DE19812090C2 - Mehrzylindrische Kolbenbrennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylinderbänken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine mehrzylindrische Kolbenbrenn­ kraftmaschine mit mindestens zwei Zylinderbänken nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus der DE 196 11 363 C1 ist eine mehrzylindrige Kolbenbrenn­ kraftmaschine bekannt, die zwei Zylinderbänke mit jeweils mehreren Zylindern umfaßt, wobei eine Zylinderbank dauerbe­ feuert wird und die andere Zylinderbank im Teillastbetrieb abschaltbar ist. Jeder Zylinderbank ist ein Abgasstrang mit einem Katalysator zugeordnet. Stromab der Katalysatoren mün­ den die Abgasstränge beider Zylinderbänke in einen gemeinsa­ men Rohrabschnitt, verzweigen danach in Abgasschalldämpfer und werden anschließend in die Atmosphäre abgeleitet.

Im Teillastbetrieb wird in dem stromauf des Katalysators ge­ legenen Abschnitt des zur abgeschaltenen Zylinderbank gehö­ renden Abgasstrangs ein Unterdruck erzeugt, so daß das Abgas der befeuerten Zylinderbank zunächst durch den ihr zugeordne­ ten Katalysator strömt und dann stromab des Katalysators über den gemeinsamen Rohrabschnitt durch den Katalysator der abge­ schalteten Zylinderbank zurückgefördert wird. Der Katalysator der abgeschalteten Zylinderbank wird hierdurch auch im Teil­ lastbetrieb der Brennkraftmaschine auf seiner Betriebstempe­ ratur gehalten und die Abgasemission nach dem Zuschalten die­ ser Zylinderbank ist auf ein Minimum reduziert.

Eine vergleichbare Vorrichtung ist auch aus der DE 44 31 058 C1 bekannt. Diese Druckschrift zeigt eine Brennkraftmaschine mit einer dauerbefeuerten und einer abschaltbaren Zylinderbank, wo­ bei jeder Zylinderbank ein Katalysator zugeordnet ist. Zur Auf­ rechterhaltung der Betriebstemperatur des Katalysators im Ab­ gasstrang der abgeschalteten Zylinderbank wird im Teilabschalt­ betrieb heißes Abgas aus der befeuerten Zylinderbank über einen Verbindungsabschnitt stromauf der Katalysatoren in den Ab­ gasstrang der abgeschalteten Zylinderbank geleitet. Als Folge der unterschiedlichen Temperaturverteilung in den beiden Ab­ gassträngen können thermisch bedingte Längenänderungen auftre­ ten, die zu Spannungen und zu Verschleiß führen können.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, im Teillastbetrieb den Katalysator der abgeschalteten Zylinderbank mit einfachen Mitteln, insbesondere auch ohne Unterdruckvorrichtung, mit hoher Funktionssicherheit auf Betriebstemperatur zu halten.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An­ spruches 1 gelöst.

Der stromauf der Katalysatoren angeordnete Verbindungsab­ schnitt zwischen den Abgassträngen der beiden Zylinderbänke sorgt auch im Teillastbetrieb für eine Erwärmung beider Kata­ lysatoren, indem ein Teil des Abgases der befeuerten Zylin­ derbank über den als Überströmverbindung ausgebildeten Ver­ bindungsabschnitt durch den Katalysator der abgeschalteten Zylinderbank strömt. Es werden nunmehr beide Katalysatoren mit erwärmtem Abgas der befeuerten Zylinderbank versorgt, wo­ durch auch der Katalysator der abgeschalteten Zylinderbank in kurzer Zeit auf Betriebstemperatur gebracht bzw. auf dieser gehalten. Bei einem Zuschalten der zweiten Zylinderbank im Vollastbetrieb wird das zusätzlich erzeugte Abgas ohne Zeit­ verzug im vorgewärmten Katalysator gereinigt.

Die Erwärmung des Katalysators im Abgasstrang der nicht be­ feuerten Zylinderbank funktioniert insbesondere auch ohne Un­ terdruckvorrichtung, da der Verbindungsabschnitt stromauf der beiden Katalysatoren angeordnet ist und daher ein Teil des Abgasstroms allein aufgrund des Abgas-Überdrucks in den Ver­ bindungsabschnitt und weiter in den zweiten Katalysator ver­ zweigt.

Um thermisch bedingte Längenänderungen auszugleichen, welche infolge der Erwärmung der motornahen Leitungsabschnitte vor den Katalysatoren auftreten können, ist im Verbindungsab­ schnitt zwischen den Abgassträngen ein Längenausgleichsele­ ment vorgesehen. Unterschiedliche Bauteiltemperaturen und thermisch bedingte Differenzen in den Bauteillängen können durch das Längenausgleichselement kompensiert werden. Das Ab­ gas strömt mit hoher Temperatur durch den oberen Leitungsab­ schnitt des Abgasstrangs der befeuerten Zylinderbank sowie durch den Verbindungsabschnitt, so daß diese Rohrteile sich stark erwärmen und thermisch ausdehnen. Der obere Leitungsab­ schnitt des Abgasstrangs der abgeschalteten Zylinderbank weist dagegen eine deutlich niedrigere Temperatur auf. Infol­ ge des Temperaturgradienten dehnen sich die Rohrteile unter­ schiedlich stark aus, wobei diese Längendifferenz durch das Längenausgleichselement ausgeglichen wird, so daß Risse und Brüche, die zur Funktionsunfähigkeit führen können, vermieden werden.

Durch die Kombination von Verbindungsabschnitt und Längenaus­ gleichselement ist ein motornaher Übertritt des Abgases noch vor den Katalysatoren möglich, so daß auch ohne Unterdruck­ vorrichtung immer beide Katalysatoren von Abgas durchströmt werden und zugleich die Nachteile der Wärmeleitung in den Rohrsträngen kompensiert werden können.

In vorteilhafter Ausführung sind mehrere Längenausgleichsele­ mente vorgesehen, zweckmäßig in jedem Abgasstrang jeweils ei­ nes. Die Längenausgleichselemente können sowohl auf Zug als auch auf Druck beansprucht werden.

In vorteilhafter Weiterbildung weist die Brennkraftmaschine eine Unterdruckvorrichtung auf, bevorzugt eine Abgas- Rückführleitung zwischen dem Abgasstrang der abschaltbaren Zylinderbank und dem Ansaugrohr der dauerbefeuerten Zylinder­ bank. Die Abgas-Rückführung hat den Vorteil, daß zusätzlich angeordnete motornahe Katalysatoren sowie Sauerstoffsonden durch das rückströmende Abgas auf Betriebstemperatur gehalten werden.

Ein weiterer Vorteil der Abgas-Rückführung liegt darin, daß das rückströmende Abgas thermische Energie abgibt und sich abkühlt, wodurch die Dichte des rückgeführten Abgases an­ steigt und höhere Abgas-Rückführraten realisiert werden kön­ nen, die zu einer Reduzierung der Schadstoffemissionen füh­ ren.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungsformen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeich­ nungen zu entnehmen. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraft­ maschine mit zwei Zylinderbänken und zwei Ab­ gassträngen,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel,

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel.

Die in Fig. 1 gezeigte Kolbenbrennkraftmaschine 1 umfaßt zwei Zylinderbänke 2, 3 mit jeweils einer Mehrzahl an Zylindern. Jeder Zylinderbank 2, 3 ist ein Abgasstrang 4, 5 zugeordnet, wobei in jedem Abgasstrang 4, 5 in Strömungsrichtung aufein­ anderfolgend Vor-Katalysatoren 17, 18 mit vor- und nachge­ schalteten λ-Regel- und Führungssonden, ein Haupt-Katalysator 6, 7 und ein Abgasschalldämpfer 19, 20 angeordnet sind. Jede Zylinderbank 2, 3 weist die gleiche Anzahl an Zylindern auf; im Ausführungsbeispiel sind jeder Zylinderbank 2, 3 sechs Zy­ linder zugeordnet.

Die Zylinderbank 2 ist dauerbefeuert ausgebildet, die Zylin­ derbank 3 ist im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine 1 ab­ schaltbar, um eine Abgasreduzierung zu erreichen. Im Teil­ lastbetrieb wird nur die erste Zylinderbank 2 befeuert, deren Abgas durch den Abgasstrang 4 geleitet wird.

Stromauf der Katalysatoren 6, 7 sind beide Abgasstränge 4, 5 miteinander verbunden, so daß im Teillastbetrieb Abgas des der dauerbefeuerten Zylinderbank 2 zugeordneten Abgasstrangs 4 in den Abgasstrang 5 der abgeschalteten Zylinderbank 3 übertreten kann. Die Abgasstränge 4, 5 weisen motornahe Lei­ tungsabschnitte 9, 10 auf, die unmittelbar stromauf der Kata­ lysatoren 6, 7 über einen Verbindungsabschnitt 8 verbunden sind. Durch diese Verbindung tritt im Teillastbetrieb ein Teil des Abgases aus dem Abgasstrang 4 in den Abgasstrang 5 über und durchströmt den Katalysator 7 der abgeschalteten Zy­ linderbank 3, so daß dieser Katalysator 7 auf Betriebstempe­ ratur erwärmt bzw. gehalten wird.

Anstelle eines Verbindungsabschnitts kann die Verbindung auch dadurch realisiert werden, daß die Abgasstränge 4, 5 stromauf der Katalysatoren 6, 7 zu einem gemeinsamen Leitungsabschnitt zusammengeführt werden.

Stromab der Katalysatoren 6, 7 münden die Abgasstränge 4, 5 in einen gemeinsamen Rohrabschnitt 21. Im weiteren Verlauf verzweigen die Abgasstränge 4, 5 wieder und das Abgas wird jeweils den Abgasschalldämpfern 19, 20 zugeführt.

Auf den gemeinsamen Rohrabschnitt 21 kann gegebenenfalls auch verzichtet werden, so daß stromab der Katalysatoren die Ab­ gasstränge vollständig getrennt sind.

Im stromauf des Katalysators 7 gelegenen Leitungsabschnitt 10 des zweiten Abgasstrangs 5 ist ein Längenausgleichselement 12 angeordnet, über das thermische Längenänderungen, bedingt durch eine unterschiedlich starke Erwärmung der Abgasstränge 4, 5 insbesondere während des Teillastbetriebs, ausgeglichen werden können. Das Längenausgleichselement 8 ist sowohl auf Zug als auch auf Druck beanspruchbar, um Bauteildehnungen und -kontraktionen kompensieren zu können.

Der abschaltbaren Zylinderbank 3 ist eine Unterdruckvorrich­ tung 14 zugeordnet, die im Ausführungsbeispiel als Abgas- Rückführvorrichtung ausgeführt ist und eine Abgas- Rückführleitung 15 umfaßt, über die der Abgasstrang 5 der ab­ schaltbaren Zylinderbank 3 mit dem Ansaugrohr der dauerbefeu­ erten Zylinderbank 2 verbunden ist. Die Unterdruckvorrichtung 14 erzeugt im stromauf der Katalysatoren gelegenen Abschnitt des Abgasstrangs 5 einen Unterdruck, wodurch im Teillastbe­ trieb ein Teilstrom des Abgases aus dem Abgasstrang 4 der be­ feuerten Zylinderbank 2 über den Verbindungsabschnitt 8 in Pfeilrichtung 22 in den motornahen Abschnitt des Abgasstrangs 5 und weiter über die Abgas-Rückführleitung 15 in das Ansaug­ rohr der Zylinderbank 2 strömt. Die Rückführung des Abgases sorgt für eine Temperierung der motornahen Vor-Katalysatoren 18 sowie der diesen Vor-Katalysatoren 18 zugeordneten λ-Regel- und Führungssonden. Zugleich kühlt das Abgas ab, wodurch eine höhere Gasdichte und dadurch bedingt eine höhere Abgasrück­ führrate erzielt wird.

In der Abgas-Rückführleitung 15 ist ein Sperrventil 16 ange­ ordnet, über das die Abgas-Rückführleitung 15 abgesperrt wird, sobald für den Motorbetrieb keine Abgasrückführung mehr benötigt wird.

Fig. 2 zeigt eine der Fig. 1 vergleichbare Anordnung einer Kolbenbrennkraftmaschine 1 mit zwei Zylinderbänken 2, 3 und jeweils einem Abgasstrang 4, 5 mit Haupt-Katalysatoren 6, 7. Die Abgasstränge 4, 5 sind wiederum stromauf der Katalysato­ ren 6, 7 im Bereich ihrer motornahen Leitungsabschnitte 9, 10 über den Verbindungsabschnitt 8 verbunden. Gemäß diesem Aus­ führungsbeispiel ist vorgesehen, daß in jedem Leitungsab­ schnitt 9, 10 der beiden Abgasstränge 4, 5 jeweils ein Län­ genausgleichselement 11, 12 angeordnet ist.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsvariante, bei der im Verbindungsabschnitt 8 zwischen den beiden Abgassträngen 4, 5 der Brennkraftmaschine 1 mit den Zylinderbänken 2, 3 ein Län­ genausgleichselement 13 angeordnet ist.

Es kann gegebenenfalls angezeigt sein, sowohl in beiden Ab­ gassträngen als auch im zwischenliegenden Verbindungsab­ schnitt jeweils ein Längenausgleichselement vorzusehen.

Claims (6)

1. Mehrzylindrische Kolbenbrennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylinderbänken, denen jeweils ein Abgasstrang (4, 5) mit einem Katalysator (6, 7) zugeordnet ist, wobei eine Zylinder­ bank (3) im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine (1) ab­ schaltbar ist, und mit einem Verbindungsabschnitt (8) zwi­ schen den Abgassträngen (4, 5), dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungsabschnitt (8) stromauf der Katalysatoren (6, 7) zwischen den Leitungsabschnitten (9, 10) der Ab­ gasstränge (4, 5) angeordnet ist und daß in dem Verbindungs­ abschnitt (8) ein Längenausgleichselement (13) angeordnet ist.

2. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Längenausgleichselement (11, 12) im Leitungsabschnitt (9, 10) eines Abgasstranges (4, 5) angeordnet ist.

3. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in beiden Abgassträngen (4, 5) jeweils ein Längenaus­ gleichselement (11, 12) angeordnet ist.

4. Kolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Unterdruckvorrichtung (14) im Abgasstrang (5) einer Zylinderbank (3) vorgesehen ist.

5. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterdruckvorrichtung (14) eine Abgas-Rückführleitung (15) umfaßt.

6. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgas-Rückführleitung (15) den Abgasstrang (5) der abschaltbaren Zylinderbank (3) mit dem Ansaugrohr der befeu­ erten Zylinderbank (2) verbindet.