DE102005043060B4

DE102005043060B4 - Turboladereinrichtung für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102005043060B4
Application number: DE102005043060A
Authority: DE
Inventors: Dr. Buchwald Ralf; Oliver Dingel
Original assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Current assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Priority date: 2005-09-07
Filing date: 2005-09-07
Publication date: 2012-10-04
Anticipated expiration: 2025-09-08
Also published as: DE102005043060A1

Abstract

Turboladereinrichtung für eine Brennkraftmaschine (1) mit mindestens einem ersten Abgasturbolader und einem weiteren Abgasturbolader, wobei
– die Turbine (2) des ersten Abgasturboladers und die Turbine (3) des weiteren Abgasturboladers in einer Abgasleitung (4) vom Abgas der Brennkraftmaschine (1) antreibbar sind,
– die Turbine (2) des ersten Abgasturboladers und die Turbine (3) des weiteren Abgasturboladers in Strömungsrichtung (S) nacheinander vom Abgasmassenstrom beaufschlagbar sind,
wobei
eine Serienschaltung aus der Turbine (2) des ersten Abgasturboladers, einer ersten Abgasnachbehandlungseinrichtung (6) und der Turbine (3) des weiteren Abgasturboladers in der Abgasleitung (4) vorgesehen ist, wobei eine vom Abgasmassenstrom mit einem Anteil von 0% bis 100% durchströmbare, regelbare Bypassleitung (8) vorgesehen ist, die stromaufwärts der Serienschaltung von der Abgasleitung (4) abzweigt und in einer Einmündung (9) stromabwärts der Turbine (2) des ersten Abgasturboladers und stromaufwärts der ersten Abgasnachbehandlungseinrichtung (6) und der Turbine (3) des weiteren Abgasturboladers in die Abgasleitung (4) wieder...

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Turboladereinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Aus der DE 103 19 594 A1 ist eine Turboladereinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Abgasturbolader, dessen Turbine in einer Abgasleitung vom Abgas der Brennkraftmaschine antreibbar ist, offenbart. Dabei ist eine Serienschaltung aus einer Turbine und einem ersten Abgaskatalysator vorgesehen. Ebenso ist eine vom Abgasmassenstrom durchströmbare, schaltbare Umgehungsleitung vorgesehen, die stromaufwärts der Serienschaltung von der Abgasleitung abzweigt und in einer Einmündung stromabwärts der Serienschaltung in die Abgasleitung wieder einmündet. Somit wird der Abgasmassenstrom beim Durchlaufen der Serienschaltung von der Turbine und dem ersten Abgaskatalysator vorgereinigt, bevor er einer weiteren katalytischen Abgasreinigungsvorrichtung zugeführt wird. Es ist daraus ersichtlich, dass der Abgasmassenstrom den ersten Abgaskatalysator nur durchströmt, wenn er auch die erste Turbine der Serienschaltung durchströmt. Ferner ist offenbart, dass, bezogen auf die Strömungsrichtung des Abgasmassenstroms, sich der Abgaskatalysator stromabwärts an die Turbine anschließt. Zudem ist offenbart, dass mindestens zwei Abgasturbolader vorgesehen sind, deren Turbinen in Strömungsrichtung nacheinander beaufschlagbar sind.
Bei der aus der DE 103 19 594 A1 bekannten Turboladereinrichtung resultiert beim Durchströmen des Abgasmassenstroms durch die Serienschaltung eine durch die Turbine verursachte Wärmesenke, insbesondere bei der Kaltstartphase der Brennkraftmaschine, die ein zeitnahes Erreichen der optimalen Betriebstemperatur (Anspringtemperatur) des stromabwärts anschließenden Abgaskatalysators verzögert. Durch diese Verzögerung erfolgt keine optimale Abgasreinigung.
Eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit einer die Abgasturbine überbrückenden Umgehungsleitung, die eine Mehrzahl von Abgas-Leitungsabschnitten zwischen den Auslässen der Zylinder und der Abgasturbine aufweist, ist aus der DE 198 49 495 C2 bekannt. Weiterhin ist ein einstellbares Umschaltventil vorgesehen, das im Abgasstrang stromauf der Turbine angeordnet und zwischen Öffnungsstellung und Schließstellung verstellbar ist. Um die Brennkraftmaschine mit einfachen Mitteln verschleißarm und mit hoher Funktionstüchtigkeit auszubilden, zweigen vom Abgasauslass der Brennkraftmaschine mindestens zwei Abgas-Leitungsabschnitte ab, sind die Abgas-Leitungsabschnitte der Turbine zuführbar, zweigt die Umgehungsleitung von einem der Abgas-Leitungsabschnitte ab, ist das Umschaltventil im Bereich der Abzweigung der Umgehungsleitung von dem betreffenden Abgas-Leitungsabschnitt angeordnet, ist in Öffnungsstellung des Umschaltventils die Umgehungsleitung geöffnet und die Verbindung zwischen dem betreffenden Abgas-Leitungsabschnitt und der Turbine unterbrochen und ist in Schließstellung des Umschaltventils die Umgehungsleitung unterbrochen und die Verbindung zwischen dem betreffenden Abgas-Leitungsabschnitt und der Turbine geöffnet.
Für eine Brennkraftmaschine mit in einer Abgasleitung angeordnetem Abgasturbolader mit nachgeschaltet angeordnetem Katalysator ist gemäß der DE 102 33 495 A1 zur Reduzierung des in der Anordnung aus Abgasturbolader und Katalysator bewirkten Abgasgegendruckes eine zu dieser Anordnung parallele Bypassleitung vorgesehen, die ein kennfeldaktivierbares Ventil umfasst und stromab des Katalysators in die Abgasleitung mündet.
Gemäß der DE 101 12 521 A1 ist ein Dieselmotor vorbekannt, mit mindestens einer Brennkammer mit variablem Volumen, einem ersten Durchlass für die Zuführung von Luft zu der genannten Brennkammer, einem zweiten Durchlass für die Abgabe von Abgas aus der genannten Brennkammer, einem Turbolader, dessen Kompressor mit dem genannten ersten Durchlass in Fluidverbindung steht und dessen Turbine einlassseitig mit dem genannten zweiten Durchlass und auslassseitig mit einem dritten Durchlass in Fluidverbindung steht, einem ersten Bypassdurchlass zwischen dem genannten ersten Durchlass und dem genannten dritten Durchlass, wobei in dem genannten ersten Bypassdurchlass ein Steuerventil zur Steuerung des Luftstroms von dem ersten Durchlass in den dritten Durchlass vorgesehen ist, sowie einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung stromab der Turbine in dem dritten Durchlass, die zumindest einen Partikelfilter und einen NOx-Katalysator (44) aufweist.
Gemäß der EP 1 396 619 A1 ist ein Aufladesystem für eine Brennkraftmaschine mit mindestens einer abgasseitig angeordneten Turbine und mit mindestens einem ladeluftseitig angeordneten Verdichter vorbekannt, die jeweils über eine gemeinsame Welle gekoppelt sind, mit mindestens einem ersten Katalysator, der abgasseitig der Turbine in Reihe nachgeschaltet vorgesehen ist, mit einer Vorrichtung zum schnellen Aufheizen des ersten Katalysators bei niedrigen Temperaturen der Brennkraftmaschine, die eine parallel zu mindestens einer Turbine angeordnete Rohrleitung zur Überbrückung der jeweiligen Turbine aufweist und die eine Schaltvorrichtung aufweist, die abgasseitig der parallelen Anordnung aus Rohrleitung und Turbine in Reihe vorgeschaltet vorgesehen ist und über die einstellbar ist, welche Teilmenge des Abgases jeweils über die Turbine und welche Teilmenge jeweils über die Rohrleitung dem ersten Katalysator direkt zugeführt wird.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Turboladereinrichtung für eine Brennkraftmaschine derart auszubilden, so dass beim Kaltstart der Brennkraftmaschine eine Verzögerung des Wirksamwerdens der nach den Turbinen der Abgasturbolader angeordneten Abgaskatalysatoren oder Abgasreinigungsvorrichtungen vermeidbar ist.
Lösung der Aufgabe
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteile der Erfindung
Ein Vorteil der Erfindung ist es, dass durch die wahlweise regelbare Bypassleitung die Turbine des ersten Abgasturboladers vollständig oder teilweise umgehbar ist, so dass das Abgas direkt zu der ersten Abgasnachbehandlungseinrichtung strömen kann. Somit treten während der Kaltstartphase der Brennkraftmaschine keine Verzögerungen beim Wirksamwerden der Abgasnachbehandlungseinrichtungen auf. Ferner wirkt sich die motornahe Anordnung der ersten Abgasnachbehandlungseinrichtung vorteilhaft auf deren Wirkweise aus.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die erste Abgasnachbehandlungseinrichtung ein Vorkatalysator. Dies bietet den Vorteil, dass durch die schaltbare Bypassleitung bei einem Kaltstart das Abgas direkt zu dem Vorkatalysator strömen kann und dieser ohne Verzögerung seine Betriebstemperatur erreicht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die erste Abgasnachbehandlungseinrichtung ein Dieselpartikelfilter. Dies bietet den Vorteil, dass durch die schaltbare Bypassleitung das Abgas direkt zu dem Dieselpartikelfilter strömen kann, so dass eine ausreichend hohe Temperatur für eine vollständige und saubere Regeneration des Dieselpartikelfilters erzielbar ist. Ferner ist eine Regeneration des Dieselpartikelfilters unabhängig von der Öffnung der Bypassleitung möglich, da die Bypassleitung stromaufwärts vor dem Dieselpartikelfilter einmündet, so dass kein weiterer Dieselpartikelfilter stromabwärts der Einmündung erforderlich ist.
In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist stromabwärts der Serienschaltung eine weitere Abgasnachbehandlungseinrichtung in Serie geschaltet. Beispielsweise kann die weitere Abgasnachbehandlungseinrichtung ein Hauptkatalysator sein. Dies bietet den Vorteil, dass bei großvolumigen Motoren die Abgasreinigung neben der ersten Abgasnachbehandlungseinrichtung vorwiegend durch die weitere Abgasnachbehandlungseinrichtung erfolgt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Abgasnachbehandlungseinrichtung als Vorkatalysator mit einer niedrigen Zelldichte (Zellen pro Quadratzoll, cpsi) bzw. als Dieselpartikelfilter mit einer niedrigen Drosselwirkung sowie einer absoluten Wärmekapazität ausgebildet. Dies bietet den Vorteil, dass hierdurch geringe Strömungsverluste auftreten, so dass bei hoher Last und hoher Drehzahl nur ein geringer Strömungswiderstand besteht. Zudem ergibt sich aufgrund der niedrigen Zelldichte bzw. Wärmekapazität eine geringere Wärmesenke gegenüber einer höheren Zelldichte bzw. Wärmekapazität.
Weitere Vorteile der Erfindung folgen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie aus den Ansprüchen.
Zeichnung
Es zeigt:
1: eine Anordnung der erfindungsgemäßen Turboladereinrichtung mit zwei in Serie geschalteten Turbinen der Abgasturbolader.
In 1 ist eine erfindungsgemäße Turboladereinrichtung gezeigt. Die Turboladereinrichtung einer Brennkraftmaschine 1 umfasst einen ersten Abgasturbolader und einen weiteren Abgasturbolader. Die Turbine 2 des ersten Abgasturboladers und die Turbine 3 des weiteren Abgasturboladers sind in einer Abgasleitung 4, welche sich an einen Krümmer 5 anschließt, vom Abgas der Brennkraftmaschine 1 in einer Strömungsrichtung S antreibbar.
Über die Abgasleitung 4 sind die Turbine 2 des ersten Abgasturboladers, eine erste Abgasnachbehandlungseinrichtung 6, die Turbine 3 des weiteren Abgasturboladers und eine weitere Abgasnachbehandlungseinrichtung 7 in Serie geschaltet. Stromaufwärts zweigt vor der Turbine 2 des ersten Abgasturboladers eine Bypassleitung 8 ab, welche in einer Einmündung 9 stromabwärts der Turbine 2 des ersten Abgasturboladers in die Abgasleitung 4 einmündet. Die Bypassleitung 8 umfasst ein regelbares Bypassventil 10, so dass der Abgasmassenstrom mit einem Anteil von 0% bis 100% über die Bypassleitung 8 strömen kann.
Die Turbine 2 des ersten Abgasturboladers ist beispielsweise eine Hochdruckturbine, wobei die Turbine 3 des weiteren Abgasturboladers als Niederdruckturbine ausgebildet ist.
In der Kaltstartphase der Brennkraftmaschine 1 wird das Bypassventil 10 der Bypassleitung 8 derart geschaltet, dass der Abgasmassenstrom vollständig oder teilweise über die Bypassleitung 8 zu der ersten Abgasnachbehandlungseinrichtung 6 strömt. Die als Hochdruckturbine ausgebildete Turbine 2 wird dabei vom Abgasmassenstrom nicht oder teilweise durchströmt. Die hohe Temperatur des Abgasmassenstroms ermöglicht dabei, dass die Abgasnachbehandlungseinrichtung 6, die beispielsweise als Vorkatalysator und/oder Dieselpartikelfilter ausgebildet ist, innerhalb kurzer Zeit die optimale Betriebstemperatur erreicht.
Unabhängig von der Schaltung des Bypassventils 10 wird die erste Abgasnachbehandlungseinrichtung 6 und die weitere Abgasnachbehandlungseinrichtung 7, welche beispielsweise ein Hauptkatalysator ist, immer von dem im jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 1 auftretenden Abgasmassenstrom zur Abgasreinigung durchströmt. Daher ist auch jederzeit eine Regeneration einer als Dieselpartikelfilter ausgebildeten ersten Abgasnachbehandlungseinrichtung 6 und/oder weiteren Abgasnachbehandlungseinrichtung 7 möglich.
Je nach Betriebspunkt und -zustand der Brennkraftmaschine 1 sind verschiedene Verfahren für die erfindungsgemäße Turboladereinrichtung möglich, von denen beispielhaft folgende aufgeführt werden:

– Beim Leerlauf strömt der Abgasmassenstrom vollständig über die Bypassleitung 8, so dass die Turbine 2 des ersten Abgasturboladers nicht durchströmt wird. Im Kaltlauf bleibt die Bypassleitung 8 gleichermaßen geöffnet, um ein schnelles Erreichen der Betriebstemperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung 6 zu ermöglichen.
– Im niedrigen Drehzahlbereich ist die Bypassleitung 8 über das Bypassventil 10 geschlossen, so dass der Abgasmassenstrom vollständig über die Abgasleitung 4 durch die Turbine 2 des ersten Abgasturboladers strömt. Insbesondere wenn die erste Abgasnachbehandlungseinrichtung ein Dieselpartikelfilter ist, ist das Bypassventil 10 bei Volllast und bei Teillast im niedrigen Drehzahlbereich geschlossen. Im Kaltlauf kann das Bypassventil 10 auch teilweise geöffnet sein, um ein schnelles Erreichen bzw. Halten der Betriebstemperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung 6 zu ermöglichen.
– Das Bypassventil 10 ist im hohen Drehzahlbereich, sowohl bei Teil- als auch bei Volllast, vollständig geöffnet, so dass der Abgasmassenstrom über die Bypassleitung 8 strömt und die Turbine 2 des ersten Abgasturboladers nicht durchströmt wird.

Bezugszeichenliste

1: Brennkraftmaschine
2: Turbine des ersten Abgasturboladers
3: Turbine des weiteren Abgasturboladers
4: Abgasleitung
5: Krümmer
6: erste Abgasnachbehandlungseinrichtung
7: weitere Abgasnachbehandlungseinrichtung
8: Bypassleitung
9: Einmündung
10: Bypassventil

Claims

Turboladereinrichtung für eine Brennkraftmaschine (1) mit mindestens einem ersten Abgasturbolader und einem weiteren Abgasturbolader, wobei – die Turbine (2) des ersten Abgasturboladers und die Turbine (3) des weiteren Abgasturboladers in einer Abgasleitung (4) vom Abgas der Brennkraftmaschine (1) antreibbar sind, – die Turbine (2) des ersten Abgasturboladers und die Turbine (3) des weiteren Abgasturboladers in Strömungsrichtung (S) nacheinander vom Abgasmassenstrom beaufschlagbar sind, wobei eine Serienschaltung aus der Turbine (2) des ersten Abgasturboladers, einer ersten Abgasnachbehandlungseinrichtung (6) und der Turbine (3) des weiteren Abgasturboladers in der Abgasleitung (4) vorgesehen ist, wobei eine vom Abgasmassenstrom mit einem Anteil von 0% bis 100% durchströmbare, regelbare Bypassleitung (8) vorgesehen ist, die stromaufwärts der Serienschaltung von der Abgasleitung (4) abzweigt und in einer Einmündung (9) stromabwärts der Turbine (2) des ersten Abgasturboladers und stromaufwärts der ersten Abgasnachbehandlungseinrichtung (6) und der Turbine (3) des weiteren Abgasturboladers in die Abgasleitung (4) wieder einmündet, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Abgasnachbehandlungseinrichtung (6) so stromabwärts der Turbine (2) des ersten Abgasturboladers und stromaufwärts der Turbine (3) des weiteren Abgasturboladers zwischen den Turbinen (2, 3) des ersten und des weiteren Abgasturboladers in der Abgasleitung (4) angeordnet ist, dass durch die wahlweise regelbare Bypassleitung (8) Abgas direkt zu der ersten Abgasnachbehandlungseinrichtung (6) strömen kann.
Turboladereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Abgasnachbehandlungseinrichtung (6) ein Vorkatalysator ist.
Turboladereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Abgasnachbehandlungseinrichtung (6) ein Dieselpartikelfilter ist.
Turboladereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Abgasnachbehandlungseinrichtung (6) eine Kombination aus Vorkatalysator und Dieselpartikelfilter ist.
Turboladereinrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts der Serienschaltung eine weitere Abgasnachbehandlungseinrichtung (7) in Serie geschaltet ist.
Turboladereinrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungseinrichtung (6) mit einer niedrigen Zelldichte, bzw. niedrigen Drosselwirkung sowie auch niedrigen Wärmekapazität ausgebildet ist.
Verfahren zum Betreiben einer Turboladereinrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abgasmassenstrom zumindest zeitweise die Turbine (2) des ersten Abgasturboladers antreibt, wobei der Abgasmassenstrom mit einem Anteil von 0% bis 100% abhängig von den Betriebspunkten der Brennkraftmaschine zwischen der Abgasleitung (4) und der Bypassleitung (8) zumindest teilweise regelbar ist, und wobei der Abgasmassenstrom beim Durchlaufen der Bypassleitung (8) die Turbine (2) des ersten Abgasturboladers umgeht und von der ersten Abgasnachbehandlungseinrichtung (6) gereinigt wird, bevor er die Turbine (3) des weiteren Abgasturboladers antreibt.