DE102021213060A1

DE102021213060A1 - Brennkraftmaschine mit elektrisch beheizbarer Abgasnachbehandlungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102021213060A1
Application number: DE102021213060.7A
Authority: DE
Inventors: Dirk Hagelstein; Oliver Holthoff; Marko Künstner
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2021-11-19
Filing date: 2021-11-19
Publication date: 2023-05-25

Abstract

Brennkraftmaschine mit- einem Verbrennungsmotor (1),- einem Abgasstrang (9), in den eine Abgasturbine (13) sowie, stromab der Abgasturbine (13) eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung (16) mit zugeordneter elektrischer Heizvorrichtung (17) integriert sind,- und einer Zuleitung (18) zum bedarfsweise Einleiten eines Gases in den Abgasstrang (9), die stromauf der Abgasturbine (13) in den Abgasstrang (9) mündet und in die eine Gasfördervorrichtung (24) integriert ist, wobei eine Blockiervorrichtung vorgesehen ist, die in einer Blockierstellung eine Rotation eines Turbinenlaufrads (21) der Abgasturbine (13) blockiert und in mindestens einer Freigabestellung nicht blockiert. Eine solche Brennkraftmaschine kann derart betrieben werden, dass zunächst während eines Nichtbetriebs des Verbrennungsmotors 1 die Heizvorrichtung (17) und die Gasfördervorrichtung (24) in Betrieb genommen werden, wobei sich die Blockiervorrichtung in der Blockierstellung befindet, und anschließend die Blockiervorrichtung in die Freigabestellung oder in eine der Freigabestellungen verstellt und dann der Verbrennungsmotor (1) in Betrieb genommen wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor, einem Frischgasstrang und einem Abgasstrang, wobei in den Frischgasstrang ein Frischgasverdichter und in den Abgasstrang eine Abgasturbine sowie, stromab der Abgasturbine, eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung mit zugeordneter elektrischer Heizvorrichtung integriert sind.
Die Abgasgrenzwerte, die für Brennkraftmaschinen gelten, werden zunehmend verschärft. Dies gilt insbesondere für solche Brennkraftmaschinen, die für einen Antrieb von Kraftfahrzeugen vorgesehen sind. Um diese Abgasgrenzwerte einhalten zu können ist es erforderlich, dass die Konvertierungsfähigkeit von Abgasnachbehandlungsvorrichtungen, die in die Abgasstränge dieser Brennkraftmaschinen integriert sind, möglichst rasch nach einem Start der jeweiligen Brennkraftmaschine im kalten Zustand (Kaltstart) erreicht wird. Dies bedingt, dass die Abgasnachbehandlungsvorrichtungen möglichst schnell nach einem Kaltstart ihre Anspringtemperaturen (auch Light-off-Temperaturen genannt) erreichen, ab denen von einer ausreichenden Wirksamkeit für die Abgasnachbehandlung ausgegangen werden kann.
Bekannt ist, Abgasnachbehandlungsvorrichtungen gezielt temporär zu beheizen. Dies kann sowohl durch motorische Maßnahmen, die darauf abzielen, relativ hohe Abgastemperaturen zu erreichen, als auch durch aktive Beheizungsmaßnahmen, beispielsweise mittels elektrischer Heizvorrichtungen, realisiert werden.
Die DE 10 2019 206 085 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Katalysator, der vor einem Kaltstart der Brennkraftmaschine mit Hilfe einer Heizvorrichtung aufgeheizt wird. Dazu wird mittels der Heizvorrichtung ein Frischluftmassenstrom erwärmt oder ein Abgasmassenstrom erzeugt und dem Katalysator zum Aufheizen zugeführt, wobei die Heizvorrichtung durch den Verdichter eines elektrischen Turboladers mit Frischluft versorgt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, möglichst geringe Schadstoffemissionen einer Brennkraftmaschine, insbesondere nach einem Kaltstart, zu erreichen.
Diese Aufgabe ist bei einer Brennkraftmaschine gelöst, die zumindest einen Verbrennungsmotor und einen Abgasstrang zum Abführen von Abgas von dem Verbrennungsmotor umfasst, wobei in den Abgasstrang eine Abgasturbine des Abgasturboladers und, stromab der Abgasturbine, eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung mit einer elektrischen Heizvorrichtung integriert sind. Soweit nicht anders angegeben beziehen sich die Angaben „stromauf“ und „stromab“ hinsichtlich des Abgasstrangs auf die Strömungsrichtung von Abgas in dem Abgasstrang ausgehend von dem Verbrennungsmotor. Die Heizvorrichtung ist der Abgasnachbehandlungsvorrichtung zugeordnet, so dass mittels dieser bedarfsweise eine gezielte Erwärmung der Abgasnachbehandlungsvorrichtung realisierbar ist. Die Heizvorrichtung kann dazu derart in die Abgasnachbehandlungsvorrichtung integriert sein, dass diese die Abgasnachbehandlungsvorrichtung direkt erwärmt. Vorzugsweise ist jedoch vorgesehen, dass die Heizvorrichtung stromauf, insbesondere unmittelbar stromauf der Abgasnachbehandlungsvorrichtung in den Abgasstrang integriert ist, so dass eine Beheizung im Wesentlichen indirekt erfolgt, indem mittels der Heizvorrichtung zunächst eine Gasströmung erwärmt wird, durch die dann die Erwärmung der Abgasnachbehandlungsvorrichtung bewirkt wird. Die Abgasturbine kann insbesondere Teil eines Abgasturboladers sein, der weiterhin einen Frischgasverdichter umfasst, der in einen Frischgasstrang, der für ein Zuführen von Frischgas zu dem Verbrennungsmotor vorgesehen ist, integriert ist. Soweit nicht anders angegeben beziehen sich die Angaben „stromauf“ und „stromab“ hinsichtlich des Frischgasstrangs auf die Strömungsrichtung von Frischgas in dem Frischgasstrang in Richtung des Verbrennungsmotors.
Weiterhin umfasst die Brennkraftmaschine eine Zuleitung zum bedarfsweisen Einleiten eines Gases, insbesondere von Frischgas (vorzugsweise ausschließlich Luft) aus dem Frischgasstrang, in den Abgasstrang. Die Zuleitung mündet stromauf der Abgasturbine in den Abgasstrang und in diese ist zumindest eine Gasfördervorrichtung, die vorzugsweise elektromotorisch antreibbar ist, integriert, um eine Förderung des Gases auch während eines Nichtbetriebs des Verbrennungsmotors zu ermöglichen. Die Zuleitung zweigt vorzugsweise stromab eines Luftfilter aus dem Frischgasstrang ab, so dass mittels des Luftfilters gereinigte Luft in den Abgasstrang eingeleitet werden kann. Weiterhin bevorzugt kann die Zuleitung stromauf des vorzugsweise vorgesehenen Frischgasverdichters aus dem Frischgasstrang abzweigen, um Strömungsverluste der über die Zuleitung zu führenden und aus der Umgebung angesaugten Luft, die sich aus einem Durchströmen des Frischgasverdichters ergeben würden, zu vermeiden.
Im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass während eines Nichtbetriebs des Verbrennungsmotors, insbesondere vor einem vorgesehenen Kaltstart des Verbrennungsmotors (d.h. einer Inbetriebnahme des Verbrennungsmotors, bei der zumindest die Abgasnachbehandlungsvorrichtung eine Betriebstemperatur aufweist, die ungefähr (d.h. auch mit einer Abweichung von bis zu 10 K, 20 K oder 30 K) der Umgebungstemperatur entspricht), zunächst die elektrische Heizvorrichtung und die Gasfördervorrichtung in Betrieb genommen werden und erst anschließend der Verbrennungsmotor in Betrieb genommen wird. Mittels der elektrischen Heizvorrichtung soll demnach bedarfsweise Wärmeenergie zur Beheizung beziehungsweise Vorheizung der Abgasnachbehandlungsvorrichtung bereitgestellt werden, wenn aufgrund eines Nichtbetriebs des Verbrennungsmotors keine Heizleistung durch von dem Verbrennungsmotor erzeugtes Abgas bereitgestellt wird. Um dabei eine thermische Überlastung der elektrischen Heizvorrichtung und/oder von dieser nahegelegenen Komponenten, beispielsweise der Abgasnachbehandlungsvorrichtung, zu vermeiden, wird zumindest zeitweise während des Betriebs der elektrischen Heizvorrichtung auch die Gasfördervorrichtung betrieben, so dass Gas, bei dem es sich vorzugsweise ausschließlich oder zumindest auch um aus der Umgebung angesaugte Luft handeln kann, die elektrische Heizvorrichtung und die Abgasnachbehandlungsvorrichtung durch- und/oder umströmt und dadurch die von der Heizvorrichtung erzeugte Wärmeenergie möglichst gleichmäßig auf die Abgasnachbehandlungsvorrichtung verteilt.
Eine Einleitung des Gases in den Abgasstrang erfolgt erfindungsgemäß stromauf der Abgasturbine, um eine möglichst homogene Verteilung dieser Gasströmung über dem Strömungsquerschnitt der Abgasnachbehandlungsvorrichtung und der Heizvorrichtung zu erreichen. Diese homogene Verteilung resultiert einerseits aus einem relativ langen Strömungsweg zwischen der Einleitung des Gases beziehungsweise der Mündung der Zuleitung einerseits und der Abgasnachbehandlungsvorrichtung beziehungsweise der Heizvorrichtung andererseits, über dem sich das eingeleitete Gas möglichst homogen verteilen kann. Andererseits sorgt auch die Durchströmung der Abgasturbine für eine Durchmischung der Gasströmung und damit für eine möglichst homogene Verteilung des Gases über dem Strömungsquerschnitt des Abgasstrangs.
Ein Nachteil, der sich aus dieser Durchströmung der Abgasturbine ergeben kann, liegt jedoch darin, dass durch das Gas ein auf ein Turbinenlaufrad der Abgasturbine wirkendes Drehmoment erzeugt wird. Dieses Drehmoment könnte zu einer Rotation des Turbinenlaufrads und eines damit gegebenenfalls drehantreibend gekoppelten Verdichterlaufrads des Frischgasverdichters, d.h. des gesamten Laufzeugs des Abgasturboladers, führen, was während eines Nichtbetriebs des Verbrennungsmotors zu Problemen der Drehlagerung des Laufzeugs oder zumindest des Turbinenlaufrads führen kann. Dies gilt insbesondere, wenn für die Drehlagerung des Turbinenlaufrads oder des Laufzeugs des Abgasturboladers eine Schmierung mit einem Schmiermittel, das von einer mechanisch, d.h. direkt von dem Verbrennungsmotor angetriebenen Schmiermittelpumpe gefördert wird, vorgesehen ist. Im Nichtbetrieb des Verbrennungsmotors würde dann die Drehlagerung des Laufzeugs des Abgasturboladers nicht ausreichend geschmiert, was bei einer Rotation des Turbinenlaufrads oder des Laufzeugs, die durch ein Einleiten von Gas stromauf der Abgasturbine bewirkt werden könnte, zu einer Schädigung der Drehlagerung des Turbinenlaufrads oder des Laufzeugs des Abgasturboladers führen könnte.
Um dies zu vermeiden weist eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine zusätzlich eine Blockiervorrichtung auf, die in einer Blockierstellung eine Rotation eines Turbinenlaufrads der Abgasturbine (mechanisch) blockiert und in mindestens einer Freigabestellung nicht blockiert. Dabei ist vorgesehen, dass sich die Blockiervorrichtung in der Blockierstellung befindet, wenn die Heizvorrichtung und die Gasfördervorrichtung während eines Nichtbetriebs des Verbrennungsmotors betrieben werden. Die Blockiervorrichtung verhindert somit ein ungewolltes Drehen der Abgasturbine und gegebenenfalls eines dieses umfassenden Laufzeugs eines Abgasturboladers infolge der stromauf der Abgasturbine in den Abgasstrang eingeleiteten Gasströmung. Für die anschließende Inbetriebnahme des Verbrennungsmotors wird die Blockiervorrichtung in die Freigabestellung oder, bei mehreren möglichen Freigabestellungen, in eine der Freigabestellungen verstellt und erst dann der Verbrennungsmotor in Betrieb genommen. Dadurch wird eine Blockade des Turbinenlaufrads und damit eine Fehlfunktion der Abgasturbine während eines Betriebs des Verbrennungsmotors vermieden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorgesehen sein, dass die Abgasturbine eine variable Turbinengeometrie (VTG) mit beweglich gelagerten Leitschaufeln aufweist (vgl. hierzu z.B. DE 10 2018 221 812 A1 ). Die Leitschaufeln können dabei insbesondere einlassseitig des Turbinenlaufrads und/oder über dem Außenumfang des Turbinenlaufrads verteilt in der Abgasturbine angeordnet sein. Durch eine angepasste Verstellung, insbesondere Rotation, der Leitschaufeln kann zum einen der freie Strömungsquerschnitt, insbesondere in einem Einlass der Abgasturbine verändert werden, wodurch im Betrieb des Verbrennungsmotors, insbesondere bei niedrigen Abgasmassenströmen, die Strömungsgeschwindigkeit beim Eintritt in das Turbinenlaufrad erhöht werden kann. Zum anderen kann der Winkel der Anströmung der Laufradschaufeln des Turbinenlaufrads angepasst werden, was ebenfalls eine Verbesserung hinsichtlich des Wirkungsgrads der Abgasturbine bringen kann. Eine solche variable Turbinengeometrieb kann sich demnach grundsätzlich vorteilhaft hinsichtlich des Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine auswirken.
Ergänzend dazu kann die VTG einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine vorteilhaft als Blockiervorrichtung genutzt werden, indem die Leitschaufeln von dieser zumindest teilweise in eine Blockierstellung bewegbar, insbesondere drehbar sind, in der diese eine Rotation des Turbinenlaufrads blockieren. Somit ergibt sich eine vorteilhafte Doppelnutzung der VTG. Die Blockierfunktion der Leitschaufeln kann sich in vorteilhafter Weise daraus ergeben, dass diese in der Blockierstellung jeweils in einen zwischen Schaufeln des Turbinenlaufrads ausgebildeten Zwischenraum ragen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung einer solchen erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann zudem vorgesehen sein, dass die VTG bei der Blockierstellung der Leitschaufeln einen relativ großen (d. h. nicht den kleinstmöglichen) und insbesondere den größtmöglichen Strömungsquerschnitt freigeben. Dadurch kann ein möglichst geringer Strömungswiderstand für das die Abgasturbine durchströmende und damit auch die Leitschaufeln umströmende Gas während des Nichtbetriebs der Brennkraftmaschine realisiert werden, was sich vorteilhaft hinsichtlich des Leistungsbedarfs der Gasfördervorrichtung auswirken kann.
Durch ein Beheizen der Abgasnachbehandlungsvorrichtung durch einen Betrieb der elektrischen Heizvorrichtung (und eine Verteilung der dabei von der Heizvorrichtung erzeugten Wärmeenergie durch einen Betrieb der Gasfördervorrichtung) kann gewährleistet werden, dass die Abgasnachbehandlungsvorrichtung mit der Inbetriebnahme des Verbrennungsmotors bereits eine ausreichend hohe Temperatur, vorzugsweise zumindest die dazugehörige Anspringtemperatur, aufweist. Dementsprechend kann vorgesehen sein, dass der Verbrennungsmotor erst nach einer definierten Zeitspanne nach der Inbetriebnahme der elektrischen Heizvorrichtung oder erst beim Erreichen einer definierten Temperatur der Abgasnachbehandlungsvorrichtung, insbesondere der Anspringtemperatur, in Betrieb genommen wird.
Weiterhin kann im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass der Betrieb der Heizvorrichtung und/oder der Gasfördervorrichtung mit der Inbetriebnahme des Verbrennungsmotors beendet wird, weil dann über das von dem Verbrennungsmotor erzeugte Abgas der Abgasnachbehandlungsvorrichtung ausreichend Wärmeenergie zugeführt wird.
Die Zuleitung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine einschließlich der Gasfördervorrichtung kann jedoch auch noch vorteilhaft nach der Inbetriebnahme des Verbrennungsmotors genutzt werden, um eine sogenannte Sekundärlufteinblasung zu realisieren, bei der im Betrieb des Verbrennungsmotors durch einen Betrieb der Gasfördervorrichtung Luft in den Abgasstrang eingeleitet und der darin enthaltene Sauerstoff mit Kohlenwasserstoffen, die in dem Abgas enthalten sind, verbrannt wird, um Wärmeenergie zu erzeugen, durch die ein weitergehendes Aufheizen der Abgasnachbehandlungsvorrichtung beschleunigt wird. Die Kohlenwasserstoffe können dabei insbesondere bereits in dem von dem Verbrennungsmotor erzeugten Rohabgas enthalten sein, wozu vorgesehen sein kann, den Verbrennungsmotor zumindest zeitweise, gegebenenfalls dauerhaft beziehungsweise stets während eines entsprechenden Warmlaufbetriebs unterstöchiometrisch (d.h. mit λ < 1, beispielsweise in einem Bereich zwischen λ = 0,65 und λ = 0,95 im Brennraum) zu betreiben, um zu gewährleisten, dass das Rohabgas gezielt relevante Mengen unverbrannter Kohlenwasserstoffe umfasst. Ergänzend oder alternativ dazu kann jedoch auch vorgesehen sein, dass Kohlenwasserstoffe in Form von Brennstoff separat in den Abgasstrang eingebracht werden.
Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, die Heizvorrichtung temporär auch nach der Inbetriebnahme des Verbrennungsmotors zu betrieben, um eine weitergehendes Aufheizen der Abgasnachbehandlungsvorrichtung zu unterstützen.
Ein Warmlaufbetrieb kann immer dann vorgesehen sein, wenn zumindest die Abgasnachbehandlungsvorrichtung eine Temperatur aufweist, die unter der dazugehörigen Anspringtemperatur liegt. Ein Warmlaufbetrieb muss sich dabei nicht immer an einen Kaltstart anschließen; vielmehr kann ein Warmlaufbetrieb auch vorgesehen sein, wenn die Brennkraftmaschine und insbesondere der Verbrennungsmotor zuvor derart betrieben wurde, dass die zuvor bereits überschrittene Anspringtemperatur wieder in einem definierten Maße unterschritten wird, wie dies gegebenenfalls bei einem länger andauernden Leerlauf- oder Schubbetrieb des Verbrennungsmotors der Fall sein kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorgesehen sein, dass die Gasfördervorrichtung ein Gebläse ist oder umfasst. Ein solches Gebläse weist den Vorteil einer einfachen und kostengünstigen konstruktiven Ausgestaltung auf. Zudem kann mittels eines solchen Gebläses auch mit relativ geringer Antriebsleistung ein relativ großer Gasmassenstrom bereitgestellt werden, was sich vorteilhaft hinsichtlich der angestrebten Verteilung von mittels der Heizvorrichtung erzeugter Wärmeenergie auswirkt. Insbesondere bei einer solchen Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann in die Zuleitung vorzugsweise ein Absperrventil integriert sein, um ein ungewolltes Rückströmen von Gas, insbesondere von Abgas, über die Zuleitung zu vermeiden.
Als „Absperrventil“ wird ein Ventil verstanden, das bedarfsweise zumindest eine weitestmögliche Freigabe eines Strömungsquerschnitts sowie ein weitestmögliches (insbesondere vollständiges) Verschließen des Strömungsquerschnitts ermöglicht. Ein solches Absperrventil kann aktiv ansteuerbar oder auch passiv, beispielsweise in Form eines Rückschlagventils, ausgestaltet sein. Ein solches Absperrventil kann vorzugsweise auf der dem Abgasstrang zugewandten Seite der Gasfördervorrichtung angeordnet sein, so dass dieses die gegebenenfalls relativ temperaturempfindliche Gasfördervorrichtung vor dem relativ heißen Abgas abschirmen kann.
Die Gasfördervorrichtung kann aber auch ein Verdichter beziehungsweise Kompressor sein, wodurch zum einen relativ hohe Gasdrücke erzeugbar sind. Zum anderen kann ein Verdichter aufgrund der konstruktiven Ausgestaltung im Nichtbetrieb eine Durchströmung mit Gas im Wesentlichen verhindern, so dass dieser funktional auch als Absperrventil wirken kann.
Bei dem Verbrennungsmotor einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann es sich um einen (selbstzündenden und qualitätsgeregelten) Dieselmotor oder um einen (fremdgezündeten und quantitätsgeregelten) Ottomotor oder um eine Kombination daraus, d.h. z.B. um einen Verbrennungsmotor mit homogener Kompressionszündung, handeln. Der Verbrennungsmotor kann dabei sowohl mit Flüssigkraftstoff (d.h. Diesel oder Benzin) als auch mit einem gasförmigen Kraftstoff (insbesondere Erdgas, LNG oder LPG) betrieben werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein radbasiertes und nicht schienengebundenes Kraftfahrzeug (vorzugsweise ein PKW oder ein LKW), mit einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine. Dabei kann der Verbrennungsmotor der Brennkraftmaschine insbesondere zur (direkten oder indirekten) Bereitstellung der Fahrantriebsleistung für das Kraftfahrzeug vorgesehen sein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt, jeweils in vereinfachter Darstellung:

1: eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ;
2: ein Turbinenlaufrad und eine VTG für die Abgasturbine einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine gemäß beispielsweise der 1;
3a bis 3c: verschiedene Funktionsstellungen der VTG; und
4a bis 4f: in Diagrammen die zeitliche Abfolge verschiedener Vorgänge und Parameter im Rahmen der Durchführung eines erfindungsgemäßen Betriebs einer Brennkraftmaschine, beispielsweise einer Brennkraftmaschine gemäß der 1.

Die in der 1 gezeigte Brennkraftmaschine umfasst einen Verbrennungsmotor 1, der beispielhaft in Form eines Hubkolbenmotors mit vier in Reihe angeordneten Zylinderöffnungen 2 ausgestaltet ist. Die Zylinderöffnungen 2 begrenzen mit darin geführten Hubkolben 3 und einem Zylinderkopf jeweils einen Brennraum 4. Diesen Brennräumen 4 wird im Betrieb des Verbrennungsmotors 1 Frischgas über einen Frischgasstrang 5 zugeführt, wobei die Zufuhr des Frischgases mittels Einlassventilen 6, die den einzelnen Brennräumen 4 zugeordnet sind, sowie mittels einer Drosselklappe 7 gesteuert wird. Bei dem Frischgas handelt es sich ausschließlich oder hauptsächlich um Luft, die aus der Umgebung angesaugt und mittels eines in den Frischgasstrang 5 integrierten Luftfilters 8 gereinigt wird. Bei der Verbrennung von Gemischmengen, die aus dem Frischgas sowie aus beispielsweise direkt über Kraftstoffinjektoren (nicht dargestellt) in die Brennräume 4 eingespritztem Kraftstoff bestehen, wird Abgas erzeugt. Dieses Abgas wird über einen Abgasstrang 9 der Brennkraftmaschine abgeführt, wobei das Ausbringen des Abgases aus den einzelnen Brennräumen 4 mittels Auslassventilen 10, von denen jeweils mindestens eines einem Auslasskanal 11 des Verbrennungsmotors 1 zugeordnet ist, gesteuert wird. Ein Entzünden der Gemischmengen in den Brennräumen 4 kann bei einer fremdgezündeten Ausgestaltung des Verbrennungsmotors 1 mittels elektrischer Zündvorrichtungen (nicht dargestellt), die beispielsweise Zündfunken erzeugen (Zündkerzen), oder bei einer selbstzündenden Ausgestaltung des Verbrennungsmotors 1 durch Selbstzündung beziehungsweise durch eine entsprechend starke Kompression und eine daraus resultierende, ausreichend hohe Temperatur der Gemischmengen realisiert werden.
Die Brennkraftmaschine ist aufgeladen ausgestaltet, wozu in den Frischgasstrang 5 ein Frischgasverdichter 12 integriert ist. Der Frischgasverdichter 12 ist Teil eines Abgasturboladers, der weiterhin eine Abgasturbine 13 umfasst, die in den Abgasstrang 9 integriert ist. Abgas, das die Abgasturbine 13 durchströmt, führt zu einem rotierenden Antrieb eines Turbinenlaufrads 21, das über eine Welle 14 drehantreibend mit einem Verdichterlaufrad (nicht dargestellt) des Frischgasverdichters 12 verbunden ist, so dass ein Antrieb des Frischgasverdichters 12 mittels der Abgasturbine 13 erfolgt.
Die Abgasturbine 13, die eine variable Turbinengeometrien (VTG) 15 aufweist, ist stromauf (bezüglich der Strömungsrichtung des Abgases) einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung 16 in dem Abgasstrang 9 angeordnet. Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 16 ist dafür vorgesehen, Bestandteile des Abgases, die Schadstoffe darstellen, aus dem Abgas zu entfernen oder in unschädliche Bestandteile umzuwandeln. Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 16 kann beispielsweise, insbesondere bei einer fremdgezündeten Ausgestaltung des Verbrennungsmotors 1, einen Drei- oder Vierwegekatalysator umfassen oder ein solcher sein.
Eine elektrische Heizvorrichtung 17 ist in die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 16 integriert und dabei unmittelbar stromauf einer die Abgasnachbehandlung bewirkenden Komponente, beispielsweise eines mit einer katalytisch wirksamen Beschichtung versehenen Trägerkörpers, der auch eine (Partikel-)Filterfunktion aufweisen kann, angeordnet.
Die Brennkraftmaschine umfasst weiterhin eine Zuleitung 18, die entweder aus dem zwischen dem Luftfilter 8 und dem Frischgasverdichter 12 gelegenen Abschnitt des Frischgasstrangs 5 oder aus der Reinseite des Luftfilters 8 (vgl. die mit gepunktete Linienführung dargestellte Option in der 1) abzweigt. Diese Zuleitung 18 mündet in jeden der Auslasskanäle 11 des Verbrennungsmotors 1, die die Brennräume 4 des Verbrennungsmotors 1 mit einem Abgassammler 19 des Abgasstrangs 9 verbinden (und die als funktionaler Bestandteil des Abgasstrangs 9 angesehen werden).
In die Zuleitung 18 ist eine mittels eines Elektromotors 23 antreibbare Gasfördervorrichtung 24 sowie, auf der dem Abgasstrang 5 zugewandten Seite der Gasfördervorrichtung 24, ein Absperrventil 25, das beispielsweise als Rückschlagventil, das bei einem Überdruck auf der dem Abgasstrang 9 zugewandten Seite selbsttätig schließt, ausgestaltet sein kann, integriert. Dieses Absperrventil 25 verhindert im geschlossenen Zustand während eines (Normal-)Betriebs des Verbrennungsmotors ein Überströmen von Abgas aus dem Abgasstrang 9 über die Zuleitung 18 in den Frischgasstrang 5.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 16 mittels der Heizvorrichtung 17 bereits vor einer Inbetriebnahme des Verbrennungsmotors 1 vorgeheizt wird. Ein entsprechendes Signal für ein solches Vorheizen der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 16 (zum Zeitpunkt t₁ in den 4a bis 4f; vgl. 4a, wobei 1 für die Durchführung des Vorheizprozesses VH und 0 für die Nichtdurchführung des Vorheizprozesses VH steht) kann dabei beispielsweise durch ein Betätigen einer Starttaste, mittels der eine Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine manuell initiiert wird, erfolgen, wobei die Inbetriebnahme des Verbrennungsmotors 1 automatisch beziehungsweise mittels einer Steuerungsvorrichtung (nicht dargestellt) der Brennkraftmaschine gezielt verzögert wird. Alternativ kann beispielsweise auch vorgesehen sein, dass eine Inbetriebnahme der Heizvorrichtung 16 bereits durch ein Entriegeln von Türschlössern oder durch ein Öffnen einer Fahrertür eines die Brennkraftmaschine umfassenden Kraftfahrzeugs ausgelöst wird.
Kurz nach der Inbetriebnahme der Heizvorrichtung 17 wird die Gasfördervorrichtung 24 in Betrieb genommen (Zeitpunkt t₃ in den 4a bis 4f; vgl. 4c, wobei 1 für einen Betrieb und 0 für einen Nichtbetrieb der Gasfördervorrichtung 24 steht), wodurch Luft über die Zuleitung 18 in die Auslasskanäle 11 beziehungsweise in den Abgasstrang 9 stromauf der Abgasturbine 13 eingeleitet wird. Diese Luft dient dazu, die von der Heizvorrichtung 17 erzeugte Wärmeenergie möglichst gleichmäßig innerhalb der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 16 zu verteilen und dabei auch eine lokale Überhitzung der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 16 zu vermeiden. Die Einleitung der Luft stromauf der Abgasturbine 13 und konkret in die Auslasskanäle 11 des Verbrennungsmotors 1 sorgt für eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Luft über dem Strömungsquerschnitt des Abgasstrangs 9, was zum einen auf den relativ langen Strömungsweg zwischen der Einleitung beziehungsweise der Mündung der Zuleitung 18 einerseits und der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 16 andererseits und zum anderen auf die Durchströmung der Abgasturbine 13, womit Verwirbelungen der Luftströmung verbunden sind, zurückzuführen ist. Um dabei jedoch einen relativ geringen Strömungswiderstand für die Luft zu bewirken, ist vorgesehen sein, dass die VTG 15 der Abgasturbine 13 möglichst weitgehend geöffnet ist.
Die Durchströmung der Abgasturbine 13 führt grundsätzlich dazu, dass auf das Turbinenlaufrad 21 der Abgasturbine 13 ein Drehmoment wirkt. Um zu vermeiden, dass dieses Drehmoment zu einer Drehung des Turbinenlaufrads 21 und damit des gesamten Laufzeugs des Abgasturboladers führt, die zu einer Beschädigung einer Drehlagerung des Laufzeugs führen kann, wird die VTG 15 als Blockiervorrichtung genutzt, indem Leitschaufeln 22 der VTG 15, die einlassseitig in die Abgasturbine 13 integriert sind und dabei über dem Außenumfang des Turbinenlaufrads 21 verteilt angeordnet sind (vgl. 2), in eine Blockierstellung B bewegt (gedreht) werden (vgl. 4b), in der die Leitschaufeln 22 jeweils in einen zwischen Laufradschaufeln 26 des Turbinenlaufrads 21 ausgebildeten Zwischenraum ragen (vgl. 3c) und dadurch eine Drehung des Turbinenlaufrads 21 verhindern. Dies erfolgt gemäß der 4b zu einem Zeitpunkt t₂, der kurz vor der Inbetriebnahme der Gasfördervorrichtung 24 zum Zeitpunkt t₃ (vgl. 4c) liegt. In der 4b ist auf der Vertikalachse neben der Blockierstellung B noch eine Offenstellung O und eine Verschlussstellung G der VTG 15 eingezeichnet. Die Offenstellung O, die konstruktiv in der 3b gezeigt ist, stellt die weitestmögliche Öffnung der VTG 15 beziehungsweise der Leitschaufeln 22 (mit einem möglichst großen von der VTG 15 freigegebenen Strömungsquerschnitt für eine Gasströmung), die während eines Betriebs des Verbrennungsmotors 1 vorgesehen ist, dar. Die Verschlussstellung G, die konstruktiv in der 3a gezeigt ist, stellt dagegen das weitestmögliche Schließen der VTG 15 beziehungsweise der Leitschaufeln 22 (mit einem möglichst kleinen von der VTG 15 freigegebenen Strömungsquerschnitt für eine Gasströmung), dar. Bereits in der Offenstellung O blockieren die Leitschaufeln 22 der VTG 15 das Turbinenlaufrad 21 nicht mehr (Freigabestellung). Dasselbe gilt dann selbstverständlich auch für die Verschlussstellung G sowie für alle möglichen Zwischenstellungen zwischen der Offenstellung O und der Verschlussstellung G, in die die Leitschaufeln 22 ebenfalls bedarfsweise gedreht werden können.
Eine Inbetriebnahme des Verbrennungsmotors 1 erfolgt gemäß der 4e zu einem Zeitpunkt t₈ (wobei 1 für einen Betrieb und 0 für einen Nichtbetrieb des Verbrennungsmotors 1 steht). Um während des Betriebs des Verbrennungsmotors 1 eine Rotation der Abgasturbine 13 und damit einen Betrieb des Abgasturboladers zu ermöglichen, wurde die VTG 15 bereits zu einem Zeitpunkt t₇ in die Offenstellung O verstellt (vgl. 4b). Auch wurde sowohl der Betrieb der Heizvorrichtung 17 als auch der Gasfördervorrichtung 24 zu einem Zeitpunkt t₆ beendet beziehungsweise die Stromzufuhr zu der jeweiligen Komponente unterbrochen (vgl. 4c und 4d). Alternativ kann jedoch auch vorgesehen sein, den Betrieb der Heizvorrichtung 17 und/oder der Gasfördervorrichtung 24 auch noch nach der Inbetriebnahme des Verbrennungsmotors 1 temporär fortzusetzen, insbesondere bis die Temperatur der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 16 die Anspringtemperatur erreicht hat.
Bezugszeichenliste

1: Verbrennungsmotor
2: Zylinderöffnung
3: Hubkolben
4: Brennraum
5: Frischgasstrang
6: Einlassventil
7: Drosselklappe
8: Luftfilter
9: Abgasstrang
10: Auslassventil
11: Auslasskanal
12: Frischgasverdichter
13: Abgasturbine
14: Welle
15: variable Turbinengeometrie (VTG)
16: Abgasnachbehandlungsvorrichtung
17: elektrische Heizvorrichtung
18: Zuleitung
19: Abgassammler
20: Ladeluftkühler
21: Turbinenlaufrad
22: Leitschaufel
23: Elektromotor
24: Gasfördervorrichtung
25: Absperrventil
26: Laufradschaufel
B: Blockierstellung der VTG
O: Offenstellung der VTG
G: Verschlussstellung der VTG

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102019206085 A1 [0004]
DE 102018221812 A1 [0012]

Claims

Brennkraftmaschine mit - einem Verbrennungsmotor (1), - einem Abgasstrang (9), in den eine Abgasturbine (13) sowie, stromab der Abgasturbine (13), eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung (16) mit zugeordneter elektrischer Heizvorrichtung (17) integriert sind, - und einer Zuleitung (18) zum bedarfsweise Einleiten eines Gases in den Abgasstrang (9), die stromauf der Abgasturbine (13) in den Abgasstrang (9) mündet und in die eine Gasfördervorrichtung (24) integriert ist, gekennzeichnet durch eine Blockiervorrichtung, die in einer Blockierstellung eine Rotation eines Turbinenlaufrads (21) der Abgasturbine (13) blockiert und in mindestens einer Freigabestellung nicht blockiert.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasturbine (13) eine variable Turbinengeometrie (15) mit beweglich gelagerten Leitschaufeln (22) aufweist, wobei die Leitschaufeln (22) zumindest teilweise zur Nutzung als Blockiervorrichtung in die Blockierstellung bewegbar sind, in der diese eine Rotation des Turbinenlaufrads (21) blockieren.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (22) in der Blockierstellung in einen zwischen Laufradschaufeln (26) des Turbinenlaufrads (21) ausgebildeten Zwischenraum ragen.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die variable Turbinengeometrie (15) bei der Blockierstellung der Leitschaufeln (22) einen relativ großen Strömungsquerschnitt freigeben.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst während eines Nichtbetriebs des Verbrennungsmotors (1) die Heizvorrichtung (17) und die Gasfördervorrichtung (24) in Betrieb genommen werden, wobei sich die Blockiervorrichtung in der Blockierstellung befindet, und anschließend die Blockiervorrichtung in die Freigabestellung oder in eine der Freigabestellungen verstellt und dann der Verbrennungsmotor (1) in Betrieb genommen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (1) nach einer definierten Zeitspanne nach der Inbetriebnahme der Heizvorrichtung (17) oder beim Erreichen einer definierten Temperatur der Abgasnachbehandlungsvorrichtung (16) in Betrieb genommen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (17) und/oder die Gasfördervorrichtung (24) temporär auch nach der Inbetriebnahme des Verbrennungsmotors (1) betrieben wird/werden.