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Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit einer ersten Zylindergruppe, einer zweiten Zylindergruppe, einer mehrflutigen Abgasvorrichtung, wobei ein erster Abgasstrang mit der ersten Zylindergruppe fluidisch verbunden ist und ein zweiter Abgasstrang mit der zweiten Zylindergruppe fluidisch verbunden ist, wobei in dem ersten Abgasstrang ein niedriger Abgasdruck als im zweiten Abgasstrang herrscht, und einer Sekundärluftleitung zur Lufteinblasung in die Abgasvorrichtung.
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Die Einblasung von Sekundärluft in den Abgasstrang des Kraftfahrzeugs ist allgemein bekannt und dient der Reduzierung des Schadstoffausstoßes des Kraftfahrzeugs. Die Sekundärluft wird insbesondere in den Abgasstrang eingeblasen, um einen im Abgasstrang angeordneten Katalysator auf seine Betriebstemperatur aufzuheizen. Dies ist insbesondere in einer sogenannten Kaltstartphase des Verbrennungsmotors erforderlich, in der die Temperatur des Katalysators weit unterhalb seiner Betriebstemperatur ist und dadurch der Wirkungsgrad des Katalysators erheblich reduziert ist. Dadurch erfolgt eine sehr geringe Abgasnachbehandlung durch den Katalysator. Durch die in den Abgasstrang eingeblasene Sekundärluft erfolgt im Abgasstrang, d.h. direkt im Bereich der Sekundärluft-Einblasung oder an einer erwärmten Komponente des Katalysators, eine Nachverbrennung des aus dem Zylinder ausgestoßenen, unverbrannten Kraftstoffs. Die dabei entstehende Wärme heizt den Katalysator auf, wodurch die Betriebstemperatur des Katalysators schneller erreicht wird. Im weiteren Fahrbetrieb wird der Katalysator durch die heißen, aus den Zylindern strömenden Abgase auf seiner Betriebstemperatur gehalten. Bei Hybridfahrzeugen, d.h. einem Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einer elektrischen Antriebseinheit, ist eine derartige Einblasung von Sekundärluft außerdem von Vorteil, wenn der Verbrennungsmotor nach einem längeren Fahrbetrieb mit ausschließlich der elektrischen Antriebseinheit wieder gestartet wird, wobei der Katalysator während der Stillphase des Verbrennungsmotors unterhalb seiner Betriebstemperatur abgekühlt ist.
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Die Einblasung der Sekundärluft erfolgt üblicherweise gleichzeitig in die einzelnen von den Zylindern ausgehenden Abgasstränge oder in die Abgasstränge von unterschiedlichen Zylindergruppen mit jeweils mehreren Zylindern. Eine derartige Sekundärlufteinblasung offenbart beispielsweise die
DE 10 2016 117 961 A1 . Die Sekundärlufteinblasung erfolgt üblicherweise durch eine Sekundärluft-Verteilereinheit, wobei ein mit der Sekundärluft gefüllter Hohlraum der Sekundärluft-Verteilereinheit gleichzeitig mit allen von den Zylindern ausgehenden Abgasleitungen fluidisch verbunden wird, wodurch Sekundärluft in die Abgasleitungen strömt.
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Problematisch ist eine derartige Sekundärlufteinblasung, wenn im Moment der Sekundärlufteinblasung in den einzelnen Abgassträngen unterschiedliche Abgasdrücke herrschen. Durch die unterschiedlichen Abgasdrücke in den unterschiedlichen Abgassträngen besteht die Gefahr, dass die Abgase über das Sekundärluft-Verteilerelement von einem Abgasstrang zu einem anderen Abgasstrang strömen. Dadurch entsteht eine Abgasströmung entgegengesetzt zur Sekundärluftströmung, wodurch die Sekundärlufteinblasung in die einzelnen Abgasstränge reduziert bis vollständig verhindert wird, so dass eine unter anderem zur Aufheizung des Katalysators erforderliche Nachverbrennung der unverbrannten Kraftstoffbestandteilen nicht bzw. nur eingeschränkt erfolgen kann. Weiterhin verursachen die unterschiedlichen Abgasdrücke in den Abgassträngen, dass nach einer Sekundärlufteinblasung Abgas in dem Sekundärluft-Verteilerelement verbleibt, wobei bei einer erneuten Sekundärlufteinblasung zunächst die in die Sekundärluft-Verteilereinheit eingeströmten Abgase aus der Sekundärluft-Verteilereinheit herausgedrückt werden müssen, bevor eine Sekundärlufteinblasung überhaupt erfolgen kann. Dies erschwert ebenfalls die Sekundärlufteinblasung.
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Ferner offenbaren die
DE 26 17 245 A1 und die
JP S59- 522 U einen Verbrennungsmotor mit einer ersten Zylindergruppe, einer zweiten Zylindergruppe und einer mehrflutigen Abgasvorrichtung, wobei ein erster Abgasstrang mit der ersten Zylindergruppe fluidisch verbunden ist und ein zweiter Abgasstrang mit der zweiten Zylindergruppe fluidisch verbunden ist. Eine Sekundärluftleitung zur Lufteinblasung in die Abgasvorrichtung ist ausschließlich mit dem ersten Abgasstrang fluidisch verbindbar. Weiterhin offenbart die
US 4 207 738 A einen Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern und einem gemeinsamen, allen Zylindern zugeordneten Abgaskrümmer und einer Sekundärluftleitung zur Lufteinblasung in den Abgaskrümmer. Die Lufteinblasung wird durch ein Ventil gesteuert, wobei die Lufteinleitung erfolgt, wenn ein Unterdruck relativ zur Außenumgebung im Abgaskrümmer vorliegt.
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Es stellt sich die Aufgabe, einen Verbrennungsmotor mit einer Sekundärlufteinblasung bereitzustellen, bei welcher eine zuverlässige Sekundärlufteinblasung gewährleistet ist und dadurch eine Nachverbrennung der unverbrannten Kraftstoffbestandteile gewährleistet werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist die Sekundärluftleitung ausschließlich mit dem ersten Abgasstrang fluidisch verbindbar, wobei in dem ersten Abgasstrang ein im Vergleich zum zweiten Abgasstrang geringerer Abgasdruck herrscht. Dadurch wird die Möglichkeit einer fluidischen Verbindung zwischen den beiden Abgassträngen verhindert und damit ein Einströmen des Abgases in die Sekundärluftleitung verhindert. Dadurch kann eine für die Nachverbrennung und insbesondere für die Aufheizung des Katalysators erforderliche Sekundärlufteinblasung gewährleistet werden und dadurch auch ein geringer Schadstoffausstoß insbesondere in einer Kaltstartphase des Kraftfahrzeugs gewährleistet werden. Weiterhin kann die Sekundärluftleitung, beispielsweise eine Sekundärluft-Verteilereinheit, einfacher und kostengünstiger ausgeführt werden, da eine fluidische Verbindung lediglich zwischen der Sekundärluftleitung und dem ersten Abgasstrang hergestellt werden muss. Des Weiteren ist eine geringere Förderleistung zur Einblasung der Sekundärluftleitung erforderlich, da die Sekundärluft in den Abgasstrang mit einem reduzierten Abgasdruck, welcher als Gegendruck wirkt, eingeblasen wird.
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Insbesondere bei einem Start des Verbrennungsmotors eines Hybridfahrzeugs nach einem rein elektrischen Fahrbetrieb, muss der Verbrennungsmotor eine hohe Antriebsleistung bereitstellen, wodurch der Abgasdruck in den Abgassträngen relativ hoch ist. Dadurch, dass die Sekundärlufteinblasung in den ersten Abgasstrang erfolgt, in welchem zumindest in dem Zeitpunkt der Sekundärlufteinblasung ein vergleichsweise zum zweiten Abgasstrang reduzierter Abgasdruck herrscht, kann die Sekundärlufteinblasung zuverlässig und mit einer reduzierten Förderleistung erfolgen.
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Es ist ein mehrflutiger Turbolader vorgesehen, welcher mit dem ersten Abgasstrang und dem zweiten Abgasstrang verbunden ist. Ein mehrflutiger Turbolader, auch Twin-Scroll-Turbolader genannt, unterscheidet sich von einem üblichen einflutigen Turbolader durch die spezielle Ausgestaltung eines Turbinengehäuses. Das Turbinengehäuse des zweiflutigen Turboladers wird durch einen Flutenteiler in zwei parallel verlaufende Abgasströmungskanäle aufgeteilt. Durch zwei separaten Abgassträngen werden die Abgase unterschiedlicher Zylinder getrennt voneinander einem Turbinenrad zugeführt. Bei einem Vierzylinder-Motor ist beispielsweise jeweils ein Abgasstrang mit zwei Zylindern fluidisch verbunden, wobei die Wahl der Zylinder, welche einem gemeinsamen Abgasstrang zugeordnet werden, sich aus der der Zündfolge des Verbrennungsmotors ergibt. Durch die mehrflutige Ausgestaltung des Turboladers kann eine gegenseitige, unerwünschte Beeinflussung der einzelnen Zylinder beim Ladungswechsel unterbunden werden, wodurch der Abgasgegendruck verringert und ein verbesserter Gaswechsel des Verbrennungsmotors erzielt werden kann. Dadurch kann der Verbrauch reduziert und die Leistung des Verbrennungsmotors erhöht werden.
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Der erste Abgasstrang weist einen Bypass auf, welcher eine in Abgasströmungsrichtung vor dem Turbolader angeordneten Einlass und einen nach dem Turbolader einen Auslass aufweist, wobei im Bypass ein Regelventil angeordnet ist. Ein derartiger Bypass mit einem darin angeordneten Regelventil wird auch Wastegate genannt und dient der Ladeluftregelung. Das Regelventil ist in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Turbinenrad angeordnet und leitet in seiner Offenstellung einen Teil des Abgasstroms über den Bypass an dem Turbinenrad vorbei, wodurch eine Erhöhung des Ladedrucks zu vermieden wird. Dadurch kann der Turbolader bereits bei niedrigen Motorleistungen genügend Ladedruck bereitstellen, wobei das Regelventil sich in seiner Schließstellung befindet und der Bypass geschlossen ist. Bei höheren Motorleistungen wird ein Teil des Abgasmassenstroms über den Bypass, wobei das Regelventil offen ist, an dem Turbinenrad vorbeigeleitet.
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Die die Sekundärluftleitung ist, vorzugsweise ausschließlich, in der Offenstellung des Regelventils mit dem ersten Abgasstrang verbunden. Dadurch, dass der Abgasstrom im ersten Abgasstrang über den Bypass um das Turbinenrad umgeleitet wird, herrscht im ersten Abgasstrang ein reduzierter Abgasdruck, wobei das Abgas ohne den durch den Turbolader verursachten Gegendruck über die Abgasanlage in die Umgebung strömen kann. Die Sekundärlufteinblasung erfolgt, wenn das Regelventil den Abgasstrom über den Bypass freigibt, wobei durch den reduzierten Abgasdruck die Sekundärlufteinblasung einfacher und mit einer reduzierten Förderleistung in den ersten Abgasstrang eingeblasen werden kann.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Sekundärluftleitung ein Sekundärluftventil und eine Sekundärluftpumpe auf. Durch das Sekundärluftventil kann Sekundärluft bedarfsgerecht, insbesondere in einer Kaltstartphase des Verbrennungsmotors oder bei einem Start des Verbrennungsmotors bei einem Hybridfahrzeug nach einem rein elektrischen Antriebsbetrieb, dem ersten Abgasstrang zugeführt werden.
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Durch die Einblasung der Luft in den ersten Abgasstrang, in welchem ein reduzierter Abgasdruck herrscht, kann eine Sekundärluftpumpe mit einer geringeren Leistung und dadurch einem geringeren Bauraum eingesetzt werden. Außerdem ist eine derartige kleinere Sekundärluftpumpe kostengünstiger.
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Vorzugsweise sind vier Zylinder vorgesehen, wobei zwei Zylinder der ersten Zylindergruppe zugeordnet sind und zwei Zylinder der zweiten Zylindergruppe zugeordnet sind. Dabei sind beispielsweise der ersten Zylindergruppe der erste Zylinder und der vierte Zylinder und der zweiten Zylindergruppe der zweite und der dritte Zylinder zugeordnet, wobei der Betrieb des Verbrennungsmotors nach einer Zündfolge 1-3-4-2 erfolgt, so dass abwechselnd aus den Zylindergruppen ein Zylinder gezündet wird.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der erste Abgasstrang jeweils eine zylinderspezifische Abgaszuleitung und eine gemeinsame Hauptabgasleitung auf, wobei die Sekundärluftvorrichtung mit einem der beiden Abgaszuleitungen, mit beiden Abgaszuleitungen oder mit der Hauptabgasleitung fluidisch verbunden ist. Durch die Sekundärlufteinblasung in beide Abgaszuleitungen kann eine höhere Menge der Sekundärluft in einer bestimmten Zeitspanne in den ersten Abgasstrang eingeblasen werden. Durch die Sekundärlufteinblasung in eine der beiden Abgaszuleitungen oder in der Hauptabgasleitung kann die Sekundärluftleitung einfacher und kostengünstiger ausgeführt werden, da ausschließlich an einer Stelle eine fluidische Verbindung zwischen der Sekundärluftleitung und dem Abgasstrang hergestellt werden muss.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Abgasvorrichtung einen Katalysator auf, wobei der Katalysator in Strömungsrichtung nach der Sekundärluftleitung angeordnet ist. Der Katalysator dient der Abgasnachbereitung und reduziert die in die Umgebung ausgestoßene Schadstoffmenge. Der Wirkungsgrad, d.h. die Schadstoffreduzierung, ist abhängig von der Betriebstemperatur des Katalysators. Um den Katalysator auf seine Betriebstemperatur aufzuheizen, insbesondere in der Kaltstartphase oder eines Wiederstarts des Verbrennungsmotors, wird in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Katalysator Sekundärluft in den Abgasstrang eingeblasen, wodurch eine Nachverbrennung von unverbrannten Kraftstoffbestandteilen erfolgt und die dabei entstehende Wärme zum Aufheizen des Katalysators genutzt wird.
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Es wird ein Verbrennungsmotor geschaffen, bei welchem eine für die Nachverbrennung und insbesondere für die Aufheizung des Katalysators erforderliche Sekundärlufteinblasung gewährleistet werden kann und dadurch ein geringer Schadstoffausstoß, insbesondere in einer Kaltstartphase und/oder bei einem Wiederstart des Verbrennungsmotors, gewährleistet werden kann.
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Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Stellvorrichtung ist in der Figur dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
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Die Figur zeigt schematisch einen Verbrennungsmotor.
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Die Figur zeigt einen Verbrennungsmotor 10, beispielsweise eines Hybridfahrzeugs. Der Verbrennungsmotor 10 weist einen Zylinderblock 12 auf, welcher gemeinsam mit einem Zylinderkopf, welcher in der Figur nicht dargestellt ist, mehrere Zylinder 14, 16, 18, 20 begrenzt. In den Zylindern 14, 16, 18, 20 ist jeweils ein Kolben angeordnet, welche durch jeweils eine Pleuelstange mit einer Kurbelwelle verbunden ist. Die Kolben, die Pleuelstangen und die Kurbelwelle sind in der Figur nicht gezeigt. Der Verbrennungsmotor 10 ist als Vier-Zylinder-Motor ausgeführt und weist vier Zylinder 14, 16, 18, 20 auf. Jeder Zylinder 14, 16, 18, 20 ist über einen Einlass 22, 24, 26, 28 mit einer Luftzuführleitung 30 fluidisch verbunden. Im Betrieb des Verbrennungsmotors 10 wird jedem Zylinder über die Luftzuführleitung 30 Luft und über in der Figur nicht gezeigte Kraftstoffeinspritzinjektoren Kraftstoff zugeführt, wobei die durch einen Einlassventil regelnde Luftmenge und die mittels des Kraftstoffeinspritzinjektor regelnde Kraftstoffmenge einem vordefinierten Kraftstoff-Luft-Verhältnis entspricht. Dabei kann die Verbrennung mit einem fetten, mageren oder stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Verhältnis erfolgen.
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Die Zylinder 14, 16, 18, 20 weisen außerdem jeweils einen Auslass 32, 34, 36, 38 auf, welche durch einen in der Figur nicht gezeigtes Auslassventil regelbar sind, wobei sowohl das Einlassventil als auch das Auslassventil durch eine mit der Kurbelwelle wirkverbundene Nockenwelle betätigt werden. Die Auslässe 32, 34, 36, 38 sind mit jeweils einem Abgasstrang 40, 42 fluidisch verbunden. Der erste Zylinder 14 und der vierte Zylinder 20 bilden eine erste Zylindergruppe 15 und sind mit einem ersten Abgasstrang 40 einer Abgasvorrichtung 39 verbunden. Der zweite Zylinder 16 und der dritte Zylinder 18 bilden eine zweite Zylindergruppe 17 und sind mit einem zweiten Abgasstrang 42 fluidisch verbunden. Der erste Abgasstrang 40 weist zwei Abgaszuleitungen 44, 46 auf, welche sich von dem entsprechenden Auslass 32, 38 bis zu einer Hauptabgasleitung 48 erstrecken. Die Hauptabgasleitung 48 mündet in einer Turbine 50 eines Abgasturboladers 52. Der zweite Abgasstrang 42 weist ebenfalls zwei Abgaszuleitungen 54, 56 auf, welche sich von dem entsprechenden Auslass 34, 36 bis zu einer Hauptabgasleitung 58 erstrecken, wobei die Hauptabgasleitung 58 wie die Hauptabgasleitung 48 des ersten Abgasstrangs 40 in der Turbine 50 des Abgasturboladers 52 mündet. Der Abgasturbolader 52 weist außerdem einen Verdichter 55 auf, welcher in der Luftzuführleitung 30 angeordnet ist und mit der Turbine 50 drehfest verbunden ist. Durch den Verdichter 55 wird die den Zylindern 14, 16, 18, 20 zugeführte Luft verdichtet, um die Leistung des Verbrennungsmotors 10 zu erhöhen.
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Der Abgasturbolader 52 ist zweiflutig ausgeführt, wobei ein derartiger Turbolader 52 auch als Twin-Scroll-Turbolader bezeichnet wird. Der zweiflutige Abgasturbolader 52 unterscheidet sich von einem üblichen einflutigen Turbolader durch die spezielle Ausgestaltung seines Turbinengehäuses. Das in der Figur nicht gezeigte Turbinengehäuse des zweiflutigen Turboladers 52 wird durch einen Flutenteiler in zwei parallel verlaufende und in Strömungsrichtung des Abgases vor einem Turbinenrad der Turbine 50 angeordnete Abgasströmungskanäle aufgeteilt. Ein erster Abgasströmungskanal ist mit dem ersten Abgasstrang 40 und insbesondere mit der Hauptabgasleitung 48 des ersten Abgasstrangs 40 fluidisch verbunden. Ein zweiter Abgasströmungskanal ist mit dem zweiten Abgasstrang 42 und insbesondere mit der Hauptabgasleitung 58 des zweiten Abgasstrang 42 fluidisch verbunden. Damit werden die Abgase des ersten und vierten Zylinders 14, 20 getrennt von den Abgasen des zweiten und dritten Zylinders 16, 18 zur Turbine 50 geführt. An der Turbine 50 werden die beiden Abgasströme aus den beiden Abgassträngen 40, 42 zusammengeführt, wobei das gesamte Abgas zu einem Katalysator 64 strömt.
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Der erste Abgasstrang 40 weist außerdem einen Bypass 60 auf, durch welchen die durch die Hauptabgasleitung 48 strömenden Abgase bedarfsgerecht um die Turbine 50 umgeleitet werden können. Der Bypass 60 weist einen in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Turbolader 52 angeordneten Einlass 65 und einen in Strömungsrichtung des Abgases hinter dem Turbolader 52 angeordneten Auslass 66 auf. In dem Bypass 60 ist ein Regelventil 62 angeordnet, welches den Abgasstrom durch den Bypass 60 regelt. In der Schließstellung strömt der gesamte Abgasstroms durch den Turbolader 52. In der Offenstellung des Regelventils 62 strömt ein Teil des Abgasstroms des ersten Abgasstrangs 40 durch den Bypass 60 und der andere Teil durch den Turbolader 52.
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Bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 oder bei einem Start des Verbrennungsmotors 10 eines Hybridfahrzeugs nach einem rein elektrischen Fahrbetrieb weist der Katalysator 64 eine Temperatur auf, welche unterhalb einer Betriebstemperatur des Katalysators 64 liegt, wobei unterhalb der Betriebstemperatur der Katalysator 64 nahezu keine Abgasnachbehandlung im Katalysator 64 erfolgt. Um den Katalysator 64 schnellstmöglich auf die Betriebstemperatur aufzuwärmen, erfolgt in Strömungsrichtung vor dem Katalysator 64 eine Nachverbrennung von in dem Abgas verbliebenen Kraftstoffbestandteilen, wobei die dabei entstehende Wärme zum Aufheizen des Katalysators 64 genutzt wird. Dabei wird der Verbrennungsmotor gezielt mit einem fetten Kraftstoff-LuftGemisch betrieben. Für die Nachverbrennung wird dem Abgas Luft, eine sogenannte Sekundärluft, zugeführt. Hierfür ist eine Sekundärluftleitung 70 vorgesehen, welche eine Sekundärluftpumpe 72 und ein Sekundärluftventil 74 aufweist. Die Sekundärluftleitung 70 mündet kurz vor dem Verdichter 55, wobei das Sekundärluftventil 74 und die Sekundärluftpumpe 72 bedarfsgerecht Luft freigeben und fördern.
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Erfindungsgemäß ist die Sekundärluftleitung 70 ausschließlich mit dem ersten Abgasstrang 40 fluidisch verbunden. Dabei mündet die Sekundärluftleitung 70 in der vom ersten Zylinder 14 ausgehenden Abgaszuleitung 44 und in der vom vierten Zylinder 29 ausgehenden Abgaszuleitung 46, wobei die Sekundärlufteinblasung, d.h. die Sekundärluftpumpe 72 ist aktiv und das Sekundärluftventil 74 ist offen, ausschließlich erfolgt, wenn das Regelventil 62 sich in der Offenstellung befindet und damit der Bypass 60 offen ist. Bei einem offenen Bypass 60 liegt in dem ersten Abgasstrang 40 ein geringer Abgasdruck vor, wodurch die Sekundärlufteinblasung einfacher und mit weniger Förderleistung der Sekundärluftpumpe 72 erfolgen kann.
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Insbesondere bei einem Start des Verbrennungsmotors 10 des Hybridfahrzeugs nach einem rein elektrischen Fahrbetrieb, muss der Verbrennungsmotor 10 eine hohe Antriebsleistung bereitstellen, wodurch der Abgasdruck in den Abgassträngen 40, 42 relativ hoch ist. Dadurch, dass während der Sekundärlufteinblasung der Bypass 60 offen ist, herrscht im ersten Abgasstrang 40 ein reduzierter Abgasdruck als im zweiten Abgasstrang 42, wodurch die Sekundärlufteinblasung zuverlässig und mit einer reduzierten Förderleistung erfolgen kann.
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Es wird damit ein Verbrennungsmotor 10 geschaffen, bei welchem eine für die Nachverbrennung und insbesondere für die Aufheizung des Katalysators 64 erforderliche Sekundärlufteinblasung gewährleistet werden kann und dadurch auch ein geringer Schadstoffausstoß insbesondere in einer Kaltstartphase des Kraftfahrzeugs gewährleistet werden kann.
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Es sollte deutlich sein, dass verschiedene konstruktive Änderungen der Stellvorrichtung denkbar sind, ohne den Schutzbereich des Hauptanspruchs zu verlassen. Insbesondere kann eine andere Zylinderanzahl oder auch eine andere Aufteilung der Zylinder auf die Abgasstränge 40, 42 vorgesehen sein. Weiterhin können anstatt einer Zylindergruppe einzelne Zylinder einen eigenen Abgasstrang aufweisen.