DE102016201770B3

DE102016201770B3 - Selbstzündende und für den HCCI-Betrieb geeignete Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102016201770B3
Application number: DE102016201770.5A
Authority: DE
Inventors: Helmut Kindl; Andreas Kuske; Jörg Kemmerling; Vanco Smiljanovski; Franz Arnd Sommerhoff; Hanno Friedrichs; Frank Wunderlich
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2016-02-05
Filing date: 2016-02-05
Publication date: 2017-06-29
Anticipated expiration: 2036-02-06
Also published as: CN107044320A; US20170226938A1; US10487756B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine selbstzündende Brennkraftmaschine (1) mit einer Abgasrückführung (11), einem Ansaugsystem (2) zur Versorgung der Brennkraftmaschine (1) mit Ladeluft und einem Abgasabführsystem (3) zur Abführung der Abgase, die zumindest auch gemäß einem ersten Betriebsmodus mittels Raumzündverfahren (HCCI-Modus) betreibbar ist. Es soll eine selbstzündende Brennkraftmaschine der genannten Art bereitgestellt werden, die hinsichtlich des Betriebs im HCCI-Modus verbessert ist, insbesondere bezüglich der Abgasnachbehandlung bzw. hinsichtlich der Schadstoffemissionen. Erreicht wird dies durch eine selbstzündende Brennkraftmaschine, die dadurch gekennzeichnet ist, dass zur Nachbehandlung des Abgases im stöchiometrischen ersten Betriebsmodus ein Drei-Wege-Katalysator (7) im Abgasabführsystem (3) vorgesehen ist, der Stickoxide reduziert und unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid oxidiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine selbstzündende Brennkraftmaschine mit einer Abgasrückführung, einem Ansaugsystem zur Versorgung der Brennkraftmaschine mit Ladeluft und einem Abgasabführsystem zur Abführung der Abgase, die zumindest auch gemäß einem ersten Betriebsmodus mittels eines Raumzündverfahrens (HCCI-Modus) betreibbar ist.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.
Eine Brennkraftmaschine der eingangs beschriebenen Art offenbart beispielsweise die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2014 201 685 A1 .
Eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren, die ein Brennverfahren mittels Selbstzündung nutzen, sowie Hybrid-Antriebe, die neben der selbstzündenden Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
Aufgrund der begrenzten Vorkommen an Mineralöl als Rohstoff für die Gewinnung von Kraftstoffen sowie der zunehmenden Erderwärmung infolge des Treibhauseffektes ist man bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen ständig bemüht, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren. Zudem wird grundsätzlich eine Reduzierung der Schadstoffemissionen angestrebt, um zukünftige Grenzwerte für Schadstoffemissionen einzuhalten.
Bei Brennkraftmaschinen steht daher insbesondere die Entwicklung verbrauchsoptimierter Brennverfahren im Vordergrund der Bemühungen. Problematisch ist der Kraftstoffverbrauch aufgrund des schlechteren Wirkungsgrades insbesondere bei Ottomotoren. Der Grund hierfür ist im prinzipiellen Arbeitsverfahren des traditionellen Ottomotors zu sehen. Das herkömmliche dieselmotorische Verfahren leidet aufgrund der prozessbedingt hohen Temperaturen insbesondere an hohen Stickoxidemissionen und aufgrund des inhomogenen Kraftstoff-Luft-Gemisches an hohen Rußemissionen.
Bei der Verringerung der Emissionen einer Brennkraftmaschine sind zwei grundsätzlich verschiedene Lösungsansätze voneinander zu unterscheiden.
Ein erster Lösungsansatz zur Verringerung der Emissionen besteht in einer Nachbehandlung des während der Verbrennung entstandenen Abgases und der darin enthaltenen Schadstoffe. Nach dem Stand der Technik können Brennkraftmaschinen zur Reduzierung der Schadstoffemissionen mit verschiedenen Abgasnachbehandlungssystemen ausgestattet werden.
Gemäß einem zweiten Lösungsansatz wird versucht, den Verbrennungsprozess in der Weise zu beeinflussen, dass schon bei der Verbrennung des Kraftstoffes möglichst wenige Schadstoffe entstehen, d. h. gebildet werden.
Da beispielsweise die Bildung von Stickoxiden nicht nur einen Luftüberschuss, sondern auch hohe Temperaturen erfordert, sind Brennverfahren mit niedrigeren Verbrennungstemperaturen zur Verringerung der Stickoxidemissionen zielführend.
Niedrige Verbrennungstemperaturen können beispielsweise dadurch realisiert werden, dass der Zündverzug vergrößert bzw. die Brenngeschwindigkeit verringert wird. Beides lässt sich durch die Beimischung von Verbrennungsgasen zur Zylinderfrischladung bzw. die Erhöhung des Abgasbestandteils an der Zylinderfrischladung erreichen, weshalb die Abgasrückführung als eine geeignete Maßnahme zur Absenkung der Verbrennungstemperatur anzusehen ist. Mit zunehmender Abgasrückführrate können die Stickoxidemissionen deutlich gesenkt werden. Dabei sinken nicht nur die Stickoxidemissionen, sondern auch die Rußemissionen.
Aus den genannten Gründen werden zunehmend neue Brennverfahren entwickelt und untersucht. Ein Beispiel für ein derartiges Brennverfahren ist das HCCI-Verfahren (homogenouscharge compression-ignition), das auch als Raumzündverfahren oder CAI-Verfahren (Controlled Auto-Ignition) bezeichnet wird und auf einer kontrollierten Selbstzündung des dem Zylinder zugeführten Kraftstoffes basiert. Dabei wird der Kraftstoff regelmäßig unter Luftüberschuss, d. h. überstöchiometrisch verbrannt. Aufgrund der niedrigen Verbrennungstemperaturen weist eine im HCCI-Modus betriebene Brennkraftmaschine vergleichsweise geringe Stickoxidemissionen auf und ebenfalls niedrige bzw. nahezu keine Rußemissionen.
Aufgrund der niedrigeren Verbrennungstemperaturen und der damit verbundenen geringeren Temperaturdifferenzen in der Brennkraftmaschine sind die Wärmeverluste geringer als bei herkömmlich betriebenen Brennkraftmaschinen. Dies führt zu einem höheren thermischen Wirkungsgrad. Der Kraftstoff kann dabei sowohl direkt in die Zylinder als auch in das Ansaugsystem eingebracht werden, wobei eine Direkteinspritzung bei Ottomotoren eine Entdrosselung unterstützt.
Ein HCCI-Verfahren und eine Brennkraftmaschine, die dieses Verfahren zur Verbrennung des Kraftstoffes verwendet, werden in der US 6,390,054 B1 beschrieben, wobei die eingesetzte Brennkraftmaschine ein fremdgezündeter Ottomotor ist. Die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, ist eine selbstzündende Brennkraftmaschine, d. h. ein selbstzündender Dieselmotor, der prozessbedingt hohe Stickoxidemissionen und hohe Rußemissionen aufweist.
Nach dem Stand der Technik weist das HCCI-Verfahren mehrere Nachteile auf, die im Wesentlichen dazu führen, dass dieses Verfahren nicht in sämtlichen Betriebspunkten einer Brennkraftmaschine eingesetzt werden kann, so dass sich die oben beschriebenen Vorteile nur in einem kleinen Bereich des Motorkennfelds (Last über Drehzahl) nutzen lassen. Dies ist auch der Grund dafür, dass nach dem Stand der Technik eine Brennkraftmaschine nicht ausschließlich nach dem HCCI-Verfahren betrieben werden kann, sondern grundsätzlich ein weiteres Brennverfahren nutzbar sein muss, um die Brennkraftmaschine in den Betriebspunkten, in denen das HCCI-Verfahren versagt, betreiben zu können.
So kann das HCCI-Verfahren nur bedingt bei höheren Lasten und höheren Drehzahlen eingesetzt werden. Die Gründe hierfür werden im Folgenden kurz dargelegt, wobei die Beschränkungen aus der Steuerung des Zündzeitpunktes der Selbstzündung und der Steuerung der Brenngeschwindigkeit, d. h. des Brennverlaufs herrühren. Die Selbstzündung wird eingeleitet, wenn das Kraftstoff-Luft-Gemisch während der Verdichtung eine bestimmte Temperatur erreicht, wobei sich die Selbstzündung in Abhängigkeit von den die Zündung und Verbrennung beeinflussenden Parametern, beispielsweise der Last bzw. dem Sauerstoffüberschuss, zu jedem Zeitpunkt der Verdichtung ereignen kann.
Mit zunehmender Last wird die Selbstzündung infolge des abnehmenden Luftverhältnisses nach früh verschoben, d. h. das Kraftstoff-Luft-Gemisch zündet in der Kompressionsphase zu einem früheren Zeitpunkt, wobei die Umsatzraten bzw. die Brenngeschwindigkeit ebenfalls zunehmen. Durch den frühen und nur schwer zu reproduzierenden Zündzeitpunkt und insbesondere durch die schnellere Brenngeschwindigkeit wird der Lauf der Brennkraftmaschine ungleichförmiger und härter, wobei letzteres vergleichbar ist mit dem für Dieselmotoren typischen Dieselnageln, das ebenfalls durch einen steilen Druckanstieg infolge der sprunghaft einsetzenden Verbrennung verursacht wird. Zudem sinkt infolge der weit vor dem oberen Totpunkt freigesetzten Verbrennungswärme der thermische Wirkungsgrad.
Mit zunehmender Drehzahl verkürzt sich die Zeit, die zur Aufbereitung des Kraftstoff-Luft-Gemisches, insbesondere für die Homogenisierung zur Verfügung steht, so dass bei hohen Drehzahlen kein ausreichend homogenisiertes Kraftstoff-Luft-Gemisch generiert werden kann. Zudem wird – eine erfolgreiche Selbstzündung vorrausgesetzt – der Schwerpunkt der Verbrennung nach spät verschoben, so dass sich der thermische Wirkungsgrad des Verbrennungsprozesses verschlechtert.
Um das HCCI-Verfahren für weite Kennfeldbereiche tauglich zu machen und den Anwendungsbereich dieses Verfahrens zu erweitern, wurden nach dem Stand der Technik verschiedene Konzepte erarbeitet. Insbesondere wird versucht, durch verschiedene Maßnahmen auf die Temperatur der dem Zylinder zugeführten Frischladung Einfluss zu nehmen, beispielsweise durch eine interne und/oder externe Rückführung von Abgas.
Trotz dieser Bemühungen ist es nach dem Stand der Technik immer noch nicht möglich, eine Brennkraftmaschine ausschließlich, d. h. in sämtlichen Betriebspunkten des Motorkennfeldes gemäß dem HCCI-Verfahren zu betreiben, so dass die Anwendung anderer Brennverfahren neben dem HCCI-Verfahren unentbehrlich ist.
Sofern mittels Rückführung von Abgas auf die Temperatur der Zylinderfrischladung, der Steuerung des Zündzeitpunktes und/oder der Steuerung des Brennverlaufs Einfluss genommen wird, bereitet insbesondere die dynamische Steuerung der Abgasrückführung, d. h. der Rückführrate im transienten Betrieb der Brennkraftmaschine Probleme, wobei sich eine ausreichende Dynamik, d. h. ein befriedigendes Ansprechverhalten der Abgasrückführung, nicht immer in zufriedenstellender Weise realisieren lässt.
Die vorstehend beschriebene Problematik verschärft sich bei Brennkraftmaschinen mit Abgasturboaufladung. Wird Abgas mittels Hochdruck-AGR stromaufwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem entnommen, steht das rückgeführte Abgas nicht mehr zum Antrieb der Turbine zur Verfügung, wodurch die Aufladung nachteilig beeinflusst wird. Bei einer Steigerung der Abgasrückführrate nimmt der in die Turbine eingeleitete Abgasstrom gleichzeitig ab. Der verminderte Abgasmassenstrom durch die Turbine bedingt ein kleineres Turbinendruckverhältnis, wodurch das Ladedruckverhältnis ebenfalls abnimmt, was gleichbedeutend ist mit einem kleineren Verdichtermassenstrom. Neben dem abnehmenden Ladedruck können sich zusätzliche Probleme beim Betrieb des Verdichters hinsichtlich der Pumpgrenze des Verdichters einstellen. Nachteile können sich auch bei den Schadstoffemissionen ergeben, beispielsweise hinsichtlich der Rußbildung bei Dieselmotoren während einer Beschleunigung.
Bei einer Niederdruck-AGR wird zwar Abgas in das Ansaugsystem zurückgeführt, welches die Turbine bereits durchströmt hat. Aufgrund der längeren Wege und größeren Volumina bis hin zu den Zylindern ist die Niederdruck-AGR aber träger. Die Niederdruck-AGR hat auch ein schlechteres Ansprechverhalten, weil im Rahmen der Niederdruck-AGR Abgas verwendet wird, welches stromabwärts der Turbine einer Abgasnachbehandlung, insbesondere im Partikelfilter, unterzogen wurde. Auf diese Weise lassen sich Ablagerungen im Verdichter, welche die Geometrie des Verdichters, insbesondere die Strömungsquerschnitte, verändern und den Wirkungsgrad des Verdichters verschlechtern, vermeiden.
Das treibende Druckgefälle zwischen dem Abgasabführsystem und dem Ansaugsystem ist bei einer Niederdruck-AGR regelmäßig kleiner, so dass nicht beliebig große Rückführraten realisiert werden können.
Des Weiteren führt das HCCI-Verfahren nach dem Stand der Technik zu vergleichsweise hohen Emissionen an Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine selbstzündende Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich des Betriebs im HCCI-Modus verbessert ist, insbesondere bezüglich der Abgasnachbehandlung bzw. hinsichtlich der Schadstoffemissionen.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine selbstzündende Brennkraftmaschine mit einer Abgasrückführung, einem Ansaugsystem zur Versorgung der Brennkraftmaschine mit Ladeluft und einem Abgasabführsystem zur Abführung der Abgase, die zumindest auch gemäß einem ersten Betriebsmodus mittels eines Raumzündverfahrens (HCCI-Modus) betreibbar ist, und die dadurch gekennzeichnet ist, dass zur Nachbehandlung des Abgases im stöchiometrischen ersten Betriebsmodus ein Drei-Wege-Katalysator im Abgasabführsystem vorgesehen ist, der Stickoxide reduziert und unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid oxidiert.
Erfindungsgemäß wird die Brennkraftmaschine im ersten Betriebsmodus mittels eines Raumzündverfahrens und stöchiometrisch betrieben. Gegenüber dem herkömmlichen überstöchiometrischen HCCI-Betrieb einer Brennkraftmaschine nach dem Stand der Technik hat das erfindungsgemäße stöchiometrische Raumzündverfahren gemäß dem ersten Betriebsmodus gleich mehrere Vorteile.
Zum einen lässt sich das Abgas im stöchiometrischen ersten Betriebsmodus mittels eines Drei-Wege-Katalysators, der Stickoxide reduziert und unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxide oxidiert, nachbehandeln.
Dabei werden die Stickoxide mittels der vorhandenen nicht oxidierten Abgaskomponenten, nämlich den Kohlenmonoxiden und den unverbrannten Kohlenwasserstoffen, reduziert, wobei gleichzeitig diese Abgaskomponenten oxidiert werden. Drei-Wege-Katalysatoren erfordern einen in engen Grenzen ablaufenden stöchiometrischen Betrieb (λ ≈ 1) der Brennkraftmaschine und trotz katalytischer Unterstützung eine Mindesttemperatur bzw. Anspringtemperatur zur Realisierung ausreichend hoher Konvertierungsraten, die beispielsweise 120°C bis 250°C betragen kann.
Ein Drei-Wege-Katalysator benötigt zur Konvertierung der Schadstoffe kein Reduktionsmittel, wie beispielsweise ein selektiver Katalysator, bei dem ein Reduktionsmittel in das Abgas eingebracht wird, um die Stickoxide selektiv zu vermindern. Als Reduktionsmittel kommen neben Ammoniak und Harnstoff auch unverbrannte Kohlenwasserstoffe zum Einsatz.
Auch ein Stickoxidspeicherkatalysator, bei dem die Stickoxide während eines mageren Betriebs der Brennkraftmaschine im Katalysator gesammelt werden, erfordert ein Reduktionsmittel, um regelmäßig und unter Einsatz des Reduktionsmittels die Stickoxide während einer Regenerationsphase zu reduzieren und den im Abgas enthaltenen Schwefel, der ebenfalls im Speicherkatalysator absorbiert wird, im Rahmen einer Entschwefelung zu entfernen. Wird als Reduktionsmittel Kraftstoff eingesetzt, d. h. unverbrannte Kohlenwasserstoffe, können diese unverbrannten Kohlenwasserstoffe direkt in das Abgasabführsystem eingebracht werden oder aber durch eine Nacheinspritzung von zusätzlichem Kraftstoff in den Zylinder. Brennkraftmaschinen, die von einer Nacheinspritzung Gebrauch machen, sind sehr anfällig für eine Ölverdünnung durch unverbrannte Kohlenwasserstoffe. Zudem erhöht sich der Kraftstoffverbrauch durch den Einsatz von zusätzlichem Kraftstoff als Reduktionsmittel.
Zum anderen enthält das Abgas im stöchiometrischen ersten Betriebsmodus keine bzw. nahezu keine Rußpartikel, weshalb das rückzuführende Abgas nicht zwingend einer Abgasnachbehandlung, insbesondere einer in einem Partikelfilter, unterzogen werden muss. Das rückzuführende Abgas kann stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators unbehandelt aus dem Abgasabführsystem entnommen werden. Dadurch verkürzen sich die Leitungswege und verkleinern sich die Leitungsvolumina bis hin zu den Zylindern. Die Abgasrückführung ist weniger träge und weist ein verbessertes Ansprechverhalten auf. Der Druckverlust über die Abgasnachbehandlung bzw. die Abgasnachbehandlungssysteme hinweg entfällt, weshalb das treibende Druckgefälle zwischen dem Abgasabführsystem und dem Ansaugsystem größer ist, so dass hohe Rückführraten realisiert werden können. Das größere Druckgefälle trägt zudem zu einer Verbesserung des Ansprechverhaltens bei.
Dadurch wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine selbstzündende Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 bereitgestellt, die hinsichtlich des Betriebs im HCCI-Modus verbessert ist, insbesondere bezüglich der Abgasnachbehandlung bzw. hinsichtlich der Schadstoffemissionen.
Auch wenn auf einen selektiven Katalysator bzw. einen Stickoxidspeicherkatalysator zur Verringerung der Stickoxide nicht vollständig verzichtet werden kann, vermindert der erfindungsgemäß vorgesehene Drei-Wege-Katalysator doch die Anwendung bzw. die Einsatzzeit dieser Abgasnachbehandlungssysteme sowie die Menge an eingesetztem Reduktionsmittel, nämlich Ammoniak, Harnstoff bzw. Kraftstoff.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei denen der Drei-Wege-Katalysator auf Abgasmengen ausgelegt ist, wie sie im Teillastbetrieb auftreten, der durch eine vorgebbare obere Last und eine vorgebbare obere Drehzahl festgelegt werden kann. Der vergleichsweise klein dimensionierte Drei-Wege-Katalysator ist kostengünstig und gestattet ein dichtes Packaging der Abgasnachbehandlung.
Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden in Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei denen eine Aufladung vorgesehen ist. Die Aufladung ist in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung, bei dem die für den motorischen Verbrennungsprozess benötigte Luft verdichtet wird, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden.
Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Wird der Hubraum verringert, lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Durch Aufladung in Kombination mit einer geeigneten Getriebeauslegung kann auch ein sogenanntes Downspeeding realisiert werden, bei dem ebenfalls ein geringerer spezifischer Kraftstoffverbrauch erzielt werden kann.
Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Brennkraftmaschinen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.
Regelmäßig wird für die Aufladung ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind. Der heiße Abgasstrom wird der Turbine zugeführt und entspannt sich unter Energieabgabe in der Turbine, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird.
Der Vorteil eines Abgasturboladers im Vergleich zu einem mechanischen Lader besteht darin, dass ein Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase nutzt, während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb erforderliche Energie direkt oder indirekt von der Brennkraftmaschine bezieht. In der Regel ist eine mechanische bzw. kinematische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen dem Lader und der Brennkraftmaschine erforderlich.
Vorteilhaft sind daher Ausführungsformen der selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei denen die Turbine des mindestens einen Abgasturboladers stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators im Abgasabführsystem angeordnet ist.
Grundsätzlich ist man bemüht, die Turbine eines Abgasturboladers möglichst nahe an den Auslassöffnungen der Zylinder anzuordnen, um auf diese Weise zum einen die Abgasenthalpie der heißen Abgase, die maßgeblich vom Abgasdruck und der Abgastemperatur bestimmt wird, optimal nutzen zu können und zum anderen ein schnelles Ansprechverhalten der Turbine und damit des Turboladers zu gewährleisten. In diesem Zusammenhang wird daher auch grundsätzlich angestrebt, die thermische Trägheit und das Volumen des Leitungssystems zwischen den Auslassöffnungen der Zylinder und der Turbine zu minimieren, was durch Reduzierung der Masse und der Länge der Abgasleitungen erreicht werden kann.
Ist eine Abgasturboaufladung vorgesehen, sind Ausführungsformen der selbstzündenden Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen die Turbine mindestens eines Abgasturboladers mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestattet ist. Eine variable Turbinengeometrie erhöht die Flexibilität der Aufladung. Sie gestattet eine stufenlose Anpassung der Turbinengeometrie an den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine, insbesondere an den momentanen Abgasstrom durch die Turbine.
Dabei sind stromaufwärts des mindestens einen Laufrades der Turbine Leitschaufeln zur Beeinflussung der Strömungsrichtung angeordnet. Im Gegensatz zu den Laufschaufeln des umlaufenden Laufrades rotieren die Leitschaufeln nicht mit der Welle der Turbine, d. h. dem Laufrad. Die Leitschaufeln sind zwar stationär angeordnet, aber nicht völlig unbeweglich, sondern um ihre Achse drehbar, so dass auf die Anströmung der Laufschaufeln Einfluss genommen werden kann.
Verfügt eine Turbine hingegen über eine feste unveränderliche Geometrie, sind die Leitschaufeln nicht nur stationär, sondern zudem völlig unbeweglich, d. h. starr fixiert, soweit denn eine Leiteinrichtung vorgesehen ist.
Vorteilhaft sind in Zusammenhang mit einer Abgasturboaufladung Ausführungsformen der selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei denen zwischen der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers und dem Drei-Wege-Katalysator eine Leitung zur Abgasrückführung unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes vom Abgasabführsystem abzweigt und in das Ansaugsystem mündet.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei denen die Leitung zur Abgasrückführung stromaufwärts des Verdichters des mindestens einen Abgasturboladers in das Ansaugsystem mündet.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei denen in der Leitung zur Abgasrückführung ein Kühler angeordnet ist. Die Kühlung des Abgases im Rahmen der Rückführung steigert die Dichte des Abgases und ermöglicht hohe Rückführraten.
Wenn die Temperatur des rückgeführten heißen Abgases im Kühler abnimmt, kann sich Kondensat bilden. Im Rahmen der Abkühlung des Abgases können zuvor noch gasförmig im Abgas enthaltene Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, auskondensieren, wenn die Tautemperatur einer Komponente der gasförmigen Abgasströmung unterschritten wird.
Dies ist aber im Gegensatz zu einer Kondensatbildung im Ansaugsystem weniger problematisch. Hier führen Kondensat und Kondensattröpfchen zu einer erhöhten Geräuschemission und gegebenenfalls zu einer Beschädigung der Schaufeln des Verdichters, was unerwünscht ist.
Die Mischung aus Frischluft und rückgeführtem gekühltem Abgas bildet die Ladeluft, die im Einzelfall einem Verdichter zugeführt und komprimiert wird.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei denen eine Bypassleitung zur Umgehung des Kühlers vorgesehen ist. Die Bypassleitung ermöglicht eine Umgehung des Kühlers insbesondere in der Warmlaufphase.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei denen stromaufwärts des Kühlers ein erstes Absperrelement in der Leitung zur Abgasrückführung angeordnet ist. Das erste Absperrelement dient der Deaktivierung der Abgasrückführung mitsamt dem Kühler und gegebenenfalls der Einstellung der Rückführrate. Es kann aber auch zusätzlich oder alternativ ein Absperrelement stromabwärts des Kühlers in der Leitung zur Abgasrückführung angeordnet sein, das der Einstellung der Rückführrate dient.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei denen zur Nachbehandlung des Abgases in einem zweiten überstöchiometrischen Betriebsmodus (λ > 1) der Brennkraftmaschine ein Abgasnachbehandlungssystem zur Verringerung der Stickoxide im Abgas vorgesehen ist, wobei dieses Abgasnachbehandlungssystem parallel zu dem Drei-Wege-Katalysator im Abgasabführsystem angeordnet ist.
Bei einem überstöchiometrischen Betrieb der Brennkraftmaschine, d. h. einem Betrieb mit Luftüberschuss, können die im Abgas befindlichen Stickoxide aufgrund des fehlenden Reduktionsmittels nicht reduziert werden.
Zur Verringerung der Stickoxide können dann selektive Katalysatoren, sogenannte SCR-Katalysatoren, eingesetzt werden, 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 und bei Dieselmotoren die Drosselung im Ansaugsystem. Wie bereits für die SCR-Katalysatoren 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 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, Kohlenstoffdioxid und Wasser 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. Die erforderliche Temperatur liegt damit deutlich höher als die Mindesttemperatur bzw. Anspringtemperatur des erfindungsgemäß vorgesehenen Drei-Wege-Katalysators. Die Entschwefelung des Speicherkatalysators erfordert sogar Temperaturen zwischen 600°C und 700°C.
Die Häufigkeit bzw. Heftigkeit der Regenerationsphasen sowie der Entschwefelung wird maßgeblich durch die Einsatzzeit des Drei-Wege-Katalysators mit bestimmt. In jedem Fall nimmt die Häufigkeit ab und/oder die Speicherkapazität des Speicherkatalysators kann verringert werden. Analog nimmt der Verbrauch von Reduktionsmittel ab. Letzteres gilt insbesondere auch für selektive Katalysatoren.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei denen zur Nachbehandlung des Abgases in einem zweiten überstöchiometrischen Betriebsmodus (λ > 1) der Brennkraftmaschine ein Oxidationskatalysator vorgesehen ist, wobei dieser Oxidationskatalysator parallel zu dem Drei-Wege-Katalysator im Abgasabführsystem angeordnet ist.
Bei einem Luftüberschuss muss zur Oxidation von unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid ein Oxidationskatalysator im Abgasabführsystem vorgesehen werden, der unter Verwendung katalytischer Materialien, die die Geschwindigkeit bestimmter Reaktionen erhöhen, eine Oxidation sicherstellt.
Bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen, bei denen eine Leitung zur Abgasrückführung unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators vom Abgasabführsystem abzweigt, sind Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass das Abgasnachbehandlungssystem zur Verringerung der Stickoxide und/oder der Oxidationskatalysator in einer Abgasleitung des Abgasabführsystems vorgesehen ist, die zwischen dem ersten Knotenpunkt und dem Drei-Wege-Katalysator vom Abgasabführsystem unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes abzweigt und stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators unter Ausbildung eines dritten Knotenpunktes in das Abgasabführsystem mündet.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei denen zur Nachbehandlung des Abgases ein Partikelfilter vorgesehen ist, wobei dieser Partikelfilter vorzugsweise stromabwärts des dritten Knotenpunktes im Abgasabführsystem angeordnet ist.
Zur Minimierung der Emission von Rußpartikeln wird vorliegend ein regenerativer Partikelfilter eingesetzt, der die Rußpartikel aus dem Abgas herausfiltert und speichert. Die Rußpartikel werden im Rahmen der Regeneration des Filters intermittierend verbrannt, wozu Sauerstoff bzw. ein Luftüberschuss im Abgas erforderlich ist, 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 werden im Betrieb nur zeitweise, beispielsweise bei hohen Lasten und hohen Drehzahlen, erreicht. Regelmäßig muss auf zusätzliche Maßnahmen zurückgegriffen werden, um eine Regeneration des Filters unter sämtlichen Betriebsbedingungen zu gewährleisten.
Vorliegend wird der Filter kontinuierlich von Abgas durchströmt, d. h. sowohl im ersten stöchiometrischen Betriebsmodus als auch im zweiten überstöchiometrischen Betriebsmodus der Brennkraftmaschine. Dies trägt zur ständigen Erwärmung des Partikelfilters bei und verhindert eine Abkühlung des Filters. Dadurch wird sichergestellt, dass der Filter insbesondere im zweiten überstöchiometrischen Betriebsmodus wirksam ist.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei denen stromabwärts des Partikelfilters eine Rückführleitung vom Abgasabführsystem abzweigt, die in das Ansaugsystem mündet, wobei die Rückführleitung mit einem vierten Absperrelement ausgestattet ist.
Vorteilhaft sind dabei auch Ausführungsformen der selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei denen in der Leitung zur Abgasrückführung ein erstes Absperrelement angeordnet ist und stromabwärts des Partikelfilters eine Rückführleitung vom Abgasabführsystem abzweigt, die stromaufwärts des ersten Absperrelements in die Leitung zur Abgasrückführung mündet, wobei die Rückführleitung mit einem vierten Absperrelement ausgestattet ist.
Bei den beiden letztgenannten Ausführungsformen dient die Rückführleitung mitsamt dem vierten Absperrelement der Rückführung von nachbehandeltem Abgas im zweiten überstöchiometrischen Betriebsmodus der Brennkraftmaschine. Im Einzelfall kann auf ein viertes Absperrelement verzichtet werden, welches primär zur Deaktivierung der Rückführleitung dient.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei denen zur Deaktivierung des Abgasnachbehandlungssystems zur Verringerung der Stickoxide und/oder des Oxidationskatalysators ein drittes Absperrelement vorgesehen ist, wobei dieses dritte Absperrelement stromaufwärts im Abgasabführsystem angeordnet ist, beispielsweise in der Abgasleitung, die stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators vom Abgasabführsystem abzweigt und zur Umgehung des Drei-Wege-Katalysators vorgesehen ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei denen zur Deaktivierung des Drei-Wege-Katalysators ein zweites Absperrelement vorgesehen ist, wobei dieses zweite Absperrelement stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators im Abgasabführsystem angeordnet ist, beispielsweise in der Abgasleitung, in der der Drei-Wege-Katalysator angeordnet ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist und stromabwärts des Verdichters des mindestens einen Abgasturboladers ein Ladeluftkühler im Ansaugsystem angeordnet ist.
Vorteilhafterweise wird ein Ladeluftkühler stromabwärts des Verdichters im Ansaugsystem vorgesehen, mit dem die komprimierte erwärmte Ladeluft vor Eintritt in den mindestens einen Zylinder gekühlt wird. Der Kühler senkt die Temperatur und steigert damit die Dichte der Ladeluft, so dass auch der Kühler zu einer besseren Füllung der Zylinder, d. h. zu einer größeren Luftmasse, beiträgt. Es erfolgt eine Verdichtung durch Kühlung.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei denen eine erste Bypassleitung zur Umgehung des Ladeluftkühlers vorgesehen ist. Die Bypassleitung ermöglicht eine Umgehung des Kühlers, insbesondere in der Warmlaufphase. Zudem kann eine Umgehung des Ladeluftkühlers dazu dienen, das Volumen des Ansaugsystems zu verkleinern, wodurch sowohl das Ansprechverhalten der Aufladung als auch die Dynamik der Abgasrückführung verbessert wird. Beides ist vorliegend insbesondere im ersten stöchiometrischen Betriebsmodus von Interesse.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist und stromabwärts des Verdichters des mindestens einen Abgasturboladers ein zusätzlicher Verdichter im Ansaugsystem angeordnet ist, der mit einem Elektromotor antriebsverbunden ist, wobei eine zweite Bypassleitung vorgesehen ist, die zwischen dem Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers und dem zusätzlichen Verdichter vom Ansaugsystem abzweigt und stromabwärts des zusätzlichen Verdichters in das Ansaugsystem mündet.
Regelmäßig bereitet es Schwierigkeiten, die Leistung mittels Abgasturboaufladung in allen Drehzahlbereichen zu steigern. Es wird ein stärkerer Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet. Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis. Folglich nimmt das Ladedruckverhältnis zu niedrigeren Drehzahlen hin ebenfalls ab. Dies ist gleichbedeutend mit einem Drehmomentabfall.
Die Drehmomentcharakteristik der Brennkraftmaschine kann durch unterschiedliche Maßnahmen verbessert werden, beispielsweise durch das Vorsehen von zwei oder mehr Abgasturboladern und/oder durch Vorsehen eines zusätzlichen Laders.
Der Vorteil eines Laders gegenüber einem Abgasturbolader besteht darin, dass der Lader stets den angeforderten Ladedruck generiert und zur Verfügung stellt und zwar unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine, insbesondere unabhängig von der momentan vorliegenden Drehzahl der Kurbelwelle. Das gilt insbesondere für einen elektrisch antreibbaren Verdichter, d. h. einen Lader, der mittels Elektromaschine angetrieben wird.
Der zusätzliche Verdichter verbessert die Drehmomentcharakteristik der Brennkraftmaschine insbesondere im ersten stöchiometrischen Betriebsmodus und sorgt für ein zufriedenstellendes transientes Betriebsverhalten, d. h. ein gutes Ansprechverhalten der Aufladung und eine erhöhte Dynamik der Abgasrückführung.
Die zur Umgehung des zusätzlichen Verdichters vorgesehene zweite Bypassleitung mündet vorzugsweise stromaufwärts des Ladeluftkühlers in das Ansaugsystem und zwar besonders bevorzugt stromaufwärts der Abzweigung einer gegebenenfalls vorgesehenen ersten Bypassleitung.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei denen zwischen dem Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers und dem zusätzlichen Verdichter ein Zwischenkühler im Ansaugsystem angeordnet ist.
Der Zwischenkühler kühlt – insbesondere im ersten Betriebsmodus – die im Verdichter des Abgasturboladers vorverdichtete Ladeluft, um eine thermische Überlastung des zusätzlichen Verdichters zu verhindern. Zudem erfolgt eine Verdichtung mittels Kühlung, so dass der zusätzliche Verdichter entsprechend klein dimensioniert werden kann.
Eine zur Umgehung des zusätzlichen Verdichters vorgesehene zweite Bypassleitung zweigt vorzugsweise stromabwärts des Zwischenkühlers aus dem Ansaugsystem ab und zwar besonders bevorzugt stromabwärts der Einmündung einer gegebenenfalls vorgesehenen dritten Bypassleitung zur Umgehung des Zwischenkühlers.
Vorteilhaft können nämlich auch Ausführungsformen der selbstzündenden Brennkraftmaschine sein, bei denen eine dritte Bypassleitung zur Umgehung des Zwischenkühlers vorgesehen ist.
Die zur Umgehung des Zwischenkühlers vorgesehene dritte Bypassleitung zweigt vorzugsweise stromabwärts des Verdichters des mindestens einen Abgasturboladers aus dem Ansaugsystem ab. Die Bypassleitung ermöglicht eine Umgehung des Zwischenkühlers insbesondere in der Warmlaufphase.
Zudem kann eine Umgehung des Zwischenkühlers dazu dienen, das Volumen des Ansaugsystems zu verkleinern, wodurch sowohl das Ansprechverhalten der Aufladung als auch die Dynamik der Abgasrückführung verbessert wird. Beides ist vorliegend insbesondere im ersten stöchiometrischen Betriebsmodus von Interesse.
Die vorstehend beschriebenen drei Bypassleitungen können mit Absperrelementen ausgestattet werden, um die jeweilige Bypassleitung zu versperren bzw. freizugeben.
Die zweite der Erfindung zugrundeliegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer selbstzündenden Brennkraftmaschine einer vorstehend beschriebenen Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Brennkraftmaschine gemäß eines ersten Betriebsmodus mittels Raumzündverfahren stöchiometrisch betrieben wird, wobei das Abgases unter Verwendung des Drei-Wege-Katalysators nachbehandelt wird.
Das bereits für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren. Unterschiedliche Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine erfordern entsprechend unterschiedliche Verfahrensvarianten, wozu auf die entsprechenden Ausführungen Bezug genommen wird.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und gemäß den 1a und 1b näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1a schematisch eine erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine, und
1b schematisch das zu der in 1a dargestellten Brennkraftmaschine gehörende Motorkennfeld.
1a zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der selbstzündenden Brennkraftmaschine 1, die über ein Ansaugsystem 2 zur Versorgung der Zylinder mit Ladeluft und über ein Abgasabführsystem 3 zur Abführung der Abgase verfügt. Bei der Brennkraftmaschine 1 handelt es sich um einen Vier-Zylinder-Reihenmotor 1a, bei dem die vier Zylinder in Reihe angeordnet sind, d. h. entlang der Längsachse des Zylinderkopfes.
Die Brennkraftmaschine 1 ist mit einem Abgasturbolader 6 ausgestattet, der eine im Abgasabführsystem 3 angeordnete Turbine 6a und einen im Ansaugsystem 2 angeordneten Verdichter 6b umfasst, wobei die Turbine 6a mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestattet ist (durch einen Pfeil kenntlich gemacht). Das heiße Abgas entspannt sich in der Turbine 6a des Abgasturboladers 6 unter Energieabgabe und treibt den dazugehörigen Verdichter 6b an, der die Ladeluft komprimiert und via Ansaugsystem 2 und Plenum den Zylindern zuführt, wodurch eine Aufladung der Brennkraftmaschine 1 erreicht wird.
Die in 1a dargestellte selbstzündende Brennkraftmaschine 1 kann gemäß einem ersten Betriebsmodus mittels Raumzündverfahren, d. h. mittels HCCI-Verfahren, betrieben werden und zwar stöchiometrisch. Zur Nachbehandlung des Abgases im stöchiometrischen ersten Betriebsmodus ist ein Drei-Wege-Katalysator 7 vorgesehen, der Stickoxide reduziert und unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid oxidiert.
Der Drei-Wege-Katalysator 7 ist stromabwärts der Turbine 6a im Abgasabführsystem 3 angeordnet, wobei zur Deaktivierung des Drei-Wege-Katalysators 7 ein zweites Absperrelement 7a stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators 7 im Abgasabführsystem 3 angeordnet ist, vorliegend in dem Abgasleitungsstück, in dem auch der Drei-Wege-Katalysator 7 angeordnet ist.
Zwischen der Turbine 6a und dem Drei-Wege-Katalysator 7 zweigt eine Leitung 11b zur Abgasrückführung 11 unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes 11a vom Abgasabführsystem 3 ab. Die Leitung 11b mündet stromaufwärts des Verdichters 6b des Abgasturboladers 6 in das Ansaugsystem 2. In der Leitung 11b zur Abgasrückführung 11 ist ein Kühler 11c und stromaufwärts des Kühlers 11c ein erstes Absperrelement 11d angeordnet. Im Mündungsbereich der Leitung 11b ist ein AGR-Ventil 11e vorgesehen, welches der Einstellung der Rückführrate dient.
Die Entnahme des rückzuführenden Abgases erfolgt zumindest im stöchiometrischen ersten Betriebsmodus stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators 7, weshalb ein Druckverlust über den Drei-Wege-Katalysator 7 hinweg entfällt und ein ausreichend großes Druckgefälle zwischen dem Abgasabführsystem 3 und dem Ansaugsystem 2 genutzt werden kann, um hohe Rückführraten zu realisieren. Das größere Druckgefälle trägt zudem zu einer Verbesserung des Ansprechverhaltens bei. Eine Abgasnachbehandlung im Partikelfilter 9 kann entfallen, da das Abgas im stöchiometrischen ersten Betriebsmodus keine bzw. nahezu keine Rußpartikel enthält. Zudem verkürzen sich die Leitungswege bis hin zu den Zylindern und die Leitungsvolumina verkleinern sich. Die Abgasrückführung 11 ist weniger träge.
Zur Nachbehandlung des Abgases in einem zweiten überstöchiometrischen Betriebsmodus der Brennkraftmaschine 1 sind ein Abgasnachbehandlungssystem 8a zur Verringerung der Stickoxide und ein Oxidationskatalysator 8b vorgesehen und parallel zum Drei-Wege-Katalysator 7 im Abgasabführsystem 3 angeordnet.
Das Abgasnachbehandlungssystem 8a zur Verringerung der Stickoxide sowie der Oxidationskatalysator 8b sind in einer Abgasleitung 3a des Abgasabführsystems 3 vorgesehen, die zwischen dem ersten Knotenpunkt 11a und dem Drei-Wege-Katalysator 7 unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes 3b vom Abgasabführsystem 3 abzweigt und stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators 7 unter Ausbildung eines dritten Knotenpunktes 3c wieder in das Abgasabführsystem 3 mündet. Zur Deaktivierung der Abgasnachbehandlungssysteme 8a, 8b ist stromaufwärts im Abgasabführsystem 3 ein drittes Absperrelement 8c angeordnet; vorliegend in der Abgasleitung 3a.
Zur Nachbehandlung des Abgases ist des Weiteren ein Partikelfilter 9 vorgesehen, wobei der Partikelfilter 9 stromabwärts des dritten Knotenpunktes 3c im Abgasabführsystem 3 angeordnet ist.
Stromabwärts des Partikelfilters 9 zweigt eine Rückführleitung 9a vom Abgasabführsystem 3 ab, die zwischen dem ersten Absperrelement 11d und dem Kühler 11c in die Leitung 11b zur Abgasrückführung 11 mündet und die mit einem vierten Absperrelement 9b ausgestattet ist. Das vierte Absperrelement 9b dient zur Deaktivierung der Rückführleitung 9a.
Die Rückführleitung 9a mitsamt dem vierten Absperrelement 9b dient der Rückführung von nachbehandeltem Abgas im zweiten überstöchiometrischen Betriebsmodus der Brennkraftmaschine 1.
Stromabwärts des Verdichters 6b des Abgasturboladers 6 ist ein zusätzlicher Verdichter 10 im Ansaugsystem 2 angeordnet, der mittels Elektromotor 10a angetrieben werden kann. Eine zweite Bypassleitung 10b dient der Umgehung des zusätzlichen Verdichters 10. Hierzu zweigt die zweite Bypassleitung 10b zwischen dem Verdichter 6b des Abgasturboladers 6 und dem zusätzlichen Verdichter 10 vom Ansaugsystem 2 ab und mündet stromabwärts des zusätzlichen Verdichters 10 wieder in das Ansaugsystem 2. Ein Absperrelement 10c dient der Deaktivierung der zweiten Bypassleitung 10b.
Stromabwärts der Verdichter 6b, 10 ist ein Ladeluftkühler 4 im Ansaugsystem 2 angeordnet. Eine erste Bypassleitung 4a zur Umgehung des Ladeluftkühlers 4 ist vorgesehen, wobei ein Absperrelement 4b zur Deaktivierung dieser ersten Bypassleitung 4a dient.
Zwischen dem Verdichter 6b des Abgasturboladers 6 und dem zusätzlichen Verdichter 10 ist zusätzlich ein Zwischenkühler 5 im Ansaugsystem 2 angeordnet. Eine dritte Bypassleitung 5a zur Umgehung des Zwischenkühlers 5 ist vorgesehen, wobei ein Absperrelement 5b zur Deaktivierung dieser dritten Bypassleitung 5a dient.
1b zeigt schematisch das zu der in 1a dargestellten Brennkraftmaschine 1 gehörende Motorkennfeld.
Das Motorkennfeld zeigt die Last über der Drehzahl und die Kennfeldbereiche der zwei verschiedenen Betriebsmodi A und B, wobei A den stöchiometrischen ersten Betriebsmodus und B den überstöchiometrischen zweiten Betriebsmodus kennzeichnet.
Bezugszeichenliste

1: Brennkraftmaschine
1a: Vier-Zylinder-Reihenmotor
2: Ansaugsystem
3: Abgasabführsystem
3a: Abgasleitung
3b: zweiter Knotenpunkt
3c: dritter Knotenpunkt
4: Ladeluftkühler
4a: erste Bypassleitung
4b: Absperrelement
5: Zwischenkühler
5a: dritte Bypassleitung
5b: Absperrelement
6: Abgasturbolader
6a: Turbine
6b: Verdichter
7: Drei-Wege-Katalysator
7a: zweites Absperrelement
8a: Abgasnachbehandlungssystem zur Verringerung der Stickoxide
8b: Oxidationskatalysator
8c: drittes Absperrelement
9: Partikelfilter
9a: Rückführleitung
9b: viertes Absperrelement
10: zusätzlicher Verdichter
10a: Elektromotor
10b: zweite Bypassleitung
10c: Absperrelement
11: Abgasrückführung
11a: erster Knotenpunkt
11b: Leitung zur Abgasrückführung
11c: Kühler
11d: erstes Absperrelement
11e: AGR-Ventil
A: erster Betriebsmodus der Brennkraftmaschine, stöchiometrisches HCCI-Verfahren
B: zweiter Betriebsmodus der Brennkraftmaschine, überstöchiometrisches dieselmotorisches Selbstzündverfahren
HCCI: homogenous-charge compression-ignition

Claims

Selbstzündende Brennkraftmaschine (1) mit einer Abgasrückführung (11), einem Ansaugsystem (2) zur Versorgung der Brennkraftmaschine (1) mit Ladeluft und einem Abgasabführsystem (3) zur Abführung der Abgase, die zumindest auch gemäß einem ersten Betriebsmodus mittels Raumzündverfahren, HCCI-Modus, betreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Nachbehandlung des Abgases im stöchiometrischen ersten Betriebsmodus ein Drei-Wege-Katalysator (7) im Abgasabführsystem (3) vorgesehen ist, der Stickoxide reduziert und unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid oxidiert.
Selbstzündende Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Abgasturbolader (6) vorgesehen ist, der eine im Abgasabführsystem (3) angeordnete Turbine (6a) und einen im Ansaugsystem (2) angeordneten Verdichter (6b) umfasst.
Selbstzündende Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (6a) des mindestens einen Abgasturboladers (6) stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators (7) im Abgasabführsystem (3) angeordnet ist.
Selbstzündende Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (6a) mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestattet ist.
Selbstzündende Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Turbine (6a) und dem Drei-Wege-Katalysator (7) eine Leitung (11b) zur Abgasrückführung (11) unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes (11a) vom Abgasabführsystem (3) abzweigt und in das Ansaugsystem (2) mündet.
Selbstzündende Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (11b) zur Abgasrückführung (11) stromaufwärts des Verdichters (6b) des mindestens einen Abgasturboladers (6) in das Ansaugsystem (2) mündet.
Selbstzündende Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Leitung (11b) zur Abgasrückführung (11) ein Kühler (11c) angeordnet ist.
Selbstzündende Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts des Kühlers (11c) ein erstes Absperrelement (11d) in der Leitung (11b) zur Abgasrückführung (11) angeordnet ist.
Selbstzündende Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Nachbehandlung des Abgases in einem zweiten überstöchiometrischen Betriebsmodus, λ > 1, der Brennkraftmaschine (1) ein Abgasnachbehandlungssystem (8a) zur Verringerung der Stickoxide im Abgas vorgesehen ist, wobei dieses Abgasnachbehandlungssystem (8a) parallel zu dem Drei-Wege-Katalysator (7) im Abgasabführsystem (3) angeordnet ist.
Selbstzündende Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Nachbehandlung des Abgases in einem zweiten überstöchiometrischen Betriebsmodus, λ > 1, der Brennkraftmaschine (1) ein Oxidationskatalysator (8b) vorgesehen ist, wobei dieser Oxidationskatalysator (8b) parallel zu dem Drei-Wege-Katalysator (7) im Abgasabführsystem (3) angeordnet ist.
Selbstzündende Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 9 oder 10, bei der eine Leitung (11b) zur Abgasrückführung (11) unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes (11a) stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators (7) vom Abgasabführsystem (3) abzweigt, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasnachbehandlungssystem (8a) zur Verringerung der Stickoxide und/oder der Oxidationskatalysator (8b) in einer Abgasleitung (3a) des Abgasabführsystems (3) vorgesehen ist, die zwischen dem ersten Knotenpunkt (11a) und dem Drei-Wege-Katalysator (7) vom Abgasabführsystem (3) unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes (3b) abzweigt und stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators (7) unter Ausbildung eines dritten Knotenpunktes (3c) in das Abgasabführsystem (3) mündet.
Selbstzündende Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Nachbehandlung des Abgases ein Partikelfilter (9) vorgesehen ist, wobei dieser Partikelfilter (9) stromabwärts des dritten Knotenpunktes (3c) im Abgasabführsystem (3) angeordnet ist.
Selbstzündende Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Partikelfilters (9) eine Rückführleitung (9a) vom Abgasabführsystem (3) abzweigt, die in das Ansaugsystem (2) mündet, wobei die Rückführleitung (9a) mit einem vierten Absperrelement (9b) ausgestattet ist.
Selbstzündende Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 12, bei der in der Leitung (11b) zur Abgasrückführung (11) ein erstes Absperrelement (11d) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Partikelfilters (9) eine Rückführleitung (9a) vom Abgasabführsystem (3) abzweigt, die stromaufwärts des ersten Absperrelements (11d) in die Leitung (11b) zur Abgasrückführung (11) mündet, wobei die Rückführleitung (9a) mit einem vierten Absperrelement (9b) ausgestattet ist.
Selbstzündende Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Deaktivierung des Abgasnachbehandlungssystems (8a) zur Verringerung der Stickoxide und/oder des Oxidationskatalysators (8b) ein drittes Absperrelement (8c) vorgesehen ist, wobei dieses dritte Absperrelement (8c) stromaufwärts im Abgasabführsystem (3) angeordnet ist.
Selbstzündende Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Deaktivierung des Drei-Wege-Katalysators (7) ein zweites Absperrelement (7a) vorgesehen ist, wobei dieses zweite Absperrelement (7a) stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators (7) im Abgasabführsystem (3) angeordnet ist.
Selbstzündende Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 16, bei der mindestens ein Abgasturbolader (6) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Verdichters (6b) des mindestens einen Abgasturboladers (6) ein Ladeluftkühler (4) im Ansaugsystem (2) angeordnet ist.
Selbstzündende Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Bypassleitung (4a) zur Umgehung des Ladeluftkühlers (4) vorgesehen ist.
Selbstzündende Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 18, bei der mindestens ein Abgasturbolader (6) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Verdichters (6b) des mindestens einen Abgasturboladers (6) ein zusätzlicher Verdichter (10) im Ansaugsystem (2) angeordnet ist, der mit einem Elektromotor (10a) antriebsverbunden ist, wobei eine zweite Bypassleitung (10b) vorgesehen ist, die zwischen dem Verdichter (6b) des mindestens einen Abgasturboladers (6) und dem zusätzlichen Verdichter (10) vom Ansaugsystem (2) abzweigt und stromabwärts des zusätzlichen Verdichters (10) in das Ansaugsystem (2) mündet.
Selbstzündende Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Verdichter (6b) des mindestens einen Abgasturboladers (6) und dem zusätzlichen Verdichter (10) ein Zwischenkühler (5) im Ansaugsystem (2) angeordnet ist.
Selbstzündende Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Bypassleitung (5a) zur Umgehung des Zwischenkühlers (5) vorgesehen ist.
Verfahren zum Betreiben einer selbstzündenden Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) gemäß einem ersten Betriebsmodus mittels Raumzündverfahren stöchiometrisch betrieben wird, wobei das Abgases unter Verwendung des Drei-Wege-Katalysators (7) nachbehandelt wird.