DE102016218883A1

DE102016218883A1 - Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung und Luftkühlung und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102016218883A1
Application number: DE102016218883.6A
Authority: DE
Inventors: Helmut Kindl; Andreas Kuske; Jörg Kemmerling; Vanco Smiljanovski; Franz Arnd Sommerhoff; Hanno Friederichs; Richard Fritsche
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2016-09-29
Filing date: 2016-09-29
Publication date: 2018-03-29
Anticipated expiration: 2036-09-30
Also published as: DE102016218883B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (1) mit – mindestens einem Zylinder, – einem Ansaugsystem (3) zur Versorgung des mindestens einen Zylinders mit Ladeluft, – einem Abgasabführsystem (2) zur Abführung der Abgase, – einer Abgasrückführung (4, 4´), die eine Rückführleitung (4a) umfasst, welche unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes (2a) von dem Abgasabführsystem (2) abzweigt und unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes (3a) in das Ansaugsystem (3) mündet, wobei in der Rückführleitung (4a) ein Absperrelement (4b) angeordnet ist, und – mindestens einem Luftkühler (5, 5´), der stromaufwärts des zweiten Knotenpunktes (3a) im Ansaugsystem (3) angeordnet ist. Es soll eine Brennkraftmaschine (1) der vorstehenden Art bereitgestellt werden, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden und mit der insbesondere der Problematik infolge Kondensatbildung entgegen gewirkt wird. Erreicht wird dies durch eine Brennkraftmaschine (1) der genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Ansaugsystem (3) stromabwärts des mindestens einen Luftkühlers (5, 5´) eine Senke (3b) aufweist, wobei die Rückführleitung (4a) unter Ausbildung des zweiten Knotenpunkt (3a) in diese Senke (3b) mündet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit

– mindestens einem Zylinder,
– einem Ansaugsystem zur Versorgung des mindestens einen Zylinders mit Ladeluft,
– einem Abgasabführsystem zur Abführung der Abgase,
– einer Abgasrückführung, die eine Rückführleitung umfasst, welche unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes von dem Abgasabführsystem abzweigt und unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes in das Ansaugsystem mündet, wobei in der Rückführleitung ein Absperrelement angeordnet ist, und
– mindestens einem Luftkühler, der stromaufwärts des zweiten Knotenpunktes im Ansaugsystem angeordnet ist.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.
Eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, sowie Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
Bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen ist man ständig bemüht, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren. Zudem wird eine Reduzierung der Schadstoffemissionen angestrebt, um zukünftige Grenzwerte für Schadstoffemissionen einhalten zu können.
Brennkraftmaschinen werden zunehmend häufig mit einer Aufladung ausgestattet, wobei die Aufladung in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung ist, bei dem die für den motorischen Verbrennungsprozess benötigte Ladeluft verdichtet wird, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Ladeluftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden.
Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Wird der Hubraum reduziert, lässt sich bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Die Aufladung einer Brennkraftmaschine unterstützt folglich die Bemühungen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.
Durch eine geeignete Getriebeauslegung kann zusätzlich ein sogenanntes Downspeeding realisiert werden, wodurch ebenfalls ein geringerer spezifischer Kraftstoffverbrauch erzielt wird. Beim Downspeeding wird der Umstand ausgenutzt, dass der spezifische Kraftstoffverbrauch bei niedrigen Drehzahlen regelmäßig niedriger ist, insbesondere bei höheren Lasten.
Die Emissionen an Kohlendioxid, die direkt mit dem Kraftstoffverbrauch korrelieren, nehmen mit sinkendem Kraftstoffverbrauch ohnehin ab. Bei gezielter Auslegung der Aufladung können aber auch Vorteile bei den anderen Abgasemissionen erzielt werden. So können mittels geeigneter Aufladung beispielsweise beim Dieselmotor die Stickoxidemissionen ohne Einbußen beim Wirkungsgrad verringert werden. Gleichzeitig können die Kohlenwasserstoffemissionen günstig beeinflusst werden.
Um zukünftige Grenzwerte für Schadstoffemissionen einzuhalten, sind aber weitere Maßnahmen erforderlich. Im Mittelpunkt der Entwicklungsarbeiten steht dabei unter anderem die Reduzierung der Stickoxidemissionen, die insbesondere bei den Dieselmotoren von hoher Relevanz sind. Da die Bildung der Stickoxide nicht nur einen Luftüberschuss, sondern auch hohe Temperaturen erfordert, besteht ein Konzept zur Senkung der Stickoxidemissionen darin, Verbrennungsprozesse mit niedrigeren Verbrennungstemperaturen einzusetzen.
Dabei ist die Abgasrückführung (AGR), d. h. die Rückführung von Verbrennungsgasen von der Auslassseite auf die Einlassseite, zielführend, bei der mit zunehmender Abgasrückführrate die Stickoxidemissionen deutlich gesenkt werden können. Die Abgasrückführrate x_AGR bestimmt sich dabei zu x_AGR = m_AGR/(m_AGR + m_Frischluft), wobei m_AGR die Masse an zurückgeführtem Abgas und m_Frischluft die zugeführte Frischluft bezeichnet. Der via Abgasrückführung bereitgestellte Sauerstoff ist gegebenenfalls zu berücksichtigen.
Um eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen zu erzielen, können hohe Abgasrückführraten erforderlich werden, die in der Größenordnung von x_AGR ≈ 60% bis 70% und mehr liegen können. Derart hohe Rückführraten erfordern eine Kühlung des rückzuführenden Abgases, mit der die Temperatur des Abgases gesenkt und die Dichte des Abgases gesteigert wird, so dass eine größere Abgasmasse zurückgeführt werden kann. Folglich wird eine Abgasrückführung regelmäßig mit einem Kühler ausgestattet.
Auch die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, verfügt über eine Abgasrückführung, deren Rückführleitung unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes von dem Abgasabführsystem abzweigt und unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes in das Ansaugsystem mündet. In der Rückführleitung ist ein Absperrelement angeordnet, das als AGR-Ventil fungiert und bei aktivierter Abgasrückführung der Einstellung der Rückführrate, d. h. der Einstellung der rückgeführten Abgasmenge dient. Die Verwendung eines am zweiten Knotenpunkt angeordneten Kombiventils gestattet die Bemessung der rückgeführten Abgasmenge und gleichzeitig die Drosselung der angesaugten Frischluftmenge.
Probleme können sich beim Einleiten des rückgeführten Abgases in das Ansaugsystem ergeben, wenn die Temperatur des rückgeführten heißen Abgases abnimmt und sich Kondensat bildet.
Zum einen kann sich Kondensat bilden, wenn das rückgeführte heiße Abgas im Ansaugsystem mit kühler Frischluft zusammentrifft und gemischt wird. Das Abgas kühlt sich ab, wohingegen die Temperatur der Frischluft angehoben wird. Die Temperatur der Mischung aus Frischluft und rückgeführtem Abgas, d. h. die Temperatur der Verbrennungsluft, liegt unterhalb der Abgastemperatur des rückgeführten Abgases. Im Rahmen der Abkühlung des Abgases können zuvor noch gasförmig im Abgas bzw. in der Verbrennungsluft enthaltene Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, auskondensieren, wenn die Tautemperatur einer Komponente der gasförmigen Verbrennungsluftströmung unterschritten wird. Es kommt zu einer Kondensatbildung in der freien Verbrennungsluftströmung, wobei häufig Verunreinigungen in der Verbrennungsluft den Ausgangspunkt für die Bildung von Kondensattröpfchen bilden.
Zum anderen kann sich Kondensat bilden, wenn das rückgeführte heiße Abgas bzw. die Verbrennungsluft auf die Innenwandung des Ansaugsystems trifft, da die Wandtemperatur in der Regel unterhalb der Tautemperatur der relevanten gasförmigen Komponenten liegt.
Kondensat und Kondensattröpfchen sind unerwünscht und führen zu einer erhöhten Geräuschemission im Ansaugsystem, gegebenenfalls zur Beschädigung der Laufschaufeln eines im Ansaugsystem angeordneten Verdichterlaufrades eines Laders bzw. eines Abgasturboladers. Letzteres ist mit einer Verminderung des Wirkungsgrades des Verdichters und damit der Aufladung verbunden.
Kritisch zu sehen ist die vorstehend beschriebene Kondensatbildung besonders dann, wenn das Abgas stromaufwärts eines Verdichterlaufrades in das Ansaugsystem eingeleitet wird, wie dies beispielsweise bei einer mittels Abgasturboaufladung aufgeladenen Brennkraftmaschine erfolgt, die mit einer Niederdruck-AGR ausgestattet ist, bei der das rückgeführte Abgas stromabwärts der Turbine eines Abgasturboladers aus dem Abgasabführsystem entnommen und stromaufwärts des Verdichters des Abgasturboladers in das Ansaugsystem eingeleitet wird.
Das mittels Niederdruck-AGR auf die Einlassseite zurückgeführte Abgas wird stromaufwärts des Verdichters des Abgasturboladers mit Frischluft gemischt. Die auf diese Weise erzeugte Mischung aus Frischluft und rückgeführtem Abgas bildet die Ladeluft, die dem Verdichter zugeführt und verdichtet wird, wobei die komprimierte Ladeluft regelmäßig stromabwärts des Verdichters mittels Ladeluftkühler gekühlt wird, um die Temperatur der Ladeluft vor Eintritt in die Zylinder zu senken und die Zylinderfüllung zu steigern.
Selbst wenn die Kondensatbildung stromaufwärts des Verdichters verhindert bzw. minimiert wird, beispielsweise durch Begrenzung der mittels Niederdruck-AGR rückgeführten Abgasmenge, können sich Probleme stromabwärts des Verdichters infolge der Kühlung der komprimierten Ladeluft im Ladeluftkühler ergeben. Im Rahmen der Ladeluftkühlung können zuvor noch gasförmig in der Ladeluft enthaltene Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, auskondensieren, wenn die Tautemperatur einer Komponente der gasförmigen Ladeluftströmung unterschritten wird. Abhängig von der Anordnung des Ladeluftkühlers kann sich ausgeschiedenes Kondensat im Ladeluftkühler und/oder stromabwärts des Ladeluftkühlers im Ansaugsystem sammeln, welches dann unvorhersehbar und in größeren Mengen schlagartig, beispielweise bei einer Querbeschleunigung infolge Kurvenfahrt, einer Steigung oder einem Stoß, in die Zylinder eingebracht wird. Letzteres wird auch als Wasserschlag bezeichnet, der nicht nur zu einer schweren Störung des Betriebs der Brennkraftmaschine, sondern auch zu einer irreversiblen Beschädigung der Brennkraftmaschine führen kann und unbedingt zu verhindern ist.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden und mit der insbesondere der Problematik infolge Kondensatbildung entgegen gewirkt wird.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine Brennkraftmaschine mit

– mindestens einem Zylinder,
– einem Ansaugsystem zur Versorgung des mindestens einen Zylinders mit Ladeluft,
– einem Abgasabführsystem zur Abführung der Abgase,
– einer Abgasrückführung, die eine Rückführleitung umfasst, welche unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes von dem Abgasabführsystem abzweigt und unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes in das Ansaugsystem mündet, wobei in der Rückführleitung ein Absperrelement angeordnet ist, und
– mindestens einem Luftkühler, der stromaufwärts des zweiten Knotenpunktes im Ansaugsystem angeordnet ist,

– das Ansaugsystem stromabwärts des mindestens einen Luftkühlers eine Senke aufweist, wobei die Rückführleitung unter Ausbildung des zweiten Knotenpunkt in diese Senke mündet.

Die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, verfügt über mindestens eine Abgasrückführung und ist nicht zwingend, aber vorzugsweise eine aufgeladene Brennkraftmaschine.
Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist stromaufwärts des zweiten Knotenpunktes und damit stromaufwärts der Einmündung der Rückführleitung ein Luftkühler im Ansaugsystem angeordnet. Dieses gegenständliche bzw. konstruktive Merkmal der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine hat gleich mehrere vorteilhafte Effekte, zu denen im Folgenden kurz Stellung genommen wird.
Bei aktivierter Abgasrückführung werden die rückgeführten Abgase nicht durch den erwähnten Luftkühler geführt, sondern stromabwärts des Luftkühlers in das Ansaugsystem eingeleitet, wodurch einer Kondensatbildung durch Einleitung von rückgeführtem Abgas zumindest entgegen gewirkt wird.
Zudem kann die Rückführleitung bei deaktivierter Abgasrückführung, d. h. bei geschlossenem Absperrelement, zum Sammeln von ausgeschiedenem Kondensat dienen. Hierzu liegt der zweite Knotenpunkt, d. h. die Einmündung der Abgasrückführung in das Ansaugsystem in einer Senke, damit im Luftkühler und grundsätzlich stromaufwärts des zweiten Knotenpunktes ausgeschiedenen Kondensat zunächst in diese Senke und von der Senke in die Rückführleitung gelangen kann. Das geschlossene Absperrelement dient als Barriere und verhindert, dass Kondensat aus der Rückführleitung ungewollt in das Abgasabführsystem eintritt.
Darüber hinaus kann die Rückführleitung der Abgasrückführung bei geöffnetem AGR-Ventil, d. h. geöffnetem Absperrelement zum Abführen bzw. Entsorgen des Kondensats, insbesondere des zuvor gesammelten Kondensats, dienen. Dabei sind zwei Szenarien grundsätzlich möglich bzw. wirksam.
Bei aktivierter Abgasrückführung kann zuvor gesammeltes Kondensat entgegen der Strömungsrichtung des rückzuführenden Abgases in das Abgasabführsystem gelangen, wobei dieses Kondensat entweder in flüssiger Form in das Abgasabführsystem gelangt und dort zumindest teilweise aufgrund der hohen Temperaturen verdampft oder aber das Kondensat liegt aufgrund der heißen Rückführleitung bereits gasförmig vor und tritt als Dampf in das heiße Abgasabführsystem. Die Rückführleitung dient dann gewissermaßen als Drainage.
Beim Aktivieren der Abgasrückführung kann zuvor gesammeltes Kondensat aber auch von der Abgasströmung in der Rückführleitung mitgerissen werden und in das Ansaugsystem gelangen. Das Kondensat liegt auch hierbei entweder flüssig oder gasförmig vor und wird im Weiteren via Ansaugsystem in die Zylinder eingebracht. Die heiße Rückführleitung dient auch dabei dem Sammeln, Verdampfen und Abführen des Kondensats.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine verfügt im Abgasabführsystem über eine Senke, d. h. einen Siphon, in welchem Kondensat abgeschieden werden kann und sich sammelt. Eine Senke im Sinne der vorliegenden Erfindung ist jede Senke im Ansaugsystem, die aufgrund ihrer geodätischen Höhe geeignet ist, Kondensat zu sammeln.
Die Senke sollte zu diesem Zweck zumindest einen Bereich aufweisen, der in der Einbauposition der Brennkraftmaschine geodätisch tiefer liegt als die Bereiche, die sich stromabwärts und stromaufwärts an diesen tiefer gelegenen Bereich anschießen.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine löst die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, nämlich eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden und mit der insbesondere der Problematik infolge Kondensatbildung entgegen gewirkt wird.
Vorteilhaft können Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen ein Kühler in der Rückführleitung der Abgasrückführung vorgesehen ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Aufladung vorgesehen ist. Es wird Bezug genommen auf die im Zusammenhang mit der Aufladung bereits genannten Vorteile und gemachten Ausführungen.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Senke in der Einbauposition der Brennkraftmaschine die zwischen dem mindestens einen Luftkühler und dem mindestens einen Zylinder geodätisch am tiefsten gelegene Stelle im Ansaugsystem bildet.
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen die Senke in der Einbauposition der Brennkraftmaschine lokal eine geodätisch tiefer gelegene Stelle im Ansaugsystem bildet. D. h. zwischen dem mindestens einen Luftkühler und dem mindestens einen Zylinder gibt es im Ansaugsystem mindestens eine geodätisch tiefer als die Senke gelegene Stelle.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein mittels Hilfsantrieb antreibbarer Verdichter im Ansaugsystem angeordnet ist, wobei der Verdichter vorzugsweise stromaufwärts des mindestens einen Luftkühlers angeordnet ist.
Der Vorteil eines mittels Hilfsantrieb antreibbaren Verdichters, d. h. Laders, gegenüber einem Abgasturbolader besteht darin, dass der Lader stets den angeforderten Ladedruck generieren und zur Verfügung stellen kann und zwar unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine. Das gilt insbesondere für einen Lader, der mittels Elektromaschine elektrisch antreibbar und daher unabhängig von der Drehzahl der Kurbelwelle ist.
Nach dem Stand der Technik bereitet es nämlich Schwierigkeiten, die Leistung mittels Abgasturboaufladung in allen Drehzahlbereichen zu steigern. Es wird ein stärkerer Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet. Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis bzw. der Turbinenleistung abhängt. Wird die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis bzw. einer kleineren Turbinenleistung. Folglich nimmt das Ladedruckverhältnis zu niedrigeren Drehzahlen hin ebenfalls ab. Dies ist gleichbedeutend mit einem Drehmomentabfall.
Vorteilhaft können dennoch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst, wobei der Verdichter vorzugsweise stromaufwärts des mindestens einen Luftkühlers angeordnet ist. Bei einem Abgasturbolader sind ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet. Der heiße Abgasstrom wird der Turbine zugeführt und entspannt sich unter Energieabgabe in der Turbine, wodurch die Welle in Drehung versetzt. Die vom Abgasstrom an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird. Vorteilhafterweise wird ein Ladeluftkühler stromabwärts des Verdichters im Ansaugsystem vorgesehen, mit dem die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in den mindestens einen Zylinder gekühlt wird. Der Kühler senkt die Temperatur und steigert damit die Dichte der Ladeluft, so dass auch der Kühler zu einer besseren Füllung der Zylinder, d. h. zu einer größeren Luftmasse, beiträgt. Es erfolgt gewissermaßen eine Verdichtung durch Kühlung.
Der Vorteil eines Abgasturboladers im Vergleich zu einem – mittels Hilfsantrieb antreibbaren – Lader besteht darin, dass ein Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase nutzt, während ein Lader die für seinen Antrieb erforderliche Energie direkt oder indirekt von der Brennkraftmaschine bezieht und damit, zumindest solange die Antriebsenergie nicht aus einer Energierückgewinnung stammt, den Wirkungsgrad nachteilig beeinflusst, d. h. mindert.
Falls es sich nicht um einen mittels Elektromaschine, d. h. elektrisch antreibbaren Lader handelt, ist regelmäßig eine mechanische bzw. kinematische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen dem Lader und der Brennkraftmaschine erforderlich, die auch das Packaging im Motorraum nachteilig beeinflusst bzw. bestimmt.
Um einem Drehmomentabfall bei niedrigen Drehzahlen entgegen wirken zu können, sind besonders Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen mindestens zwei Abgasturbolader vorgesehen sind. Wird die Motorendrehzahl nämlich verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Ladedruckverhältnis.
Durch Einsatz mehrerer Abgasturbolader, beispielsweise mehrerer in Reihe oder parallel geschalteter Abgasturbolader, kann die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine spürbar verbessert werden.
Zur Verbesserung der Drehmomentcharakteristik kann neben dem mindestens einen Abgasturbolader auch ein weiterer Verdichter vorgesehen werden und zwar sowohl ein mittels Hilfsantrieb antreibbarer Lader als auch ein Verdichter eines weiteren Abgasturboladers.
Wird im Ansaugsystem ein Verdichter angeordnet, können Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen die Rückführleitung stromabwärts des Verdichters unter Ausbildung des zweiten Knotenpunktes in das Ansaugsystem mündet, wobei der Verdichter vorzugsweise stromaufwärts des mindestens einen Luftkühlers angeordnet ist.
Bei einer sogenannten Hochdruck-AGR wird das Abgas stromabwärts des Verdichters in das Ansaugsystem eingebracht. Um das für eine Rückführung erforderliche Druckgefälle zwischen dem Abgasabführsystem und dem Ansaugsystem bereitzustellen bzw. sicherzustellen, wird das Abgas bei einer Abgasturbolaufladung vorzugsweise und regelmäßig stromaufwärts der zugehörigen Turbine aus dem Abgasabführsystem entnommen. Die Hochdruck-AGR hat den Vorteil, dass das Abgas den Verdichter nicht passiert und daher vor der Rückführung keiner Abgasnachbehandlung, beispielsweise in einem Partikelfilter, unterzogen werden muss. Ablagerungen im Verdichter, welche die Geometrie des Verdichters, insbesondere die Strömungsquerschnitte, verändern und auf diese Weise den Wirkungsgrad des Verdichters verschlechtern, sind nicht zu befürchten. Eine Kondensatbildung erfolgt – wenn überhaupt – stromabwärts des Verdichters, der die ihm zugeführte Ladeluft im Rahmen der Kompression erhitzt.
Bei einer Brennkraftmaschine mit Abgasturbolaufladung sind somit aus den vorstehend genannten Gründen Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen die Rückführleitung stromaufwärts der Turbine unter Ausbildung des ersten Knotenpunktes vom Abgasabführsystem abzweigt.
Ebenfalls aus den vorstehend genannten Gründen sind bei Einsatz eines Abgasturboladers Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen die Rückführleitung der Abgasrückführung unter Ausbildung des ersten Knotenpunktes stromaufwärts der Turbine vom Abgasabführsystem abzweigt und unter Ausbildung des zweiten Knotenpunktes stromabwärts des Verdichters in das Ansaugsystem mündet, wobei vorzugsweise zwischen dem zweiten Knotenpunkt und dem Verdichter ein Ladeluftkühler im Ansaugsystem angeordnet ist.
Beim Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung und gleichzeitiger Verwendung einer Hochdruck-AGR kann sich ein Konflikt ergeben, wenn das rückgeführte Abgas stromaufwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem entnommen wird und zum Antrieb der Turbine nicht mehr zur Verfügung steht.
Bei einer Steigerung der Abgasrückführrate nimmt der in die Turbine eingeleitete Abgasstrom gleichzeitig ab. Der verminderte Abgasmassenstrom durch die Turbine bedingt ein kleineres Turbinendruckverhältnis, wodurch das Ladedruckverhältnis ebenfalls abnimmt, was gleichbedeutend ist mit einem kleineren Verdichtermassenstrom. Neben dem abnehmenden Ladedruck können sich zusätzlich Probleme beim Betrieb des Verdichters hinsichtlich der Pumpgrenze einstellen. Nachteile können sich auch bei den Schadstoffemissionen ergeben, beispielsweise hinsichtlich der Rußbildung bei Dieselmotoren während einer Beschleunigung.
Aus diesem Grunde sind Konzepte erforderlich, die ausreichend hohe Ladedrücke bei gleichzeitig hohen Abgasrückführraten sicherstellen. Einen Lösungsansatz bietet die sogenannte Niederdruck-AGR, mit der Abgas in das Ansaugsystem zurückgeführt wird, welches die Turbine bereits durchströmt hat. Hierzu umfasst die Niederdruck-AGR eine Rückführleitung, die stromabwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem abzweigt. Die Rückführleitung mündet vorzugsweise stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem, um das für eine Rückführung erforderliche Druckgefälle zwischen dem Abgasabführsystem und dem Ansaugsystem realisieren zu können.
Vorteilhaft können daher Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen eine weitere Abgasrückführung vorgesehen ist, die eine Rückführleitung umfasst, welche stromabwärts der Turbine vom Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem mündet.
Zur Generierung des erforderlichen Druckgefälles kann bei einer Niederdruck-AGR ein Absperrelement stromabwärts der Abzweigung der Rückführleitung im Abgasabführsystem vorgesehen werden, um das Abgas zu stauen und den Abgasdruck zu erhöhen, und/oder ein Absperrelement stromaufwärts der Einmündung der Rückführleitung im Ansaugsystem vorgesehen werden, um einlassseitig den Druck stromaufwärts des Verdichters zu senken. Beide Maßnahmen sind energetisch nachteilig. Insbesondere die einlassseitige Drosselung der Ladeluft stromaufwärts des Verdichters muss mit Blick auf die Aufladung der Brennkraftmaschine als kontraproduktiv angesehen werden.
Das mittels Niederdruck-AGR rückgeführte Abgas wird stromaufwärts des Verdichters mit Frischluft gemischt. Die auf diese Weise erzeugte Mischung aus Frischluft und rückgeführtem Abgas bildet die Ladeluft, die dem Verdichter zugeführt und verdichtet wird, wobei die komprimierte Ladeluft stromabwärts des Verdichters im Luftkühler bzw. Ladeluftkühler gekühlt wird.
Eine Niederdruck-AGR als weitere Abgasrückführung bei einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine vorzusehen, ist besonders vorteilhaft, da eine Niederdruck-AGR besonders kritisch im Hinblick auf die Bildung von Kondensat zu sehen ist, d. h. eine Maßnahme erfordert, mit der der Problematik infolge Kondensatbildung entgegen gewirkt wird.
Da bei einer Niederdruck-AGR Abgas durch den Verdichter hindurchgeführt wird, wird das Abgas stromabwärts der Turbine vorzugsweise einer Abgasnachbehandlung unterzogen.
Vorteilhaft sind daher Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen zwischen der Turbine und der Abzweigung der Rückführleitung vom Abgasabführsystem mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem im Abgasabführsystem vorgesehen ist.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen zur Nachbehandlung des Abgases ein Partikelfilter als Abgasnachbehandlungssystem vorgesehen ist.
Zur Minimierung der Rußemission wird vorliegend ein regenerativer Partikelfilter eingesetzt, der die Rußpartikel aus dem Abgas herausfiltert und speichert, wobei diese Rußpartikel im Rahmen der Regeneration des Filters intermittierend verbrannt werden. Die zur Regeneration des Partikelfilters erforderlichen Temperaturen liegen bei nicht vorhandener katalytischer Unterstützung bei etwa 550°C. Regelmäßig wird daher auf zusätzliche Maßnahmen zurückgegriffen, um eine Regeneration des Filters unter allen Betriebsbedingungen zu gewährleisten.
Die Regeneration des Filters trägt Wärme in das Abgas ein und erhöht die Abgastemperatur und damit die Abgasenthalpie. Am Austritt des Filters steht somit ein energiereiches Abgas zur Verfügung, das einlassseitig im Verdichter genutzt werden kann.
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen zur Nachbehandlung des Abgases ein Oxidationskatalysator als Abgasnachbehandlungssystem vorgesehen ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Turbine eines vorgesehenen Abgasturboladers eine variable Turbinengeometrie aufweist, die eine weitergehende Anpassung an den Betrieb der Brennkraftmaschine durch Verstellen der Turbinengeometrie bzw. des wirksamen Turbinenquerschnittes gestattet. Dabei sind im Eintrittsbereich der Turbine verstellbare Leitschaufeln zur Beeinflussung der Strömungsrichtung angeordnet. Im Gegensatz zu den Laufschaufeln des umlaufenden Laufrades rotieren die Leitschaufeln nicht mit der Welle der Turbine.
Verfügt die Turbine über eine feste unveränderliche Geometrie, sind die Leitschaufeln nicht nur stationär, sondern zudem völlig unbeweglich im Eintrittsbereich angeordnet, d. h. starr fixiert, falls überhaupt eine Leiteinrichtung vorgesehen ist. Bei einer variablen Geometrie hingegen sind die Leitschaufeln zwar stationär angeordnet, aber nicht völlig unbeweglich, sondern um ihre Achse drehbar, so dass auf die Anströmung der Laufschaufeln Einfluss genommen werden kann.
Durch Verstellen der Turbinengeometrie kann Einfluss genommen werden auf den Abgasdruck stromaufwärts der Turbine, damit auf das Druckgefälle zwischen Abgasabführsystem und Ansaugsystem und somit auf die Rückführrate einer Hochdruck-AGR.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Bypassleitung zur Umgehung des Luftkühlers vorgesehen ist, die den Kühler überbrückt. Es kann sinnvoll sein, den Kühler zu überbrücken, beispielsweise um zu vermeiden, dass der Luft zusätzlich Wärme entzogen wird.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen zur Ausbildung einer Motorkühlung eine Flüssigkeitskühlung vorgesehen ist.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinderkopf der Brennkraftmaschine zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit mindestens einem im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist.
Eine Flüssigkeitskühlung erweist sich insbesondere bei aufgeladenen Motoren als vorteilhaft, da die thermische Belastung aufgeladener Motoren im Vergleich zu herkömmlichen Brennkraftmaschinen deutlich höher ist. Verfügt der Zylinderkopf über einen integrierten Abgaskrümmer ist dieser thermisch höher belastet als ein herkömmlicher Zylinderkopf, der mit einem externen Krümmer ausgestattet ist. Es werden erhöhte Anforderungen an die Kühlung gestellt.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine einer zuvor beschriebenen Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Abgasrückführung mittels Schliessen des Absperrelementes deaktiviert wird und im Ansaugsystem stromaufwärts des zweiten Knotenpunktes ausgeschiedenes Kondensat in der Rückführleitung bei geschlossenem Absperrelement gesammelt wird.
Das bereits für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren. Unterschiedliche Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine erfordern entsprechend unterschiedliche Verfahrensvarianten, wozu auf die entsprechenden Ausführungen Bezug genommen wird.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen in der Rückführleitung gesammeltes Kondensat durch Öffnen des Absperrelementes entsorgt wird.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Verfahrensvarianten, bei denen in der Rückführleitung gesammeltes Kondensat bei Öffnen des Absperrelementes mit rückzuführendem Abgas in das Ansaugsystem eingeleitet und damit entsorgt wird.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang ebenfalls Verfahrensvarianten, bei denen in der Rückführleitung gesammeltes Kondensat bei Öffnen des Absperrelementes in das Abgasabführsystem eingeleitet und damit entsorgt wird.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen das Absperrelement der Abgasrückführung in der Warmlaufphase bzw. nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine geschlossen wird.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1 schematisch eine erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine 1. Die Brennkraftmaschine 1 verfügt über ein Ansaugsystem 3 zur Versorgung der Zylinder des Zylinderkopfes 1a mit Ladeluft und über ein Abgasabführsystem 2 zum Abführen der Abgase aus den Zylindern.
Die Brennkraftmaschine 1 ist zwecks Aufladung mit einem Abgasturbolader 6 ausgestattet, der eine im Abgasabführsystem 2 angeordnete Turbine 6b und einen im Ansaugsystem 3 angeordneten Verdichter 6a umfasst.
Des Weiteren ist eine Abgasrückführung 4, 4´ vorgesehen mit einer Rückführleitung 4a, die stromaufwärts der Turbine 6b unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes 2a vom Abgasabführsystem 2 abzweigt und stromabwärts des Verdichters 6a unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes 3a in das Ansaugsystem 3 mündet. In der Rückführleitung 4a ist ein Absperrelement 4b angeordnet, das der Einstellung der rückgeführten Abgasmenge, d. h. der Rückführrate, und damit auch der Aktivierung bzw. Deaktivierung der Abgasrückführung 4, 4´ dient.
Zwischen dem Verdichter 6a des Abgasturboladers 6 und dem zweiten Knotenpunkt 3a ist ein Luftkühler 5 im Ansaugsystem 3 angeordnet, mit dem die im Verdichter 6a komprimierte Ladeluft gekühlt wird.
Stromabwärts dieses Ladeluftkühlers 5´ ist eine Senke 3b, 3b´ im Ansaugsystem 3 vorgesehen, in welche die Rückführleitung 4a unter Ausbildung des zweiten Knotenpunktes 3a einmündet. Die Senke 3b, 3b´ ist bei der in 1 dargestellten Ausführungsform eine lokale Senke 3b´, d. h. eine geodätisch tiefer gelegene Stelle 3b´ im Ansaugsystem 3, so dass es zwischen dem Ladeluftkühler 5´ und dem Zylinderkopf 1a Stellen im Ansaugsystem 3 gibt, die geodätisch tiefer als die Senke 3b, 3b´ gelegen sind.
Die Rückführleitung 4a kann so bei deaktivierter Abgasrückführung 4, 4´, d. h. bei geschlossenem Absperrelement 4b, zum Sammeln von ausgeschiedenem Kondensat dienen.
Bei aktivierter Abgasrückführung 4, 4´ kann die Rückführleitung 4a dann zum Abführen bzw. Entsorgen des zuvor gesammelten Kondensats verwendet werden, wobei das gesammelte Kondensat entweder entgegen der Strömungsrichtung des rückzuführenden Abgases in das Abgasabführsystem 2 gelangt oder aber von der Abgasströmung in der Rückführleitung 4a mitgerissen und in das Ansaugsystem 3 eingebracht wird. Die hohen Temperaturen in der Rückführleitung 4a bzw. im Abgasabführsystem 2 sorgen für ein zumindest teilweises Verdampfen des Kondensats. Letzteres ist als überaus vorteilhaft anzusehen.
Bezugszeichenliste

1: Brennkraftmaschine
1a: Zylinderkopf
2: Abgasabführsystem
2a: erster Knotenpunkt
3: Ansaugsystem
3a: zweiter Knotenpunkt
3b: Senke im Ansaugsystem
3b´: lokal geodätisch tiefer gelegene Stelle im Ansaugsystem
4: Abgasrückführung
4´: Hochdruck-Abgasrückführung
4a: Rückführleitung
4b: Absperrelement, AGR-Ventil
5: Luftkühler
5´: Ladeluftkühler
6: Abgasturbolader
6a: Verdichter des Abgasturboladers
6b: Turbine der Abgasturboladers
AGR: Abgasrückführung
m_AGR: Masse an zurückgeführtem Abgas
m_Frischluft: Masse an zugeführter Frischluft bzw. Verbrennungsluft
x_AGR: Abgasrückführrate

Claims

Brennkraftmaschine (1) mit – mindestens einem Zylinder, – einem Ansaugsystem (3) zur Versorgung des mindestens einen Zylinders mit Ladeluft, – einem Abgasabführsystem (2) zur Abführung der Abgase, – einer Abgasrückführung (4, 4´), die eine Rückführleitung (4a) umfasst, welche unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes (2a) von dem Abgasabführsystem (2) abzweigt und unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes (3a) in das Ansaugsystem (3) mündet, wobei in der Rückführleitung (4a) ein Absperrelement (4b) angeordnet ist, und – mindestens einem Luftkühler (5, 5´), der stromaufwärts des zweiten Knotenpunktes (3a) im Ansaugsystem (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – das Ansaugsystem (3) stromabwärts des mindestens einen Luftkühlers (5, 5´) eine Senke (3b) aufweist, wobei die Rückführleitung (4a) unter Ausbildung des zweiten Knotenpunkt (3a) in diese Senke (3b) mündet.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Senke (3b) in der Einbauposition der Brennkraftmaschine (1) eine zwischen dem mindestens einen Luftkühler (5) und dem mindestens einen Zylinder geodätisch am tiefsten gelegene Stelle im Ansaugsystem (3) bildet.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Senke (3b) in der Einbauposition der Brennkraftmaschine (1) lokal eine geodätisch tiefer gelegene Stelle (3b´) im Ansaugsystem (3) bildet.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein mittels Hilfsantrieb antreibbarer Verdichter im Ansaugsystem (3) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Abgasturbolader (6) vorgesehen ist, der eine im Abgasabführsystem (2) angeordnete Turbine (6b) und einen im Ansaugsystem (3) angeordneten Verdichter (6a) umfasst.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführleitung (4a) stromabwärts des Verdichters (6a) unter Ausbildung des zweiten Knotenpunktes (3a) in das Ansaugsystem (3) mündet.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführleitung (4a) stromaufwärts der Turbine (6b) unter Ausbildung des ersten Knotenpunktes (2a) vom Abgasabführsystem (2) abzweigt.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführleitung (4a) der Abgasrückführung (4´) unter Ausbildung des ersten Knotenpunktes (2a) stromaufwärts der Turbine (6b) vom Abgasabführsystem (2) abzweigt und unter Ausbildung des zweiten Knotenpunktes (3a) stromabwärts des Verdichters (6a) in das Ansaugsystem (3) mündet, wobei zwischen dem zweiten Knotenpunkt (3a) und dem Verdichter (6a) ein Ladeluftkühler (5´) im Ansaugsystem (3) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Abgasrückführung vorgesehen ist, die eine Rückführleitung umfasst, welche stromabwärts der Turbine vom Abgasabführsystem (2) abzweigt und stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem (3) mündet.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Turbine und der Abzweigung der Rückführleitung vom Abgasabführsystem (2) mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem im Abgasabführsystem (2) vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Nachbehandlung des Abgases ein Partikelfilter als Abgasnachbehandlungssystem vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bypassleitung zur Umgehung des Luftkühlers (5, 5´) vorgesehen ist.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführung (4, 4´) mittels Schliessen des Absperrelementes (4b) deaktiviert wird und im Ansaugsystem (3) stromaufwärts des zweiten Knotenpunktes (3a) ausgeschiedenes Kondensat in der Rückführleitung (4a) bei geschlossenem Absperrelement (4b) gesammelt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rückführleitung (4a) gesammeltes Kondensat durch Öffnen des Absperrelementes (4b) entsorgt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rückführleitung (4a) gesammeltes Kondensat bei Öffnen des Absperrelementes (4b) mit rückzuführendem Abgas in das Ansaugsystem (3) eingeleitet und damit entsorgt wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rückführleitung (4a) gesammeltes Kondensat bei Öffnen des Absperrelementes (4b) in das Abgasabführsystem (2) eingeleitet und damit entsorgt wird.