Brennkraftmaschine mit zweistufiger Aufladung und integriertem Oxidationskatalysator
Die aktuellen und zukünftig anstehenden Zulassungskriterien für Diesel-PKW und Kleintransporter erfordern hohen Aufwand bei der Abgasbehandlung, insbesondere bei der Stickoxid- und Partikelemissionsreduktion. Durch einen Vorturboladerkatalysators (PTC) kann die Light-Off-Temperatur, die erreicht werden muss, um eine optimale Konvertierung der Rohemissionen zu bewirken, deutlich schneller erreicht werden.
Die Nachteile, die durch einen PTC verursacht werden, wie z.B. ein deutlich verzögerter Mitteldruckaufbau bei spontaner Lastanforderung, können durch eine 2-stufige Aufladegruppe ausgeglichen und überkompensiert werden. Durch die Integration des Katalysators zwischen die Hochdruck- und Niederdruckstufe können die Vorteile der 2-stufigen Aufladegruppe mit der des Vorturbokatalysators kombiniert werden.
[Abb. 1] Systemschaubilder für den Basisaufbau, die PTC-Konfiguration und der 2-stufigen Aufladung mit integriertem Katalysator [PTC: Vorturbokatalysator; DOC: Dieseloxidationskatalysator; DPF: Dieselpartikelfilter; VTG-Turbolader: Turbolader mit variabler Turbinengeometrie; AGR-Kühler: Abgasrückführungskühler]
Technische Lösung:
Verschiedene Betriebsarten der Aufladegruppe ermöglichen ein möglichst schnelles Aufheizen des Katalysators. In der Aufheizphase des Katalysators wird die Aktivierung der Hochdruckstufe prinzipiell unterbunden. Die Abgasklappe, ein 2/3-Wegeventil, bleibt in dieser Phase voll geöffnet. Hat die mittlere Katalysatortemperatur die Aktivierungstemperatur überschritten, wird die Hochdruckstufe „freigegeben“. Ab diesem Zeitpunkt wird die Abgasklappe leicht angestellt, um die Schließzeit im Fall einer spontanen Lastanforderung zu minimieren und an der Hochdruckstufe ein höheres Drehzahlniveau vorzuhalten.
[Abb. 2] Betriebsarten der 2-stufigen Aufladung mit integriertem Katalysator
Vorteile:
Durch die Verlagerung des Oxidationskatalysators ist eine deutlich verbesserte Konvertierungsrate im zulassungsrelevanten Fahrzyklus darstellbar. Die Aktivierungstemperatur für die Oxidation der HC- bzw. CO-Emissionen kann schon nach 60 s im NEFZ (Neuer Europäischer Fahrzyklus) erreicht werden. Im NEFZ wurde eine Absenkung die CO-Emissionen um 36 % und die HC-Emission um 19 % nachgewiesen.
In Versuchen im transienten Motorbetrieb konnte der Nachteil des Einsatzes eines PTCs durch die Kombination mit einer 2stufigen Aufladeeinheit ausgeglichen und gerade in den unteren Motordrehzahlen, in denen der Drehmomentaufbau betriebsbedingt eher schleppend verläuft, enorm verbessert werden.
Letztlich ist es möglich die Effektivität des Katalysators deutlich zu erhöhen und somit die steigenden Anforderungen zur Verminderung der Emissionen zu erfüllen, ohne einen Nachteil für das Betriebsverhalten des Motors zu verursachen. Des Weiteren ist eine Erweiterung des Betriebskennfelds möglich und auch eine Verkleinerung des Katalysatorvolumens wäre denkbar, was zu einer signifikanten Kostensenkung führen würde.
Das Patent ist als DE-Schutzrecht angemeldet, ein Aufbau am Prüfstand ist vorhanden. Gesucht werden industrielle Partner, die an einer Lizensierung oder dem Kauf des Schutzrechtes interessiert sind.
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