DE102004049218A1 - Brennkraftmaschine mit Abgasrückführungseinrichtung - Google Patents

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Abstract

Eine Brennkraftmaschine weist eine Abgasrückführungseinrichtung auf, die eine Rückführleitung zwischen dem Abgasstrang und dem Ansaugtrakt und ein in der Rückführleitung angeordnetes einstellbares Rückführventil umfasst. Im Ansaugtrakt ist stromauf der Einmündung der Rückführleitung in den Ansaugtrakt eine Lufttrenneinrichtung angeordnet, über die der in den Ansaugtrakt geleitete Verbrennungsluftstrom in einen sauerstoffarmen Teilluftstrom und einen sauerstoffreichen Teilluftstrom zu separieren ist. Der sauerstoffarme Teilluftstrom ist den Zylindern der Brennkraftmaschine zuführbar.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine mit Abgasrückführeinrichtungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
  • In der Druckschrift DE 102 45 388 A1 wird eine Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader beschrieben, bei der im Abgasstrang eine Abgasturbine und im Ansaugtrakt ein mit der Abgasturbine drehfest gekoppelter Verdichter angeordnet ist, wobei die Abgasturbine von den unter Druck stehenden Abgasen der Brennkraftmaschine angetrieben und diese Drehbewegung über eine Welle auf den Verdichter übertragen wird, der daraufhin unter Umgebungsdruck stehende Verbrennungsluft ansaugt und auf einen erhöhten Ladedruck verdichtet. Zur Reduzierung der NOx-Emissionen ist die Brennkraftmaschine mit einer Abgasrückführungseinrichtung ausgestattet, welche eine Rückführleitung zwischen dem Abgasstrang stromauf der Abgasturbine und dem Ansaugtrakt stromab des Verdichters einschließlich einem Sperrventil in der Rückführleitung umfasst. Insbesondere im Teillastbereich wird das Sperrventil in der Abgasrückführleitung geöffnet, woraufhin ein Teilmassenstrom des unter Druck stehenden Abgases aus dem Abgasstrang über die Rückführleitung in den Ansaugtrakt geleitet und dort mit der herangeführten Verbrennungsluft vermischt wird. Allerdings besteht bei der Abgasrückführung das Problem, dass die mit dem Abgas in Kontakt gelangenden Bauteile einer Verschmutzung und bei hohen Temperaturen gegebenenfalls einer Verkokung unterworfen sind. Beispielsweise ist ein in der Abgasrückführleitung angeordneter Wärmetauscher der Gefahr einer derartigen Verschmutzung bzw. Verkokung ausgesetzt. Hiermit einher gehen Funktionsstörungen bzw. -minderungen.
  • Um den Sauerstoffanteil in der Verbrennungsluft und damit einhergehend auch die NOx-Emission im Teillastbetrieb zu reduzieren, wird gemäß einer in der Druckschrift DE 102 33 182 A1 beschriebenen alternativen Ausführung vorgeschlagen, anstelle einer Abgasrückführung eine Lufttrenneinrichtung im Ansaugtrakt vorzusehen, welche in der Lage ist, die herangeführte Verbrennungsluft in einen ersten Teilstrom mit reduziertem Sauerstoff und einen zweiten Teilstrom mit erhöhtem Sauerstoffanteil zu separieren. Der Teilstrom mit reduziertem Sauerstoffgehalt bzw. erhöhtem Stickstoffanteil wird als Verbrennungsluft den Zylindern der Brennkraftmaschine zugeführt, wohingegen der Teilluftstrom mit erhöhtem Sauerstoffanteil in die Umgebungsluft abgeleitet wird. Der an der Verbrennung teilnehmende Massenstrom mit reduziertem Sauerstoffgehalt soll zu einer Reduzierung der Stickoxidemissionen führen.
  • Die Lufttrenneinrichtung stellt einen Strömungswiderstand dar, der durch erhöhte Verdichterarbeit kompensiert werden muss. Dies ist bei der Dimensionierung des Abgasturboladers zu berücksichtigen.
    •
  • Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Stickoxidemissionen einer Brennkraftmaschine zu reduzieren. Der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine soll hierbei so wenig wie möglich beeinträchtigt werden.
  • Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
  • Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine weist sowohl eine Abgasrückführungseinrichtung als auch eine Lufttrenneinrichtung im Ansaugtrakt auf, sodass die Vorteile beider Systeme kombiniert werden. Es ist insbesondere möglich, in definierten Betriebsphasen den Sauerstoffanteil in der zuzuführenden Verbrennungsluft in der Lufttrenneinrichtung zu reduzieren, indem in der Lufttrenneinrichtung der gesamte herangeführte Luftstrom in zwei Teilströme aufgeteilt wird, von denen ein Teilstrom einen reduzierten Sauerstoffgehalt und der andere Teilstrom einen erhöhten Sauerstoffgehalt besitzt. Der Teilstrom mit reduziertem Sauerstoffgehalt – bzw. relativ erhöhtem Stickstoffanteil – wird den Zylindern der Brennkraftmaschine zugeführt, wodurch eine Reduzierung der Stickoxidemissionen insbesondere im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine erzielt werden kann. Der zweite Teilluftstrom mit angereichertem Sauerstoff wird zweckmäßig in die Atmosphäre ausgeleitet, wobei gegebenenfalls auch eine Weiterverwendung dieses Teilluftstromes in Frage kommt.
  • Da in der Betriebsweise mit abgesperrter Abgasrückführung die Sauerstoffreduzierung im Verbrennungsluftstrom bzw. die Stickstoffanreicherung ausschließlich über die Lufttrenneinrichtung erfolgt und jegliche Beimengung von Abgas unterbunden ist, kann auch keine der Brennkraftmaschine zugeordnete Aggregate verschmutzen oder verkoken. Hierdurch wird die Lebensdauer dieser Aggregate erheblich erhöht.
  • Zur Verbesserung des Wirkungsgrades kann es zweckmäßig sein, die Abgasrückführung zu öffnen, sodass Abgas aus dem Abgasstrang in den Ansaugtrakt überführt wird. Aufgrund des erhöh ten Abgasgegendruckes kann dies in einem verhältnismäßig breiten Betriebskennfeld durchgeführt werden. Hierbei wird zweckmäßig zusätzlich die Verbrennungsluft in der Lufttrenneinrichtung in die beiden Teilströme separiert, wobei der Teilstrom mit reduziertem Sauerstoffgehalt mit dem rückgeführten Abgas vermengt wird. Da das Abgas stromab der Lufttrenneinrichtung in den Ansaugtrakt eingeleitet wird, ist eine Verschmutzung der Lufttrenneinrichtung sicher ausgeschlossen. Aufgrund der Vermengung von Verbrennungsluft mit reduziertem Sauerstoffgehalt und Abgas kann ein geringerer Abgasmassenstrom an der Rückführung teilnehmen, als dies bei Ausführungen im Stand der Technik der Fall ist. Auch hierdurch wird der Verschmutzungs- bzw. Verkokungsgrad reduziert.
  • Es besteht außerdem über die separate Einstellung der Lufttrenneinrichtung und der Abgasrückführungseinrichtung ein zusätzlicher Freiheitsgrad, der es erlaubt, das Verhältnis von rückgeführtem Abgas zu sauerstoffreduziertem Verbrennungsluftstrom auf eine optimierte Betriebsweise in einem breiten Betriebsbereich anzupassen. So kommt beispielsweise auch eine Reduzierung der über die Lufttrenneinrichtung geführten Verbrennungsluft und eine entsprechende Erhöhung des rückgeführten Abgasmassenstromes in Betracht bis hin zu dem Fall, dass keine Lufttrennung durchgeführt wird, sodass in bekannter Weise die Verbrennungsluft ohne Lufttrennung den Zylindern der Brennkraftmaschine zugeführt wird, je nach Betriebspunkt mit oder ohne Abgasrückführung.
  • Der Lufttrenneinrichtung kann ein Spülgas zugeführt werden, welches in einen Spülraum im Gehäuse der Lufttrenneinrichtung geleitet wird, in den der Teilluftstrom mit angereichertem Sauerstoffgehalt eingeleitet wird. Die Lufttrenneinrichtung verfügt üblicherweise über eine semipermeable Membran, an der die Lufttrennung durch osmotischen Druckunterschied erfolgt.
  • Das in den Spülraum eingeleitete Spülgas, welches über eine Ablassöffnung bzw. -leitung wieder aus dem Spülraum abgeleitet wird, besitzt eine geringere Sauerstoffkonzentration als die Atmosphärenluft, wodurch unterschiedliche Konzentrationen auf den beiden Seiten der Membran anliegen und die Osmose durch die Membran ermöglicht wird.
  • Als Spülgas kann Abgas verwendet werden, welches zweckmäßig stromab einer Reinigungseinrichtung im Abgasstrang abgegriffen und über eine Spülgasleitung dem Spülraum zugeführt wird. Um eine Förderung des gereinigten Abgases in den Spülraum zu unterstützen, kann es zweckmäßig sein, im Abgasstrang stromab der Abzweigung der Spülgasleitung ein einstellbares Sperrventil vorzusehen, welches zur Erhöhung des die Rückführung fördernden Abgasgegendruckes in eine Schließposition bzw. teilweise geschlossene Position verstellt werden kann.
  • Auch im Bereich des Auslasses des Spülraumes – oder im Bereich einer Auslassleitung, welche vom Spülraum abzweigt – kann ein einstellbares Sperrventil angeordnet sein, welches im gesperrten Zustand eine Ableitung aus dem Spülraum unterbindet, woraufhin eine Lufttrennung mittels Diffusion praktisch nicht mehr stattfindet und der gesamte, in den Ansaugtrakt eingeführte Verbrennungsluftstrom die Lufttrenneinrichtung passiert und in die Zylinder der Brennkraftmaschine geführt wird. Dies entspricht einer Außerbetriebsstellung der Lufttrenneinrichtung.
  • Des Weiteren ist vorteilhaft ein Abgasturbolader mit einer Abgasturbine im Abgasstrang und einem Verdichter im Ansaugtrakt vorgesehen. Die Abgasturbine kann mit einer variablen Turbinengeometrie zur veränderlichen Einstellung des wirksamen Turbineneintrittsquerschnittes ausgestattet sein, was beispielsweise durch ein im Strömungseintrittsquerschnitt an geordnetes Leitgitter mit verstellbaren Leitschaufeln oder durch ein in den Strömungseintrittsquerschnitt axial einschiebbares Leitgitter zu realisieren ist. Über die variable Turbinengeometrie besteht eine zusätzliche Einstellmöglichkeit, wobei im Falle einer den Strömungseintrittsquerschnitt minimierenden Staustellung der Abgasgegendruck stromauf der Abgasturbine erhöht und im Falle einer den Strömungseintrittsquerschnitt maximierenden Öffnungsstellung der Abgasgegendruck reduziert wird.
  • Schließlich kann es zweckmäßig sein, der Brennkraftmaschine eine Blow-By-Pumpe zuzuordnen, welche Entlüftungsgase aus der Brennkraftmaschine bzw. einem der Brennkraftmaschine zugeordneten Aggregat absaugt und in den Abgasstrang stromab der Lufttrenneinrichtung einspeist. Bei diesen Entlüftungsgasen handelt es sich insbesondere um die Gase aus dem Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine, in Betracht kommen aber auch mit Öltröpfchen angereichterte Entlüftungsgase aus dem Gehäuse des Abgasturboladers. Da diese Entlüftungsgase stromab der Lufttrenneinrichtung in den Ansaugtrakt geleitet werden, wird eine Verschmutzung der Lufttrenneinrichtung sicher verhindert.
    •
  • Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und der Zeichnung zu entnehmen, welche eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung und Lufttrenneinrichtung in schematischer Darstellung zeigt.
  • Die Brennkraftmaschine 1 – eine Dieselbrennkraftmaschine oder ein Ottomotor – ist mit einem Abgasturbolader 2 ausgestattet, der eine Abgasturbine 3 im Abgasstrang 4 und einen Verdichter 5 im Ansaugtrakt 6 umfasst, wobei das Turbinenrad über eine Welle 7 drehfest mit dem Verdichterrad gekoppelt ist. Das Turbinenrad der Abgasturbine 3 wird von den unter Überdruck stehenden Abgasen der Brennkraftmaschine 1 angetrieben, wobei diese Drehbewegung über die Welle 7 auf das Verdichterrad des Verdichters 5 übertragen wird, der daraufhin Verbrennungsluft aus der Umgebung ansaugt und auf einen erhöhten Ladedruck verdichtet.
  • Dem Verdichter 5 ist ein Luftfilter 9 im Ansaugtrakt 6 vorgeschaltet. Stromab des Verdichters 5 befindet sich ein Ladeluftkühler 10 im Ansaugtrakt 6, der die komprimierte Verbrennungsluft kühlt. Im weiteren Verlauf befindet sich stromab des Ladeluftkühlers 10 eine Lufttrenneinrichtung 11 im Ansaugtrakt, die den zugeführten Verbrennungsluftstrom in zwei Teilluftströme separiert, nämlich einen mit Sauerstoff angereicherten Teilluftstrom, der über eine Auslassleitung 12 in die Atmosphäre abzuleiten ist, sowie in einen sauerstoffreduzierten Teilluftstrom, welcher in den Ansaugtrakt 6 weitergeführt und schließlich den Zylindern der Brennkraftmaschine 1 zugeführt wird. Im Gehäuse der Lufttrenneinrichtung 11 befindet sich eine semipermeable Membran 13 bzw. eine Mehrzahl derartiger Membrane, an der bzw. an denen die Gastrennung in die Teilluftströme mit reduziertem Sauerstoffgehalt und angereichertem Sauerstoffgehalt stattfindet. Der Teilluftstrom mit angereichertem Sauerstoffgehalt wird in einen die Membrane 13 umgebenden Spülraum 14 geleitet, von dem die Auslassleitung 12 abzweigt. In der Auslassleitung 12 befindet sich ein einstellbares Sperrventil 15.
  • Der Lufttrenneinrichtung 11 ist eine Spülgasleitung 16 zugeordnet, welche stromab einer Abgasreinigungseinrichtung 18 vom Abgasstrang 4 abzweigt und in den Spülraum 14 der Lufttrenneinrichtung 11 einmündet. Die Abgasreinigungseinrichtung 18 umfasst einen Rußfilter sowie einen Katalysator, beispielsweise einen Denox-Katalysator. Über die Spülgasleitung 16, in der sich ein Wärmetauscher 17 zur Kühlung des Spülgases befindet, ist Abgas als Spülgas der Lufttrenneinrichtung 11 zuzuführen. Bei geöffnetem Sperrventil 15 wird das Abgas als Spülgas gemeinsam mit dem ausdiffundierten Teilluftstrom mit erhöhtem Sauerstoffgehalt aus dem Spülraum 14 abgeleitet.
  • Stromab der Abzweigung der Spülgasleitung 16 vom Abgasstrang 4 ist ein weiteres einstellbares Sperrventil 19 im Abgasstrang angeordnet. Wird das Sperrventil 19 in Schließstellung versetzt, steigt der Druck im Abgasstrang stromauf des Sperrventiles 19 an, wodurch eine Rückführung von Abgas als Spülgas in die Lufttrenneinrichtung 11 unterstützt wird.
  • Der Verdichter 3 ist mit einer variablen Turbinengeometrie 8 versehen, über die der wirksame Turbineneintrittsquerschnitt zwischen einer minimalen Stauposition und einer maximalen Öffnungsposition zu verstellen ist. Dies kann in verschiedenen Betriebsphasen der Brennkraftmaschine zur Leistungssteigerung ausgenutzt werden. Sowohl in der befeuerten Antriebsbetriebsweise als auch im unbefeuerten Motorbremsbetrieb kann eine Leistungserhöhung erzielt werden.
  • Die variable Turbinengeometrie 8 kann außerdem zur Unterstützung einer Abgasrückführung vom Abgasstrang in den Ansaugtrakt in Richtung Sperrposition verstellt werden, um ein Druckgefälle zwischen Abgasstrang 4 und Ansaugtrakt 6 einzustellen. Die Abgasrückführung wird mittels einer Abgasrückführungseinrichtung 20 durchgeführt, welche eine Rückführleitung 21 umfasst, die stromauf der Abgasturbine 3 vom Abgasstrang 4 abzweigt und stromab der Lufttrenneinrichtung 11 in den Ansaugtrakt 6 einmündet. In der Rückführleitung 21 befindet sich ein einstellbares Sperrventil 22 sowie ein Abgaskühler 23.
  • Über eine Regel- und Steuereinheit 24 sind sämtliche Aggregate der Brennkraftmaschine 1 in Abhängigkeit von Zustands- und Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 1 einzustellen. Dies betrifft insbesondere die variable Turbinengeometrie 8, das Sperrventil 15 in der Auslassleitung 12 der Lufttrenneinrichtung 11, das Sperrventil 19 stromab der Abgasreinigungseinrichtung 18 im Abgasstrang 4 sowie das Sperrventil 22 in der Abgasrückführungseinrichtung 20.
  • Der Brennkraftmaschine 1 ist außerdem eine Blow-By-Pumpe 25 zugeordnet, welche zweckmäßig unmittelbar von der Brennkraftmaschine 1 angetrieben wird, gegebenenfalls aber auch einen hiervon unabhängigen Antrieb besitzen kann. Über die Blow-By-Pumpe 25 werden Entlüftungsgase der Brennkraftmaschine und/oder eines Aggregates der Brennkraftmaschine abgesaugt und in den Ansaugtrakt stromab der Entlüftungseinrichtung 11 sowie der Mündungsstelle der Abgasrückführungsleitung 21 in den Ansaugtrakt 6 eingeleitet, sodass die Entlüftungsgase dem Verbrennungsprozess zugeführt werden. Vorgesehen ist eine Entlüftung des Kurbelgehäuses der Brennkraftmaschine 1, was über eine Entlüftungsleitung 26a angedeutet ist. Des Weiteren kann auch der Ölverlust des Abgasturboladers 2 abgesaugt werden, wofür eine Entlüftungsleitung 26b vom Gehäuse des Laders abzweigt. Die Entlüftungsleitung 26a und 26b münden in einen gemeinsamen Leitungsabschnitt 26c, über den die Entlüftungsgase der Blow-By-Pumpe 25 zugeführt werden. Von der Blow-By-Pumpe zweigt eine weitere Entlüftungsleitung 27 ab, die stromab der Lufttrenneinrichtung 11 sowie der Abgasrückführungseinrichtung 20 in den Ansaugtrakt 6 einmündet, sodass die ungereinigten Entlüftungsgase erst unmittelbar vor dem Zylindereingang der Brennkraftmaschine zugeführt werden. Auf diese Weise wird eine Verschmutzung insbesondere der Lufttrenneinrichtung 11 verhindert.
  • Im Betrieb der Brennkraftmaschine kann über die Position der Sperrventile 15 und 19 in der Auslassleitung 12 bzw. im Abgasstrang 4 die Lufttrennleistung der Lufttrenneinrichtung 11 gesteuert werden. Bei geschlossenem Sterrventil 15 in der Auslassleitung 12 findet praktisch keine Lufttrennung statt. Bei geöffnetem Sperrventil 15 und gegebenenfalls einem gesperrten oder teilweise gesperrtem Ventil 19 im Abgasstrang 4 zur Überführung von Abgas als Spülgas in den Spülraum 14 der Lufttrenneinrichtung 11 entfaltet diese ihre Wirkung und separiert den zugeführten Verbrennungsluftstrom in die beiden Teilströme mit reduziertem bzw. angereichertem Sauerstoffgehalt. Der Teilluftstrom mit reduziertem Sauerstoffgehalt bzw. damit einhergehend erhöhtem Stickstoffanteil wird den Zylindern der Brennkraftmaschine 1 zugeführt, wodurch insbesondere im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine eine Reduzierung der Stickoxidemissionen erreicht werden kann. Über eine Einstellung des Sperrventils 22 in der Abgasreinigungseinrichtung 18 kann ein Teil des Abgases aus dem Abgasstrang abgezweigt und in den Ansaugtrakt überführt und dort dem Teilmassenstrom der Verbrennungsluft mit erhöhtem Stickstoffanteil vermengt werden. Gegebenenfalls kommt aber auch eine vollständige Absperrung des Sperrventils 22 in Betracht, sodass kein Abgas rückgeführt wird. Ebenso kommt die bereits erwähnte Absperrung des Sperrventils 15 in der Auslassleitung 12 der Lufttrenneinrichtung 11 in Frage, wodurch eine Lufttrennung praktisch ausgeschlossen wird und der gesamte Verbrennungsluftstrom durch die Lufttrenneinrichtung 11 hindurchgeleitet und der Brennkraftmaschine 1 zugeführt wird.

Claims (10)

  1. Brennkraftmaschine mit Abgasrückführungseinrichtung, die eine Rückführleitung (21) zwischen dem Abgasstrang (4) und dem Ansaugtrakt (6) und ein in der Rückführleitung (21) angeordnetes, einstellbares Sperrventil (22) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass im Ansaugtrakt (6) stromauf der Einmündung der Rückführleitung (21) in den Ansaugtrakt (6) eine Lufttrenneinrichtung (11) angeordnet ist, über die der in den Ansaugtrakt (6) geleitete Verbrennungsluftstrom in einen sauerstoffarmen Teilluftstrom und einen sauerstoffreichen Teilluftstrom zu separieren ist, wobei der sauerstoffarme Teilluftstrom den Zylindern der Brennkraftmaschine (1) zuführbar ist.
  2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lufttrenneinrichtung (11) Abgas als Spülgas zuführbar ist.
  3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass stromab einer Reinigungseinrichtung (18) im Abgasstrang (4) eine Spülgasleitung (16) vom Abgasstrang (4) abzweigt und in einen Spülraum (14) der Lufttrenneinrichtung (11) einmündet.
  4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass stromab der Abzweigung der Spülgasleitung (16) vom Abgasstrang (4) ein einstellbares Sperrventil (19) im Abgasstrang (4) angeordnet ist.
  5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass vom Spülraum (14) eine Auslassleitung (12) abzweigt, in der ein einstellbares Sperrventil (15) angeordnet ist.
  6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abgasturbolader (2) mit einer Abgasturbine (3) im Abgasstrang (4) und einem Verdichter (5) im Ansaugtrakt (6) angeordnet ist.
  7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasturbine (3) mit einer variablen Turbinengeometrie (8) zur veränderlichen Einstellung des wirksamen Turbineneintrittsquerschnitts ausgestattet ist.
  8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Blow-By-Pumpe (25) vorgesehen ist, die Entlüftungsgase aus der Brennkraftmaschine (1) absaugt und in den Abgasstrang (4) stromab der Lufttrenneinrichtung (11) einspeist.
  9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Entlüftungsgase aus dem Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine (1) stammen.
  10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6 und 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Entlüftungsgase aus dem Gehäuse des Abgasturboladers (2) stammen.
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