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EP2134943A1 - Turboaufgeladene brennkraftmaschine und verfahren - Google Patents

Turboaufgeladene brennkraftmaschine und verfahren

Info

Publication number
EP2134943A1
EP2134943A1 EP08736039A EP08736039A EP2134943A1 EP 2134943 A1 EP2134943 A1 EP 2134943A1 EP 08736039 A EP08736039 A EP 08736039A EP 08736039 A EP08736039 A EP 08736039A EP 2134943 A1 EP2134943 A1 EP 2134943A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
internal combustion
combustion engine
exhaust
exhaust gas
engine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08736039A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Francis Heyes
Norbert Huber
Achim Koch
Georg Mehne
Gerd RÖSEL
Gerhard Schopp
Markus Teiner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Continental Automotive GmbH
Original Assignee
Continental Automotive GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Continental Automotive GmbH filed Critical Continental Automotive GmbH
Publication of EP2134943A1 publication Critical patent/EP2134943A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/013—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust with exhaust-driven pumps arranged in series
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/18—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control
    • F01N3/20—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control specially adapted for catalytic conversion ; Methods of operation or control of catalytic converters
    • F01N3/2006—Periodically heating or cooling catalytic reactors, e.g. at cold starting or overheating
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/18—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control
    • F01N3/20—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control specially adapted for catalytic conversion ; Methods of operation or control of catalytic converters
    • F01N3/2053—By-passing catalytic reactors, e.g. to prevent overheating
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/18—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control
    • F01N3/22—Control of additional air supply only, e.g. using by-passes or variable air pump drives
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/004—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust with exhaust drives arranged in series
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/12—Control of the pumps
    • F02B37/18—Control of the pumps by bypassing exhaust from the inlet to the outlet of turbine or to the atmosphere
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2560/00—Exhaust systems with means for detecting or measuring exhaust gas components or characteristics
    • F01N2560/06—Exhaust systems with means for detecting or measuring exhaust gas components or characteristics the means being a temperature sensor
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a turbo-superchargeable internal combustion engine and a method for operating such a turbocharged internal combustion engine.
  • Turbocharger is a charging system for an internal combustion engine, by means of which the cylinders of the internal combustion engine are subjected to an increased charge air pressure.
  • a turbocharger consists of an (exhaust) turbine in the exhaust gas flow (outflow path), which is connected via a common shaft to a compressor in the intake tract (intake flow path).
  • the turbine is set in rotation by the exhaust gas flow of the engine and thus drives the compressor.
  • the compressor increases the pressure in the intake tract of the engine, so that through this compression during the intake stroke, a larger amount of air into the cylinders of the internal combustion engine is achieved than in a conventional naturally aspirated engine. This provides more oxygen for combustion. This increases the mean pressure of the engine and its torque, which significantly increases the power output.
  • the feeding of a larger amount of fresh air associated with the compression process is called charging.
  • the energy for the charge is taken from the turbine through the fast-flowing, hot exhaust gases. This energy, which would otherwise be lost through the exhaust system, is used to reduce intake losses. By this type of charging increases the overall efficiency of a turbocharged internal combustion engine.
  • catalytic converters that serve the exhaust aftertreatment.
  • unavoidable hazardous substances generated in the combustion of fuel are converted into less hazardous substances, so that pollutant emissions in the exhaust gas can be drastically reduced.
  • the mode of action of catalytic converters is based on catalytic reactions in which the pollutants hydrocarbon, carbon monoxide and nitrogen oxides contained in the exhaust gas are converted chemically into carbon dioxide, water and nitrogen by oxidation or reduction. Depending on the engine operating point and optimum operating conditions, conversion rates close to 100% can be achieved.
  • the exact structure and operation of such catalysts are well known, so will not be discussed in more detail below.
  • the catalyst is typically located in the exhaust tract immediately before the exhaust.
  • the exhaust gas outlet side of the engine is directly connected to the turbine of the turbocharger, so that in this case the catalyst is typically located on the exhaust side between the turbine outlet and the exhaust.
  • the problem with the use of car catalysts is the cold running phase of the engine, ie the phase immediately after starting the engine, which typically denotes a time range of a few minutes. In this time range, the engine and thus the exhaust gases generated by it are still relatively cold.
  • the problem with this is that the catalyst should have very high temperatures in the range of at least 250 ° C. for possible high conversion rates.
  • the cold running phase however, the exhaust gas generated by the engine is still relatively cold, so that in the sequence also the catalyst it is very cold. In the cold run phase, thus, the majority of the total pollutant emissions of the engine.
  • the cold-running phase can be reduced, for example, by virtue of the fact that the catalytic converter has a heating device designed especially for the catalytic converter, by means of which it is heated when the engine starts up.
  • the heating up of the catalytic converter still takes a certain amount of time, which may still be required. is not short enough for future emissions standards.
  • Another possibility is to supply the engine with more fuel for a short time (so-called rich engine cycle), which, however, is accompanied by an increased fuel consumption. It also takes heating up u.U. too long.
  • turbocharger is arranged between the catalytic converter and the exhaust manifold of the internal combustion engine.
  • the turbocharger's exhaust-side turbine first flows through the hot exhaust gases and is thus heated, so that the turbocharger even extracts heat from the exhaust gases, resulting in a delayed heating of the exhaust gas downstream of the turbocharger. ordered catalyst leads.
  • This problem arises in particular in multi-stage turbochargers, in which the hot exhaust gas is passed over several turbine stages before it is fed to the catalyst. This further delays the heating of the catalyst.
  • Another way to quickly heat the catalyst in the cold-running phase is to bridge the exhaust side of the multi-stage turbocharger through a dedicated bypass pipe so that the hot exhaust gas generated by the engine is fed directly to the catalyst for heating.
  • the disadvantage of this solution is that the engine is then no longer charged in the cold running phase, d. H. In the cold running phase, the turbocharger is initially without function.
  • a further object is to make the exhaust gas purification of the exhaust gas generated by a turbocharged internal combustion engine more effective.
  • Another object is additionally or alternatively to reduce the fuel.
  • At least one of the stated objects is achieved by a turbo-charged internal combustion engine having the features of patent claim 1 and / or by a method having the features of patent claim 16.
  • a turbo-superchargeable internal combustion engine with an engine having the exhaust side an exhaust manifold, with a turbocharger having at least two turbocharger stages and the exhaust side has an exhaust gas inlet and an exhaust gas outlet, with a pre-catalytic converter arranged on the exhaust side between the exhaust manifold of the engine block and the exhaust gas inlet of the turbocharger.
  • a method of operating a turbocharged internal combustion engine according to the invention with a first operating mode in which the exhaust gases generated by the engine are first passed through the precatalyst, and with a second operating mode in which the precatalyst is bridged and the exhaust gases generated via a the pre-catalyst exhaust side downstream main catalyst are passed.
  • the idea underlying the present invention is to arrange an (additional) catalyst directly in the exhaust gas outlet of the engine and between this exhaust gas outlet and the turbine inlet of the turbocharger in a two-stage turbocharger.
  • this catalyst functions typically as an additional catalyst to a main catalyst which is already typically provided anyway, for example, arranged directly in front of the exhaust on the exhaust gas side. Accordingly, this catalytic converter is located in the region of the exhaust tract at the point where the exhaust gases generated by the engine are hottest.
  • the additional catalytic converter is thus heated by the hot exhaust gases first. Only then are these exhaust gases then fed to the high-pressure turbine of the turbocharger.
  • the additional catalyst according to the invention in particular the cold running phase of the engine can be reduced, so that in this way the very stringent exhaust emission standards required in the future in particular in the EU and in the USA can be met.
  • the additional catalyst is operated primarily in the cold running phase, whereas the actual catalyst, d. H. the exhaust side arranged catalyst is designed for normal operation of the internal combustion engine.
  • the additional catalytic converter can be optimized for just the cold running phase, which also advantageously influences its service life.
  • the turbo-charged internal combustion engine has an exhaust gas outlet system, which is disposed on the exhaust gas side between the exhaust gas outlet of the turbocharger and an exhaust gas outlet of the turbocharged internal combustion engine.
  • This exhaust gas outlet system which can also be referred to as an exhaust system and consequently has the exhaust, has according to the invention a main catalytic converter.
  • This main catalyst which is provided in addition to the precatalyst, also serves to reduce exhaust emissions generated in the combustion of fuel.
  • the main catalyst is designed for a higher exhaust gas flow rate than the pre-catalyst. Since, according to the invention, this very hot exhaust air is already supplied to this main catalytic converter in the case of an engine start compared to previously known solutions without a precatalyst, this main catalytic converter no longer has to be optimized and designed for low temperatures. but can be interpreted to an optimal exhaust gas conversion temperature. As a result, the efficiency of the main catalyst increases in addition, which equally exhaust emissions can be significantly reduced.
  • the additional catalyst is formed significantly smaller than the actual catalyst. This is because in the cold run phase typically a lower exhaust gas flow rate is present, so that here also the catalyst has a lower (effective)
  • Diameter and thus must have a lower active catalyst area.
  • a first bypass device which serves to bridge the primary catalytic converter.
  • This first bypass device is designed to bypass the exhaust gas produced by the engine block in the opened state on the pre-catalyst.
  • the provision of such a first bypass device is advantageous when the primary catalytic converter is made smaller than the main catalytic converter and is thus designed only for small amounts of exhaust gas.
  • This small pre-catalyst is thus designed only for the cold-running phase of the engine, ie the time range immediately after engine start. Subsequently, if higher exhaust gas flow rates are present at higher temperatures, it is bypassed via the first bypass device. As a result, the additional catalytic converter is protected against excessive exhaust gas throughput and thus rapid aging.
  • the first bypass device is preferably designed to be controllable and consequently has a controllable bypass switch.
  • this bypass switch may comprise a bypass valve, a bypass tube switch, a bypass flap or the like. It would also be conceivable to combine these elements.
  • a first pipe for connecting the Abgaskrummers with an inlet of Pre-catalyst and a second pipe for connecting an outlet of the pre-catalyst with the exhaust inlet of the turbocharger provided.
  • at least one bypass pipeline is provided as part of this bypass device, which via a first pipe branch from the first
  • a first measuring device which measures the temperature of the exhaust gas flow, in particular in a region of an exhaust gas outlet system of the turbocharged internal combustion engine. Additionally or alternatively, the temperature of the exhaust gas flow may also be measured at any other point in the exhaust gas tract of the turbocharged internal combustion engine.
  • a second measuring device which determines the air flow rate in a fresh air tract of the internal combustion engine.
  • This measured air mass flow which is also referred to in the English literature as Air Mass Flow (AMF), refers to the air flow through a compressor.
  • an evaluation device may also be provided which determines the temperature of the exhaust gas flow in the region of the exhaust gas outlet system of the internal combustion engine and the air flow in a fresh air tract of the internal combustion engine on the basis of known engine parameters and current engine parameters using a known engine characteristic curve stored in the evaluation device.
  • the determination of the air flow rate and the temperature takes place here advantageously due to known relationships of the operation of the internal combustion engine and therefore need not be measured separately.
  • a control device which controls at least one of the bypass devices of the turbocharged internal combustion engine.
  • this control device is designed to control the function of the bypass switch of the first bypass device.
  • the control of the bypass switch takes place in particular in accordance with the measured or determined temperature and / or the measured or determined air flow rate.
  • this control is also designed to control a second bypass device for bridging a compressor wheel and / or a third bypass device for bridging a turbine wheel.
  • the control means may e.g. Be part of the turbocharger or the internal combustion engine.
  • the control device or the evaluation device is part of the engine control system for controlling both the internal combustion engine and the turbocharger.
  • the control means may in this case be e.g. a program-controlled unit, e.g. have a microcontroller or microprocessor.
  • the control device can control the respective bypass device mechanically or electrically. In the case of electrical activation of the bypass devices, these may be e.g. have an electrically controllable actuator.
  • the turbocharger has a high-pressure stage and a low-pressure stage.
  • the high-pressure stage contains a high-pressure turbine and a high-pressure compressor coupled to it via a common shaft.
  • the low pressure stage has a low pressure turbine and a low pressure compressor.
  • a second bypass device for bridging at least one compressor and in particular at least the high-pressure compressor.
  • the fresh air can at least partially bypass the compressor and, for example, be supplied directly to the engine in an uncompacted form.
  • an excessive pressure difference between the inlet side of the compressor and the outlet side can be prevented or at least reduced. It thus arises at the outlet side of the compressor with respect to its inlet side, no excessive negative pressure, whereby the engine is not throttled thereby.
  • the particular advantage is that a turbo-hole, which typically exists at low rotational speeds of the turbocharger, is largely avoided or at least significantly reduced by the second bypass device according to the invention. This operation of the turbocharger is advantageous especially at low speeds of the turbocharger and thus when accelerating from low speeds.
  • the turbocharger according to the invention has a third bypass device which is designed to bridge at least one turbine and in particular the high-pressure turbine in this case.
  • This further bypass device which is often referred to as Waste Gate, serves the boost pressure control.
  • the waste gate may e.g. have a bypass valve, a flap or a Bypassrohr- switch.
  • This bypass valve usually bridges the exhaust-gas turbine by means of a dedicated pipe.
  • this bypass valve is opened by a sender on the compressor side and then directs the exhaust gas via the bypass line and the bypass valve past the turbine directly into the exhaust, preventing a further increase in turbine speed.
  • the exhaust gases pre-cleaned in the primary catalytic converter and / or the non-purified exhaust gases are also fed to the main catalytic converter.
  • the temperature of the exhaust gases is measured and / or determined from a known engine characteristic and known engine parameters.
  • a temperature threshold is predetermined, wherein the Vorkata- lysator and the main catalyst are operated in the first operating mode, if the determined temperature is below the predetermined temperature threshold, and that the pre-catalyst and main catalyst are operated in the second operating mode, if the determined temperature above the predetermined Temperature threshold is.
  • the turbocharged internal combustion engine is first operated in the first operating mode immediately after an engine start and then, if the main catalytic converter has a predetermined temperature, then operated in the second operating mode.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a general first embodiment of a turbocharged internal combustion engine according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a second exemplary embodiment of a turbocharged internal combustion engine according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a third exemplary embodiment of a turbocharged internal combustion engine according to the invention
  • FIG. 4 shows a flow chart for illustrating a method according to the invention for operating the turbocharged internal combustion engine according to the invention.
  • identical and functionally identical elements, features and sizes - unless otherwise indicated - have been given the same reference numerals.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a first, general embodiment of a highly simplified turbocharged internal combustion engine according to the invention, in which only the essential components are shown.
  • the turbo-charged internal combustion engine 10 designated by reference numeral 10, for example a gasoline engine or a diesel engine, has an engine block 12, which in the example shown contains four cylinders, which is to be understood only as an example.
  • the internal combustion engine 10 also has, in a known manner, an intake manifold 13 and an exhaust manifold 14, which are also shown in FIG. 1 only schematically and greatly simplified.
  • the intake manifold 13 thus forms the air intake side of the engine block and the exhaust manifold 14 forms the exhaust gas outlet side thereof.
  • the internal combustion engine 10 further includes a turbocharger 20.
  • the coupled with the internal combustion engine 10 turbocharger 20 is formed in two stages, d. H.
  • the turbocharger 20 has two turbocharger stages 21a, 21b.
  • Each of the turbocharger stages 21a, 21b has its own compressor 22a, 22b and its own turbine 23a, 23b, which are mechanically coupled to each other within the respective turbocharger stages 21a, 21b via a common shaft 24a, 24b.
  • the first turbocharger stage 21a is designed as a low-pressure stage 21a and comprises a low-pressure compressor 22a and a low-pressure turbine 23a.
  • the second turbocharger stage 21b is designed as a high-pressure stage 21b and consequently comprises a high-pressure compressor 22b and a high-pressure turbine 23b.
  • the turbocharger 20 has an inflow path 24 and an outflow path 25.
  • the Anströmpfad 24 of the turbocharger 20 is defined between a fresh air inlet 26, is sucked through the fresh air, and a fresh air outlet 27, is provided by the turbocharger 20 via the fresh air compressed by the compressors 22a, 22b. This compressed fresh air is supplied to the engine 12 via the fresh air outlet 27 of the fresh air inlet side 13.
  • the discharge path 25 of the turbocharger 10 is defined between an exhaust gas inlet 28, via which exhaust gas generated by the engine 12 is introduced into the turbocharger 10, and an exhaust gas outlet 29, through which the exhaust gas can flow.
  • the Anströmpfad 24 is often referred to as intake, fresh air side, compressor side or charge air side, while the discharge path 25 is often referred to as the exhaust gas tract, exhaust path, turbine side or exhaust side.
  • a respective compressor 22a, 22b and a respective turbine 23a, 23b have an inlet on the input side and an outlet for the fresh air or the exhaust gas on the output side.
  • the flow direction is on the compressor side by the flow air of the fresh air, d. H. towards the engine 12, determined.
  • the flow direction is on the turbine side in each case by the flow air of the exhaust gas, d. H. away from the engine 12.
  • the flow directions of the fresh air and the exhaust gas are represented by corresponding arrows.
  • the fresh air flow is designated here by reference numeral 30 and the exhaust gas flow by reference numeral 31.
  • first pipe 30a Between the fresh air inlet 26 and the inlet of the low pressure compressor 22a is a first pipe 30a, between the outlet of the low pressure compressor 22a and the inlet of the high pressure compressor 22b is a second pipe 30b and between the outlet of the high pressure compressor 22b and the fresh air outlet 27 is a third pipe 30c inside of the turbocharger 20 on the upstream side 24 hen hen.
  • first pipe 31c between the outlet of the high pressure turbine 23b and the inlet of the low pressure turbine 23a, a second pipe 31b and between the outlet of the low pressure turbine 23 a and the exhaust outlet 29, a third pipe 31 a within the turbocharger 20 on the downstream side 25 is provided.
  • pipelines 30a-30c, 31a-31c within the turbine are mentioned here, it goes without saying that these are to be understood as channels within the housing of the turbocharger.
  • the two turbines 23a, 23b are driven via the exhaust gas flow 31 fed to them via the pipes 31c, 31b, whereby due to the mechanical coupling of these turbines
  • a further pipe 30 d For fresh air-side coupling of the turbocharger 20 with the engine 12 is a further pipe 30 d and the exhaust gas-side coupling another pipe 31 d between the turbocharger 20 and the motor 12 is arranged.
  • a precatalyst 40 is now provided on the exhaust gas side 25.
  • the pre-catalyst 40 is disposed in the pipeline 31 d between the exhaust manifold 14 of the engine 12 and the exhaust gas inlet 28 of the turbocharger 20.
  • the primary catalytic converter 40 is preferably connected directly to the exhaust manifold 14, so that as hot as possible exhaust gas 31 is supplied to the primary catalytic converter 40.
  • the pre-catalyst 40 is thus directly, d. H. without the exhaust gas 31 first flows through the turbocharger 20, exhaust gas 31 is supplied, whereby the precatalyst 40 is heated very quickly.
  • the exact operation of this precatalyst 40 will be described in detail below.
  • Fig. 2 shows a second embodiment of a turbocharged internal combustion engine according to the invention.
  • the pre-catalyst 44 has an integrated X-probe 44.
  • the combustion in the engine 12 can be optimized in a targeted manner for the exhaust emission produced thereby, and thus makes it possible to control the exhaust gas emissions.
  • an air filter 50 is provided in the first pipe 30a, which serves to clean the sucked air, so as to prevent the smallest dust particles and particles can reach the compressor wheel operated at very high speeds, resulting in damage up to can lead to destruction of the compressor wheel.
  • a charge air cooler 51 is provided in the pipe 30 d.
  • the intercooler serves the purpose of the internal combustion engine supplied compressed charge air, which is very hot at very high speeds of the turbocharger and thus u.U. can lower the power of the internal combustion engine, correspondingly cool again, so that in the engine block 31 an optimal combustion can take place.
  • a preferably controllable bypass device 52 is also provided.
  • This bypass device 52 may, for. B. have a bypass valve, a bypass valve, a bypass tube switch or the like.
  • the bypass device 52 is designed to bridge the high-pressure compressor 22b.
  • a bypass pipeline branches off from the pipeline 31c and thus, when the bypass switch is open, passes the fresh air past the high-pressure compressor 22b and then flows into the pipeline 30c.
  • bypass device 52 only bridges the high-pressure compressor 22b in FIG. 2, it would also be conceivable, if it is also designed to use both compressors 22a, 22b simultaneously, only the low-pressure compressor 22a or 22b as it were either the high pressure or the low pressure compressor 22a, 22b to bridge.
  • bypass device 57 is also provided, which is also referred to as a so-called waste gate.
  • exhaust gas can pass by both turbines 23a, 23b and thus prevent the two turbines 23a, 23b from reaching too high rotational speeds and thus from exceeding their power limit due to the coupling of these turbines to the respective compressors 22a, 22b reaches because it is too much oxygen supplied via the excessively compressed fresh air 30.
  • bypass device 57 can also be designed to equally bridge the primary catalytic converter 40 as well as the two turbines 23 a, 23 b.
  • an exhaust gas outlet system 53 is further provided, which is connected to the exhaust gas outlet 29 via corresponding pipes.
  • the exhaust gas outlet system comprises in a known manner z. B. a (main) catalyst 54, an exhaust filter 55 and a subsequently arranged exhaust 56th
  • a further bypass device 41 is also provided.
  • the further bypass device 41 is designed to bridge the pre-catalyst 40 via corresponding bypass pipes 42a, 42b.
  • This further bypass device 41 is typically designed controllable and contains for this purpose, for. B. a controllable valve (or flap or throttle), which can be controlled according to an open or closed state. In the closed state, therefore, the exhaust gas flows exclusively via the precatalyst 40, whereas in the opened state of this bypass valve 43 the exhaust gas (due to the flow resistance given by the precatalyst 40) (more or less) less) flows past the bypass device 41 past the pre-catalyst 40.
  • FIG. 3 shows a third, greatly simplified exemplary embodiment of a turbocharged internal combustion engine according to the invention.
  • the arrangement in FIG. 3 comprises two measuring devices 60, 61.
  • the first measuring device 60 is designed to measure the temperature T of the exhaust gas flow 31, for example immediately before the main catalytic converter 54.
  • the first measuring device 60 is connected on the input side to the pipe 31a opening into the catalyst 54. Additionally or alternatively, it would also be conceivable (dashed line in FIG. 3) for the first measuring device 60 to measure the temperature of the exhaust gas flow 31 directly at the exhaust manifold 14. Depending on the temperature T thus determined, the first measuring device 60 generates a measuring signal Ml.
  • the second measuring device 61 is designed to determine the air flow rate on the inflow side 24.
  • MAF mass air flow
  • the arrangement in FIG. 3 furthermore has a control device 62, which may be part of the turbocharger 20 or the internal combustion engine 10 or may also be designed as a separate control device 62, for example as part of the engine control.
  • the control device 62 is designed to control at least the controllable bypass device 41 in accordance with a control signal SO.
  • This control signal SO is generated in accordance with at least one of the two measurement signals Ml, M2.
  • the control signal SO controls the bypass device 41 in an open or a closed state and in this way controls the function of the precatalyst 40 in such a way that the exhaust gas 31 generated by the engine 12 is emitted. neither flows directly via the precatalyst 40 or via the bypass device 41.
  • the control device 62 also controls the function of the further bypass devices 52, 57.
  • these measurement data can also be determined by the engine control 62 itself.
  • the corresponding engine load is determined by the engine control 62 during operation of an internal combustion engine and from this by integrating the effective mean pressure of the engine 12, the temperature T and the air flow AMF can be deduced. In this way, the temperature can be determined without direct measurement.
  • the temperature T of the exhaust gas on the outflow side 25 and in particular directly in the exhaust manifold 14 is determined.
  • the determination of the temperature T can be measured directly with a specially provided measuring device 60.
  • this temperature T can also be calculated by the engine control itself.
  • T TH a predetermined temperature threshold T TH .
  • This temperature threshold T TH is chosen so that at this temperature, the main catalyst 54 is heated within a predetermined period of time to a predetermined operating temperature. This period is included For example, given due to gas emission standards. These standards state, inter alia, that the main catalytic converter must have a predetermined operating temperature within a defined time to achieve the operational function.
  • the exhaust gas thus purified in the pre-catalyst 40 can then be passed either via the turbines 23b, 23a or, depending on the mode of operation, via the wastegate bypass 57 past these turbines 23a, 23b directly to the main catalytic converter 54.
  • the latter measure would ensure that the turbines 23a, 23b withdraw no further energy from the still relatively hot exhaust gas 31, so that in this way the main catalyst 54 is heated even faster.
  • Main catalyst 54 This main catalyst 54 is now exclusively intended to purify the exhaust gas 31 supplied to it. However, since the main catalytic converter 54 has been heated more or less previously by the exhaust gas 54 supplied to it, it is already at its operating temperature at which a proper cleaning of the gas emissions is possible. Or at least the main catalyst 54 will then be heated very quickly to this operating temperature.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine turboaufladbare Brennkraftmaschine, mit einem Motor, der abgasseitig einen Abgaskrümmer aufweist, mit einem Turbolader, der zumindest zwei Turboladerstufen aufweist und der abgasseitig einen Abgaseinlass und einen Abgasauslass aufweist, mit einem Vorkatalysator der abgasseitig zwischen dem Abgaskrümmer des Motorblocks und dem Abgaseinlass des Turboladers angeordnet ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine.

Description

Beschreibung
Turboaufgeladene Brennkraftmaschine und Verfahren
Die Erfindung betrifft eine turboaufladbare Brennkraftmaschine sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen turboaufgeladenen Brennkraftmaschine.
Bei herkömmlichen, nicht aufgeladenen Brennkraftmaschinen (Otto- oder Dieselmotor) wird beim Ansaugen von Luft ein Unterdruck im Ansaugtrakt erzeugt, der mit wachsender Drehzahl ansteigt und die theoretisch erreichbare Leistung des Motors begrenzt. Eine Möglichkeit, dem entgegenzuwirken und damit eine Leistungssteigerung zu erzielen, ist die Verwendung ei- nes Abgasturboladers. Ein Abgasturbolader (ATL) oder kurz
Turbolader ist ein Aufladesystem für eine Brennkraftmaschine, mittels dem die Zylinder der Brennkraftmaschine mit einem erhöhten Ladeluftdruck beaufschlagt werden.
Der detaillierte Aufbau und die Funktionsweise eines solchen Turboladers sind vielfach bekannt und werden daher nachfolgend nur kurz erläutert. Ein Turbolader besteht aus einer (Abgas-) Turbine im Abgasstrom (Abströmpfad), die über eine gemeinsame Welle mit einem Verdichter im Ansaugtrakt (An- strömpfad) verbunden ist. Die Turbine wird vom Abgasstrom des Motors in Rotation versetzt und treibt so den Verdichter an. Der Verdichter erhöht den Druck im Ansaugtrakt des Motors, sodass durch diese Verdichtung während des Ansaugtaktes eine größere Menge Luft in die Zylinder der Brennkraftmaschine ge- langt als bei einem herkömmlichen Saugmotor. Damit steht mehr Sauerstoff zur Verbrennung zur Verfügung. Dadurch steigen der Mitteldruck des Motors und sein Drehmoment, was die Leistungsabgabe signifikant erhöht. Das Zuführen einer größeren Menge an Frischluft verbunden mit dem Verdichtungsprozess nennt man Aufladen. Die Energie für die Aufladung wird durch die Turbine den schnell strömenden, heißen Abgasen entnommen. Diese Energie, die sonst durch das Abgassystem verloren ginge, wird zur Verringerung der Ansaugverluste benutzt. Durch diese Art der Aufladung steigt der Gesamtwirkungsgrad einer turboaufgeladenen Brennkraftmaschine .
Für die Reduzierung der Abgasemissionen weisen heutige Brenn- kraftmaschinen u.a. Katalysatoren auf, die der Abgasnachbehandlung dienen. Durch Verwendung solcher Abgaskatalysatoren werden bei der Verbrennung von Kraftstoff erzeugte, unvermeidbare gefährliche Substanzen in weniger gefährliche Substanzen umgesetzt, so dass Schadstoffemissionen im Abgas drastisch reduziert werden können. Die Wirkungsweise von Katalysatoren beruht auf katalytischen Reaktionen, bei denen die im Abgas enthaltenen Schadstoffe Kohlenwasserstoff, Koh- lenstoffmonoxyd und Stickoxyde durch Oxidation bzw. Reduktion chemisch zu Kohlenstoffdioxyd, Wasser- und Stickstoff umge- setzt werden. Je nach Betriebspunkt des Motors und bei optimalen Betriebsbedingungen können Konvertierungsraten nahe 100 % erreicht werden. Der genaue Aufbau und Funktionsweise solcher Katalysatoren sind allgemein bekannt, sodass nachfolgend nicht näher darauf eingegangen wird.
Bei herkömmlichen, nicht aufgeladenen Brennkraftmaschinen ist der Katalysator typischerweise im Abgastrakt unmittelbar vor dem Auspuff angeordnet. Bei turboaufgeladenen Brennkraftmaschinen ist die Abgasauslassseite der Brennkraftmaschine di- rekt mit der Turbine des Turboladers verbunden, so dass sich der Katalysator in diesem Falle typischerweise auf der Abgasseite zwischen dem Turbinenauslass und dem Auspuff befindet.
Problematisch bei der Verwendung von PKW-Katalysatoren ist die Kaltlaufphase des Motors, d. h. die Phase unmittelbar nach dem Starten des Motors, die typischerweise einen Zeitbereich von einigen Minuten bezeichnet. In diesem Zeitbereich sind der Motor und damit die von ihm erzeugten Abgase noch relativ kalt. Problematisch daran ist, dass der Katalysator für mögliche hohe Konvertierungsraten sehr hohe Temperaturen im Bereich von zumindest 2500C aufweisen sollte. In der Kaltlaufphase ist allerdings das von dem Motor erzeugte Abgas noch relativ kalt, sodass in der Folge auch der Katalysator sehr kalt ist. In der Kaltlaufphase entsteht somit der Großteil der Gesamtschadstoffemission des Motors.
Mit den zunehmend strengeren Normen für die Schadstoffemissi- onen, insbesondere innerhalb der EU und den USA, werden sehr niedrige Grenzen für diese Schadstoffemission gefordert. Bei zukünftigen, insbesondere in den USA geltenden Abgasnormen, müssen die Grenzwerte für die Schadstoffemissionen bereits zehn Sekunden nach dem Motorstart erreicht sein. Das bedeu- tet, dass zu diesem Zeitpunkt bereits ein Katalysator voll funktionsbereit sein muss. Dadurch bedingt besteht der Bedarf, auch die in der Kaltlaufphase erzeugten Schadstoffemissionen möglichst weit zu reduzieren. Der Schwerpunkt heutiger Forschung liegt daher u.a. in der Verkürzung dieser Kaltlauf- phase.
Die Kaltlaufphase kann beispielsweise dadurch reduziert werden, dass der Katalysator eine eigens für den Katalysator vorgesehene Heizeinrichtung aufweist, mittels der er beim Mo- torstart aufgeheizt wird. Allerdings dauert das Aufheizen des Katalysators dann immer noch eine bestimmte Zeit, die u.U. nicht ausreichend kurz für zukünftige Abgasnormen ist.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dem Motor kurzzeitig mehr Kraftstoff zuzuführen (so genannter fetter Motorzyklus), die allerdings mit einem erhöhten Kraftstoffverbrauch einhergeht. Auch dauert hier das Aufheizen u.U. zu lange.
Eine weitere Möglichkeit besteht in einer möglichst motorna- hen Anordnung des Katalysators, beispielsweise unmittelbar hinter dem Abgaskrümmer. Problematisch bei turboaufgeladenen Brennkraftmaschinen ist allerdings, dass zwischen dem Katalysator und dem Abgaskrümmer der Brennkraftmaschine eben der Turbolader angeordnet ist. Erschwerend kommt hinzu, dass zu- nächst die abgasseitige Turbine des Turboladers von den heißen Abgasen durchströmt und dadurch erhitzt wird, sodass der Turbolader den Abgasen sogar Wärme entzieht, was zu einem verzögerten Aufheizen des abgasseitig nach dem Turbolader an- geordneten Katalysators führt. Diese Problematik ergibt sich insbesondere bei mehrstufig ausgebildeten Turboladern, bei denen das heiße Abgas über mehrere Turbinenstufen geleitet wird, bevor es dem Katalysator zugeführt wird. Dadurch wird das Aufheizen des Katalysators noch weiter verzögert.
Eine weitere Möglichkeit zum schnellen Aufheizen des Katalysators in der Kaltlaufphase besteht darin, die Abgasseite des mehrstufigen Turboladers durch eine eigens dafür vorgesehene Bypassrohrleitung zu überbrücken, sodass das von dem Motor erzeugte heiße Abgas direkt dem Katalysator zum Aufheizen zugeführt wird. Nachteilig an dieser Lösung ist indes, dass der Motor in der Kaltlaufphase dann nicht mehr aufgeladen wird, d. h. in der Kaltlaufphase ist der Turbolader zunächst ohne Funktion.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei zweistufig ausgebildeten turboaufgeladenen Brennkraftmaschinen die Schadstoffemissionen insbesondere in der Kaltlaufphase möglichst weit zu reduzieren.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, die Abgasreinigung des von einer turboaufgeladenen Brennkraftmaschine erzeugten Abgases effektiver zu gestalten.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, zusätzlich oder alternativ dabei den Kraftstoff zu reduzieren.
Erfindungsgemäß wird zumindest eine der genannten Aufgaben durch eine turboaufgeladene Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und/oder durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 16 gelöst.
Demgemäß ist vorgesehen:
- Eine turboaufladbare Brennkraftmaschine, mit einem Motor, der abgasseitig einen Abgaskrümmer aufweist, mit einem Turbolader, der zumindest zwei Turboladerstufen aufweist und der abgasseitig einen Abgaseinlass und einen Abgasaus- lass aufweist, mit einem Vorkatalysator der abgasseitig zwischen dem Abgaskrümmer des Motorblocks und dem Abgaseinlass des Turboladers angeordnet ist.
- Ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen turboaufgeladenen Brennkraftmaschine, mit einem ersten Betriebsmodus, bei dem die von dem Motor erzeugten Abgase zunächst über den Vorkatalysator geleitet werden, und mit einem zweiten Betriebsmodus, bei dem der Vorkatalysator überbrückt wird und die erzeugten Abgase über einen dem Vorkatalysator abgasseitig nachgeordneten Hauptkatalysator geleitet werden.
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Idee besteht darin, bei einem zweistufigen Turbolader einen (zusätzlichen) Katalysator unmittelbar dem Abgasauslass des Motors und zwischen diesem Abgasauslass und dem Turbineneinlass des Turboladers anzuordnen. Dieser Katalysator fungiert dabei ty- pischerweise als Zusatzkatalysator zu einem typischerweise bereits ohnehin vorgesehenen, beispielsweise unmittelbar vor dem Auspuff auf der Abgasseite angeordneten Hauptkatalysator. Dieser Katalysator ist demnach im Bereich des Abgastraktes an der Stelle angeordnet, bei dem die von dem Motor erzeugten Abgase am heißesten sind.
Bei der Kaltlaufphase des Motors wird somit der Zusatzkatalysator durch die heißen Abgase zuerst aufgeheizt. Erst anschlieOßend werden diese Abgase dann der Hochdruckturbine des Turboladers zugeleitet. Mittels des erfindungsgemäßen Zusatzkatalysators lässt sich insbesondere die Kaltlaufphase der Motors verringern, damit auf diese Weise die insbesondere in der EU und in den USA zukünftig geforderten, sehr strengen Abgasnormen erfüllt werden.
Die Bereitstellung eines weiteren Katalysators stellt zwar einen Zusatzaufwand und damit Zusatzkosten dar. Allerdings kann durch die Verwendung eines Zusatzkatalysators in der Kaltlaufphase signifikant Kraftstoff eingespart werden, so dass mittelfristig durch den eingesparten Kraftstoff auch die Mehrkosten für die Bereitstellung des Zusatzkatalysators egalisiert werden können.
Erfindungsgemäß wird also der Zusatzkatalysator vornehmlich in der Kaltlaufphase betrieben, wohingegen der eigentliche Katalysator, d. h. der auspuffseitig angeordnete Katalysator, für den Normalbetrieb der Brennkraftmaschine ausgelegt ist. Dadurch, dass dieser eigentliche Katalysator nicht mehr für die Kaltlaufphase optimiert werden muss, lässt er sich auch robuster herstellen, was insbesondere hinsichtlich dessen Lebensdauer vorteilhaft ist. Hingegen kann der Zusatzkatalysator eben für lediglich die Kaltlaufphase optimiert werden, was dessen Lebensdauer ebenfalls vorteilhaft beeinflusst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung in Zusammenschau mit der Zeichnung.
In einer typischen Ausgestaltung weist die turboaufgeladene Brennkraftmaschine ein Abgasauslasssystem auf, welches abgas- seitig zwischen dem Abgasauslass des Turboladers und einem Abgasauslass der turboaufgeladenen Brennkraftmaschine ange- ordnet ist. Dieses Abgasauslasssystem, welches auch als Auspuffsystem bezeichnet werden kann und infolgedessen den Auspuff aufweist, weist erfindungsgemäß einen Hauptkatalysator auf. Dieser Hauptkatalysator, der zusätzlich zu dem Vorkatalysator vorgesehen ist, dient ebenfalls der Reduzierung von bei der Verbrennung von Kraftstoff erzeugten Abgasemissionen.
Typischerweise, jedoch nicht notwendigerweise, ist der Hauptkatalysator für einen höheren Abgasdurchsatz als der Vorkatalysator ausgelegt. Da erfindungsgemäß diesem Hauptkatalysator nun - im Vergleich zu bisher bekannten Lösungen ohne Vorkatalysator - bereits sehr heiße Abgasluft im Falle eines Motorstarts zugeführt wird, muss dieser Hauptkatalysator nicht mehr für niedrige Temperaturen optimiert und ausgelegt sein, sondern lasst sich auf eine optimale Abgasumsetztemperatur auslegen. Dadurch steigt der Wirkungsgrad des Hauptkatalysators zusatzlich, wodurch gleichermaßen die Abgasemissionen signifikant reduziert werden können.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Zusatzkatalysator signifikant kleiner als der eigentliche Katalysator ausgebildet. Dies liegt daran, dass in der Kaltlaufphase typischerweise ein geringerer Abgasdurchsatz vorhanden ist, sodass hier auch der Katalysator einen geringeren (effektiven)
Durchmesser und somit eine geringere aktive Katalysatorflache aufweisen muss.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist eine erste Bypassein- richtung vorgesehen, die der Uberbruckung des Vorkatalysators dient. Diese erste Bypasseinrichtung ist dazu ausgelegt, im geöffneten Zustand das von dem Motorblock erzeugte Abgas an dem Vorkatalysator vorbeizuleiten. Das Bereitstellen einer solchen ersten Bypasseinrichtung ist dann von Vorteil, wenn der Vorkatalysator gegenüber dem Hauptkatalysator kleiner ausgebildet ist und somit lediglich für geringe Abgasmengen ausgelegt ist. Dieser kleine Vorkatalysator ist damit lediglich für die Kaltlaufphase des Motors, also den Zeitbereich unmittelbar nach dem Motorstart ausgelegt. Anschließend, wenn höhere Abgasdurchsatze bei höheren Temperaturen vorhanden sind, wird er über die erste Bypasseinrichtung überbrückt. Dadurch wird der Zusatzkatalysator vor zu hohen Abgasdurch- satzen und damit einer schnellen Alterung geschützt.
Zu diesem Zwecke ist die erste Bypasseinrichtung vorzugsweise steuerbar ausgebildet und weist infolgedessen einen steuerbaren Bypassschalter auf. In einer typischen Ausgestaltung kann dieser Bypassschalter ein Bypassventil, ein Bypassrohrschal- ter, eine Bypassklappe oder dergleichen aufweisen. Denkbar wäre auch eine Kombination dieser Elemente.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind eine erste Rohrleitung zum Verbinden des Abgaskrummers mit einem Einlass des Vorkatalysators und eine zweite Rohrleitung zum Verbinden eines Auslasses des Vorkatalysators mit dem Abgaseinlass des Turboladers vorgesehen. Ferner ist mindestens eine Bypass- rohrleitung als Bestandteil dieser Bypasseinrichtung vorgese- hen, welche über eine erste Rohrabzweigung von der ersten
Rohrleitung abzweigt und welche über eine zweite Rohrabzweigung in die zweite Rohrleitung mündet.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist eine erste Messein- richtung vorgesehen, die die Temperatur des Abgasstroms, insbesondere in einem Bereich eines Abgasauslasssystems der turboaufgeladenen Brennkraftmaschine, gemessen. Zusätzlich oder alternativ kann die Temperatur des Abgasstroms auch an einer beliebig anderen Stelle im Abgastrakt der turboaufgeladenen Brennkraftmaschine gemessen werden.
In einer weiteren, ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung ist eine zweite Messeinrichtung vorgesehen, die den Luftdurchsatz in einem Frischlufttrakt der Brennkraftmaschine ermittelt. Dieser gemessene Luftmassenstrom, der in der englischsprachigen Literatur auch als Air Mass Flow (AMF) bezeichnet wird, bezeichnet den Luftdurchsatz durch einen Verdichter.
Zusätzlich oder alternativ kann auch eine Auswerteeinrichtung vorgesehen werden, die die Temperatur des Abgasstroms im Bereich des Abgasauslasssystems der Brennkraftmaschine und den Luftdurchsatz in einem Frischlufttrakt der Brennkraftmaschine aufgrund von bekannten Motorkennwerten und aktuellen Motorparametern unter Verwendung einer in der Auswerteeinrichtung hinterlegten bekannten Motorkennlinie ermittelt. Das Ermitteln des Luftdurchsatzes und der Temperatur erfolgt hier vorteilhafterweise aufgrund bekannter Zusammenhänge der Funktionsweise der Brennkraftmaschine und muss daher nicht eigens gemessen werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, welche mindestens eine der Bypasseinrichtungen der turboaufgeladenen Brennkraftmaschine steuert. Besonders bevorzugt ist diese Steuereinrichtung dazu ausgelegt, die Funktion des Bypassschalters der ersten Bypasseinrichtung zu steuern. Die Steuerung des Bypassschalters erfolgt dabei insbesondere nach Maßgabe der gemessenen oder ermittelten Tempe- ratur und/oder des gemessenen oder ermittelten Luftdurchsatzes. Vorzugsweise ist diese Steuerung auch dazu ausgelegt, eine zweite Bypasseinrichtung zur Uberbruckung eines Verdichterrades und/oder eine dritte Bypasseinrichtung zur Uberbruckung eines Turbinenrades zu steuern.
Die Steuereinrichtung kann z.B. Bestandteil des Turboladers oder auch der Brennkraftmaschine sein. Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung bzw. die Auswerteeinrichtung aber Bestandteil der Motorsteuerung zur Steuerung sowohl der Brennkraft- maschine als auch des Turboladers ausgebildet. Die Steuereinrichtung kann in diesem Falle z.B. eine programmgesteuerte Einheit, z.B. einen MikroController oder Mikroprozessor aufweisen. Die Steuereinrichtung kann die jeweilige Bypasseinrichtung mechanisch oder elektrisch steuern. Im Falle einer elektrischen Ansteuerung der Bypasseinrichtungen können diese z.B. ein elektrisch steuerbares Stellglied aufweisen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Turbolader eine Hochdruckstufe und eine Niederdruckstufe auf. Die Hochdruck- stufe enthalt eine Hochdruckturbine und einen mit dieser über eine gemeinsame Welle gekoppelten Hochdruckverdichter auf. Die Niederdruckstufe weist eine Niederdruckturbine und einen Niederdruckverdichter auf.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist eine zweite Bypasseinrichtung zur Uberbruckung zumindest eines Verdichters und hier insbesondere zumindest des Hochdruckverdichters vorgesehen. Auf diese Weise kann die Frischluft zumindest zum Teil an dem Verdichter vorbeigeleitet und beispielsweise di- rekt dem Motor in unverdichteter Form zugeführt werden. Damit kann ein zu großer Druckunterschied zwischen der Einlassseite des Verdichters und dessen Auslassseite verhindert bzw. zumindest verringert werden. Es entsteht somit an der Auslass- seite des Verdichters gegenüber dessen Einlassseite kein zu starker Unterdruck, wodurch der Motor dadurch auch nicht gedrosselt wird. Der besondere Vorteil besteht darin, dass durch die erfindungsgemaße zweite Bypasseinrichtung ein Tur- boloch, welches typischerweise bei niedrigen Drehzahlen des Turboladers existiert, weitestgehend vermieden oder zumindest signifikant reduziert wird. Dieser Betrieb des Turboladers ist insbesondere bei niedrigen Drehzahlen des Turboladers und damit bei einem Beschleunigen aus niedrigen Drehzahlen vor- teilhaft.
In einer ebenfalls typischen Ausgestaltung weist der erfin- dungsgemaße Turbolader eine dritte Bypasseinrichtung auf, welche zur Uberbruckung zumindest einer Turbine und hierbei insbesondere der Hochdruckturbine ausgelegt ist. Diese weitere Bypasseinrichtung, die häufig auch als Waste Gate bezeichnet wird, dient der Ladedruckregelung. Das Waste Gate kann z.B. ein Bypassventil, eine Klappe oder einen Bypassrohr- schalter aufweisen. Üblicherweise überbrückt dieses Bypass- ventil mittels einer eigens dafür vorgesehenen Rohrleitung die abgasseitige Turbine. Bei einem eingestellten Ladedruck wird dieses Bypassventil durch einen Geber auf der Verdichterseite geöffnet und leitet dann das Abgas über die Bypass- rohrleitung und das Bypassventil an der Turbine vorbei direkt in den Auspuff, was ein weiteres Anstiegen der Turbinendrehzahl unterbindet. Auf diese Weise wird verhindert, dass die Turbine und damit auch der Verdichter des Turboladers immer hoher dreht und aufgrund einer positiven Ruckkopplung von Turbinenumdrehung und Verdichterumdrehung der Verdichter sei- ne Fordergrenze erreicht und die mechanischen und thermischen Grenzen des Motors überschritten werden, was u.U. zu einem Zerstören des Turboladers sowie des Motors fuhren konnte.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemaßen Ver- fahrens werden im ersten Betriebsmodus die im Vorkatalysator vorgereinigten Abgase und/oder die nicht gereinigten Abgase auch dem Hauptkatalysator zugeführt werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Temperatur der Abgase gemessen und/oder aus einer bekannten Motorkennlinie und bekannten Motorparametern ermittelt. Vorzugsweise wird dabei eine Temperaturschwelle vorgegeben, wobei der Vorkata- lysator und der Hauptkatalysator im ersten Betriebsmodus betrieben werden, sofern die ermittelte Temperatur unterhalb der vorgegebenen Temperaturschwelle ist, und dass der Vorkatalysator und Hauptkatalysator im zweiten Betriebsmodus betrieben werden, sofern die ermittelte Temperatur oberhalb der vorgegebenen Temperaturschwelle ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die turboaufgeladenen Brennkraftmaschine unmittelbar nach einem Motorstart zunächst im ersten Betriebsmodus betrieben und anschließend, sofern der Hauptkatalysator eine vorgegebene Temperatur aufweist, im zweiten Betriebsmodus betrieben.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der in den Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines allgemeinen ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen turboaufgeladenen Brennkraftmaschine;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen turboaufgeladenen Brennkraftmaschine;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen turboaufgeladenen Brennkraftmaschine;
Fig. 4 ein Ablaufdiagramm zur Darstellung eines erfin- dungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben der erfindungsgemäßen turboaufgeladenen Brennkraftmaschine. In den Figuren der Zeichnungen sind gleiche und funktionsgleiche Elemente, Merkmale und Größen - sofern nichts Anderes angegeben ist - mit denselben Bezugszeichen versehen worden.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten, allgemeinen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen, stark vereinfachten turboaufgeladenen Brennkraftmaschine, bei der lediglich deren wesentliche Bestandteile dargestellt sind.
Die mit Bezugszeichen 10 bezeichnete turboaufgeladene Brennkraftmaschine 10, beispielsweise ein Otto- oder ein Dieselmotor, weist einen Motorblock 12 auf, der im gezeigten Beispiel vier Zylinder enthält, was allerdings lediglich beispielhaft zu verstehen ist. Die Brennkraftmaschine 10 weist in bekann- ter Weise ferner einen Ansaugkrümmer 13 sowie einen Abgaskrümmer 14 auf, die in Fig. 1 ebenfalls lediglich schematisch und stark vereinfacht dargestellt sind. Der Ansaugkrümmer 13 bildet somit die Lufteinlassseite des Motorblocks und der Abgaskrümmer 14 bildet dessen Abgasauslassseite.
Die Brennkraftmaschine 10 weist ferner einen Turbolader 20. Der mit der Brennkraftmaschine 10 gekoppelte Turbolader 20 ist zweistufig ausgebildet, d. h. der Turbolader 20 weist zwei Turboladerstufen 21a, 21b auf. Jede der Turboladerstufen 21a, 21b weist jeweils einen eigenen Verdichter 22a, 22b und eine eigene Turbine 23a, 23b auf, die innerhalb der jeweiligen Turboladerstufen 21a, 21b über eine gemeinsame Welle 24a, 24b miteinander mechanisch gekoppelt sind. Dabei ist die erste Turboladerstufe 21a als Niederdruckstufe 21a ausgebildet und umfasst einen Niederdruckverdichter 22a und eine Niederdruckturbine 23a. Die zweite Turboladerstufe 21b ist als Hochdruckstufe 21b ausgebildet und umfasst infolgedessen einen Hochdruckverdichter 22b und eine Hochdruckturbine 23b.
Der Turbolader 20 weist einen Anströmpfad 24 und einen Abströmpfad 25 auf. Der Anströmpfad 24 des Turboladers 20 ist definiert zwischen einem Frischlufteinlass 26, über den Frischluft angesaugt wird, und einem Frischluftauslass 27, über den durch die Verdichter 22a, 22b verdichtete Frischluft vom Turbolader 20 bereitgestellt wird. Diese verdichtete Frischluft wird über den Frischluftauslass 27 der Frischlufteinlassseite 13 dem Motor 12 zugeführt. Der Abströmpfad 25 des Turboladers 10 ist definiert zwischen einem Abgaseinlass 28, über den von dem Motor 12 erzeugtes Abgas in den Turbolader 10 eingeleitet wird, und einem Abgasauslass 29, über den das Abgas ausströmen kann. Der Anströmpfad 24 wird häufig auch als Ansaugtrakt, Frischluftseite, Verdichterseite oder Ladeluftseite bezeichnet, während der Abströmpfad 25 häufig auch als Abgastrakt, Abgaspfad, Turbinenseite oder Abgasseite bezeichnet wird.
Hinsichtlich der in der vorliegenden Patentanmeldung gewähl- ten Terminologie weisen ein jeweiliger Verdichter 22a, 22b und eine jeweilige Turbine 23a, 23b eingangsseitig einen Ein- lass und ausgangsseitig einen Auslass für die Frischluft bzw. das Abgas auf. Die Strömungsrichtung wird auf der Verdichterseite durch die Strömungsluft der Frischluft, d. h. hin zum Motor 12, bestimmt. Die Strömungsrichtung wird auf der Turbinenseite jeweils durch die Strömungsluft des Abgases, d. h. von dem Motor 12 weg, bestimmt. In sämtlichen Figuren sind die Strömungsrichtungen der Frischluft bzw. des Abgases durch entsprechende Pfeile dargestellt. Der Frischluftstrom ist hier mit Bezugszeichen 30 und der Abgasstrom mit Bezugszeichen 31 bezeichnet.
Zwischen dem Frischlufteinlass 26 und dem Einlass des Niederdruckverdichters 22a ist eine erste Rohrleitung 30a, zwischen dem Auslass des Niederdruckverdichters 22a und dem Einlass des Hochdruckverdichters 22b ist eine zweite Rohrleitung 30b und zwischen dem Auslass des Hochdruckverdichters 22b und dem Frischluftauslass 27 ist eine dritte Rohrleitung 30c innerhalb des Turboladers 20 auf dessen Anströmseite 24 vorgese- hen. In gleicher Weise ist zwischen dem Abgaseinlass 28 und der Hochdruckturbine 23b eine erste Rohrleitung 31c, zwischen dem Auslass der Hochdruckturbine 23b und dem Einlass der Niederdruckturbine 23a eine zweite Rohrleitung 31b und zwischen dem Auslass der Niederdruckturbine 23a und dem Abgasauslass 29 eine dritte Rohrleitung 31a innerhalb des Turboladers 20 auf dessen Abströmseite 25 vorgesehen. Auch wenn hier von Rohrleitungen 30a - 30c, 31a - 31c innerhalb der Turbine die Rede ist, versteht es sich von selbst, dass diese als Kanäle innerhalb des Gehäuses des Turboladers zu verstehen sind.
Die beiden Turbinen 23a, 23b werden über den ihnen über die Rohrleitungen 31c, 31b zugeführten Abgasstrom 31 angetrieben, wodurch aufgrund der mechanischen Kopplung dieser Turbinen
23a, 23b mittels der Wellen 24a, 24b auch die entsprechenden Verdichter 22a, 22b angetrieben werden. Die Verdichter 22a, 22b sind dann in der Lage, die ihnen über die Rohrleitungen 30a, 30b zugeführte Frischluft 30 zu verdichten und dem Motor 12 zuzuführen.
Zur frischluftseitigen Kopplung des Turboladers 20 mit dem Motor 12 ist eine weitere Rohrleitung 30d und zur abgasseiti- gen Kopplung ist eine weitere Rohrleitung 31d zwischen dem Turbolader 20 und dem Motor 12 angeordnet.
Erfindungsgemäß ist nun ein Vorkatalysator 40 auf der Abgasseite 25 vorgesehen. Der Vorkatalysator 40 ist in der Rohrleitung 31d zwischen dem Abgaskrümmer 14 des Motors 12 und dem Abgaseinlass 28 des Turboladers 20 angeordnet. Vorzugsweise ist der Vorkatalysator 40 unmittelbar mit dem Abgaskrümmer 14 verbunden, sodass dem Vorkatalysator 40 möglichst heißes Abgas 31 zugeführt wird. Im Falle eines Motorstarts wird dem Vorkatalysator 40 somit direkt, d. h. ohne dass das Abgas 31 zunächst den Turbolader 20 durchströmt, Abgas 31 zugeführt, wodurch der Vorkatalysator 40 sehr schnell erhitzt wird. Die genaue Funktionsweise dieses Vorkatalysators 40 wird nachfolgend noch detailliert beschrieben.
Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen turboaufgeladenen Brennkraftmaschine. Vorzugsweise weist der Vorkatalysator 44 eine integrierte X- Sonde 44 auf. Mittels dieser λ-Sonde 44 lässt sich bei Verwendung beispielsweise eines Dreiwege-Katalysators die Verbrennung im Motor 12 gezielt auf die dabei erzeugte Abgas- emission optimieren und ermöglicht auf diese Weise eine Regelung der Abgasemissionen.
In Fig. 2 ist in der ersten Rohrleitung 30a ein Luftfilter 50 vorgesehen, der dem Reinigen der angesaugten Luft dient, um so zu verhindern, dass kleinste Staubteile und Partikel in das mit sehr hohen Drehzahlen betriebene Verdichterrad gelangen können, was zu einer Beschädigung bis hin zu einer Zerstörung des Verdichterrades führen kann.
Ferner ist in der Rohrleitung 30d ein Ladeluftkühler 51 vorgesehen. Der Ladeluftkühler dient dem Zweck, die der Brennkraftmaschine zugeführte verdichtete Ladeluft, die bei sehr hohen Drehzahlen des Turboladers sehr heiß wird und damit u.U. die Leistung der Brennkraftmaschine senken kann, ent- sprechend wieder abzukühlen, damit in dem Motorblock 31 eine optimale Verbrennung stattfinden kann.
In dem Anströmpfad 26 ist ferner eine vorzugsweise steuerbare Bypasseinrichtung 52 vorgesehen. Diese Bypasseinrichtung 52 kann z. B. ein Bypassventil, eine Bypassklappe, ein Bypass- rohrschalter oder dergleichen aufweisen. Die Bypasseinrichtung 52 ist im gezeigten Beispiel in Fig. 2 dazu ausgelegt, den Hochdruckverdichter 22b zu überbrücken. Hierzu zweigt von der Rohrleitung 31c eine Bypassrohrleitung ab und leitet so- mit bei geöffnetem Bypassschalter die Frischluft an dem Hochdruckverdichter 22b vorbei und mündet anschließend in die Rohrleitung 30c ein.
Wenngleich die Bypasseinrichtung 52 in der Fig. 2 lediglich den Hochdruckverdichter 22b überbrückt, wäre es auch denkbar, wenn sie auch dazu ausgelegt ist, beide Verdichter 22a, 22b gleichzeitig, lediglich den Niederdruckverdichter 22a oder gleichsam entweder den Hochdruck- oder den Niederdruckverdichter 22a, 22b zu überbrücken.
Im Abstrompfad 25 ist ferner eine weitere Bypasseinrichtung 57 vorgesehen, die auch als so genanntes Waste-Gate bezeichnet wird. Über diese Bypasseinrichtung 57 lasst sich Abgas an beiden Turbinen 23a, 23b vorbeileiten und damit verhindern, dass die beiden Turbinen 23a, 23b zu hohe Drehzahlen erreichen und damit der Motor aufgrund der Kopplung dieser Turbi- nen mit den jeweiligen Verdichtern 22a, 22b über seine Leistungsgrenze gelangt, da ihm zu viel Sauerstoff über die zu stark verdichtete Frischluft 30 zugeführt wird.
Zusatzlich oder alternativ (in der Fig. 2 gestrichelt darge- stellt) kann die Bypasseinrichtung 57 auch dazu ausgelegt sein, gleichermaßen den Vorkatalysator 40 wie auch die beiden Turbinen 23a, 23b zu überbrücken.
Auf der Abstromseite 25 ist ferner ein Abgasauslasssystem 53 vorgesehen, welches mit dem Abgasauslass 29 über entsprechende Rohrleitungen verbunden ist. Das Abgasauslasssystem um- fasst in bekannter Weise z. B. einen (Haupt-) Katalysator 54, einen Abgasfilter 55 sowie einen danach angeordneten Auspuff 56.
Erfindungsgemaß ist ferner eine weitere Bypasseinrichtung 41 vorgesehen. Die weitere Bypasseinrichtung 41 ist dazu ausgelegt, den Vorkatalysator 40 über entsprechende Bypassrohrlei- tungen 42a, 42b zu überbrücken. Diese weitere Bypasseinrich- tung 41 ist typischerweise steuerbar ausgebildet und enthalt zu diesem Zwecke z. B. ein steuerbares Ventil (oder auch Klappe oder Drossel), welches entsprechend in einen geöffneten oder geschlossenen Zustand gesteuert werden kann. Im geschlossenen Zustand strömt somit das Abgas ausschließlich u- ber den Vorkatalysator 40, wohingegen im geöffneten Zustand dieses Bypassventils 43 das Abgas - aufgrund des durch den Vorkatalysator 40 gegebenen Stromungswiderstand -(mehr oder weniger) über die Bypasseinrichtung 41 an dem Vorkatalysator 40 vorbeiströmt.
Fig. 3 zeigt ein drittes, stark vereinfachtes Ausführungsbei- spiel einer erfindungsgemäßen turboaufgeladenen Brennkraftmaschine. Die Anordnung in Fig. 3 umfasst zwei Messeinrichtungen 60, 61. Die erste Messeinrichtung 60 ist dazu ausgelegt, die Temperatur T des Abgasstromes 31, beispielsweise unmittelbar vor dem Hauptkatalysator 54, zu messen. Hierzu ist die erste Messeinrichtung 60 eingangsseitig mit der in den Katalysator 54 einmündenden Rohrleitung 31a verbunden. Zusätzlich oder alternativ wäre auch denkbar (gestrichelte Linie in Fig. 3) , dass die erste Messeinrichtung 60 die Temperatur des Abgasstroms 31 unmittelbar am Abgaskrümmer 14 misst. Abhängig von der so ermittelten Temperatur T erzeugt die erste Messeinrichtung 60 ein Messsignal Ml.
Die zweite Messeinrichtung 61 ist dazu ausgelegt, den Luftdurchsatz auf der Anströmseite 24 zu ermitteln. Hierzu ist die zweite Messeinrichtung 61 eingangsseitig mit der Rohrleitung 30a verbunden, um den Luftmassenstrom (MAF = Mass Air Flow) in dieser Rohrleitung 30a zu messen. Abhängig von dem so ermittelten Luftmassenstrom erzeugt die zweite Messeinrichtung 61 ein Messsignal M2.
Die Anordnung in Fig. 3 weist ferner eine Steuereinrichtung 62 auf, die Bestandteil des Turboladers 20 oder der Brennkraftmaschine 10 sein kann oder auch als getrennte Steuereinrichtung 62, beispielsweise als Bestandteil der Motorsteue- rung, ausgebildet sein kann. Die Steuereinrichtung 62 ist dazu ausgebildet, zumindest die steuerbare Bypasseinrichtung 41 entsprechend durch ein Steuersignal SO zu steuern. Dieses Steuersignal SO wird nach Maßgabe zumindest eines der beiden Messsignale Ml, M2 erzeugt. Abhängig von diesen Messsignalen Ml, M2 steuert das Steuersignal SO die Bypasseinrichtung 41 in einen geöffneten oder einen geschlossenen Zustand und steuert auf diese Weise die Funktion des Vorkatalysators 40 dahingehend, dass das von dem Motor 12 erzeugte Abgas 31 ent- weder direkt über den Vorkatalysator 40 oder über die Bypass- einrichtung 41 strömt. Zusätzlich oder alternativ steuert die Steuereinrichtung 62 auch die Funktion der weiteren Bypass- einrichtungen 52, 57.
Neben der direkten Ermittlung dieser Messdaten Ml, M2 zur Ansteuerung der Bypasseinrichtung 41 können diese Messdaten auch durch die Motorsteuerung 62 selbst ermittelt werden. Beispielsweise wird über die Motorsteuerung 62 beim Betrieb einer Brennkraftmaschine die entsprechende Motorlast bestimmt und daraus durch Integralbildung des effektiven Mitteldrucks des Motors 12 kann auf die Temperatur T und den Luftdurchsatz AMF geschlossen werden. Auf diese Weise kann die Temperatur auch ohne direktes Messen bestimmt werden.
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen, turboaufgeladenen Brennkraftmaschine anhand des Flussdiagramms in Fig. 4 beschrieben. Die nachfolgenden Ablaufschritte entsprechen dabei den entsprechenden, in Fig. 4 verwendeten Bezugszeichen.
Sl: Im ersten Schritt wird der Motor gestartet.
S2 : Unmittelbar nach dem Motorstart wird die Temperatur T des Abgases auf der Abströmseite 25 und insbesondere unmittelbar im Abgaskrümmer 14 ermittelt. Das Ermitteln der Temperatur T kann mit einer eigens dafür vorgesehenen Messeinrichtung 60 direkt gemessen werden. Zusätzlich kann diese Temperatur T auch durch die Motorsteuerung selbst errechnet werden.
S3: Anschließend wird überprüft, ob die so ermittelte Temperatur T ausreichend groß ist, d.h. ob die Temperatur ü- ber- oder unterhalb einer vorgegebenen Temperaturschwelle TTH liegt. Diese Temperaturschwelle TTH wird so gewählt, dass bei dieser Temperatur der Hauptkatalysator 54 innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer auf eine vorbestimmte Betriebstemperatur erhitzt wird. Diese Zeitdauer ist bei- spielsweise aufgrund von Gasemissionsnormen vorgegeben. Diese Normen besagen u.a., dass der Hauptkatalysator zum Erreichen der Betriebsfunktion innerhalb einer definierten Zeit eine vorbestimmte Betriebstemperatur aufweisen muss.
S4: Liegt die Temperatur T des Abgases unterhalb der vorgegebenen Temperaturschwelle TTH, dann wird durch Schließen der Bypasseinrichtung 41 der Vorkatalysator 40 aktiviert. Von der Brennkraftmaschine 30 erzeugtes Abgas strömt somit zunächst ausschließlich über den Vorkatalysator 40. Dieser Vorkatalysator 40, der gegenüber dem Hauptkatalysator 54 typischerweise sehr viel kleiner ausgebildet ist, erhitzt sich aufgrund dessen und aufgrund der Tatsa- che, dass die erhitzte Luft dem Vorkatalysator 40 direkt und unmittelbar zugeführt wird, sehr schnell. Die Kaltlaufphase reduziert sich auf diese Weise signifikant. Das so im Vorkatalysator 40 gereinigte Abgas kann anschließend entweder über die Turbinen 23b, 23a geleitet werden oder auch, je nach Betriebsweise, über den Waste-Gate- Bypass 57 an diesen Turbinen 23a, 23b vorbei direkt dem Hauptkatalysator 54 zugeleitet werden. Die letztere Maßnahme würde sicherstellen, dass die Turbinen 23a, 23b dem immer noch relativ heißen Abgas 31 keine weitere Energie entziehen, so dass auf diese Weise der Hauptkatalysator 54 noch schneller aufgeheizt wird.
S5: Während die Bypasseinrichtung 41 geschlossen ist, wird die Temperatur fortwährend ermittelt und mit der vorgege- benen Temperaturschwelle TTH verglichen. Ist die ermittelte Temperatur T größer als die vorgegebene Temperaturschwelle TTH , dann wird die Bypasseinrichtung 41 geöffnet, so dass das Abgas nicht mehr über den Vorkatalysator 40 strömt, sondern entweder direkt über die Turbinen 23a, 23b oder über das Waste-Gate-Bypass 57 direkt in den
Hauptkatalysator 54. Dieser Hauptkatalysator 54 ist nun ausschließlich dazu bestimmt, das ihm zugeführte Abgas 31 zu reinigen. Da der Hauptkatalysator 54 aber bereits vorher durch das ihm zugeführte Abgas 54 mehr oder weniger stark erhitzt wurde, ist dieser bereits bei seiner Betriebstemperatur, bei der eine ordnungsgemäße Reinigung der Gasemissionen möglich ist. Oder zumindest wird der Hauptkatalysator 54 dann sehr schnell auf diese Betriebstemperatur erhitzt sein .
Die vorliegende Erfindung sei nicht auf die vorstehenden Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern lässt sich selbstverständlich auf mannigfaltige Art und Weise modifizieren.

Claims

Patentansprüche
1. Turboaufgeladene Brennkraftmaschine (10),
mit einem Motor (12), der abgasseitig einen Abgaskrümmer (14; aufweist,
mit einem Turbolader (20), der zumindest zwei Turboladerstufen (21a, 21b) aufweist und der abgasseitig einen Abgasein- lass (28) und einen Abgasauslass (29) aufweist,
mit einem Vorkatalysator (40) abgasseitig zwischen dem Abgaskrümmer (14) des Motors (12) und dem Abgaseinlass (28) des Turboladers (20) angeordnet ist.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, da du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein Abgasauslasssystem (53) vorgesehen ist, welches abgasseitig zwischen dem Abgassauslass (29) des Turboladers (20) und einem Abgasauslass ( ) der turboaufgeladene Brennkraftmaschine (10) angeordnet ist und welches einen Hauptkatalysator (54) zur Reduzierung von bei der Verbrennung von Kraftstoff im Motor (12) erzeugten Abgasemissionen aufweist.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptkatalysator (54) für einen höheren Abgasdurch- satz als der Vorkatalysator (40) ausgelegt ist.
4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Katalysatorfläche des Vorkatalysators (40) kleiner ist als die aktive Katalysatorfläche des Hauptkatalysators (54) .
5. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, da du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine erste Bypasseinrichtung (41) zur Uberbruckung des Vorkatalysators (40) vorgesehen ist, welche dazu ausgelegt ist, im geöffneten Zustand das von dem Motor (12) erzeugte Abgas an dem Vorkatalysator (40) vorbeizuleiten.
6 . Brennkraftmaschine nach Anspruch 5 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die erste Bypasseinrichtung (41) einen steuerbaren By- passschalter (43) , insbesondere ein Bypassventil (43) und/oder ein Bypassrohrschalter (43) und/oder eine Bypass- klappe (43), aufweist.
7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Rohrleitung (3Id) zum Verbinden des Ab- gaskrummers (14) mit einem Einlass des Vorkatalysators (40) und eine zweite Rohrleitung (31c) zum Verbinden eines Auslasses des Vorkatalysators (40) mit dem Abgaseinlass (28) des Turboladers (29) vorgesehen sind und dass ferner mindestens eine Bypassrohrleitung (42a, 42b) als Bestandteil der erste
Bypasseinrichtung (41) vorgesehen ist, welche über eine erste Rohrabzweigung von der ersten Rohrleitung (3Id) abzweigt und welche über eine zweite Rohrabzweigung in die zweite Rohrleitung (31c) mundet.
8. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Messeinrichtung (60) vorgesehen ist, die die Temperatur (T) des Abgasstroms (31), insbesondere in einem Bereich eines Abgasauslasssystems (53) der Brennkraftmaschine (10), ermittelt.
9. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Messeinrichtung (61) vorgesehen ist, die den Luftdurchsatz (MAF) in einem Frischlufttrakt (24) der Brennkraftmaschine (10) ermittelt.
10. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinrichtung (62) vorgesehen ist, die die Temperatur (T) des Abgasstroms (31) im Bereich eines Abgas- auslasssystems (53) der Brennkraftmaschine (10) und den Luftdurchsatz (MAF) in einem Frischlufttrakt (24) der Brennkraftmaschine (10) aufgrund von bekannten Motorkennwerten und aktuellen Motorparametern aus einer in der Auswerteeinrichtung (62) hinterlegten bekannten Motorkennlinie ermittelt.
11. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung (62) vorgesehen ist, welche mindestens eine Bypasseinrichtung (41, 52, 57) steuert.
12. Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, da du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Steuereinrichtung (62) die Funktion des Bypassschal- ters (43) insbesondere nach Maßgabe der ermittelten Tempera- tur (T) und/oder des ermittelten Luftdurchsatzes (MAF) steuert.
13. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (62) und/oder die Auswerteeinrichtung (62) Bestandteil der Motorsteuerung sind.
14. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Turboladerstufen (21a, 21b) als Hochdruckstufe (21b) mit einer Hochdruckturbine (23b) und einem Hochdruckverdichter (22b) und eine weitere der Turboladerstufen (21a, 21b) als Niederdruckstufe (21a) mit einer Niederdruckturbine (23a) und einem Niederdruckverdichter (22a) ausgebildet ist.
15. Brennkraftmaschine nach Anspruch 14, da du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine zweite Bypasseinrichtung (52) zur Uberbruckung zumindest eines Verdichters (22a, 22b) , insbesondere zumindest des Hochdruckverdichters (22b) , vorgesehen ist und/oder dass eine dritte Bypasseinrichtung (57) zur Uberbruckung zumindest einer Turbine (23a, 23b) , insbesondere zumindest der Hochdruckturbine (23b), vorgesehen ist.
16. Verfahren zum Betreiben einer turboaufgeladenen Brenn- kraftmaschine (10) nach einem der vorherigen Ansprüche,
mit einem ersten Betriebsmodus, bei dem die von dem Motor (12) erzeugten Abgase (31) zunächst über den Vorkatalysator (40) geleitet werden,
mit einem zweiten Betriebsmodus, bei dem der Vorkatalysator (40) überbrückt wird und die von dem Motor (12) erzeugten Abgase (31) über einen dem Vorkatalysator (40) abgasseitig nachgeordneten Hauptkatalysator (54) geleitet werden.
17. Verfahren nach Anspruch 16, da du r ch ge ke nn z e i ch ne t , dass im ersten Betriebsmodus die im Vorkatalysator (40) vorgereinigten Abgase (30) und/oder die nicht gereinigten Abgase (30) auch dem Hauptkatalysator (54) zugeführt werden.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (T) der Abgase (31) gemessen und/oder aus einer bekannten Motorkennlinie und bekannten Motorparametern ermittelt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18, da du r ch ge ke nn z e i ch ne t , dass eine Temperaturschwelle (TTH) vorgegeben wird und dass der Vorkatalysator (40) und der Hauptkatalysator (54) im ersten Betriebsmodus betrieben werden, sofern die ermittelte Temperatur (T) unterhalb der vorgegebenen Temperaturschwelle (TTH) ist, und dass der Vorkatalysator (40) und Hauptkatalysator (54) im zweiten Betriebsmodus betrieben werden, sofern die ermittelte Temperatur (T) oberhalb der vorgegebenen Temperaturschwelle (TTH) ist.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die turboaufgeladenen Brennkraftmaschine (10) unmittelbar nach einem Motorstart zunächst im ersten Betriebsmodus betrieben wird und dass die turboaufgeladenen Brennkraftmaschine (10) anschließend, sofern der Hauptkatalysator (54) eine vorgegebene Temperatur aufweist, im zweiten Betriebsmodus betrieben wird.
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Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20131031

R18D Application deemed to be withdrawn (corrected)

Effective date: 20131101