DE102011086778A1

DE102011086778A1 - Brennkraftmaschine mit einem Abgasstrang und mit zweistufiger Turboaufladung

Info

Publication number: DE102011086778A1
Application number: DE102011086778A
Authority: DE
Inventors: Jens Tophoven; Andreas Mauch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-11-22
Filing date: 2011-11-22
Publication date: 2013-05-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasstrang 21 und mit zweistufiger Turboaufladung, wobei der Abgasstrang 21 zwei Turbinen eines ersten und eines zweiten Abgasturboladers und mindestens einem Abgaskatalysator, insbesondere einem Oxidationskatalysator 15, in Reihenschaltung und eine Bypassleitung 22 in Parallelschaltung zur Hochdruck-Turbine 14 des ersten Abgasturboladers umfasst. Erfindungsgemäß wird eine aufgeladene Brennkraftmaschine 9 mit einem Abgaskatalysator 15 bereitgestellt, die hinsichtlich des Anbaus des Abgaskatalysators 15 verbessert ist. Erreicht wird dies dadurch, dass der Abgaskatalysator 15 hinter der Hochdruck-Turbine 14 des ersten Abgasturboladers in einem Bypassstrang zu einer Bypassklappe 12 integriert ist, und dass der Bypassstrang und die Bypassklappe 12 in einem gemeinsamen Bypassgehäuse 13 integriert sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Abgastrang und mit zweistufiger Turboaufladung, wobei der Abgasstrang zwei Turbinen eines ersten und eines zweiten Abgasturboladers und mindestens einem Abgaskatalysator, insbesondere einem Oxidationskatalysator, in Reihenschaltung und eine Bypassleitung in Parallelschaltung zur Hochdruck-Turbine des ersten Abgasturboladers umfasst.
Eine derartige Brennkraftmaschine ist aus der WO 2004/097195 A1 bekannt. Diese Brennkraftmaschine weist eine zweistufige Turboaufladung auf, wobei zwischen der Hochdruck-Turbine des ersten Turboladers und der Niederdruck-Turbine des zweiten Turboladers ein Oxidationskatalysator in die Verbindungsleitung eingesetzt ist. Um den Oxidationskatalysator in diese Verbindungsleitung einbauen zu können, ist eine Mindestdimensionierung dieser Verbindungsleitung erforderlich, um den Oxidationskatalysator unterbringen zu können. Zudem muss die Verbindungsleitung zur Aufnahme des Oxidationskatalysators ausgebildet sein, beispielsweise mit entsprechenden Flanschen zur Befestigung des in ein eigenes Gehäuse eingebauten Katalysators ausgebildet sein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine abgasturboaufgeladene Brennkraftmaschine mit Abgaskatalysator bereit zu stellen, die hinsichtlich des Verbaus des Abgaskatalysator verbessert ist.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Abgaskatalysator, insbesondere ein Oxidationskatalysator, hinter der Hochdruck-Turbine des ersten Abgasturboladers in einen Bypassstrang einer Turbinenbypassklappe integriert ist, und dass der Bypassstrang und die Turbinenbypassklappe in einem gemeinsamen Bypassgehäuse integriert sind.
Der Abgaskatalysator kann im Rahmen der Erfindung anstatt des Oxidationskatalysators auch ein 3-Wege-Katalysator für einen Ottomotor sein. Durch diese Ausgestaltung und Integration in das gemeinsame Bypassgehäuse ist keine zusätzliche Strecke oder Verbindungsleitung nach der Hochdruck-Turbine als Einbauort oder Einbauraum für den Oxidationskatalysator notwendig. Dadurch wird der Einfluss auf die Strömung und damit die zu erwartenden Druckverluste minimal. Bei der Integration des Oxidationskatalysators, der im Übrigen als sogenannter PTC (Pre Turbo Catalyst; Vorturbokatalysator) ausgebildet ist, in das Bypassgehäuse erfolgt keine Vergrößerung der Wandfläche und somit auch keine Steigerung der Wandwärmeverluste. Das Bypassgehäuse wird ohnehin im Betrieb der Brennkraftmaschine aufgeheizt, wobei das Gewicht und damit die Wärmekapazität des Katalysatormaterials vernachlässigbar sind. Zudem ist kein zusätzlicher Bauraum nötig; das System bleibt also kompakt. Ein genereller Vorteil eines Systems mit einem PTC gegenüber einem System ohne PTC ist die beschleunigte Einsatzbereitschaft des Oxidationskatalysators. Dadurch werden bei einem Kaltstart der entsprechend ausgerüsteten Brennkraftmaschine HC / CO-Emissionen früher konvertiert.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird ein deutlich besseres Ansprechverhalten des Hochdruck-Verdichters des ersten Abgasturboladers im Vergleich mit einem System, das einen Oxidationskatalysator vor der Hochdruckturbine aufweist, erzielt, der seinerseits maßgeblich die Dynamik des Luftsystems bestimmt. Gegenüber einem System ohne Oxidationskatalysator ergeben sich keine Veränderungen beim Ansprechverhalten. Der Ladedruckaufbau zwischen dem System ohne und demjenigen mit einem Oxidationskatalysator zwischen der Hochdruck-Turbine des ersten Abgasturboladers und der Niederdruck-Turbine des zweiten Turboladers ist nahezu identisch. Der Temperaturverlust ist aber deutlich geringer im Vergleich zu einer Anordnung des Oxidationskatalysators beispielsweise vor der Hochdruck-Turbine des ersten Abgasturboladers. Zudem ist der Temperaturverlust von untergeordneter Bedeutung, da die Hauptarbeit bei einem Lastsprung ohnehin von dem Hochdruck-Lader des zweiten Abgasturboladers geleistet wird.
Das bessere Ansprechverhalten des Hochdruck-Laders bei Lastsprüngen führt zu einem Luftüberschuss in der Verbrennung. Dadurch kommt es insbesondere zu weniger Ruß- sowie HC-/ CO-Emissionen in den Dynamikphasen.
Durch die Anordnung des Oxidationskatalysators im Bypassstrang hinter der Hochdruckturbine des ersten Abgasturboladers werden die sehr hohen Abgastemperaturen (bis 800° Celsius) in vollastnahem Betriebspunkten der Brennkraftmaschine vermieden, weil in diesen Betriebspunkten die Bypassklappe geöffnet ist und das Abgas nicht durch den Oxidationskatalysator strömt. Der Abgasgegendruck wird verringert und somit der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine verbessert. Außerdem verringert sich die Wahrscheinlichkeit einer frühzeitigen Alterung des Oxidationskatalysators.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der ein in den Figuren dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben ist:
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine mit zweistufiger Turboaufladung und erfindungsgemäß verbautem Oxidationskatalysator und
2 eine stirnseitige Ansicht eines Bypassgehäuses des ersten Abgasturboladers mit integriertem Oxidationskatalysator.
Ausführungsform der Erfindung
Das Blockschaltbild gemäß 1 zeigt eine dreizylindrige Brennkraftmaschine 9 mit einem Frischluftstrang 20 und einem Abgasstrang 21. Dem Frischluftstrang 20 wird Frischluft 1 über einen Luftfilter 2 und einem Heißfilmluftmassenmesser 3, weiter über einen Niederdruck-Verdichter 4 eines zweiten Abgasturboladers und einen Hochdruck-Verdichter 6 eines ersten Abgasturboladers, weiter über einen Ladeluftkühler 7 und eine Drosselklappe 8 zugeführt. Der Hochdruck-Verdichter 6 ist über einen Verdichter-Bypass 5 umgehbar.
Die zusammen mit einem Kraftstoff, insbesondere Dieselkraftstoff, in den Brennräumen der Brennkraftmaschine zugeführte Frischluft 1 verlässt nach der Verbrennung die Brennkraftmaschine 9 und den Abgasstrang 21 als Abgas 19. Ein Teil des verbrannten Abgases wird über eine Abgasrückführleitung, in die ein Abgasrückführkühler 10 und ein Abgasrückführventil 11 zur Steuerung der zurückgeführten Abgasmenge eingebaut sind, in den Frischluftstrang 20 direkt vor dem Einlass in die Brennkraftmaschine 9 zurückgeführt. Der restliche Abgasstrom wird einer Hochdruck-Turbine 14 des ersten Abgasturboladers zugeführt und gelangt hinter der Hochdruck-Turbine 14 zu einem Abgaskatalysator in Form eines Oxidationskatalysators 15. Der Oxidationskatalysator 15 ist in ein Bypassgehäuse 13 der Hochdruck-Turbine 14 des ersten Abgasturboladers eingebaut, wobei der genaue Einbau der 2 zu entnehmen ist. Das Bypassgehäuse 13 weist eine Bypassleitung 22 mit einer Bypassklappe 12 auf, über die die Hochdruck-Turbine 14 umgehbar ist. Hinter dem Oxidationskatalysator 15 ist in den Abgasstrang 21 eine Niederdruck-Turbine 16 mit variabler Geometrie eingebaut, die Bestandteil des zweiten Abgasturboladers ist. Dieser Niederdruck-Turbine 16 schließen sich ein Diesel-Oxidationskatalysator 17 und ein Partikelfilter 18 an, bevor das gereinigte Abgas 19 in die Umgebung gelangt.
2 zeigt eine Ansicht des Bypassgehäuses 13, wobei im oberen Bereich des Bypassgehäuses 13 die Bypassleitung 22 mit der Bypassklappe 12 angeordnet ist, während im unteren Bereich der Strömungsauslass die Hochdruck-Turbine 14 angeordnet ist. In diesen Strömungsauslass ist der Oxidationskatalysator 15 integriert. Ist die Bypassklappe 12 geschlossen, was insbesondere bei geringen Drehzahlen und Lasten der Brennkraftmaschine erfolgt, bei denen der HC-/ CO-Ausstoß der Brennkraftmaschine für die Emissionierung relevant ist, fließt der gesamte Abgasmassenstrom (ausgenommen des in den Frischluftstrang 20 zurückgeführten Abgases) über die Hochdruck-Turbine 14 und anschließend durch den in das Bypassgehäuse 13 integrierten Oxidationskatalysator 15. Bei geöffneter Bypassklappe 12 strömt das Abgas 19 durch den dann freigegebenen oberen Querschnitt der Bypassleitung 22 direkt auf die Niederdruck-Turbine 16.
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

WO 2004/097195 A1 [0002]

Claims

Brennkraftmaschine mit einem Abgasstrang (21) und mit zweistufiger Turboaufladung, wobei der Abgasstrang (21) zwei Turbinen eines ersten und eines zweiten Abgasturboladers und mindestens einem Abgaskatalysator, insbesondere einem Oxidationskatalysator (15) in Reihenschaltung und eine Bypassleitung (22) in Parallelschaltung zur der Hochdruck-Turbine (14) des ersten Abgasturboladers umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskatalysator (15) hinter der Hochdruck-Turbine (14) des ersten Abgasturboladers in einem Bypassstrang zu einer Bypassklappe (12) integriert ist, und dass der Bypassstrang und die Bypassklappe (12) in einem gemeinsamen Bypassgehäuse (13) integriert sind.
Brennkraftmaschine (9) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypassstrang und die Bypassklappe (12) nebeneinanderliegend in dem Bypassgehäuse (13) angeordnet sind.
Brennkraftmaschine (9) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bypassgehäuse (13) mit dem Turbinengehäuse des ersten Abgasturboladers verbunden, insbesondere vereinigt ist.
Brennkraftmaschine (9) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskatalysator (15) gehäuselos in das Bypassgehäuse (13) eingesetzt ist.