DE102019008357B3

DE102019008357B3 - Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung und motornaher Abgasnachbehandlung

Info

Publication number: DE102019008357B3
Application number: DE102019008357.1A
Authority: DE
Inventors: Jörg Kemmerling; Frank Wunderlich; Michael Forsting; Vanco Smiljanovski; Hanno Friederichs; Helmut Kindl; Andreas Kuske; Franz Arnd Sommerhoff
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2019-12-02
Filing date: 2019-12-02
Publication date: 2021-05-06
Anticipated expiration: 2039-12-03
Also published as: US11428131B2; CN112983631A; US20210199033A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine (1) mit einem Ansaugsystem (2) zum Zuführen von Ladeluft und einem Abgasabführsystem (3) zum Abführen von Abgas und mit mindestens einem Abgasturbolader (6), der eine im Abgasabführsystem (3) angeordnete Turbine (6a) und einen im Ansaugsystem (2) angeordneten Verdichter (6b) umfasst, wobei- im Abgasabführsystem (3) stromaufwärts der Turbine (6a) mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem (10) zur Nachbehandlung des Abgases angeordnet ist.Es soll eine Brennkraftmaschine (1) der genannten Art bereitgestellt werden, mit der die im Abgasabführsystem (3) ablaufenden dynamischen Wellenvorgänge zum Zwecke der Stoßaufladung und somit zur Verbesserung des Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine (1) genutzt werden können.Erreicht wird dies durch eine Brennkraftmaschine (1) der oben genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass- eine zusätzliche Leitung (7) vorgesehen ist, die stromaufwärts des mindestens einen Abgasnachbehandlungssystems (10) unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes (8a) vom Abgasabführsystem (3) abzweigt und die zwischen dem mindestens einen Abgasnachbehandlungssystem (10) und der Turbine (6a) unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes (8b) wieder in das Abgasabführsystem (3) einmündet und in der eine gasdichte Membran (7a) zur Übertragung der Druckschwingungen angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft und einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas und mit mindestens einem Abgasturbolader, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst, wobei

- im Abgasabführsystem stromaufwärts der Turbine mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem zur Nachbehandlung des Abgases angeordnet ist, und
- eine zusätzliche Leitung vorgesehen ist, die stromaufwärts des mindestens einen Abgasnachbehandlungssystems unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes vom Abgasabführsystem abzweigt und die zwischen dem mindestens einen Abgasnachbehandlungssystem und der Turbine unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes wieder in das Abgasabführsystem einmündet.

Eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art wird beispielsweise als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt und in der US 2015/0322848 A1 und der EP 2 759 686 A1 beschrieben. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, sowie Hybrid-Antriebe, die neben einer Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2009 020 625 A1 hat eine Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung zum Gegenstand. Der Abgasturbolader verfügt über eine mehrflutige Turbine, wobei mindestens eine der Fluten für eine Abgasrückführung vorgesehen ist und stromabwärts der Turbine in dieser mindestens einen Flut mindestens ein Oxidationskatalysator angeordnet ist.
Die Aufladung einer Brennkraftmaschine dient in erster Linie der Leistungssteigerung. Die für den Verbrennungsprozess benötigte Luft wird verdichtet, 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 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.
In der Regel 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 dieser 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. Gegebenenfalls ist zusätzlich eine Ladeluftkühlung vorgesehen, mit der die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in die Zylinder gekühlt wird.
Der Vorteil eines Abgasturboladers beispielsweise im Vergleich zu einem mechanischen Lader besteht darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine besteht bzw. erforderlich ist, die zusätzlich Bauraum im Motorraum beansprucht und die Anordnung der Aggregate in nicht unerheblicher Weise beeinflusst. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie vollständig von der Brennkraftmaschine bezieht und somit die bereitgestellte Leistung mindert und auf diese Weise den Wirkungsgrad nachteilig beeinflusst, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase.
Auch die Brennkraftmaschine der vorliegenden Erfindung verfügt über mindestens einen Abgasturbolader.
Schwierigkeiten bereitet die Auslegung der Abgasturboaufladung, wobei grundsätzlich eine spürbare Leistungssteigerung in allen Drehzahlbereichen angestrebt wird. Bei mit einem Abgasturbolader aufgeladenen Brennkraftmaschinen wird bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl ein spürbarer Drehmomentabfall beobachtet. Dieser Effekt ist unerwünscht.
Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird beispielsweise die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis. Dies hat zur Folge, dass zu niedrigeren Drehzahlen hin das Ladedruckverhältnis ebenfalls abnimmt, was gleichbedeutend ist mit einem Drehmomentabfall.
Die Drehmomentcharakteristik einer mittels Abgasturboaufladung aufgeladenen Brennkraftmaschine wird nach dem Stand der Technik durch unterschiedliche Maßnahmen zu verbessern versucht.
Beispielsweise durch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnitts und gleichzeitiger Abgasabblasung. Eine derartige Turbine wird auch als Waste-Gate-Turbine bezeichnet. Überschreitet der Abgasmassenstrom eine kritische Größe wird ein Teil des Abgasstroms im Rahmen einer sogenannten Abgasabblasung mittels einer Bypassleitung an der Turbine vorbei geführt. Diese Vorgehensweise hat aber den Nachteil, dass das Aufladeverhalten bei höheren Drehzahlen unzureichend ist.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann des Weiteren durch mehrere parallel angeordnete Turbolader, d.h. durch mehrere parallel angeordnete Turbinen von kleinerem Turbinenquerschnitt, verbessert werden, wobei mit steigender Abgasmenge Turbinen sukzessive zugeschaltet werden; ähnlich einer Registeraufladung.
Die Drehmomentcharakteristik kann auch mittels mehrerer in Reihe geschalteter Abgasturbolader vorteilhaft beeinflusst werden. Durch das in Reihe Schalten von zwei Abgasturboladern, von denen ein Abgasturbolader als Hochdruckstufe und ein Abgasturbolader als Niederdruckstufe dient, kann das Verdichterkennfeld in vorteilhafter Weise aufgeweitet werden und zwar sowohl hin zu kleineren Verdichterströmen als auch hin zu größeren Verdichterströmen.
Bei der Auslegung der Abgasturboaufladung ist man bemüht, die Turbine bzw. die Turbinen möglichst nahe am Auslass der Brennkraftmaschine, d.h. nahe der Auslassöffnungen der Zylinder, anzuordnen, um auf diese Weise die Abgasenthalpie der heißen Abgase, die maßgeblich vom Abgasdruck und der Abgastemperatur bestimmt wird, optimal nutzen zu können und ein schnelles Ansprechverhalten des Turboladers zu gewährleisten. Nicht nur der Weg der heißen Abgase zur Turbine verkürzt sich durch eine motornahe Anordnung, auch das Volumen des Abgasabführsystems stromaufwärts der Turbine nimmt ab. Die thermische Trägheit des Abgasabführsystems nimmt ebenfalls ab und zwar durch Reduzierung der Masse und der Länge des Teilstückes des Abgasabführsystems bis hin zur Turbine. Aus den vorstehend genannten Gründen werden die Turbinen in der Regel auslassseitig am Zylinderkopf angeordnet. Aus denselben Gründen wird der Abgaskrümmer nach dem Stand der Technik häufig im Zylinderkopf integriert. Die Integration des Abgaskrümmers gestattet darüber hinaus ein dichtes Packaging der Antriebseinheit. Zudem kann von einer gegebenenfalls im Zylinderkopf vorgesehenen Flüssigkeitskühlung partizipiert werden, so dass der Krümmer nicht aus thermisch hoch belastbaren Werkstoffen gefertigt werden muss, die kostenintensiv sind.
Bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen, bei denen im Abgasabführsystem mindestens eine Turbine eines Abgasturboladers vorgesehen ist und die im unteren Drehzahl bzw. Lastbereich, d.h. bei kleineren Abgasmengen ein zufriedenstellendes Betriebsverhalten, insbesondere eine befriedigende Drehmomentcharakteristik, aufweisen sollen, wird eine sogenannte Stoßaufladung angestrebt, d.h. bevorzugt.
Dabei sollen die - insbesondere während des Ladungswechsels - im Abgasabführsystem ablaufenden dynamischen Wellenvorgänge zum Zwecke der Aufladung und zur Verbesserung des Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine genutzt werden.
Die Evakuierung der Verbrennungsgase aus einem Zylinder der Brennkraftmaschine im Rahmen des Ladungswechsels beruht im Wesentlichen auf zwei unterschiedlichen Mechanismen. Wenn sich zu Beginn des Ladungswechsels das Auslassventil nahe des unteren Totpunktes öffnet, strömen die Verbrennungsgase aufgrund des gegen Ende der Verbrennung im Zylinder vorherrschenden hohen Druckniveaus und der damit verbundenen hohen Druckdifferenz zwischen Brennraum und Abgasleitung mit hoher Geschwindigkeit durch die Auslassöffnung in das Abgasabführsystem. Dieser druckgetriebene Strömungsvorgang wird durch eine hohe Druckspitze begleitet, die auch als Vorauslassstoß bezeichnet wird und sich entlang der Abgasleitung mit Schallgeschwindigkeit fortpflanzt, wobei sich der Druck mit zunehmender Wegstrecke infolge Reibung mehr oder weniger stark abbaut, d.h. verringert.
Im weiteren Verlauf des Ladungswechsels gleichen sich die Drücke im Zylinder und in der Abgasleitung an, so dass die Verbrennungsgase primär nicht mehr druckgetrieben evakuiert, sondern infolge der Hubbewegung des Kolbens ausgeschoben werden.
Bei niedrigen Lasten bzw. Drehzahlen, d.h. geringen Abgasmengen, kann der Vorauslassstoß in vorteilhafter Weise zur Stoßaufladung genutzt werden, womit auch hohe Turbinendruckverhältnisse bei niedrigen Turbinendrehzahlen erzielt werden können. Auf diese Weise können mittels Abgasturboaufladung auch bei nur geringen Abgasmengen, d.h. bei niedrigen Lasten bzw. niedrigen Drehzahlen, hohe Ladedruckverhältnisse, d.h. hohe Ladedrücke auf der Einlassseite generiert werden.
Die Stoßaufladung erweist sich als besonders vorteilhaft bei der Beschleunigung des Turbinenlaufrades, d.h. bei der Erhöhung der Turbinendrehzahl, die im Leerlaufbetrieb der Brennkraftmaschine bzw. bei geringer Last spürbar absinken kann und häufig bei erhöhter Lastanforderung mittels Abgasstrom möglichst verzögerungsfrei wieder angehoben werden soll. Die Trägheit des Laufrades und die Reibung in der Wellenlagerung verzögern in der Regel eine Beschleunigung des Laufrades auf höhere Drehzahlen und damit einen unmittelbaren Anstieg des Ladedrucks.
Um die im Abgasabführsystem ablaufenden dynamischen Wellenvorgänge, insbesondere die Vorauslassstöße, für die Stoßaufladung zur Verbesserung des Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine nutzen zu können, müssen die Druckspitzen bzw. Vorauslassstöße im Abgasabführsystem erhalten werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn sich die Druckschwankungen in den Abgasleitungen verstärken, zumindest aber nicht gegenseitig abschwächen bzw. aufheben.
Die Stoßaufladung hat aber auch Nachteile. So verschlechtert sich in der Regel der Ladungswechsel infolge der Druckschwankungen im Abgasabführsystem. Des Weiteren ist zu berücksichtigen, dass eine Turbine am effektivsten unter stationären Motorbetriebsbedingungen betrieben wird. Um eine stromabwärts der Zylinder im Abgasabführsystem vorgesehene Turbine bei hohen Lasten bzw. hohen Drehzahlen, d.h. bei großen Abgasmengen, optimal betreiben zu können, sollte die Turbine mit einem möglichst konstanten Abgasstrom beaufschlagt werden, weshalb unter diesen Betriebsbedingungen ein sich wenig verändernder Druck stromaufwärts der Turbine bevorzugt wird, um eine sogenannte Stauaufladung zu realisieren.
Als problematisch erweist sich die Abgasturboaufladung in Kombination mit einer Abgasnachbehandlung.
Nach dem Stand der Technik werden Brennkraftmaschinen zur Reduzierung der Schadstoffemissionen mit verschiedenen Abgasnachbehandlungssystemen ausgestattet.
Bei Ottomotoren kommen 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 (NOx) reduziert werden, kann dies durch den Einsatz eines Drei-Wege-Katalysators erreicht werden, der dazu aber einen in engen Grenzen ablaufenden stöchiometrischen Betrieb (λ ≈ 1) des Ottomotors erfordert.
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 unter anderem 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.
Grundsätzlich können die Stickoxidemissionen auch mit einem sogenannten Stickoxidspeicherkatalysator (LNT) 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.
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.
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 sind im Betrieb nur schwierig zu erreichen.
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.
Um zukünftige Grenzwerte für Schadstoffemissionen einzuhalten, wäre eine motornahe Anordnung der Abgasnachbehandlungssysteme zielführend.
Eine motornahe Anordnung der Abgasnachbehandlungssysteme bei vorhandener Abgasturboaufladung führt aber zu Konflikten. Wird stromaufwärts der Turbine eines Abgasturboladers eine Abgasnachbehandlung vorgenommen, verschlechtert sich das Aufladeverhalten und folglich die Drehmomentcharakteristik der Brennkraftmaschine erheblich, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen bzw. kleineren Lasten, da die im Abgasabführsystem ablaufenden dynamischen Wellenvorgänge nicht mehr für die Stoßaufladung genutzt werden können. Die Druckschwankungen bzw. Druckwellen im Abgassystem werden durch die vorgesehenen Abgasnachbehandlungssysteme abgeschwächt bzw. eliminiert.
Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, mit der die im Abgasabführsystem ablaufenden dynamischen Wellenvorgänge zum Zwecke der Stoßaufladung und somit zur Verbesserung des Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine genutzt werden können.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft und einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas und mit mindestens einem Abgasturbolader, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst, wobei

- im Abgasabfuhrsystem stromaufwärts der Turbine mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem zur Nachbehandlung des Abgases angeordnet ist, und
- eine zusätzliche Leitung vorgesehen ist, die stromaufwärts des mindestens einen Abgasnachbehandlungssystems unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes vom Abgasabfiihrsystem abzweigt und die zwischen dem mindestens einen Abgasnachbehandlungssystem und der Turbine unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes wieder in das Abgasabführsystem einmündet, und die dadurch gekennzeichnet ist, dass
- in der zusätzlichen Leitung eine gasdichte Membran zur Übertragung der Druckschwingungen angeordnet ist.

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist mit einer Vorrichtung ausgestattet, mit der die von den Auslassöffnungen der Zylinder ausgehenden und sich im Abgasabführsystem ausbreitenden Druckwellen bzw. Druckschwingungen bei Umgehung der Abgasnachbehandlung übertragen werden können und stromabwärts der Abgasnachbehandlung bzw. stromaufwärts der Turbine zum Zwecke der Stoßaufladung zur Verfügung stehen.
Diese Vorrichtung umfasst eine zusätzliche Leitung, die stromaufwärts des mindestens einen Abgasnachbehandlungssystems unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes vom Abgasabführsystem abzweigt und die zwischen dem mindestens einen Abgasnachbehandlungssystem und der Turbine unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes wieder in das Abgasabführsystem einmündet. Die zusätzliche Leitung verfügt über- eine Membran, welche der Übertragung der Druckschwingung dient. Die Membran ist gasdicht, um zu verhindern, dass nicht gereinigtes Abgas via der zusätzlichen Leitung an der Abgasnachbehandlung vorbei unbehandelt in die Umgebung gelangt. Da die Membran mit den heißen Abgasen beaufschlagt wird, muss sie hochtemperaturfest sein. Die auf Seiten des zweiten Knotenpunktes stromabwärts der Membran in der zusätzlichen Leitung befindliche Luftsäule wird von der schwingenden Membran erregt bzw. in Schwingungen versetzt, wenn die Membran selbst auf Seiten des ersten Knotenpunktes durch die von den Zylindern ausgehenden Druckwellen in Schwingung gebracht wird.
Dass die von den Zylindern ausgehenden Druckwellen von den im Abgasabführsystem angeordneten Abgasnachbehandlungssystemen abgeschwächt bzw. eliminiert werden, ist erfindungsgemäß unerheblich.
Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, mit der die im Abgasabführsystem ablaufenden dynamischen Wellenvorgänge zum Zwecke der Stoßaufladung und somit zur Verbesserung des Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine genutzt werden können.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen in der zusätzlichen Leitung ein Absperrelement angeordnet ist.
Das Absperrelement dient der Aktivierung bzw. Deaktivierung der Vorrichtung zur Übertragung der Druckschwingungen, wobei eine Aktivierung durch Öffnen des Absperrelementes und eine Deaktivierung durch Schließen des Absperrelementes erfolgt.
Eine Aktivierung der Vorrichtung wird bei niedrigen Drehzahlen bzw. geringen Lasten bevorzugt, um durch Übertragung der Druckschwingungen via der zusätzlichen Leitung eine Stoßaufladung realisieren zu können. Wird hingegen eine Stauaufladung angestrebt, bietet sich eine Deaktivierung an.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Absperrelement stromaufwärts der gasdichten Membran angeordnet ist.
Wird das Absperrelement stromaufwärts der gasdichten Membran angeordnet, wird die Membran nicht kontinuierlich von heißen Abgasen beansprucht und nicht kontinuierlich infolge der dynamischen Wellenvorgänge im Abgasabführsystem zu Schwingungen angeregt. Beides erhöht die Dauerhaltbarkeit der Membran, die zur Übertragung der Druckschwingungen verformbar bzw. elastisch sein muss. Auch Ablagerungen auf bzw. an der Membran können auf diese Weise verringert werden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die gasdichte Membran nahe des ersten Knotenpunktes angeordnet ist.
Die zusätzliche Leitung wird durch die Membran in zwei Abschnitte unterteilt, nämlich einen ersten Abschnitt zwischen der gasdichten Membran und dem ersten Knotenpunkt und einen zweiten Abschnitt zwischen der gasdichten Membran und dem zweiten Knotenpunkt. Für das erfindungsgemäße Konzept der Übertragung von Druckschwingungen ist der zweite Abschnitt von Relevanz und zwar die Länge dieses zweiten Abschnitts. Der erste Abschnitt, welcher das von den Zylindern stammende Abgas auf die Membran leitet, kann grundsätzlich so kurz wie möglich ausgelegt werden, um den von der Vorrichtung beanspruchten Bauraum zu minimieren. Die Länge des ersten Abschnitts ist nicht wesentlich für die Funktionsweise der Vorrichtung und hat keinen relevanten Einfluss auf die Übertragung der Druckschwingungen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen zur Nachbehandlung des Abgases ein Oxidationskatalysator als Abgasnachbehandlungssystem im Abgasabführsystem vorgesehen ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen zur Nachbehandlung des Abgases ein Partikelfilter als Abgasnachbehandlungssystem im Abgasabführsystem vorgesehen ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen zur Nachbehandlung des Abgases ein Speicherkatalysator als Abgasnachbehandlungssystem zur Reduzierung der Stickoxide im Abgasabführsystem vorgesehen ist.
Hinsichtlich der vorstehenden Abgasnachbehandlungssysteme wird Bezug genommen auf die bereits gemachten Ausführungen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die zusätzliche Leitung zumindest abschnittsweise spiralförmig ausgebildet ist. Die Leitung bzw. ihr relevanter zweiter Abschnitt kann im Einzelfall einen Meter, zwei Meter oder länger sein.
Um eine möglichst kompakte Bauweise zu realisieren, die möglichst wenig Bauraum beansprucht, kann es vorteilhaft sein, die Leitung zumindest abschnittsweise spiralförmig auszubilden. Eine spiralförmige Gestalt der Leitung ist auch strömungstechnisch vorteilhaft, da die Druckverluste infolge Reibung gering sind.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen ein Abschnitt der zusätzlichen Leitung, der sich zwischen der gasdichten Membran und dem zweiten Knotenpunkt erstreckt, in seiner Länge verstellbar ist.
Ein in der Länge verstellbarer zweiter Abschnitt gestattet die Anpassung der Länge an die momentane Drehzahl. Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang, dass die Länge des Abschnitts, bei der die in diesem Abschnitt befindliche Luftsäule in Resonanz gerät, von der Motordrehzahl abhängt. Einfluss haben auch andere Parameter, beispielsweise die Anzahl der Zylinder sowie das zur Anwendung kommende Arbeitsverfahren, d.h. Viertakt-Arbeitsverfahren oder Zweitakt-Arbeitsverfahren.
Ist der zweite Abschnitt der zusätzlichen Leitung in seiner Länge verstellbar, kann die Drehmomentcharakteristik nicht nur bei einer konkreten Drehzahl, sondern vielmehr in einem mehr oder weniger breiten Drehzahlband bzw. Drehzahlbereich verbessert werden, da eine Anpassung der Länge möglich ist.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen dieser Abschnitt der zusätzlichen Leitung modular aufgebaut ist und mindestens zwei Elemente umfasst, wobei mindestens zwei Elemente relativ zueinander bewegbar sind.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen mindestens zwei Elemente teleskopartig gegeneinander verschiebbar sind.
Vorteilhaft sind dabei auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen mindestens zwei Elemente gegeneinander um eine gemeinsame Drehachse verdrehbar sind. Diese Ausführungsform bietet sich an, wenn die zusätzliche Leitung zumindest abschnittsweise spiralförmig ausgebildet ist. Dann werden die ebenfalls spiralförmigen Elemente beim Verdrehen teilweise ineinander verschoben.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Abschnitt der zusätzlichen Leitung, der sich zwischen der gasdichten Membran und dem zweiten Knotenpunkt erstreckt, in seiner Länge in der Art ausgelegt und abgestimmt ist, dass eine in diesem Abschnitt schwingende Gassäule bei einer vorgebbaren Motordrehzahl n_mot,resonanz in Resonanz gerät, wobei gilt: 1000 min^-1 < n_mot,resonanz < 2000 min^-1.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen für die vorgebbare Motordrehzahl n_mot,resonanz gilt: 1100 min^-1 < n_mot,resonanz < 1800 min^-1.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen für die vorgebbare Motordrehzahl n_mot,resonanz gilt: 1100 min^-1 < n_mot,resonanz < 1600 min^-1.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen für die vorgebbare Motordrehzahl n_mot,_resonanz gilt: 1100 min^-1 < n_mot,resonanz < 1500 min^-1.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:

1 schematisch eine erste Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine.

1 zeigt eine erste Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine 1 am Beispiel eines Vier-Zylinder-Reihenmotors. Die vier Zylinder 1a der Brennkraftmaschine 1 sind entlang der Längsachse des Zylinderkopfes in Reihe angeordnet. Die Abgasleitungen der Zylinder 1a führen zu einer Gesamtabgasleitung 3a zusammen, wodurch sämtliche Abgasleitungen ein gemeinsames Abgasabführsystem 3 bilden, miteinander in Verbindung stehen und in sämtlichen Abgasleitungen derselbe Abgasdruck herrscht. Des Weiteren verfügt die Brennkraftmaschine 1 über ein Ansaugsystem 2 zur Versorgung der Zylinder 1a mit Ladeluft.
Zwecks Aufladung der Zylinder 1a ist ein Abgasturbolader 6 vorgesehen, der eine im Abgasabführsystem 3 angeordnete Turbine 6a und einen im Ansaugsystem 2 angeordneten Verdichter 6b umfasst, die eine gemeinsame Welle aufweisen.
Stromaufwärts des Verdichters 6b ist ein Luftfilter 9a im Ansaugsystem 2 angeordnet, der die via Ansaugsystem 2 angesaugte Luft reinig, sowie ein Luftmassensensor 9b, der die gesamte den Zylindern 1a der Brennkraftmaschine 1 zugeführte Luftmenge erfasst.
Stromabwärts des Verdichters 6b ist ein Ladeluftkühler 5 im Ansaugsystem 2 vorgesehen, um die komprimierte Ladeluft vor dem Eintritt in die Zylinder 1a zu kühlen.
Stromaufwärts der Turbine 6a sind zwei Abgasnachbehandlungssysteme 10 zur Nachbehandlung des Abgases angeordnet, nämlich ein Oxidationskatalysator 10a sowie ein Partikelfilter 10b, wobei der Oxidationskatalysator 10a stromaufwärts des Partikelfilters 10b angeordnet ist.
Eine Abgasrückführung 4 gestattet die Rückführung heißer Abgase aus dem Abgasabführsystem 3 in das Ansaugsystem 2, wobei die Rückführleitung 4a zwischen dem Oxidationskatalysator 10a und dem Partikelfilter 10b von dem Abgasabführsystem 3 abzweigt und stromabwärts des Ladeluftkühlers 5 wieder in das Ansaugsystem 2 einmündet. Folglich handelt es sich bei der Abgasrückführung 4 um eine Hochdruck-AGR 4. In der Rückführleitung 4a ist ein Kühler 4b zum Kühlen der heißen Abgase vorgesehen.
Eine zusätzliche Leitung 7 zweigt stromaufwärts der Abgasnachbehandlungssysteme 10a, 10b unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes 8a vom Abgasabführsystem 3 ab und mündet zwischen den beiden Abgasnachbehandlungssystemen 10a, 10b und der Turbine 6a unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes 8b wieder in das Abgasabführsystem 3.
Diese zusätzliche Leitung 7 gehört zu einer Vorrichtung zur Übertragung von Druckschwingungen. In der Leitung 7 ist nahe des ersten Knotenpunktes 8a eine Membran 7a angeordnet. Die Membran 7a ist gasdicht und verhindert, dass nicht gereinigtes Abgas in die Umgebung gelangt. Relevant für die Übertragung der Druckschwingungen ist der Abschnitt 7' der Leitung 7, der sich zwischen der Membran 7a und dem zweiten Knotenpunktes 8b erstreckt.
Die in diesem Abschnitt 7' der zusätzlichen Leitung 7 - auf Seiten des zweiten Knotenpunktes 8b stromabwärts der Membran 7a - befindliche Luftsäule wird von der Membran 7a in Schwingungen versetzt, wenn die Membran 7a selbst auf Seiten des ersten Knotenpunktes 8a durch die von den Zylindern 1a ausgehenden Druckwellen in Schwingung gebracht wird.
Stromaufwärts der Membran 7a ist ein Absperrelement in der zusätzlichen Leitung 7 angeordnet (nicht dargestellt).
Bezugszeichenliste

1: aufgeladene Brennkraftmaschine
1a: Zylinder
2: Ansaugsystem
3: Abgasabfuhrsystem
3a: Gesamtabgasleitung
4: Abgasrückführung, Hochdruck-AGR
4a: Rückführleitung
4b: Kühler
5: Ladeluftkühler
6: Abgasturbolader
6a: Turbine
6b: Verdichter
7: zusätzliche Leitung
7': Abschnitt der zusätzlichen Leitung
7a: gasdichte Membran
8a: erster Knotenpunkt
8b: zweiter Knotenpunkt
9a: Filter
9b: Luftmassensensor
10: Abgasnachbehandlungssystem
10a: Oxidationskatalysator
10b: Partikelfilter

Claims

Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) mit einem Ansaugsystem (2) zum Zuführen von Ladeluft und einem Abgasabführsystem (3) zum Abführen von Abgas und mit mindestens einem Abgasturbolader (6), der eine im Abgasabführsystem (3) angeordnete Turbine (6a) und einen im Ansaugsystem (2) angeordneten Verdichter (6b) umfasst, wobei - im Abgasabführsystem (3) stromaufwärts der Turbine (6a) mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem (10) zur Nachbehandlung des Abgases angeordnet ist, und - eine zusätzliche Leitung (7) vorgesehen ist, die stromaufwärts des mindestens einen Abgasnachbehandlungssystems (10) unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes (8a) vom Abgasabführsystem (3) abzweigt und die zwischen dem mindestens einen Abgasnachbehandlungssystem (10) und der Turbine (6a) unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes (8b) wieder in das Abgasabführsystem (3) einmündet, dadurch gekennzeichnet, dass - in der zusätzlichen Leitung (7) eine gasdichte Membran (7a) zur Übertragung der Druckschwingungen angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der zusätzlichen Leitung (7) ein Absperrelement angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrelement stromaufwärts der gasdichten Membran (7a) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gasdichte Membran (7a) nahe des ersten Knotenpunktes (8a) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Nachbehandlung des Abgases ein Oxidationskatalysator (10a) als Abgasnachbehandlungssystem (10) im Abgasabführsystem (3) vorgesehen ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Nachbehandlung des Abgases ein Partikelfilter (10b) als Abgasnachbehandlungssystem (10) im Abgasabführsystem (3) vorgesehen ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Nachbehandlung des Abgases ein Speicherkatalysator als Abgasnachbehandlungssystem (10) zur Reduzierung der Stickoxide im Abgasabführsystem (3) vorgesehen ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Leitung (7) zumindest abschnittsweise spiralförmig ausgebildet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt (7') der zusätzlichen Leitung (7), der sich zwischen der gasdichten Membran (7a) und dem zweiten Knotenpunkt (8b) erstreckt, in seiner Länge verstellbar ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Abschnitt (7') der zusätzlichen Leitung (7) modular aufgebaut ist und mindestens zwei Elemente umfasst, wobei mindestens zwei Elemente relativ zueinander bewegbar sind.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Elemente teleskopartig gegeneinander verschiebbar sind.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Elemente gegeneinander um eine gemeinsame Drehachse verdrehbar sind.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt (7') der zusätzlichen Leitung (7), der sich zwischen der gasdichten Membran (7a) und dem zweiten Knotenpunkt (8b) erstreckt, in seiner Länge in der Art ausgelegt und abgestimmt ist, dass eine in diesem Abschnitt (7') schwingende Gassäule bei einer vorgebbaren Motordrehzahl n_mot,resonanz in Resonanz gerät, wobei gilt: 1000 min^-1 < n_mot,resonanz < 2000 min^-1.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass für die vorgebbare Motordrehzahl n_mot,resonanz gilt: 1100 min^-1 < n_mot,resonanz < 1800 min^-1.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass für die vorgebbare Motordrehzahl n_mot,resonanz gilt: 1100 min^-1 < n_mot,resonanz < 1600 min^-1
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass für die vorgebbare Motordrehzahl n_mot,resonanz gilt: 1100 min^-1 < h_mot,resonanz < 1500 min^-1.