DE102016201185A1

DE102016201185A1 - Brennkraftmaschine mit Abgasnachbehandlung und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102016201185A1
Application number: DE102016201185.5A
Authority: DE
Inventors: Albert Breuer; Jan Linsel; Jan Mehring; Thomas Lorenz; Klaus Moritz Springer
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2016-01-27
Filing date: 2016-01-27
Publication date: 2017-07-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf und mindestens zwei Zylindern, bei der – jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen von Abgasen aus dem Zylinder via Abgasabführsystem (1) aufweist, wobei sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt, und – mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem im Abgasabführsystem (1) angeordnet ist. Es soll eine Brennkraftmaschine der oben genannten Art bereitgestellt werden, die hinsichtlich der Abgasnachbehandlung verbessert ist. Erreicht wird dies durch eine Brennkraftmaschine der genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass – im Abgasabführsystem (1) stromaufwärts des mindestens einen Abgasnachbehandlungssystems eine elektrische Heizeinrichtung (2) angeordnet ist, die mindestens ein Heizelement (2a) aufweist, und – die elektrische Heizeinrichtung (2) aus einer Arbeitsposition, in der die Heizeinrichtung (2) das Abgasabführsystem (1) zumindest teilweise versperrt, durch Verstellen in eine Ruheposition überführbar ist, in der die Heizeinrichtung (2) das Abgasabführsystem (1) weniger versperrt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf und mindestens zwei Zylindern, bei der

– jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen von Abgasen aus dem Zylinder via Abgasabführsystem aufweist, wobei sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt, und
– mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem im Abgasabführsystem angeordnet ist.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.
Eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, und Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
Nach dem Stand der Technik werden Brennkraftmaschinen zur Reduzierung der Schadstoffemissionen mit verschiedenen Abgasnachbehandlungssystemen ausgestattet. Zwar findet auch ohne zusätzliche Maßnahmen während der Expansion und des Ausschiebens der Zylinderfüllung bei einem ausreichend hohen Temperaturniveau und dem Vorhandensein genügend großer Sauerstoffmengen eine Oxidation der unverbrannten Kohlenwasserstoffe (HC) und von Kohlenmonoxid (CO) statt. Diese Reaktionen kommen aber aufgrund der stromabwärts schnell abnehmenden Abgastemperatur und der infolgedessen rapide sinkenden Reaktionsgeschwindigkeit schnell zum Erliegen. Eventueller Sauerstoffmangel kann durch eine Sekundärlufteinblasung kompensiert werden. Jedoch müssen in der Regel besondere Reaktoren und/oder Filter im Abgasabführsystem vorgesehen werden, um die Schadstoffemissionen unter sämtlichen Betriebsbedingungen spürbar zu reduzieren.
Thermische Reaktoren versuchen, eine weitgehende Nachoxidation von HC und CO im Abgasabführsystem zu erzielen, indem eine Wärmeisolation und ein ausreichend großes Volumen im Abgasabführsystem vorgesehen werden. Die Wärmeisolation soll ein möglichst hohes Temperaturniveau durch Minimierung der Wärmeverluste sicherstellen, wohingegen ein großes Volumen eine lange Verweildauer der Abgase gewährleistet. Sowohl die lange Verweildauer als auch das hohe Temperaturniveau unterstützen die angestrebte Nachoxidation. Nachteilig sind der schlechte Wirkungsgrad bei unterstöchiometrischer Verbrennung und die hohen Kosten. Für Dieselmotoren sind thermische Reaktoren aufgrund des grundsätzlich niedrigeren Temperaturniveaus nicht zielführend.
Aus den genannten Gründen kommen nach dem Stand der Technik bei Ottomotoren katalytische Reaktoren zum Einsatz, die unter Verwendung katalytischer Materialien, die die Geschwindigkeit bestimmter Reaktionen erhöhen und eine Oxidation von HC und CO auch bei niedrigen Temperaturen sicherstellen. Sollen zusätzlich Stickoxide (NO_x) reduziert werden, kann dies durch den Einsatz eines Dreiwegkatalysators erreicht werden, der dazu aber einen in engen Grenzen ablaufenden stöchiometrischen Betrieb (λ ≈ 1) des Ottomotors erfordert.
Dabei werden die Stickoxide mittels der vorhandenen nicht oxidierten Abgaskomponenten, nämlich den Kohlenmonoxiden und den unverbrannten Kohlenwasserstoffen, reduziert, wobei gleichzeitig diese Abgaskomponenten oxidiert werden. Trotz katalytischer Unterstützung erfordern Oxidationskatalysatoren sowie Drei-Wege-Katalysatoren immer noch eine gewisse Mindesttemperatur bzw. Anspringtemperatur zur Realisierung ausreichend hoher Konvertierungsraten, die beispielsweise 120°C bis 250°C betragen kann.
Bei Brennkraftmaschinen, die mit einem Luftüberschuss betrieben werden, also beispielsweise im Magerbetrieb arbeitende Ottomotoren, insbesondere aber direkteinspritzende Dieselmotoren aber auch direkteinspritzende Ottomotoren, können die im Abgas befindlichen Stickoxide prinzipbedingt – d. h. aufgrund der fehlenden Reduktionsmittel – nicht reduziert werden.
Zur Oxidation der unverbrannten Kohlenwasserstoffe und von Kohlenmonoxid wird ein Oxidationskatalysator im Abgasabführsystem vorgesehen. Zur Reduzierung der Stickoxide werden selektive Katalysatoren – sogenannte SCR-Katalysatoren – eingesetzt, bei denen gezielt Reduktionsmittel in das Abgas eingebracht wird, um die Stickoxide selektiv zu vermindern. Als Reduktionsmittel kommen neben Ammoniak und Harnstoff auch unverbrannte Kohlenwasserstoffe zum Einsatz. Letzteres wird auch als HC-Anreicherung bezeichnet, wobei die unverbrannten Kohlenwasserstoffe direkt in das Abgasabführsystem eingebracht werden oder aber durch innermotorische Maßnahmen, beispielsweise durch eine Nacheinspritzung von zusätzlichem Kraftstoff in den Brennraum nach der eigentlichen Verbrennung, zugeführt werden. Dabei soll der nacheingespritzte Kraftstoff nicht im Brennraum durch die noch ablaufende Hauptverbrennung oder aber durch die – auch nach Beendigung der Hauptverbrennung – hohen Verbrennungsgastemperaturen gezündet werden, sondern während des Ladungswechsels in das Abgasabführsystem eingeleitet werden.
Brennkraftmaschinen, die von einer Nacheinspritzung Gebrauch machen, sind aber von Hause aus sehr anfällig für eine Verdünnung bzw. Kontaminierung des Öls durch unverbrannte Kohlenwasserstoffe. In Abhängigkeit von der Quantität des nacheingespritzten Kraftstoffes und dem Einspritzzeitpunkt, gelangt ein mehr oder weniger großer Anteil des nacheingespritzten Kraftstoffes auf die Zylinderinnenwand und mischt sich dort mit dem anhaftenden Ölfilm. Anschließend gelangt der Kraftstoff zusammen mit dem Öl und dem Blow-by Gas in das Kurbelgehäuse und trägt so maßgeblich zur Ölverdünnung bei. Die Ölverdünnung nimmt mit steigender Kraftstoffmenge und Verschieben der Nacheinspritzung nach spät zu. Durch die Veränderung der Schmierstoffeigenschaften des Öls hat die Ölverdünnung maßgeblich Einfluss auf den Verschleiß und die Haltbarkeit d. h. die Lebensdauer der Brennkraftmaschine.
Grundsätzlich können die Stickoxidemissionen auch mit einem sogenannten Stickoxidspeicherkatalysator reduziert werden. Dabei werden die Stickoxide zunächst – während eines mageren Betriebs der Brennkraftmaschine – im Katalysator absorbiert, d. h. gesammelt und gespeichert, um dann während einer Regenerationsphase, beispielsweise mittels eines unterstöchiometrischen Betriebs (λ < 1) der Brennkraftmaschine bei Sauerstoffmangel, reduziert zu werden, wobei die unverbrannten Kohlenwasserstoffe als Reduktionsmittel dienen. Weitere innermotorische Möglichkeiten zur Anreicherung des Abgases mit Reduktionsmittel, insbesondere unverbrannten Kohlenwasserstoffen, bietet die Abgasrückführung (AGR) und bei Dieselmotoren die Drosselung im Ansaugsystem. Wie bereits für die SCR-Katalysatoren weiter oben ausgeführt, kann eine Anreicherung des Abgases mit unverbrannten Kohlenwasserstoffen auch mittels Nacheinspritzung von Kraftstoff realisiert werden, was ebenfalls als innermotorische Maßnahme anzusehen ist. Die Nachteile dieser Vorgehensweise sind die bereits oben Genannten, insbesondere die Ölverdünnung, aber auch der Einsatz von zusätzlichem Kraftstoff.
Auf innermotorische Maßnahmen kann verzichtet werden, wenn das Reduktionsmittel direkt in das Abgasabführsystem eingebracht wird, beispielsweise durch Einspritzen von zusätzlichem Kraftstoff. Während der Regenerationsphase werden die Stickoxide freigegeben und im Wesentlichen in Stickstoffdioxid (N₂), Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Wasser (H₂O) umgewandelt.
Die Häufigkeit der Regenerationsphasen wird durch die Gesamtemission an Stickoxiden und die Speicherkapazität des Speicherkatalysators bestimmt. Die Temperatur des Speicherkatalysators sollte vorzugsweise in einem Temperaturfenster zwischen 200°C und 450°C liegen, so dass einerseits eine schnelle Reduktion sichergestellt wird und andererseits keine Desorption ohne Konvertierung der wieder freigegebenen Stickoxide stattfindet, was durch zu hohe Temperaturen ausgelöst werden kann.
Eine Schwierigkeit bei der Verwendung eines Speicherkatalysators ergibt sich aus dem im Abgas enthaltenen Schwefel, der ebenfalls im Speicherkatalysator absorbiert wird und im Rahmen einer Entschwefelung regelmäßig entfernt werden muss. Hierfür muss der Speicherkatalysator auf hohe Temperaturen, üblicherweise zwischen 600°C und 700°C, erwärmt und mit einem Reduktionsmittel versorgt werden, was wiederum durch den Übergang zu einem fetten Betrieb der Brennkraftmaschine erreicht werden kann.
Hinsichtlich der Anreicherung des Abgases mit Reduktionsmittel wird auf die bereits weiter oben gemachten Ausführungen Bezug genommen.
Zur Minimierung der Emission von Rußpartikeln werden nach dem Stand der Technik sogenannte regenerative Partikelfilter eingesetzt, die die Rußpartikel aus dem Abgas herausfiltern und speichern, wobei diese Rußpartikel im Rahmen der Regeneration des Filters intermittierend verbrannt werden. Hierzu ist Sauerstoff bzw. ein Luftüberschuss im Abgas erforderlich, um den Ruß im Filter zu oxidieren, was beispielsweise durch einen überstöchiometrischen Betrieb (λ > 1) der Brennkraftmaschine erreicht werden kann.
Die zur Regeneration des Partikelfilters hohen Temperaturen von etwa 550°C bei nicht vorhandener katalytischer Unterstützung werden im Betrieb nur bei hohen Lasten und hohen Drehzahlen erreicht. Daher muss auf zusätzliche Maßnahmen zurückgegriffen werden, um eine Regeneration des Filters unter allen Betriebsbedingungen zu gewährleisten.
Die Erwärmung des Partikelfilters kann durch Nacheinspritzung von zusätzlichem Kraftstoff in den Brennraum erfolgen, wobei der nacheingespritzte Kraftstoff bereits im Brennraum gezündet wird, was durch die auslaufende Hauptverbrennung oder die gegen Ende der Verbrennung im Brennraum vorliegenden hohen Temperaturen geschehen kann, so dass die Abgastemperatur der in das Abgasabführsystem ausgeschobenen Abgase innermotorisch angehoben wird. Zur Erwärmung des Abgases und damit des Filters kann die Brennkraftmaschine auch unterstöchiometrisch (λ < 1) betrieben werden, was ebenfalls als innermotorische Maßnahme anzusehen ist. Zusätzlicher Kraftstoff kann auch direkt in das Abgasabführsystem eingebracht und gezündet werden, um die Abgastemperatur stromaufwärts des Filters zu erhöhen.
Auch im Zusammenhang mit der Regeneration des Partikelfilters muss berücksichtigt werden, dass der Einsatz von zusätzlichem Kraftstoff zwecks Erwärmung des Filters prinzipbedingt den Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine erhöht; sei es aufgrund eines Überganges zu einem fetten Motorbetrieb oder aber infolge der Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum bzw. in das Abgasabführsystem.
Die unterschiedlichen Abgasnachbehandlungssysteme, d. h. die vorstehend beschriebenen Katalysatoren, Reaktoren und Filter, haben maßgeblich und direkt Einfluss auf die zur Abgasnachbehandlung eingesetzte Kraftstoffmenge und damit auf den Gesamtverbrauch der Brennkraftmaschine. Insbesondere benötigen die Abgasnachbehandlungssysteme für ihren Betrieb bzw. für ihre Regeneration eine bestimmte Temperatur, weshalb der Einsatz von zusätzlichem Kraftstoff erforderlich ist bzw. erforderlich werden kann.
Die vorstehenden Ausführungen zeigen, dass Abgasnachbehandlungssysteme zur Konvertierung der Schadstoffe eine gewisse Betriebstemperatur erfordern, weshalb Maßnahmen zu ergreifen sind, um die erforderlichen Temperaturen zu generieren und aufrechtzuerhalten. Zudem ist dafür zu sorgen, dass die Abgasnachbehandlungssysteme nach einem Kaltstart, einem Wiederstart bzw. während der Warmlaufphase möglichst schnell aufgeheizt werden und zügig ihre Betriebstemperatur erreichen.
Vor dem Hintergrund des oben Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich der Abgasnachbehandlung verbessert ist.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf und mindestens zwei Zylindern, bei der

– jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen von Abgasen aus dem Zylinder via Abgasabführsystem aufweist, wobei sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt, und
– mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem im Abgasabführsystem angeordnet ist, und die dadurch gekennzeichnet ist, dass
– im Abgasabführsystem stromaufwärts des mindestens einen Abgasnachbehandlungssystems eine elektrische Heizeinrichtung angeordnet ist, die mindestens ein Heizelement aufweist, und
– die elektrische Heizeinrichtung aus einer Arbeitsposition, in der die Heizeinrichtung das Abgasabführsystem zumindest teilweise versperrt und somit für das im Abgasabführsystem befindliche Abgas einen Strömungswiderstand darstellt, durch Verstellen in eine Ruheposition überführbar ist, in der die Heizeinrichtung das Abgasabführsystem weniger versperrt und somit für das im Abgasabführsystem befindliche Abgas einen geringeren Strömungswiderstand darstellt.

Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist eine elektrische Heizeinrichtung im Abgasabführsystem stromaufwärts der Abgasnachbehandlung angeordnet, mit der das Abgas vor Eintritt in das mindestens eine Abgasnachbehandlungssystem erwärmt werden kann. Die Anordnung der Heizeinrichtung in der Nähe der Abgasnachbehandlung unterstützt die Funktion der Heizeinrichtung, nämlich den Abgasnachbehandlungssystemen warmes bzw. vorgewärmtes Abgas zur Verfügung zu stellen, d. h. zu zuführen.
Durch eine Anordnung der Heizeinrichtung nahe der Abgasnachbehandlungssysteme wird der Weg der erwärmten Abgase von der Heizeinrichtung bis hin zu den Abgasnachbehandlungssystemen spürbar verkürzt. Damit wird dem erwärmten Abgas wenig Wegstrecke und Zeit zur Abkühlung eingeräumt. Die thermische Trägheit des Teilstücks des Abgasabführsystems zwischen der Heizeinrichtung und der Abgasnachbehandlung wird vermindert und zwar durch Reduzierung der Masse und der Länge dieses Teilstückes.
Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern unter Ausbildung eines Abgaskrümmers innerhalb des mindestens einen Zylinderkopfes zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen. Die Integration des Abgaskrümmers in den Zylinderkopf verkürzt die vorliegend relevante Wegstrecke zu den Abgasnachbehandlungssystemen nochmals. Diese Maßnahme gestattet darüber hinaus ein dichtes Packaging der Antriebseinheit und verringert die Anzahl an Bauteilen und damit die Montage- und Bereitstellungskosten.
Nichtsdestotrotz können Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen die Abgasleitungen außerhalb des mindestens einen Zylinderkopfes zusammenführen, d. h. mindestens einen externen Abgaskrümmer ausbilden.
Eine elektrische Heizeinrichtung hat den Vorteil, dass die für den Betrieb der Heizeinrichtung erforderliche elektrische Energie regenerativ zurückgewonnene Energie sein kann. Beispielsweise mittels Generator im Schubbetrieb der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges rückgewonnene Energie kann zusammen mit einer elektrischen Heizeinrichtung verwendet werden, um das durch die Abgas führenden Leitungen des Abgasabführsystems strömende Abgas zu erwärmen und ein im Abgasabführsystem angeordnetes Abgasnachbehandlungssystem aufzuheizen bzw. mit erwärmten Abgas zu versorgen.
Der Einsatz von zusätzlichem Kraftstoff für die Aufheizung von Abgas bzw. von im Abgasabführsystem angeordneten Abgasnachbehandlungssystemen entfällt bzw. wird vermindert, so dass sich der Kraftstoffgesamtverbrauch reduziert. Trotz aktiver Aufheizung der Abgasnachbehandlung mittels Heizeinrichtung erhöht sich der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine nicht bzw. weniger deutlich. Darüber hinaus ist man beim Aufheizen bzw. beim Betrieb der elektrischen Heizeinrichtung unabhängig vom momentanen Betriebszustand der Brennkraftmaschine, beispielsweise davon, ob die Brennkraftmaschine unterstöchiometrisch oder überstöchiometrisch betrieben wird. Andersherum ergeben sich beim Einstellen der Betriebsparameter der Brennkraftmaschine keine Einschränkungen durch den Betrieb der elektrischen Heizeinrichtung.
Besondere Vorteile bietet die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine nach einem Kaltstart und in der Warmlaufphase, wenn die Abgasnachbehandlungssysteme ihre Betriebstemperatur noch nicht erreicht haben und der Aufheizvorgang verkürzt werden soll, aber beispielsweise auch bei der Entschwefelung eines Speicherkatalysators oder der Regeneration eines Partikelfilters, wenn sehr hohe Temperaturen erforderlich sind.
Vorteile ergeben sich auch bei teilabschaltbaren Brennkraftmaschinen, bei denen jeder Zylindergruppe separate Abgasnachbehandlungssysteme zur Verfügung gestellt werden, welche nur die Abgase der zugehörigen Zylindergruppe nachbehandeln. Denn bei Teilabschaltung werden die Abgasnachbehandlungssysteme der abgeschalteten Zylindergruppe nicht mehr von heißem Abgas durchströmt und kühlen aus. Dieser Effekt verstärkt sich noch, falls die Ventile der abgeschalteten Zylinder nicht mit abgeschaltet werden und die abgeschalteten Zylinder weiter am Ladungswechsel teilnehmen. Dann strömt kühle Luft durch die entsprechenden Abgasnachbehandlungssysteme, wodurch sich der Auskühlvorgang beschleunigt und verstärkt.
Ähnliches gilt für Brennkraftmaschinen, bei denen mehrere Abgasturbolader mit im Abgasabführsystem parallel angeordneten Turbinen vorgesehen sind und eine Turbine eines Abgasturboladers als schaltbare Turbine ausgebildet ist. Derartige Brennkraftmaschinen weisen regelmäßig turbinenzugehörige Abgasnachbehandlungssysteme auf, welche nur die Abgase der zugehörigen Turbine nachbehandeln. Bei Abschaltung der schaltbaren Turbine werden die zugehörigen Abgasnachbehandlungssysteme ebenfalls deaktiviert, d. h. nicht länger von heißem Abgas durchströmt, und kühlen aus.
Das wesentliche Merkmal der vorliegenden Erfindung ist aber, dass die Heizeinrichtung unterschiedliche Positionen einnehmen kann, wodurch sich einerseits der Aufwärmeffekt in der Stärke steuern, d. h. regulieren lässt und sich andererseits die Heizeinrichtung als im Abgasabführsystem befindlicher Strömungswiderstand weitestgehend bzw. nahezu eliminieren lässt.
Die erfindungsgemäße Heizeinrichtung lässt sich aus einer Arbeitsposition, in der die Heizeinrichtung das Abgasabführsystem zumindest teilweise versperrt und somit für das im Abgasabführsystem befindliche Abgas einen Strömungswiderstand darstellt, durch Verstellen in eine Ruheposition überführen, in der die Heizeinrichtung das Abgasabführsystem weniger versperrt und somit für das im Abgasabführsystem befindliche Abgas einen geringeren Strömungswiderstand darstellt.
Das Einnehmen verschiedener Positionen kann auf ganz unterschiedliche Weise realisiert werden, nämlich gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, bei der die Heizeinrichtung als solche, d. h. im Ganzen, verstellt wird, beispielsweise verdreht wird, oder aber entsprechend einer Ausführungsform, bei der die Heizelemente verstellt werden können, die Heizeinrichtung als solche aber ihre lokale Platzierung beibehält.
Die in einer Arbeitsposition befindliche Heizeinrichtung versperrt zumindest teilweise das Abgasabführsystem, wodurch der Abgasdruck stromaufwärts der Heizeinrichtung erhöht wird und das Druckgefälle über die Heizeinrichtung hinweg zunimmt. Das erhöhte Druckgefälle sorgt für eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit des Abgases beim Durchströmen der Heizeinrichtung. Der Wärmeübergang wird vergrößert und damit der Aufheizeffekt verstärkt.
In einer Ruheposition versperrt die Heizeinrichtung das Abgasabführsystem weniger und bietet dem Abgas einen geringeren Widerstand, so dass das Druckgefälle über die Heizeinrichtung hinweg kleiner ist. Der Wärmeübergang wird verringert, wodurch der Aufheizeffekt abgeschwächt wird. Zudem kann das Abgas zumindest in Teilen die in der Ruheposition befindliche Heizeinrichtung umströmen.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine löst die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, nämlich eine Brennkraftmaschine bereitzustellen, die hinsichtlich der Abgasnachbehandlung verbessert ist.
Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann auch zwei Zylinderköpfe aufweisen, beispielsweise, wenn mehrere Zylinder auf zwei Zylinderbänke verteilt angeordnet sind.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem ein Oxidationskatalysator ist.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem ein Speicherkatalysator ist.
Vorteilhaft sind ebenfalls Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem ein Partikelfilter ist.
Vorteilhaft sind zudem Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem ein selektiver Katalysator ist.
Die eingangs hinsichtlich der verschiedenen Abgasnachbehandlungssysteme und deren Betriebsweise gemachten Erläuterungen haben auch vorliegend Gültigkeit, weshalb an dieser Stelle Bezug genommen wird auf diese Ausführungen. Ausnahmslos sämtliche Abgasnachbehandlungssysteme haben zumindest zeitweise einen Bedarf an externer Energie, d. h. an einer aktiven Aufheizung unter Zuhilfenahme von Hilfsmitteln.
Jedes der vorstehend genannten Abgasnachbehandlungssysteme kann auch als Komponente eines kombinierten Abgasnachbehandlungssystems zur Anwendung kommen, d. h. ausgebildet sein. Folglich können auch mehrere Abgasnachbehandlungssysteme unterschiedlicher Art zur Anwendung kommen.
Vorteilhaft können daher auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen das mindestens eine Abgasnachbehandlungssystem ein Vier-Wege-Katalysator ist.
Ein Vier-Wege-Katalysator ist ein Beispiel für ein kombiniertes Abgasnachbehandlungssystem und umfasst beispielsweise einen Oxidationskatalysator, einen Speicherkatalysator und einen Partikelfilter.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen zwecks Abgasnachbehandlung ein Oxidationskatalysator, ein Speicherkatalysator und ein Partikelfilter in Reihe geschaltet vorgesehen sind, wobei der Speicherkatalysator stromaufwärts des Partikelfilters und der Oxidationskatalysator stromaufwärts des Speicherkatalysators angeordnet ist.
Günstig ist diese Anordnung der einzelnen Abgasnachbehandlungssysteme insbesondere hinsichtlich der Temperatur, welche für die Reduzierung der jeweiligen Schadstoffe erforderlich ist.
Dadurch, dass der Oxidationskatalysator stromaufwärts der beiden anderen Abgasnachbehandlungssysteme vorgesehen wird, ist der Oxidationskatalysator das Abgasnachbehandlungssystem, das am nächsten am Auslass der Brennkraftmaschine angeordnet ist und zuerst von den heißen Abgasen durchströmt wird. Folglich sind die Wärmeverluste und die damit verbundene Temperaturabsenkung der heißen Abgase geringer. Dementsprechend erreicht der Oxidationskatalysator seine sogenannte Anspringtemperatur von beispielsweise 150°C auch nach einem Kaltstart innerhalb einer verhältnismäßig kurzen Zeitspanne. Insbesondere während eines unterstöchiometrischen Betriebs der Brennkraftmaschine sorgt die hohe Konzentration an unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Abgas für eine spürbare Anhebung der Abgastemperatur infolge der verstärkten Oxidationsprozesse im Oxidationskatalysator. Dabei wird die Wärme dort freigesetzt, wo sie benötigt wird, nämlich in Nachbarschaft zu den Abgasnachbehandlungssystemen.
Die im Oxidationskatalysator ablaufenden exothermen Reaktionen bewirken eine Erwärmung des hindurch strömenden Abgases und damit eine Erwärmung der nachgeschalteten Abgasnachbehandlungssysteme, nämlich des Speicherkatalysators und des Partikelfilters. Die im Speicherkatalysator ablaufenden Reaktionen sind mit einer geringen Wärmeabgabe verbunden und führen auf diese Weise zu einer Erhöhung der Abgastemperatur und der Temperatur des Partikelfilters.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Batterie vorgesehen ist, die im Bedarfsfall die elektrische Energie für die mindestens eine elektrische Heizeinrichtung liefert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jeder Zylinder mindestens zwei Auslassöffnungen aufweist.
Es ist die Aufgabe des Ventiltriebs die Einlassöffnungen und Auslassöffnungen der Zylinder rechtzeitig freizugeben bzw. zu schließen, wobei eine schnelle Freigabe möglichst großer Strömungsquerschnitte angestrebt wird, um die Drosselverluste in den ein- bzw. ausströmenden Gasströmungen gering zu halten und eine möglichst gute Füllung des Zylinders mit Frischgemisch bzw. ein effektives, d. h. vollständiges Abführen der Abgase zu gewährleisten. Daher ist es vorteilhaft, die Zylinder mit zwei oder mehr Auslassöffnungen auszustatten.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen

– die Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen,
– das mindestens eine Abgasnachbehandlungssystem in der Gesamtabgasleitung angeordnet ist, und
– die elektrische Heizeinrichtung in der Gesamtabgasleitung angeordnet ist.

Vorliegend müssen nicht die Abgasleitungen sämtlicher Zylinder zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, sondern nur die Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern.
Vorteilhaft sind aber auch Ausführungsformen, bei denen die Abgasleitungen sämtlicher Zylinder des mindestens einen Zylinderkopfes zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die elektrische Heizeinrichtung über einen Rahmen verfügt, in dem das mindestens eine Heizelement angeordnet bzw. eingespannt ist. Dann bilden die Heizelemente mitsamt dem Rahmen eine integrale vorgefertigte Baugruppe, wodurch sich unter anderem die Montage vereinfacht.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen in dem Rahmen mehrere Heizelemente angeordnet sind. Sind mehrere Heizelemente vorgesehen, bedeutet dies, dass mindestens zwei Heizelemente vorgesehen sind.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die mehreren Heizelemente gitternetzartig in dem Rahmen angeordnet sind.
Verfügt die elektrische Heizeinrichtung über einen Rahmen sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen der Rahmen eine Gestalt aufweist, die mit dem Querschnitt des Abschnitts des Abgasabführsystems korrespondiert, in welchem die elektrische Heizeinrichtung angeordnet ist. Dann lässt sich die Heizeinrichtung in eine Arbeitsposition überführen, in der das Abgas nicht an der Heizeinrichtung vorbei strömen kann.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Rahmen eine runde, vorzugsweise eine kreisförmige, Gestalt aufweist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das mindestens eine Heizelement drahtförmig ausgebildet ist. Das drahtförmig ausgebildete Heizelement kann die Form einer Spirale bzw. einer Heizwendel haben, aber auch ein Drahtgespinst bzw. Drahtgeflecht bilden. Das einzelne drahtförmige Heizelement kann auch geradlinig ausgebildet sein.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das mindestens eine Heizelement bandförmig ausgebildet ist. Gegenüber einem drahtförmig ausgebildeten Heizelement hat ein bandförmiges Heizelement eine vergrößerte wärmeübertragende Fläche.
Vorzugsweise ist ein bandförmiges Heizelement mit der schmalen Seite des Querschnitts der Abgasströmung zugewandt. Eine bandförmige Ausbildung des Heizelements zusammen mit der konkreten Ausrichtung des Heizelementes bietet strömungstechnisch und im Hinblick auf den Wärmeübergang Vorteile.
Vorteilhaft können zudem Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen das mindestens eine Heizelement flügelförmig ausgebildet ist.
Eine derartige Ausbildung der Heizelemente ist besonders geeignet, um die Heizelemente als Leiteinrichtung für die erwärmte Abgasströmung zu nutzen. Mit einer solchen Leiteinrichtung kann das Abgas in vorteilhafter Weise geführt und gelenkt werden. Ist die Leiteinrichtung zudem verstellbar, kann das Verstellen der Leiteinrichtung bzw. der Heizelemente auch genutzt werden, um die Heizeinrichtung in die verschiedenen Positionen zu überführen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die elektrische Heizeinrichtung mindestens zwei Heizelemente aufweist. Mit der Anzahl der Heizelemente vergrößert sich die wärmeübertragende Fläche und mit der Fläche nimmt der Wärmeübergang infolge Konvektion zu.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens zwei Heizelemente beabstandet zueinander angeordnet sind.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das mindestens eine Heizelement der elektrischen Heizeinrichtung mittels einer Verstellvorrichtung verstellbar ist.
Dass die Heizeinrichtung unterschiedliche Positionen einnehmen kann, ist das wesentliche Merkmal der vorliegenden Erfindung. Gemäß der vorstehenden Ausführungsform, können die Heizelemente verstellt werden. Dieses Verstellen der Heizelemente kann dazu genutzt werden, die Heizeinrichtung in verschiedene Positionen zu überführen. Die Heizeinrichtung als solche kann ihre lokale Platzierung und Ausrichtung beibehalten oder aber selbst auch verstellbar sein.
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen die elektrische Heizeinrichtung mittels Verdrehen um eine Drehachse aus der Arbeitsposition in die Ruheposition überführbar ist.
In der Ruheposition ist die Heizeinrichtung dann vorzugsweise in Strömungsrichtung, d. h. entlang der Stromfäden der Abgasströmung, ausgerichtet, um für das vom Abgasabführsystem geführte Abgas einen möglichst kleinen Strömungswiderstand zu bieten. Die Abgasströmung steht dann auf der schmalen Seite der Heizeinrichtung. Es ergeben sich strömungstechnische Vorteile.
In der Arbeitsposition hingegen wird eine quer, vorzugsweise senkrecht, zur Abgasströmung ausgerichtete Heizeinrichtung bevorzugt, die das Abgasabführsystem zumindest teilweise, vorzugsweise möglichst vollständig versperrt.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine einer zuvor beschriebenen Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die elektrische Heizeinrichtung zur Erwärmung des Abgases aktiviert wird.
Das bereits für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren, weshalb auf die entsprechenden Ausführungen Bezug genommen wird.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die elektrische Heizeinrichtung zur Erwärmung des Abgases aktiviert wird, wenn die Kraftstoffzufuhr der Brennkraftmaschine deaktiviert wird.
Wird die Kraftstoffzufuhr deaktiviert, fehlt die bei der Verbrennung durch die exotherme, chemische Umwandlung des Kraftstoffes freigesetzte Wärme bzw. das Abgas, um die Abgasnachbehandlungssysteme auf Betriebstemperatur zu erwärmen.
Daher ist es vorteilhaft, die Heizeinrichtung zur Erwärmung des Abgases zu aktivieren, wenn die Kraftstoffzufuhr der Brennkraftmaschine deaktiviert wird.
Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die elektrische Heizeinrichtung im Schubbetrieb zur Erwärmung des Abgases aktiviert wird.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Heizeinrichtung zur Erwärmung des Abgases aktiviert wird, wenn die Kraftstoffzufuhr der Brennkraftmaschine für eine vorgebbare Zeitspanne Δt₁ deaktiviert ist.
Die Einführung einer zusätzlichen Bedingung für das Aktivieren der Heizeinrichtung soll ein zu häufiges An- und Abschalten der Heizeinrichtung verhindern, insbesondere ein Aktivieren der Heizeinrichtung, wenn die Kraftstoffzufuhr nur kurzzeitig deaktiviert wird, ohne dass ein Erwärmen des Abgases mittels Heizeinrichtung erforderlich wäre.
Vorteilhaft sind grundsätzlich Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die elektrische Heizeinrichtung in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine zur Erwärmung des Abgases aktiviert wird.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die elektrische Heizeinrichtung ausgehend von einer Ruheposition in eine Arbeitsposition überführt wird, um die Erwärmung des Abgases zu forcieren.
Die Überführung in die Arbeitsposition kann aktiv vorgenommen werden oder passiv erfolgen, d. h. selbsttätig stattfinden. So kann eine selbststeuernde Überführung von der Ruheposition in die Arbeitsposition und/oder von der Arbeitsposition in die Ruheposition mittels einer Verstellvorrichtung unter Verwendung von Bimetall realisiert werden.
Zum Betreiben eines Hybrid-Fahrzeuges, das neben der Brennkraftmaschine eine Elektromaschine als Antrieb umfasst, sind Ausführungsformen des Verfahrens vorteilhaft, bei denen ausgehend von einem Antrieb mittels Elektromaschine die elektrische Heizeinrichtung zur Erwärmung des Abgases aktiviert wird, bevor die Brennkraftmaschine zum Zwecke des Antriebs befeuert bzw. gestartet wird.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und gemäß den 1a, 1b und 1c näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1a schematisch und in einer halbperspektivischen Darstellung die Heizeinrichtung einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine in einer Arbeitsposition,
1b schematisch die in 1a dargestellte Heizeinrichtung mit Blick in Richtung der Abgasströmung, und
1c schematisch die in 1b dargestellte Heizeinrichtung um 90° in eine Ruheposition gedreht mit Blick in Richtung der Abgasströmung.
1a zeigt schematisch und in einer halbperspektivischen Darstellung die Heizeinrichtung 2 einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine in einer Arbeitsposition.
Die Brennkraftmaschine verfügt über ein Abgasabführsystem 1 zum Abführen der Abgase aus den Zylindern. In dem Abgasabführsystem 1 ist mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem zur Nachbehandlung der Abgase und Reduzierung der Schadstoffemissionen angeordnet (nicht dargestellt).
Stromaufwärts des mindestens einen Abgasnachbehandlungssystems ist eine elektrische Heizeinrichtung 2 in einer Gesamtabgasleitung 1a des Abgasabführsystems 1 angeordnet, die dem Erwärmen des Abgases bzw. der Abgasnachbehandlungssysteme dient.
Die Heizeinrichtung 2 verfügt über einen Rahmen 2b, in dem mehrere drahtförmige Heizelemente 2a gitternetzartig angeordnet und eingespannt sind. Der Rahmen 2b weist eine kreisförmige Gestalt auf und damit einen Querschnitt, der mit dem Abgasabführsystem 1 korrespondiert, so dass die in der Arbeitsposition befindliche Heizeinrichtung 2 die Gesamtabgasleitung 1a vollständig versperrt und kein Abgas an der Heizeinrichtung 2 vorbei strömen kann. Die Heizeinrichtung 2 ist dabei quer, vorliegend senkrecht, zur Abgasströmung ausgerichtet.
1b zeigt schematisch die in 1a dargestellte Heizeinrichtung 2 mit Blick in Richtung der Abgasströmung. Die Längsachse der Gesamtabgasleitung 1a steht senkrecht auf der Zeichenebene. Dargestellt ist auch die Drehachse 2c, um welche die Heizeinrichtung 2 mitsamt Heizelementen 2a, d. h. als Ganzes, gedreht werden kann. Die elektrische Heizeinrichtung 2 ist mittels Verdrehen um die Drehachse 2c aus der Arbeitsposition in eine Ruheposition überführbar.
1c zeigt schematisch die in 1b dargestellte Heizeinrichtung 2 um 90° in eine Ruheposition gedreht mit Blick in Richtung der Abgasströmung.
In der gezeigten Ruheposition ist die Heizeinrichtung 2 in Strömungsrichtung, d. h. entlang der Stromfäden der Abgasströmung ausgerichtet. Die in der Ruheposition befindliche Heizeinrichtung 2 bietet der Abgasströmung nur einen kleinen Strömungswiderstand. Die Heizeinrichtung 2 ist der Abgasströmung mit der schmalen Seite des Rahmens 2b zugewandt.
Bezugszeichenliste

1: Abgasabführsystem
1a: Gesamtabgasleitung
2: elektrische Heizeinrichtung
2a: Heizelemente
2b: Rahmen
2c: Drehachse

Claims

Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf und mindestens zwei Zylindern, bei der – jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen von Abgasen aus dem Zylinder via Abgasabführsystem (1) aufweist, wobei sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt, und – mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem im Abgasabführsystem (1) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – im Abgasabführsystem (1) stromaufwärts des mindestens einen Abgasnachbehandlungssystems eine elektrische Heizeinrichtung (2) angeordnet ist, die mindestens ein Heizelement (2a) aufweist, und – die elektrische Heizeinrichtung (2) aus einer Arbeitsposition, in der die Heizeinrichtung (2) das Abgasabführsystem (1) zumindest teilweise versperrt und somit für das im Abgasabführsystem (1) befindliche Abgas einen Strömungswiderstand darstellt, durch Verstellen in eine Ruheposition überführbar ist, in der die Heizeinrichtung (2) das Abgasabführsystem (1) weniger versperrt und somit für das im Abgasabführsystem (1) befindliche Abgas einen geringeren Strömungswiderstand darstellt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern zu einer Gesamtabgasleitung (1a) zusammenführen, – das mindestens eine Abgasnachbehandlungssystem in der Gesamtabgasleitung (1a) angeordnet ist, und – die elektrische Heizeinrichtung (2) in der Gesamtabgasleitung (1a) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizeinrichtung (2) über einen Rahmen (2b) verfügt, in dem das mindestens eine Heizelement (2a) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Rahmen (2b) mehrere Heizelemente (2a) angeordnet sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Heizelemente (2a) gitternetzartig in dem Rahmen (2b) angeordnet sind.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (2b) eine Gestalt aufweist, die mit dem Querschnitt des Abgasabführsystems (1) korrespondiert, in welchem die elektrische Heizeinrichtung (2) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (2b) eine runde Gestalt aufweist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Heizelement (2a) drahtförmig ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Heizelement (2a) bandförmig ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Heizelement (2a) flügelförmig ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizeinrichtung (2) mindestens zwei Heizelemente (2a) aufweist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Heizelemente (2a) beabstandet zueinander angeordnet sind.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Heizelement (2a) der elektrischen Heizeinrichtung (2) mittels einer Verstellvorrichtung verstellbar ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizeinrichtung (2) mittels Verdrehen um eine Drehachse (2c) aus der Arbeitsposition in die Ruheposition überführbar ist.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizeinrichtung (2) zur Erwärmung des Abgases aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizeinrichtung (2) zur Erwärmung des Abgases aktiviert wird, wenn die Kraftstoffzufuhr der Brennkraftmaschine deaktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizeinrichtung (2) im Schubbetrieb zur Erwärmung des Abgases aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizeinrichtung (2) in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine zur Erwärmung des Abgases aktiviert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizeinrichtung (2) ausgehend von einer Ruheposition in eine Arbeitsposition überführt wird, um die Erwärmung des Abgases zu forcieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19 zum Betreiben eines Hybrid-Fahrzeuges, das neben der Brennkraftmaschine eine Elektromaschine als Antrieb umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einem Antrieb mittels Elektromaschine die elektrische Heizeinrichtung (2) zur Erwärmung des Abgases aktiviert wird, bevor die Brennkraftmaschine zum Zwecke des Antriebs befeuert wird.