DE102007005246A1

DE102007005246A1 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102007005246A1
Application number: DE102007005246A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dipl.-Phys. Künzel
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2007-02-02
Filing date: 2007-02-02
Publication date: 2007-11-22

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (1), insbesondere in einem Kraftfahrzeug, mit einem in einer Ansaugleitung (3) angeordneten Verdichter (2). Darüber hinaus ist zwischen der Brennkraftmaschine (1) und dem Verdichter (2) ein Ladeluftkühler (4) zum Kühlen der in die Brennkraftmaschine (1) gelangende Ladeluft angeordnet, wobei in einer dem Ladeluftkühler (4) umgehenden Bypassleitung (6) eine Ladeluftvorwärmeinrichtung (7) vorgesehen ist. Erfindungswesentlich ist dabei, dass die Ladeluftvorwärmeinrichtung (7) als Flüssig-/Gaswärmeübertragereinrichtung ausgebildet und in einen Kühlkreis (8) der Brennkraftmaschine (1) integriert ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, mit einem Verdichter, einem Ladeluftkühler sowie einer Ladeluftvorwärmeinrichtung, die in einer den Ladeluftkühler umgehenden Bypassleitung angeordnet ist gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist beispielsweise aus der DE 32 14 205 A1 bekannt, bei welcher die Ladeluft der Brennkraftmaschine durch den Ladeluftkühler und/oder die Ladeluftvorwärmeinrichtung zum Luftsammelrohr der Brennkraftmaschine geleitet wird. An der Einmündung der die kalte und warme Luft führenden Rohre in das Luftsammelrohr ist eine von beiden Luftströmen gegenseitig beaufschlagte und den Öffnungsquerschnitt des ein bzw. anderen Rohres beherrschende Klappe angeordnet, die an einer entgegen dem Kaltluftstrom wirkenden, bei steigender Temperatur der Ladeluft abnehmenden Federspannung aufweisenden Bimetallfeder angreift. Dadurch erhält man ein schnell reagierendes Regelventil, bei dem beispielsweise bei einer plötzlichen Beschleunigung der kalten oder warmen Brennkraftmaschine das Ventil sofort anspricht, indem die Wirkung der Bimetallfeder im wesentlichen überspielt wird.
Bei modernen Testzyklen für Brennkraftmaschinen wird häufig mit niedrigen Abgastemperaturen gearbeitet. Einige der Nachbehandlungssysteme, wie beispielsweise ein SCR-Katalysator, kann in diesen niedrigen Temperaturenbereichen nicht optimal arbeiten. Um die Umsatzraten im SCR-Katalysator erhöhen und den Motor verbrauchsgünstiger einstellen zu können, müssen die Abgastemperaturen ein gewisses Niveau erreichen. Darüber hinaus wird insbesondere im Fahrbetrieb bei Bussen oftmals eine Anspringtemperatur eines Oxidationskatalysators nicht erreicht, wodurch keine passive Regeneration eines Partikelfilters des Oxidationskatalysators möglich ist.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Brennkraftmaschine der eingangs umrissenen Gattung mit einfachen Mitteln dahingehend zu verbessern, dass erhöhte Umsatzraten in einem Abgasnachbehandlungssystem der Brennkraftmaschine erreicht werden können.
Gelöst wird dieses Problem durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei Abgastemperaturen im Abgasnachbehandlungssystem, welche eine optimale Abgasnachbehandlung nicht erlauben, die in die Brennkraftmaschine gelangende Ladeluft vorzuwärmen, indem eine Ladeluftvorwärmeinrichtung in einer einen Ladeluftkühler umgehenden Bypassleitung angeordnet wird und als Energiequelle zum Erwärmen der in die Brennkraftmaschine gelangenden Ladeluft die Ladeluftvorwärmeinrichtung in einem Kühlkreis der Brennkraftmaschine zu integrieren, so dass heißes Kühlmittel aus der Brennkraftmaschine zum Erhitzen der Ladeluft genutzt werden kann. Hierbei ist die Ladeluftvorwärmeinrichtung als Flüssig-/Gaswärmeübertragereinrichtung ausgebildet. Sollte demnach die Temperatur im Abgasnachbehandlungssystem einen bestimmten Grenzwert unterschreiten, kann je nach Bedarf, ein Teil oder die gesamte Ladeluft vorgewärmt werden. Insbesondere bei kleinen Lasten im Leerlauf und im Schubbetrieb des Kraftfahrzeuges kann dadurch die Abgastemperatur deutlich, vorzugsweise um ca. 60° erhöht werden. Durch die erfindungsgemäß ausgebildete und angeordnete Ladeluftvorwärmeinrichtung lassen sich insbesondere höhere Abgastemperaturen erzielen, mit welchen erhöhte Umsatzraten im Abgasnachbehandlungssystem erzielbar sind. Darüber hinaus kann auch die Brennkraftmaschine verbrauchsgünstiger eingestellt werden.
Zweckmäßig ist zumindest eine steuerbare Ventileinrichtung in der Ansaugleitung angeordnet, über welche die durch den Ladeluftkühler und die Ladeluftvorwärmeinrichtung strömende Ladeluftmenge steuerbar ist. Hierdurch kann einfach und schnell die durch den Ladeluftkühler bzw. durch die Lade luftvorwärmeinrichtung strömende Ladeluftmenge gesteuert werden, wodurch je nach Anteil an gekühlter bzw. an vorgewärmter Ladeluft die in die Brennkraftmaschine gelangende Ladeluft exakt temperierbar ist. Sollte dabei die Temperatur im Abgasnachbehandlungssystem eine, zum Betrieb desselben erforderliche Grenztemperatur nicht erreichen, so wird beispielsweise mehr Ladeluft durch die Ladeluftvorwärmeinrichtung geleitet, während beispielsweise die durch den Ladeluftkühler strömende Ladeluftmenge reduziert wird. Dieser Vorgang wird solange fortgesetzt, bis die aus der Brennkraftmaschine austretenden Abgase aufgrund der erhöhten Temperatur der Ladeluftmenge die für den Betrieb des Abgasnachbehandlungssystems erforderliche Grenztemperatur erreicht haben.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Die einzige 1 zeigt eine mögliche Anordnung einer erfindungsgemäßen Ladeluftvorwärmeinrichtung in einer Ansaugleitung einer Brennkraftmaschine.
Entsprechend 1 weist ein erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1, welche beispielsweise in einem nicht gezeigten Kraftfahrzeug angeordnet sein kann, einen Verdichter 2 auf, welcher in einer Ansaugleitung 3 der Brennkraftmaschine 1 angeordnet ist. Zwischen der Brennkraftmaschine 1 und dem Verdichter 2 ist ein Ladeluftkühler 4 zum Kühlen der in die Brennkraftmaschine 1 gelangenden Ladeluft angeordnet. Derartige Ladeluftkühler 4 kommen insbesondere bei durch Verdichter 2 aufgeladenen Brennkraftmaschinen 1 zum Einsatz, wobei der Verdichter 2 die angesaugte Luft verdichtet und unter Druck in einen Zylinderblock 5 der Brennkraftmaschine 1 befördert. Bei der adiabatischen Kompression kommt es dabei zu einer Temperaturerhöhung der angesaugten Frischluft und damit, gemäß dem allgemeinen Gasgesetz, zu einer Verringerung der Dichte der angesaugten Luft in der Brennkraftmaschine 1.
Durch Abkühlung der angesaugten Luft nach der Kompression, d.h. nach dem Verdichter 2, kann die Dichte der komponierten Ansaugluft erhöht werden. Hierdurch gelangt bei Ansaugen mehr Luft in den Zylinder 5, so dass mehr Kraftstoff pro Arbeitsspiel verbrannt werden kann und dadurch Leistung und der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine 1 erhöht werden können.
In einer den Ladeluftkühler 4 umgehenden Bypassleitung 6 ist gemäß der 1 eine Ladeluftvorwärmeinrichtung 7 zum Erwärmen der in die Zylinder 5 gelangenden Ladeluft angeordnet. Dabei ist die Ladeluftvorwärmeinrichtung 7 erfindungsgemäß als Flüssig-/Gaswärmeübertragereinrichtung ausgebildet und in einen Kühlkreis der Brennkraftmaschine 1 integriert. Stromab der Zylinder 5 ist ein Abgasrückführungskühler 9 angeordnet, welcher ausgangsseitig über eine Abgasrückführleitung 10 mit der Ansaugleitung 3 verbunden ist. Ebenfalls stromab der Zylinder 5 der Brennkraftmaschine 1 gelegen ist ein Abgasnachbehandlungssystem 11, welches beispielsweise einen SCR-Katalysator und/oder einen Oxidationskatalysator mit einem Partikelfilter aufweisen kann. Die Abgasrückführung wird dabei in bekannte Weise zur Minderung von Stickstoffoxiden bei der Verbrennung des Kraftstoffs in der Brennkraftmaschine 1 verwendet. Eine derartige Reduktion ermöglicht es, die speziell bei Brennkraftmaschinen 1 für Kraftfahrzeuge vorgeschriebenen Emissionsgrenzwerte einzuhalten.
Optional kann dabei die Ladeluftvorwärmeinrichtung 7 gemäß der 1 auch in einen Kühlkreis 8 des Abgasrückführungskühlers 9 integriert sein.
Da das Abgasnachbehandlungssystem 11, bzw. der darin angeordnete Oxidationskatalysator bzw. SCR-Katalysator eine bestimmte Grenztemperatur für den Betrieb erfordern, ist es insbesondere bei lastarmen Fahrten des mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 1 ausgestatteten Kraftfahrzeuges, also beispielsweise bei einer Bergabfahrt, erforderlich, die der Brennkraftmaschine 1 zugeführte Ladeluft zu erwärmen. Hierzu ist zumindest eine steuerbare Ventileinrichtung 12 vorgesehen, welche in der Ansaugleitung 3 angeordnet ist und über welche eine durch den Ladeluftkühler 4 und die Ladeluftvorwärmeinrichtung 7 strömende Ladeluftmenge steuerbar ist. Ist beispielsweise die Temperatur im Abgasnachbehandlungssystem 11 zu niedrig, so kann beispielsweise eine als Drosselklappe 13 ausgebildete Ventileinrichtung 12 leicht geschlossen werden, während eine Drosselklappe 13' der Ventileinrichtung 12 leicht geöffnet wird, so dass mehr Ladeluft durch die den Ladeluftkühler 4 umgehende Bypassleitung 6 und damit durch die Ladeluftvorwärmeinrichtung 7 strömen kann. Hierdurch wird der insgesamt zu den Zylindern 5 der Brennkraftmaschine 1 gelangende Ladeluftstrom erwärmt, wodurch die für die effektive Abgasnachbehandlung erforderliche Grenztemperatur im Abgasnachbehandlungssystem 11 erreicht werden kann. Um die Ladeluft zu erwärmen, wird dabei erfindungsgemäß die bei der Verbrennung entstehende Abwärme der Brennkraftmaschine 1 genutzt, welche über den Kühlkreis 8 an die Ladeluftvorwärmeinrichtung 7 übermittelt und in dieser auf die Ladeluft übertragen wird.
Eine Steuerung der Ventileinrichtung 12 wird dabei von einer Steuereinrichtung 14 übernommen, welche so ausgebildet ist, dass die durch den Ladeluftkühler 4 und die Ladeluftvorwärmeinrichtung 7 strömende Ladeluftmenge in Abhängigkeit einer Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung 11 steuert. Gemäß der 1 weist dabei die Ventileinrichtung 12 zwei örtlich voneinander getrennte Drosselklappen 13, 13' auf, welche in einem Einmündungsbereich 15 der Bypassleitung 6 in die Ansaugleitung 3 angeordnet sind. Denkbar ist aber auch ein direkt an der Einmündung 15 angeordnete Ventileinrichtung 12.
Durch die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 kann eine bedarfsgerechte Temperierung der Abgase erreicht werden, wodurch sich die Brennkraftmaschine 1 verbrauchsgünstiger einstellen lässt und zugleich deutlich verbesserte Emissionswerte erreicht werden können, da die für die Funktion des Abgasnachbehandlungssystem 11 erforderliche Grenztemperatur vorzugsweise stets erreicht wird.

Claims

Brennkraftmaschine (1), insbesondere in einem Kraftfahrzeug, mit – einem in einer Ansaugleitung (3) angeordneten Verdichter (2), – einem zwischen der Brennkraftmaschine (1) und dem Verdichter (2) angeordneten Ladeluftkühler (4) zum Kühlen der in die Brennkraftmaschine (1) gelangenden Ladeluft, – einer Ladeluftvorwärmeinrichtung (7), die in einer den Ladeluftkühler (4) umgehenden Bypassleitung (6) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeluftvorwärmeinrichtung (7) als Flüssig-/Gas-Wärmeübertragereinrichtung ausgebildet und in einen Kühlkreis (8) der Brennkraftmaschine (1) integriert ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeluftvorwärmeinrichtung (7) in einen Kühlkreis (8) eines Abgasrückführungskühlers (9) integriert ist
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine steuerbare Ventileinrichtung (12) in der Ansaugleitung (3) angeordnet ist, über welche eine durch den Ladeluftkühler (4) und die Ladeluftvorwärmeinrichtung (7) strömende Ladeluftmenge steuerbar ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Ventileinrichtung (12) als Drosselklappe (13) ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung (14) zur Steuerung der zumindest einen Ventileinrichtung (12) so ausgebildet ist, dass sie die durch den Ladeluftkühler (4) und die Ladeluftvorwärmeinrichtung (7) strömende Ladeluftmenge in Abhängigkeit einer Temperatur einer Abgasnachbehandlungseinrichtung (11) steuert.