftansaugsystem abzweigen. Die sekundäre Leitung kann stromabwärts eines Abgaskrümmers und stromaufwärts der Turbine in die Abgasleitung münden. Zweckmäßigerweise kann die sekundäre Leitung stromaufwärts einer abgasseitigen Umgehungsleitung der Turbine in die Abgasleitung münden. Dies ergibt eine kompakte Bauweise der Luftzuführeinrichtung.
Eine weitere günstige Weiterbildung sieht vor, dass die Luftzuführeinrichtung eine sekundäre Leitung umfassen kann, die stromabwärts der Turbine in eine Abgasleitung des Abgassystems mündet. Dadurch kann eine zusätzliche Belastung der Turbine vermieden werden. Die Luft kann in die Luftzuführeinrichtung über ein geeignetes Ventil, wie z. B. ein pulsweitenmoduliertes gesteuertes Ventil oder eine Klappe etc., eingeleitet werden.
Bei einer Ausführung der Luftzuführeinrichtung mit einer Lufteinblasung stromaufwärts und stromabwärts der Turbine kann wahlweise abhängig von Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine, wie etwa Lambdawert, Last, Temperatur etc. eine Einblasung vor oder nach der Turbine erfolgen. Gegebenenfalls kann auch gleichzeitig vor und nach der Turbine Luft in das Abgassystem eingeblasen werden.
Günstigerweise kann die sekundäre Leitung stromabwärts einer Einmündung einer abgasseitigen Umgehungsleitung der Turbine in eine Abgasleitung des Abgassystems münden. Bevorzugt kann die sekundäre Leitung stromaufwärts einer Katalysatoreinrichtung in das Abgassystem münden, was eine kompakte Ausführung ergibt.
Vorteilhaft kann die Luftzuführeinrichtung ein Dreiwegeventil aufweisen, um einen Anteil der dem Abgas zuzuführenden Luft vor und/oder nach der Turbine in das Abgassystem einzuleiten. Eine Aufteilung des Luftstroms bzw. eine gezielte Einblasung vor oder nach der Turbine kann damit einfach bewirkt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei der Luft mit einem Luftansaugsystem angesaugt wird, einem Abgassystem und einem Abgasturbolader mit Verdichter und Turbine, ermöglicht es, zur Erhöhung eines Sauerstoffgehalts im Abgas zur Verbrennung von im Abgas befindlichem Kraftstoff Luft aus dem Luftansaugsystem an einer Position stromabwärts des Verdichters entnommen und in das Abgassystem einzublasen. Es kann auf eine Sekundärluftpumpe oder einen zusätzlichen Lader verzichtet werden. Die Einblasung kann abhängig von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine und/oder des Abgassystems erfolgen.
Vorzugsweise kann beim Starten und/oder im unteren Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine stromabwärts des Verdichters zusätzlich Luft in das Luftansaugsystem geblasen werden.
Günstigerweise kann die zusätzliche Luft durch einen Kompressor komprimiert werde. Dieser kann insbesondere Teil des Abgasturboladers der Brennkraftmaschine sein.
Vorteilhaft kann die Luft beim Starten und/oder im unteren Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine in das Abgassystem eingeblasen werden.
Vorteilhaft kann die Luft mit durch den Verdichter mit erhöhten Druck in das Abgassystem eingeblasen werden. Es steht damit eine ausreichende Luftmenge zur Verbrennung des Kraftstoffs im Abgas zur Verfügung.
Die in das Abgassystem eingeblasene Luft kann in ihrer Menge auf die im Abgas enthaltene Kraftstoffmenge eingestellt werden, womit ein wirtschaftlicher Betrieb der bevorzugten Luftzuführeinrichtung ermöglicht wird.
Bei einer hohen Turbinenlast kann die Luft hauptsächlich hinter der Turbine in das Abgassystem eingeblasen werden. Bei einer geringen Turbinenlast kann die Luft hauptsächlich vor der Turbine in das Abgassystem eingeblasen werden. Dies wird möglich, wenn eine Luftzuführeinrichtung so vorgesehen ist, dass eine Einblasung bezogen auf die Abgasströmung wahlweise vor oder hinter der Turbine erfolgen kann.
Zweckmäßigerweise kann der Verdichter so betrieben werden, dass eine in das Abgassystem abgezweigte zweite Luftmenge bezogen auf eine der Brennkraftmaschine zugeführten ersten Luftmenge kompensiert werden kann.
Vorteilhaft kann der Kraftstoff direkt in die Zylinder der Brennkraftmaschine eingespritzt werden, was einen guten Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine ermöglicht.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben, aus denen sich auch unabhängig von der Zusammenfassung in den Patentansprüchen weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben.
Die einzige Figur zeigt in schematischer Darstellung eine bevorzugte Ausgestaltung einer bevorzugten Brennkraftmaschine mit einem Luftansaugsystem.
Die in der Figur dargestellte Brennkraftmaschine umfasst ein Luftansaugsystem mit einem Luftfilter 15, einem ersten Kompressor 3, eine den Kompressor 3 überbrückende Bypass-Leitung 6 mit einer Verdichterdrosselklappe 7, einem Verdichter 1 eines Abgasturboladers, einem Ladeluftkühler 14, einer Drosselklappe 13 und einem Saugrohr 12, welches in die jeweiligen Zylinder in einem Zylinderkurbelgehäuse 10 mündet und ein Abgassystem mit dem Abgaskrümmer 11 und der Turbine 2 des Abgasturboladers. Der Verdichter 1 des Abgasturboladers ist mit einer Umluftleitung 4 überbrückbar; wofür ein Umluftventil 5 vorgesehen ist.
Die Verdichterdrosselklappe 7 regelt die Verdichtung des ersten Kompressors 3 und versorgt den Verdichter 1 mit genügend Luft, wenn die Förderleistung des ersten Kompressors 3 nicht mehr ausreichend ist oder der erste Kompressor 3 bei ausreichend hohen Drehzahlen abgeworfen wird. Um unerwünschte Rückströmungen über die Verdichterdrosselklappe 7 zu vermeiden, kann in der Bypass-Leitung 6 entweder eine Rückschlagklappe angeordnet werden, die sich bei Unterdruck in der Bypass-Leitung 6 automatisch öffnet oder die Verdichterdrosselklappe 7 wird bei einer Strömungsumkehr aufgesteuert.
Die Turbine 2 des Abgasturboladers ist mit einer Bypass-Leitung 16 umgehbar, wobei Abgas ganz oder teilweise mittels eines Ventils 17, z. B. einer so genannten Wastegate-Klappe, die mittels einer Druckdose gesteuert sein kann, in die Bypassleitung 16 einleitbar ist. Die Bypass-Leitung 16 mündet in einer Einmundung 36 in eine Abgasleitung 18 stromabwärts der Turbine 2 und führt das Abgas in eine Katalysatoranordnung 20 mit einem oder mehreren nicht näher ausgeführten Katalysatoren.
Der erste Kompressor 3 wird über einen Riemen 9 von einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetrieben. Dabei ist der Antrieb des ersten Kompressors 3 mittels einer Kupplung 8, beispielsweise einer Magnetkupplung, von der Kurbelwelle trennbar.
Um die Abgasreinigung zu verbessern, ist eine Luftzuführeinrichtung 30 vorgesehen, mit der zur Verbrennung von im Abgas befindlichen teilweise oder ganz unverbrannten Bestandteilen des Kraftstoffs Luft aus dem Luftansaugsystem an einer Position 33 stromabwärts des Verdichters 1 entnehmbar und in das Abgassystem einblasbar ist. Dazu weist das Luftansaugsystem stromaufwärts des Verdichters 1 Mittel zur zusätzlichen Lufteinblasung in das Luftansaugsystem auf.
Die Luftzuführeinrichtung umfasst eine sekundäre Leitung 31, die an einer Einmündung 34 in eine Abgasleitung 19 stromaufwärts der Turbine 2 mündet. Die sekundäre Leitung 31 zweigt dabei stromabwärts des Verdichters 1 und stromaufwärts eines Ladeluftkühlers 14 aus dem Luftansaugsystem ab und mündet stromabwärts des Abgaskrümmers 11 und stromaufwärts der Turbine 2 in die Abgasleitung 19. Die sekundäre Leitung 31 mündet stromaufwärts einer abgasseitigen Umgehungsleitung 16 der Turbine 2 in die Abgasleitung 19.
Die Luftzuführeinrichtung umfasst gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel zusätzlich eine sekundäre Leitung 32, die stromabwärts der Turbine 2 an einer Einmündung 36 in die Abgasleitung 18 des Abgassystems mündet, wobei sich die Einmündung 36 stromabwärts einer Einmündung 19 der abgasseitigen Bypass-Leitung 16 der Turbine 2 und stromaufwärts einer Katalysatoreinrichtung 20 befindet.
Die beiden sekundäre Leitungen 31, 32 sind durch ein Dreiwegeventil 34 gekoppelt, mit dem ein Anteil der dem Abgas zuzuführenden Luft vor und/oder nach der Turbine 2 in das Abgassystem vorgegeben werden kann.
In einem nicht explizit dargestellten Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, dass die Luftzuführungseinrichtung nicht zwei sekundäre Leitungen 31, 32, sondern nur eine sekundäre Leitung 31 oder 32 umfasst. Es kann vorgesehen sein, dass nur die sekundäre Leitung 31 vorhanden ist, mit welcher stromaufwärts der Turbine 2 Luft in das Abgas eingeblasen werden kann. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass nur die sekundäre Leitung 32 vorhanden ist, mit welcher stromabwärts der Turbine 2 Luft in das Abgas eingeblasen werden kann.

1: Verdichter
2: Turbine
3: erster Kompressor
4: Umluftleitung Abgasturbolader
5: Umluftventil
6: Bypass-Leitung
7: Verdichterdrosselklappe
8: Kupplung
9: Riemen
10: Zylinderkurbelgehäuse
11: Abgaskrümmer
12: Saugrohr
13: Drosselklappe
14: Ladeluftkühler
15: Luftfilter
16: Bypass-Leitung
17: Wastegate-Ventil
18: Abgasleitung
19: Abgasleitung
20: Abgasreinigungssystem
30: Luftzuführungssystem
31: sekundäre Leitung stromaufwärts der Turbine
32: sekundäre Leitung stromabwärts der Turbine
33: Abzweigung
34: Einmündung stromaufwärts der Turbine
36: Einmündung stromabwärts der Turbine

Claims

Brennkraftmaschine mit einem Luftansaugsystem, einem Abgassystem und einem Abgasturbolader mit Verdichter (1) und Turbine (2), dadurch gekennzeichnet, dass eine Luftzuführeinrichtung vorgesehen ist, mit der zur Verbrennung von im Abgas befindlichen Bestandteilen des Kraftstoffs Luft aus dem Luftansaugsystem an einer Position (33) stromabwärts des Verdichters (1) entnehmbar und in das Abgassystem einblasbar ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzuführeinrichtung wenigstens eine sekundäre Leitung (31) umfasst, die in eine Abgasleitung (19) stromaufwärts der Turbine (2) mündet.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die sekundäre Leitung (31) stromabwärts des Verdichters (1) und stromaufwärts eines Ladeluftkühlers (14) aus dem Luftansaugsystem abzweigt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die sekundäre Leitung (31) stromabwärts eines Abgaskrümmers (11) und stromaufwärts der Turbine (2) in die Abgasleitung (19) mündet.
Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die sekundäre Leitung (31) stromaufwärts einer abgasseitigen Umgehungsleitung (16) der Turbine (2) in die Abgasleitung (19) mündet.
Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzuführeinrichtung eine sekundäre Leitung (32) umfasst, die stromabwärts der Turbine (2) in eine Abgasleitung (18) des Abgassystems mündet.
Brennkraftmaschine wenigstens nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die sekundäre Leitung (32) stromabwärts einer Einmündung (36) einer abgasseitigen Umgehungsleitung (16) der Turbine (2) in eine Abgasleitung (18) des Abgassystems mündet.
Brennkraftmaschine wenigstens nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die sekundäre Leitung (32) stromaufwärts einer Katalysatoreinrichtung (20) in das Abgassystem mündet.
Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzuführeinrichtung ein Dreiwegeventil (34) aufweist, um einen Anteil der dem Abgas zuzuführenden Luft vor und/oder nach der Turbine (2) in das Abgassystem einzuleiten.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei der Luft mit einem Luftansaugsystem angesaugt wird, einem Abgassystem und einem Abgasturbolader mit Verdichter (1) und Turbine (2), dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung eines Sauerstoffgehalts im Abgas zur Verbrennung von im Abgas befindlichem Kraftstoff Luft aus dem Luftansaugsystem an einer Position (33) stromabwärts des Verdichters (1) entnommen und in das Abgassystem eingeblasen wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass beim Starten und/oder im unteren Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine stromabwärts des Verdichters (1) zusätzlich Luft in das Luftansaugsystem geblasen wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Luft wenigstens durch einen Kompressor (3) komprimiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Luft beim Starten und/oder im unteren Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine in das Abgassystem eingeblasen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Luft mit durch den Verdichter (1) und/oder den Kompressor (3) erhöhten Druck in das Abgassystem eingeblasen wird
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die in das Abgassystem eingeblasene Luft in ihrer Menge auf die im Abgas enthaltene Kraftstoffmenge eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer hohen Turbinenlast die Luft hauptsächlich hinter der Turbine (2) in das Abgassystem eingeblasen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer geringen Turbinenlast die Luft hauptsächlich vor der Turbine (2) in das Abgassystem eingeblasen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (1) so betrieben wird, dass eine in das Abgassystem abgezweigte zweite Luftmenge bezogen auf eine der Brennkraftmaschine zugeführten ersten Luftmenge kompensiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff direkt in die Zylinder der Brennkraftmaschine eingespritzt wird.