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Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine mit zweistufiger Abgasturboaufladung und Oxidationskatalysator.
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Hohe spezifische Leistungen und niedrige Kraftstoffverbräuche sind die Hauptanforderungen moderner Dieselmotoren. Zur Begrenzung der limitierten Emissionen, ist ein erheblicher Abgasnachbehandlungsaufwand (Oxidationskatalysatoren, Partikelfilter, SCR-Systeme, Abgasrückführung) und eine permanente Weiterentwicklung und Suche nach Innovationen unumgänglich. Neben anderen Maßnahmen kann durch eine zweistufige Abgasturboaufladung zusätzlich zu den Emissionsvorteilen noch eine deutliche Verbesserung des transienten Motorbetriebsverhaltens erreicht werden.
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Neben einem erwünschten maximales Drehmoment oder geringer spezifischer Kraftstoffverbräuche trat gerade in den letzten Jahren die Abgasnachbehandlung mehr und mehr in den Fokus der Dieselmotorenentwickler. Die immer weiter verschärfte Reglementierung der Abgasemission forderte eine hohe Anzahl an Innovationen, um die Auflagen zu erfüllen. Der Schwerpunkt der Dieselmotorenentwicklung liegt aktuell primär auf der Stickoxid- und Partikelemissionsreduktion. Mit den derzeitig eingesetzten Partikelfiltern werden Partikelabscheideraten von über 99% erzielt. Um die geforderten Grenzen der Stickoxidemissionen einzuhalten, werden bei modernen Dieselmotoren optimierte Brennverfahren mit hohen Abgasrückführraten angewendet.
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Einhergehend damit ist jedoch eine vergleichsweise hohe Kohlenwasserstoff-(HC) und Kohlenmonoxid- (CO) Rohemissionen zu berücksichtigen. Weiter ist bei aktuellen Brennkraftmaschinen, bedingt durch den gestiegenen Wirkungsgrad, eine Absenkung der Abgastemperatur festzustellen. Beide genannten Fakten tragen dazu bei, dass dementsprechend die Katalysatorsysteme und das Katalysatorvolumen und/oder die Edelmetallbeladung deutlich erhöht werden müssen, was letztendlich einen Anstieg der Kosten für die notwendige Abgasnachbehandlung bedeutet. Weiterführend werden zusätzliche Maßnahmen notwendig sein, die die katalytische Effektivität bei der Oxidation der HC- und CO-Emissionen trotz der gesunkenen Abgastemperaturen zu ermöglichen.
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Hierzu wurden in letzter Zeit einige motorische Ansätze zum Heizen der Katalysatoren verfolgt, die eine Anhebung der Abgastemperatur für eine aktive Oxidation der HC-und CO-Emissionen sicherstellen. Sie haben jedoch einen negativen Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch. Gerade vor dem Hintergrund eines angestrebten Flottenverbrauchs von unter 120 g/km sind diese Maßnahmen kritisch zu bewerten.
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Eine konstruktive Maßnahme, um möglichst schnell nach dem Motorstart hohe Umsatzraten zu erreichen, ist die motornahe Anordnung des Katalysators. Folglich wird in aktuellen Abgassystemen größtenteils eine Anbindung des Oxidationskatalysators direkt nach der Turbine des Abgasturboladers umgesetzt. Als Nachteil verbleibt jedoch, dass die Turbine mit ihrer hohen Wärmekapazität ein schnelles Aufheizen des Katalysators verhindert. Der neuartige und letztendlich konsequente Ansatz, den Katalysator vor die Turbine zu verlagern, wurde in den letzten Jahren bereits mehrfach vorgestellt. Dabei standen Vorturbokatalysatoren (PTC), beginnend bei einem Volumen von unter 0,1l bis hin zu einem Volumen von 1l, im Mittelpunkt der Untersuchungen. Die vom Motorstart an deutlich höhere Abgastemperatur sorgt für ein schnelles Erreichen der Anspringtemperatur des Katalysators. Das enorme Potential zur Emissionsabsenkung konnte in ausgiebigen Versuchsreihen nachgewiesen werden. Neben diesem Vorteil des Vorturboladerkatalysatorkonzeptes waren auch signifikante Nachteile gegenüber „konventionellen“ Systemen festzustellen. So war insbesondere bei einer spontanen Lastanforderung bei konstanter Motordrehzahl ein deutlich verzögerter Mitteldruckaufbau zu beobachten.
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Eine zweistufige Aufladegruppe bietet hier die eine Ergänzung zum Vorturboladerkatalysator. Durch die Integration des Katalysators zwischen die Hochdruck- und Niederdruckstufe können die Vorteile der zweistufigen Aufladegruppe mit der des Vorturbokatalysators kombiniert werden.
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Es wurde auch versucht einen Abgaskrümmer zu entwickeln, der ein mögliches Katalysatorvolumen vor der Turbine von bis zu 1 Liter zulässt. Als Versuchsträger wurde ein 2.0-I-EU-V-Common-Rail-Motor eingesetzt. In der Serienkonfiguration sind bei diesem Motor Oxidationskatalysator und Partikelfilter in motornaher Lage direkt am Turboladeraustritt positioniert. Die nachfolgend präsentierten Ergebnisse wurden auf einem hochdynamischen Prüfstand ermittelt. Als Fahrzeug wurde dabei ein PKW mit einem Gewicht von 1645 kg und einem 6-Ganggetriebe modelliert und in ein eigenes Fahrzeugmodell integriert. Für eine sichere Vergleichbarkeit wurde vorab eine neue Abgasanlage hinsichtlich der Emissionseffektivität in verschiedenen Prüfzyklen vermessen. Jeder Test bestand dabei aus einer Regeneration, einer Abkühlphase des gesamten Motors bis auf 20°C und dem eigentlichen Emissionsprüfzyklus. Zur Bewertung der Dauerhaltbarkeit wurde der Katalysator nach Abschluss der ersten Messreihe 16 h bei 800°C hydro-thermal gealtert und erneut den Testzyklen unterzogen. Sehr deutlich ist der Einfluss der Alterung auf die Konvertierungsrate ersichtlich. Im gealterten Zustand können anstatt der ursprünglichen 75 % lediglich 33 % der CO-Masse oxidiert werden. Bei der HC-Emission zeigt sich ein ähnliches Verhalten. So werden hier statt der ursprünglichen 85 %-igen Absenkung der Rohemission lediglich 55 % erreicht. Ursache für dieses Verhalten ist die Verschiebung der Anspringtemperatur des Oxidationskatalysators hin zu höheren Werten. Mit der hier durchgeführten Alterung steigt die Aktivierungstemperatur um ca. 35 K. Um diesen Katalysator als Vorturboladerkatalysator zu vermessen, wurde dieser aus der Anlage entfernt, mit einer Luftspaltisolierung versehen und entsprechend der PTC-Konfiguration (Oxidationskatalysator mit einstufiger Aufladung) am Prüfstand verbaut.
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Mit der Verlagerung des Oxidationskatalysators vor die Turbine verändert sich gleichzeitig der Temperaturbereich, in dem er betrieben wird. Somit können selbst im gealterten Zustand noch 57% der CO-Rohemission beziehungsweise 61% der HC-Rohemission oxidiert werden.
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Wie bekannt, besitzt die PTC-Konfiguration auch einen entscheidenden Nachteil: Im Fall einer spontanen Lastaufschaltung stellt der Vorturbokatalysator mit seiner vergleichsweise hohen Wärmekapazität eine erhebliche Wärmesenke dar. Die Auswirkungen sind eine geringere Turbinenleistung eines Abgasturboladers und ein damit verzögerter Lade- und Mitteldruckaufbau. Besonders bei Motordrehzahlen unter 2000min-1 ist dieser Effekt deutlich zu spüren.
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Bekannt ist es auch, dass gerade eine zweistufige Aufladeeinheit durch den Einsatz eines kleineren Hochdruckabgasturboladers (geringes polares Trägheitsmoment, hohes Aufstauverhalten) einen sehr schnellen Ladedruckaufbau bei niedrigen Motordrehzahlen ermöglicht.
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In der
WO 2008/155268 A1 wird vorgeschlagen einen Oxidationskatalysator vor der Turbine eines Hochdruckturboladers anzuordnen und zur Umgehung des Oxidationskatalysators eine mit einem Ventil versehene Bypassleitung für das Abgas, um den Oxidationskatalysator herum, vorzusehen. Dadurch kann unter bestimmten Betriebsbedingungen dieser Oxidationskatalysator umgangen werden und das Abgas direkt vom Krümmer der Brennkraftmaschine ohne jegliche Abgasnachbehandlung der Turbine eines Hochdruckabgasturboladers zugeführt werden. Zur Einhaltung der Abgaswerte ist dabei aber ein zweiter Oxidationskatalysator erforderlich, der im Anschluss an die Turbine eines Niederdruckabgasturboladers angeordnet ist und den in jedem Fall das gesamte Abgas zu einer Nachoxidation von CO und CH-Verbindungen durchströmt. Dies bewirkt einen erhöhten Aufwand und erhöhte Kosten. Außerdem können durch die ggf. noch nicht ausreichende Temperatur des zweiten Oxidationskatalysators bei bestimmten Betriebsbedingungen die geforderten Abgasgrenzwerte zumindest zeitweise nicht eingehalten werden.
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So sind in
DE 10 2008 017 280 A1 eine Anordnung und Verfahren zur Beeinflussung des Umsatzverhaltens von Abgaskatalysatoren beschrieben, bei dem eine Bypassleitung um eine Turbine eines Hochdruckturboladers zu einem Katalysator geführt ist.
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Die
DE 10 2004 027 593 A1 betrifft eine Motoranlage mit Abgasturboaufladung und Betrieb eines SCR-Katalysators. Dabei ist eine Bypassleitung um den Katalysator herumgeführt.
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Aus
EP 1396 619 A1 ist ein Aufladesystem für eine Brennkraftmaschine bekannt, bei der eine Rohrleitung zur Überbrückung einer Turbine eines Abgastorboladers mit einer Schaltvorrichtung vorhanden sind, über die Teilmengen an Abgas einstellbar sind, die über eine Turbine und einen Katalysator geführt werden können.
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In
WO 2012/028768 A1 ist ein Abgassystem für eine selektive katalytische Reduktion beschrieben, bei der eine Bypassleitung um eine Turbine eines Abgasturboladers als sogenanntes „Wastegate“ herum geführt ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Emissionswerte einer Brennkraftmaschine für CO und HC-Verbindungen mit geringem konstruktiven Aufwand zu reduzieren sowie unter allen Betriebsbedingungen, außer innerhalb einer verkürzten Kaltstartphase, eine zumindest nahezu vollständige oxidative Nachbehandlung des Abgases einhalten zu können.
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Dabei soll zu jeder Zeit der gesamte Abgasmassenstrom durch den einen Oxidationskatalysator strömen.
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Als weitere Randbedingungen für die Konstruktion sollten ein möglichst geringer Bauraumbedarf sowie eine Minimierung der wärmeübertragenden Oberflächen sowie der Strömungsvolumina vor der Niederdruckturbine vorgegeben sein.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Brennkraftmaschine, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Sie kann mit einem Verfahren nach Anspruch 6 betrieben werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
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Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind eine zweistufige Abgasturboaufladung und ein Oxidationskatalysator vorhanden. Im Anschluss an einen Abgaskrümmer ist eine Abgasleitung zu einem Oxidationskatalysator geführt. Abgas, das aus dem Oxidationskatalysator austritt, wird zur Turbine eines Niederdruckabgasturboladers über eine weitere Abgasleitung geführt. Mit dem Verdichter des Niederdruckabgasturboladers wird Ansaugluft in die Ansaugleitung der Brennkraftmaschine komprimiert.
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An die Abgasleitung zwischen dem Abgaskrümmer und dem einzigen Oxidationskatalysator ist eine weitere Abgasleitung zur Turbine eines Hochdruckabgasturboladers geführt und zwischen der Abgasleitung, die zwischen dem Abgaskrümmer und dem Oxidationskatalysator und der Abgasleitung, die zur Turbine des Hochdruckturboladers geführt ist, ist ein regelbares Ventil angeordnet. Mit dem regelbaren Ventil erfolgt eine Regelung des Abgasvolumenstroms, der jeweils durch die Abgasleitung, die zwischen dem Abgaskrümmer und dem Oxidationskatalysator angeordnet ist, und die Abgasleitung,die zur Turbine des Hochdruckturboladers geführt ist. geführt wird.
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Das regelbare Ventil kann als Klappenventil ausgebildet sein. Solche Ventile können einfach, ausreichend genau und mit kleiner Zeitkonstante betrieben werden.
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Das regelbare Ventil kann in Abhängigkeit des Motorkennfeldes und/oder der Temperatur des Oxidationskatalysators geregelt werden. So kann es generell die Abgasleitung, die zur Turbine des Hochdruckturboladers geführt ist, verschließen, wenn der Oxidationskatalysator die für seine Funktion erforderliche Temperatur nicht erreicht hat bzw. diese nicht aufweist. Ist diese Temperatur nicht erreicht, sollte das gesamte Abgas direkt in den Oxidationskatalysator strömen. Es kann geöffnet werden, wenn betriebsbedingt eine erhöhte Leistung der Brennkraftmaschine abgerufen wird.
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Aus der Turbine des Hochdruckabgasturboladers kann austretendes Abgas dem Oxidationskatalysator und/oder einer Abgasrückführung in die Brennkraftmaschine direkt, ohne weitere Verdichtung zugeführt werden. Dies kann mittels einer elektronischen Steuerung der Brennkraftmaschine bzw. eines Fahrzeugs erfolgen. Dabei kann der jeweils gewünschte Betriebszustand und das Kennfeld der Brennkraftmaschine berücksichtigt werden.
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Es kann bei abgeforderter hoher Leistung der Brennkraftmaschine der gesamte von dem Verdichter des Niederdruckabgasturboladers vorverdichteter Ansaugluftvolumenstrom dem Verdichter des Hochdruckabgasturboladers zugeführt werden. Bei kleiner abgeforderter Leistung kann der gesamte vom Niederdruckabgasturbolader vorverdichtete Abgasvolumenstrom direkt den Ansaugkanälen der Brennkraftmaschine zugeführt werden. Es ist auch ein Mischbetrieb möglich, bei dem ein Teil des vorverdichteten Ansaugluftvolumenstroms dem Verdichter des Hochdruckabgasturboladers und ein Teil des Ansaugvolumenstroms den Ansaugkanälen direkt zugeführt werden kann.
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Der freie innere Querschnitt der Abgasleitung, die vom Abgaskrümmer zur Turbine des Hochdruckabgasturboladers führt, soll kleiner als der freie Querschnitt der Abgasleitung sein die vom Abgaskrümmer zum Oxidationskatalysator führt, sein. Dadurch kann auch bei vollständig in Richtung Turbine des Hochdruckabgasturboladers geöffnetem regelbaren Ventil gesichert werden, dass immer ein Teil des Abgases direkt vom Abgaskrümmer in den Oxidationskatalysator strömt und dort nachbehandelt wird.
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Die gesamte vorverdichtete Ansaugluft kann durch mindestens einen Ladeluftkühler geführt werden, bevor er in die Ansaugkanäle eintritt.
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In Strömungsrichtung des Abgases im Anschluss an die Turbine des Niederdruckabgasturboladers kann ein Dieselpartikelfilter angeordnet sein.
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann so betrieben werden, dass das regelbare Ventil die Abgasleitung, die vom Abgaskrümmer zur Turbine des Hochdruckabgasturboladers führt, zumindest dann vollständig sperrt, wenn der Oxidationskatalysator, die für seinen Betrieb erforderliche Temperatur (Light off) nicht erreicht.
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Das regelbare Ventil kann die Abgasleitung, die vom Abgaskrümmer zur Turbine des Hochdruckabgasturboladers führt, teilweise oder vollständig öffnen, wenn die für den Betrieb des Oxidationskatalysators erforderliche Temperatur erreicht ist und von der Brennkraftmaschine eine erhöhte Leistung abgefordert wird.
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Mit dem Verdichter des Niederdruckabgasturboladers kann verdichtete Ansaugluft dem Verdichter des Hochdruckturboladers und/oder über eine Bypassleitung direkt dem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine zugeführt werden.
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Als Niederdruckstufe dient der Niederdruckabgasturbolader. Um den Regelaufwand möglichst gering zu halten, kann ein selbstregelndes Verdichterbypassventil eingesetzt werden.
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Bei der Erfindung ist es auch vorteilhaft, dass erhöhte Temperaturen am Oxidationskatalysator erreicht werden können, mit denen eine durch Alterung reduzierte Konvertierbarkeit von CO und CH-Verbindungen kompensiert werden kann.
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Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
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Dabei zeigen:
- 1 ein Blockschaltbild eines Beispiels einer Brennkraftmaschine;
- 2 Diagramme mit Daten, die bei einem NEFZ-Fahrzyklus für zwei herkömmlich ausgebildete Brennkraftmaschinen und die mit einer vergleichbaren erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ermittelt worden sind;
- 3 Diagramme mit Daten als Ergebnis einer Lastaufschaltung von 2 bar effektiver Mitteldruck auf Volllast bei einer Drehzahl von 1250 min-1, die für zwei herkömmlich ausgebildete Brennkraftmaschinen und die mit einer vergleichbaren erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ermittelt worden sind und
- 4 Diagramme mit Daten als Ergebnis einer geregelten Lastaufschaltung bei einer Drehzahl von 1500 min-1, die für zwei herkömmlich ausgebildete Brennkraftmaschinen (a, b) und die mit einer vergleichbaren erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine (c) ermittelt worden sind
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Dabei handelt es sich um einen 4-Zylinder Reihendieselmotor mit Kraftstoffdirekteinspritzung. Der Hubraum beträgt 1968 cm3 und das Verdichtungsverhältnis liegt bei 16,5 : 1 (Bohrung = 81 mm; Hub = 95,5 mm). Er erreichte eine maximale Leistung von 103 kW bei einer Drehzahl von 4000 min-1 und ein maximales Drehmoment von 320 Nm bei Drehzahlen zwischen 1750 min-1 und 2500 min-1. Es ist ein Common-Rail-Einspritzsystem vorhanden, das einen maximalen Einspritzdruck von 1800 bar realisieren kann.
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An die Auslasskanäle ist ein Abgaskrümmer 3 angeschlossen, der in die Abgasleitung 2 mündet. Durch die Abgasleitung 2 kann das gesamte Abgas aus der Brennkraftmaschine in und durch den Oxidationskatalysator 1 strömen, wenn mit dem regelbaren Ventil die Abgasleitung 7, die zur Turbine des Hochdruckabgasturboladers führt, geschlossen ist.
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Dieser Zustand soll zumindest in der Kaltstartphase eingehalten sein, bis der Oxidationskatalysator 1 seine für einen effektiven Betrieb erforderliche Temperatur von 250 °C erreicht hat. Der Oxidationskatalysator 1 hat ein Innenvolumen von 0,69 l und die aktive Oberfläche in seinem Inneren war mit Platin und Palladium als katalytisch wirkende Komponenten belegt. Dabei war ein Verhältnis von 2 zu1 für Platin zu Palladium eingehalten.
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Das aus dem Oxidationskatalysator 1 austretende Abgas gelangt über die Abgasleitung 5 in die Turbine 4.1 des Niederdruckabgasturboladers 4 eintritt und diese beschleunigen kann. In Strömungsrichtung des Abgases schließt sich bei diesem Beispiel ein Dieselpartikelfilter 13 an. Von der Turbine 4.1 wird der Verdichter 4.2 des Niederdruckabgasturboladers 4 über eine Welle angetrieben. Mit dem Verdichter 4.2 wird über eine Leitung 14 Ansaugluft aus der Umgebung und bevorzugt einem Luftfilter (nicht dargestellt) angesaugt und vorverdichtet. Die so vorverdichtete Ansaugluft kann dann über die Leitung 16 direkt dem Verdichter 8.2 des Hochdruckabgasturboladers 8 und/oder über die Bypassleitung 10 dem Ansaugtrakt 11 zugeführt werden. Der jeweilige Volumenstrom wird mittels des Ventils 15 geregelt.
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Bei diesem Beispiel ist an den Abgaskrümmer 3 auch eine Abgasrückführung 12 vorhanden. Der Anteil an in die Brennkraftmaschine rückgeführtem Abgas kann mit dem Ventil 17 geregelt werden.
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Bei diesem Beispiel verfügt der Niederdruckabgasturbolader 4 über verstellbare Schaufeln, so dass mit der Einstellbarkeit des Schaufelwinkels Einfluss auf die Vorverdichtung der Ansaugluft genommen werden kann.
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In nicht dargestellter Form kann das aus der Turbine 8.1 des Hochdruckabgasturboladers 8 austretende Abgas vollständig in den Oxidationskatalysator 1 geführt werden. Es besteht dabei aber auch die Möglichkeit zumindest einen Teil dieses Abgases in die Abgasrückführung 12 einzuspeisen.
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In ebenfalls nicht dargestellter Form kann eine Einspritzeinrichtung für einen katalytisch wirkenden Stoff, der bei einer selektiven katalytischen Reduktion (SCR) eingesetzt wird, vorgesehen werden. Diese Einspritzung kann vor oder nach dem Oxidationskatalysator 1 erfolgen. Die eigentliche selektive katalytische Reduktion kann im Anschluss an die Turbine 4.1 des Niederdruckabgasturboladers 4 erfolgen.
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Zur Sicherung der Vergleichbarkeit zwischen einem herkömmlichen Aufbau und einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind bei den nachfolgenden vergleichenden Betrachtungen alle anderen Komponenten in gleicher Form beibehalten worden. Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine zeichnet sich durch geringen Bauraumbedarf und hohe Kompaktheit aus.
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Um ein möglichst schnelles Aufheizen des Oxidationskatalysators zu erreichen, ist es vorteilhaft, zwischen verschiedenen Betriebsarten der zweistufigen Aufladung zu unterscheiden. So soll in der Aufheizphase des Oxidationskatalysators 1 die Aktivierung der Hochdruckabgasturboladerstufe 8 prinzipiell unterbunden werden. Das regelbare Ventil 9, das als Klappenventil, und besonders bevorzugt als ein 2/3-Wegeventil ausgebildet sein kann, bleibt in dieser Phase voll geöffnet, um möglichst wenig Strömungsverluste zu erzeugen. Das warme Abgas wird somit auf kurzem Weg direkt zum Oxidationskatalysator 1 geführt. Hat die mittlere Temperatur des Oxidationskatalysators 1 die Aktivierungstemperatur überschritten, kann die Hochdruckstufe „freigegeben“, also der Hochdruckabgasturbolader 8 werden, wenn dies betriebsbedingt erforderlich ist.
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Ab diesem Zeitpunkt kann das regelbare Ventil 9 bzw. die Abgasklappe leicht geöffnet bzw. angestellt werden, um die Schließzeit im Fall einer spontanen Lastanforderung zu minimieren und am Hochdruckabgasturbolader 8 ein höheres Drehzahlniveau vorzuhalten. Diese Strategie hat sich im Versuch als vorteilhaft erwiesen.
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Da der NEFZ-Fahrzyklus als zulassungsrelevanter Prüfzyklus gilt, werden die nachstehend genannten Ergebnisse vorrangig diesen Prüfzyklus betreffen. In Diagramm (2) sind die wichtigsten Messergebnisse im Vergleich zwischen einer herkömmlichen Ausführung mit einem vor einem Turbolader angeordneten Oxidationskatalysator und der erfindungsgemäßen Ausführung mit zweistufiger Aufladung dargestellt.
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Die in den 2 bis 4 gezeigten Messwertverläufe geben die Werte für eine unveränderte Basisvariante der Brennkraftmaschine - a, eine Variante mit vor einem Abgasturbolader angeordneten Oxidationskatalysator mit einstufiger Aufladung - b und für eine erfindungsgemäß ausgebildete Variante - c an.
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Das Light-Off-Verhalten der erfindungsgemäßen zweistufigen Aufladung mit integriertem Oxidationskatalysator list dem der herkömmlichen Ausführung deutlich überlegen. Bereits nach ca. 60 s können über 90 % der CO- und über 75 % der HC-Rohemission konvertiert werden. Für vergleichbare Konvertierungsraten benötigt die herkömmliche Version nahezu das 10-fache an Zeit. Dieser entscheidende Zeitgewinn wird eindeutig durch die Anordnung des Oxidationskatalysators 1 vor der Turbine 4.1 eines Niederdruckabgasturboladers 4 und dadurch erreicht, dass das Abgas zumindest in der Kaltstartphase durch keine Turbine eines Turboladers geführt werden muss und den Oxidationskatalysator 1 unmittelbar nach dem Austritt aus einem Abgaskrümmer 3 erreicht.
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Prinzipiell bekannt ist, dass sich jede Vergrößerung der Oberfläche oder des Volumens vor einer Turbine nachteilig auf die transiente Performance eines Motors im unteren Drehzahlbereich auswirkt. Vorrangiges Ziel der zweistufigen Aufladung mit integriertem Oxidationskatalysator 1 ist es bei der Erfindung folglich, diesen Nachteil zu minimieren, aufzuheben oder bestenfalls in einen Vorteil umzukehren.
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Als Untersuchungsfall wurde bei einem konkreten Beispiel, auf das nachfolgend noch eingegangen werden soll, eine Lastaufschaltung bei einer Motordrehzahl von 1250 min-1 und einem effektivem Mitteldruck von 2 bar ohne Modellregelung gewählt. Die Regelung des Abgasstromes wurde zunächst nicht aktiviert, um das reine Potential der zweistufigen Abgasturboaufladung aufzuzeigen. Die Lastaufschaltung in diesem Betriebspunkt ist insofern interessant, da diese Brennkraftmaschine aufgrund der geringen Drehzahl nur wenig Masse durchsetzt. Im Test wurde die zweistufige Aufladung mit und ohne Oxidationskatalysator 1 im Vergleich zur herkömmlichen Brennkraftmaschine bewertet. Die Ergebnisse sind in 3 dargestellt.
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Wie zu erkennen ist, wurde mit Lastanforderung das regelbare Ventil 9 (Abgasregelklappe), das zwischen Abgaskrümmer 3 und Oxidationskatalysator langeordnet ist, vollständig geschlossen und für die VTG-Stellung, der Turbine 4.1 des Niederdruckabgasturboladers 4 eine optimale mittlere Position gewählt. Diese Erkenntnisse zur bestmöglichen VTG-Ansteuerung wurden in den Voruntersuchungen der herkömmlichen Konfiguration gewonnen. Hier zeigte sich, dass ein zu starkes Schließen der VTG-Schaufeln, der Turbine 4.1 des Niederdruckabgasturboladers 4, zwar das Aufstauverhalten der Turbine 4.1 erhöht, jedoch aufgrund des schlechten Wirkungsgrades der VTG-Turbine 4.1nicht zum schnelleren Hochlauf des Turboladerlaufzeugs beiträgt. Eine Ladungswechselanalyse zeigte zudem, dass sich durch das Öffnen der VTG die Ladungswechselverluste deutlich reduzieren ließen. Im Ergebnis der hier durchgeführten Lastaufschaltung ist zu erkennen, dass bereits nach 2 s der maximale effektive Mitteldruck der Basisbrennkraftmaschine überschritten wird. Dies liegt vor allem am schnellen Hochlauf der Turbine 8.1 des Hochdruckabgasturboladers 8, die bereits nach 2 s ausreichend Ladedruck bereitstellen kann. Bei der Interpretation der Ergebnisse ist zu beachten, dass die Einspritzmasse steuergeräteseitig begrenzt ist, sodass ab ca. 2 s eine weitere Anhebung des effektiven Mitteldruckes in diesem Versuch nicht möglich war. Der relativ hohe Wert für das Luftverhältnis (Basis 1,1 / zweistufig 1,3) zeigt, das hier noch erhebliches Potential für eine Anhebung des effektiven Mitteldrucks besteht. Deutlich wird auch, dass zwischen der zweistufigen Aufladung mit und ohne Oxidationskatalysator 1 in Bezug zur Basisbrennkraftmaschine kaum Unterschiede erkennbar sind.
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Nachdem das Potenzial der zweistufigen Abgasturboaufladung eindrucksvoll aufgezeigt werden konnte, wurde eine angepasste Steuerung zu dieser zweistufigen Aufladung entwickelt. Neben einer Erkennung eines „Boost-Bedarfs“, der das regelbare Ventil 9 (Abgasklappe), die zwischen der Turbine 8.1 des Hochdruckabgasturboladers 8 und des Oxidationskatalysators 1 angeordnet ist, schließt und die Hochdruckturboladerstufe aktiviert, wurde auch eine VTG-Stellungsüberwachung der Schaufeln des Niederdruckabgasturboladers 4, die aus Modelldaten eine aktuelle Leistungsoptimale VTG-Stellung berechnet, in die Steuerung implementiert. In 4 sind die Ergebnisse für eine Lastaufschaltung bei einer Motordrehzahl von 1500 min-1 dargestellt. Zum Vergleich sind die Daten der Basisbrennkraftmaschine und Ergebnisse eines Versuchs mit einer einstufigen Turboaufladung und vorab angeordneten Oxidationskatalysator (PTC) angegeben.
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Durch die Verlagerung des Oxidationskatalysators vor eine Turbine 4.1 eines Niederdruckabgasturboladers 4 bei einer zweistufigen Aufladung konnten deutlich verbesserte Konvertierungsraten erreicht werden. Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit zweistufiger Abgasturboaufladung mit integriertem Oxidationskatalysator 1 können die Emissionsvorteile des nah an der Brennkraftmaschine angeordneten Oxidationskatalysators 1 vor der Turbine 8.1 eines Turboladers 8 mit den Vorteilen der zweistufigen Aufladung im transienten Motorbetrieb verbessert ausgenutzt werden. Es konnte gezeigt werden, dass die Aktivierungstemperatur für die Oxidation der HC- bzw. CO-Emissionen schon nach 60 s im NEFZ-Fahrzyklus erreicht werden kann. Der Wert für die Ausgangsbasisbrennkraftmaschine lag beim 6-10-Fachen, der mit der Erfindung erreichten Zeit bis zum Erreichen der für den effektiven Betrieb des Oxidationskatalysators 1 erforderlichen Temperatur. Im NEFZ-Fahrzyklus konnte eine Absenkung die CO-Emissionen um 36 % und die der HC-Emission um 19 % nachgewiesen werden. In den Versuchen konnte gezeigt werden, dass es durch den Einsatz des Hochdruckabgasturboladers 8 in Verbindung mit dem erfindungsgemäß angeordneten Oxidationskatalysator 1 das Response-Verhalten bei gleichzeitiger Anhebung des effektiven Mitteldrucks bei niedriger Motordrehzahl verbessert werden kann.
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Die Zeit bis zum Erreichen des Volllastmitteldrucks der Basisbrennkraftmaschine konnte mit der zweistufigen Variante in etwa halbiert werden. Vorteile können sich auch durch die zusätzliche Integration eines SCR-Systems ergeben. Dabei kann die Zugabe von Ammoniak, Harnstoff oder eines anderen für die Reduktion von Stickoxiden geeigneten Reduktionsmittels vor der Turbine 4.1 des Niederdruckabgasturboladers 4 erfolgen.
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Zusätzlich zu den bisher genannten Maßnahmen bietet sich auch der Einsatz einer Niederdruckabgasrückführung 18 an.