DE102017220844A1 - Brennkraftmaschine mit gekühlter modularer Abgasrückführung - Google Patents

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Hans Günther Quix
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (1) mit- mindestens einem Zylinder,- einem Ansaugsystem (3) zur Versorgung des mindestens einen Zylinders mit Luft,- einem Abgasabführsystem (2) zur Abführung der Abgase,- einer Abgasrückführung (4), die mindestens zwei Rückführleitungen (4a, 4b) umfasst, wobei in jeder Rückführleitung (4a, 4b) jeweils ein Kühler (5a, 5b) vorgesehen ist und die Kühler (5a, 5b) parallel angeordnet sind und unabhängig voneinander zur Kühlung von Abgas verwendbar sind, und- mindestens einem Stellelement (2b, 7, 8) zur Einstellung einer vorgebbaren rückzuführenden Abgasmenge.Es soll eine Brennkraftmaschine (1) der vorstehenden Art bereitgestellt werden, bei der sich die Abgasenergie effektiver nutzen lässt als nach Stand der Technik und die hinsichtlich der Abgasrückführung weiter verbessert ist.Erreicht wird dies durch eine Brennkraftmaschine (1) der genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass jeder Kühler (5a, 5b) zur Kühlung von Abgas zwecks Energierückgewinnung verwendbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit
    • - mindestens einem Zylinder,
    • - einem Ansaugsystem zur Versorgung des mindestens einen Zylinders mit Luft,
    • - einem Abgasabführsystem zur Abführung der Abgase,
    • - einer Abgasrückführung, die mindestens zwei Rückführleitungen umfasst, wobei in jeder Rückführleitung jeweils ein Kühler vorgesehen ist und die Kühler parallel angeordnet sind und unabhängig voneinander zur Kühlung von Abgas verwendbar sind, und
    • - mindestens einem Stellelement zur Einstellung einer vorgebbaren rückzuführenden Abgasmenge.
  • Eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung betrifft der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, d.h. Brennkraftmaschinen, die mit einem Hybrid-Brennverfahren betrieben werden, sowie Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine mindestens eine weitere Drehmoment-Quelle zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges umfassen, beispielsweise eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare bzw. antriebsverbundene Elektromaschine, welche anstelle der Brennkraftmaschine oder zusätzlich zur Brennkraftmaschine 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 daher 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.
  • Bei gezielter Auslegung der Aufladung können auch Vorteile bei den 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. Die Emissionen an Kohlendioxid, die direkt mit dem Kraftstoffverbrauch korrelieren, nehmen mit sinkendem Kraftstoffverbrauch ebenfalls ab.
  • 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 xAGR bestimmt sich dabei zu xAGR = mAGR / (mAGR + mFrischluft), wobei mAGR die Masse an zurückgeführtem Abgas und mFrischluft 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 xAGR ≈ 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 Abgasrückführung der Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, verfügt über eine Kühlung, nämlich über mindestens zwei AGR-Kühler, die jeweils einen Kühlmittel führenden Kühlmittelmantel aufweisen, welcher der Wärmeübertragung zwischen Abgas und Kühlmittel dient.
  • 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 treffen, 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 verbunden.
  • Auch hinsichtlich der Problematik der vorstehend beschriebenen Kondensatbildung kann ein AGR-Kühler zielführend bzw. hilfreich sein. Die Kühlung des rückzuführenden Abgases im Rahmen der Rückführung hat den vorteilhaften Effekt, dass sich das Kondensat nicht erst im Ansaugsystem, sondern bereits beim Rückführen bildet und im Rahmen der Rückführung abgeschieden werden kann.
  • Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2009 015 656 A1 beschreibt eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art mit mehreren Rückführleitungen, in denen jeweils ein Kühler vorgesehen ist. Die Rückführleitungen bzw. Kühler sind parallel angeordnet und können entsprechend dem momentanen Bedarf sukzessive zugeschaltet bzw. abgeschaltet werden. Dabei wird die Abgasrückführung bzw. die Kühlung des rückzuführenden Abgases mittels AGR-Kühler unter Verwendung von Stellelementen in der Weise gesteuert bzw. vorgenommen, dass Ablagerungen in den AGR-Kühlern verringert bzw. verhindert werden.
  • Nachteilig an den AGR-Kühlern nach dem Stand der Technik ist, dass die verwertbare Abgasenergie, d.h. die dem Abgas im Kühler mittels Kühlmittel entziehbare Wärme, prinzipbedingt nur anfällt und nutzbar ist, wenn Abgas zurückgeführt wird. Ist die Abgasrückführung deaktiviert, so dass kein Abgas zurückgeführt wird, bleibt die Abgasenergie des heißen Abgases nach dem Stand der Technik ungenutzt. Könnte diese Abgasenergie genutzt werden, d.h. im Rahmen einer Energierückgewinnung zurückgewonnen werden, ließen sich weitere Wirkungsgradvorteile bei der Brennkraftmaschine erzielen.
  • Die Energie des heißen Abgases könnte beispielsweise genutzt werden, um die Reibleistung und damit den Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine zu reduzieren. Hierbei könnte eine zügige Erwärmung des Motoröls mittels Abgaswärme, insbesondere nach einem Kaltstart, zielführend sein. Eine schnelle Erwärmung des Motoröls während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine sorgt für eine entsprechend schnelle Abnahme der Viskosität des Öls und damit für eine Verringerung der Reibung bzw. Reibleistung, insbesondere in den mit Öl versorgten Lagern, beispielsweise den Lagern der Kurbelwelle.
  • Das Öl könnte dabei beispielsweise mittels Heizvorrichtung aktiv erwärmt werden. Ein kühlmittelbetriebener Ölkühler kann dazu in der Warmlaufphase zweckentfremdet und zum Erwärmen des Öls genutzt werden.
  • Grundsätzlich kann einer schnellen Erwärmung des Motoröls zur Reduzierung der Reibleistung auch Vorschub geleistet werden durch eine schnelle Aufheizung der Brennkraftmaschine selbst, die wiederum dadurch unterstützt, d.h. forciert, wird, dass der Brennkraftmaschine während der Warmlaufphase möglichst wenig Wärme entzogen wird.
  • Insofern kann es bei einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine auch zielführend sein, dem Kühlmittel der Motorkühlung Wärme zu zuführen, insbesondere in der Warmlaufphase bzw. nach einem Kaltstart. Zur Erwärmung des Kühlmittels der Motorkühlung könnte die Abgasenergie genutzt werden.
  • Nachteilig an den AGR-Kühlern nach dem Stand der Technik ist auch, dass die Kühler nicht im Hinblick auf eine effektive Energierückgewinnung ausgelegt werden, sondern vielmehr die Kühlung des Abgases, d.h. der reine Kühleffekt im Vordergrund steht. Dabei muss der Kühler sämtliche im Betrieb der Brennkraftmaschine via Abgasrückführung rückzuführende Abgasmengen bewältigen können. Insbesondere der maximal rückzuführenden und zu kühlenden Abgasmenge ist Rechnung zu tragen. Die Variationsbreite der via Abgasrückführung rückzuführenden Abgasmenge führt zu sehr unterschiedlichen Druckverhältnissen am Kühler. Das Druckgefälle über den Kühler hinweg ändert sich in Abhängigkeit von der rückzuführenden Abgasmenge spürbar, d.h. in solch relevanter Weise, dass dies bei der Steuerung bzw. Einstellung der Rückführrate zu berücksichtigen ist. Die daraus resultierende Wechselwirkung führt zu einer gewissen Dynamik und erfordert eine entsprechend komplexe bzw. aufwendige Steuerung der Abgasrückführung.
  • Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, bei der sich die Abgasenergie effektiver nutzen lässt als nach Stand der Technik und die hinsichtlich der Abgasrückführung weiter verbessert ist.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Brennkraftmaschine mit
    • - mindestens einem Zylinder,
    • - einem Ansaugsystem zur Versorgung des mindestens einen Zylinders mit Luft,
    • - einem Abgasabführsystem zur Abführung der Abgase,
    • - einer Abgasrückführung, die mindestens zwei Rückführleitungen umfasst, wobei in jeder Rückführleitung jeweils ein Kühler vorgesehen ist und die Kühler parallel angeordnet sind und unabhängig voneinander zur Kühlung von Abgas verwendbar sind, und
    • - mindestens einem Stellelement zur Einstellung einer vorgebbaren rückzuführenden Abgasmenge,

    die dadurch gekennzeichnet ist, dass
    • - jeder Kühler zur Kühlung von Abgas zwecks Energierückgewinnung verwendbar ist.
  • Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind mehrere Kühler vorgesehen, mit denen rückzuführendes Abgas gekühlt werden kann. Die Kühler können im Einzelfall sukzessive zugeschaltet und für die Kühlung rückzuführenden Abgases herangezogen werden. Insofern kann die Kühlleistung der AGR-Kühlung bzw. die Anzahl der AGR-Kühler der zu kühlenden Abgasmenge angepasst werden. Dies hat mehrere vorteilhafte Effekte.
  • Das Druckgefälle über einen einzelnen Kühler hinweg ändert sich im Betrieb des Kühlers weniger stark als im Stand der Technik, da die von diesem Kühler zu kühlenden bzw. zu bewältigenden Abgasmengen weniger stark variieren.
  • Bei kleineren Rückführraten kann erfindungsgemäß ein Kühler zur Kühlung des rückzuführenden Abgases herangezogen werden. Nimmt die rückzuführende und zu kühlende Abgasmenge dann zu, kann - beispielsweise bei Überschreiten einer vorgebbaren Abgasmenge - ein weiterer Kühler zugeschaltet, d.h. aktiviert werden, um Abgas zu kühlen und zur Kühlung des rückzuführenden Abgases beizutragen. In Abhängigkeit von der Anzahl der vorgesehenen AGR-Kühler, falls beispielsweise drei, vier oder mehr Kühler vorgesehen sind, kann mehrmals bzw. sukzessive zugeschaltet werden. Die Steuerung bzw. Einstellung der Rückführrate reagiert weniger dynamisch.
  • Darüber hinaus kann das Leitungssystem der abgasführenden Leitungen in einer Weise ausgelegt werden bzw. schaltbar sein, dass ein Kühler auch bei deaktivierter Abgasrückführung, wenn kein Abgas zurückgeführt wird, zur Kühlung von Abgas genutzt und herangezogen wird, so dass im Gegensatz zum Stand der Technik auch bei deaktivierter Abgasrückführung die dem Abgas innewohnende Energie im Rahmen einer Energierückgewinnung genutzt bzw. nutzbar gemacht werden kann.
  • Die Abgasenergie kann beispielsweise in der Warmlaufphase bzw. nach einem Kaltstart genutzt werden, um das Motoröl der Brennkraftmaschine zu erwärmen und damit die Reibleistung der Brennkraftmaschine zu mindern. Bei einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine kann die Abgasenergie genutzt werden, um das Kühlmittel der Motorkühlung zu erwärmen und damit die Aufheizung der Brennkraftmaschine zu beschleunigen. Beide Maßnahmen verbessern bzw. erhöhen den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine.
  • Die AGR-Kühler der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind sowohl im Hinblick auf eine effektive Kühlung als auch im Hinblick auf die Energierückgewinnung, d.h. die Nutzung der Abgasenergie, ausgelegt. Beiden Aspekten wird erfindungsgemäß Rechnung getragen.
  • Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine löst somit die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, nämlich eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, bei der sich die Abgasenergie effektiver nutzen lässt als nach Stand der Technik und die hinsichtlich der Abgasrückführung weiter verbessert ist.
  • Die mindestens zwei Rückführleitungen gehören erfindungsgemäß zu einer Abgasrückführung, d.h. zu einer einzigen bzw. derselben Abgasrückführung. Eine Brennkraftmaschine, die mit einer Niederdruck-AGR umfassend eine Rückführleitung und mit einer Hochdruck-AGR umfassend eine Rückführleitung ausgestattet ist, verfügt über zwei Rückführleitungen, aber nicht über eine erfindungsgemäße Abgasrückführung.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Kühler eine integrale bauliche Einheit bilden. Eine vormontierte Baugruppe, welche die Kühler umfasst und die gesamte Kühleinheit darstellt, vereinfacht die Montage der Abgasrückführung bzw. der Brennkraftmaschine insgesamt und reduziert damit auch die Kosten.
  • Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen die Kühler als vereinzelte separate Kühler ausgebildet sind. Gemäß dem Baukastenprinzip können dann mit einzelnen Kühlern unterschiedliche Abgasrückführungen ausgebildet werden bzw. unterschiedliche Brennkraftmaschinen ausgestattet werden.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Kühler über eine Bypassleitung verfügen bzw. jeder Kühler über eine Bypassleitung verfügt.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Kühler über eine Abscheidevorrichtung für Kondensat verfügen bzw. jeder Kühler über eine Abscheidevorrichtung für Kondensat verfügt.
  • 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 jeder Kühler zwecks Energierückgewinnung mindestens einen Kühlmittel führenden Kühlmittelmantel aufweist, welcher der Wärmeübertragung zwischen dem Abgas und dem Kühlmittel dient.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen
    • - eine erste Rückführleitung vorgesehen ist, in der ein erster Kühler angeordnet ist und die unter Verwendung mindestens eines Stellelementes stromaufwärts des ersten Kühlers mit dem Abgasabführsystem und stromabwärts des ersten Kühlers mit dem Ansaugsystem zumindest verbindbar ist, und
    • - eine zweite Rückführleitung vorgesehen ist, in der ein zweiter Kühler angeordnet ist und die unter Verwendung mindestens eines Stellelementes stromaufwärts des zweiten Kühlers mit dem Abgasabführsystem und stromabwärts des zweiten Kühlers wahlweise mit dem Ansaugsystem oder dem Abgasabführsystem zumindest verbindbar ist.
  • Nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine wird vorzugsweise kein Abgas zurückgeführt, da sich beim Einleiten des rückgeführten Abgases in das noch kalte Ansaugsystem unvermeidbar und besonders viel Kondensat bilden würde. Bei dann deaktivierter Abgasrückführung kann nach dem Stand der Technik die Abgasenergie des heißen Abgases nicht genutzt werden, obwohl gerade nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine Bedarf besteht, das Motoröl bzw. die Brennkraftmaschine gezielt zu erwärmen.
  • Im Gegensatz dazu kann die Abgasenergie des heißen Abgases gemäß der vorstehenden Ausführungsform auch bei deaktivierter Abgasrückführung genutzt werden; zumindest mittels des zweiten Kühlers, der stromabwärts wahlweise mit dem Ansaugsystem oder dem Abgasabführsystem verbindbar ist, wozu mindestens ein Stellelement dient, mit dem sich die abgasführenden Leitungen entsprechend schalten, nämlich mit dem Abgasabführsystem verbinden lassen. Auch bei deaktivierter Abgasrückführung kann somit Wärme vom Abgas auf das Kühlmittel des zweiten Kühlers übertragen werden, wobei das durch den zweiten Kühler strömende bzw. zirkulierende Kühlmittel die Wärme aus dem Inneren des zweiten Kühlers abführt und einer vorgebbaren Verwendung zuführt, wodurch der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine erhöht wird. Insoweit lässt sich die Abgasenergie, die dem Abgas des Abgasabführsystems immanent ist, nach dem Stand der Technik nicht, aber erfindungsgemäß schon nutzen.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die erste Rückführleitung stromabwärts des ersten Kühlers unter Verwendung mindestens eines Stellelementes wahlweise mit dem Ansaugsystem oder dem Abgasabführsystem zumindest verbindbar ist.
  • Gemäß der vorstehenden Ausführungsform lässt sich die Abgasenergie des heißen Abgases bei deaktivierter Abgasrückführung auch mittels des ersten Kühlers nutzen, der vorliegend stromabwärts ebenfalls wahlweise mit dem Ansaugsystem oder dem Abgasabführsystem verbindbar ist, wozu mindestens ein Stellelement dient, mit dem sich die abgasführenden Leitungen entsprechend schalten, nämlich mit dem Abgasabführsystem verbinden lassen.
  • Bei deaktivierter Abgasrückführung lassen sich somit beide Kühler der Abgasrückführung zur Energierückgewinnung und Verbesserung des Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine nutzen.
  • Der erste bzw. zweite Kühler kann stromaufwärts auch permanent mit dem Abgasabführsystem verbunden sein, wobei mindestens ein stromabwärts des Kühlers vorgesehenes Stellelement derart verstellt bzw. geschaltet wird, dass der Kühler stromabwärts mit dem Ansaugsystem oder dem Abgasabführsystem verbunden wird.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die erste Rückführleitung unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes von dem Abgasabführsystem abzweigt und unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes in das Ansaugsystem mündet.
  • Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen in der ersten Rückführleitung am zweiten Knotenpunkt ein erstes Stellelement vorgesehen ist.
  • Das erste Stellelement fungiert als AGR-Ventil und dient bei aktivierter Abgasrückführung der Einstellung der Rückführrate, zumindest aber der via erste Rückführleitung rückgeführten Abgasmenge. Die Verwendung eines am zweiten Knotenpunkt angeordneten Kombiventils gestattet die Bemessung der rückgeführten Abgasmenge und gleichzeitig die Drosselung der angesaugten Frischluftmenge.
  • Ein solches Kombiventil kann beispielsweise eine Klappe sein, die um eine quer zur Frischluftströmung verlaufende Achse in der Art verschwenkbar ist, dass in einer ersten Endposition die Vorderseite der Klappe das Ansaugsystem versperrt und gleichzeitig die Rückführleitung freigegeben wird und in einer zweiten Endposition die Rückseite der Klappe die Rückführleitung verdeckt und gleichzeitig das Ansaugsystem freigegeben wird. Ein zusätzlicher Ventilkörper, der mit der Klappe verbunden und auf diese Weise mechanisch gekoppelt ist, gibt die Rückführleitung entweder frei oder versperrt diese. Während die Klappe der Einstellung der via Ansaugsystem zugeführten Luftmenge dient, bewerkstelligt der Ventilkörper die Dosierung der rückgeführten Abgasmenge.
  • Vorteilhaft können Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die zweite Rückführleitung unter Ausbildung eines dritten Knotenpunktes von dem Abgasabführsystem abzweigt und unter Ausbildung eines vierten Knotenpunktes in das Ansaugsystem mündet.
  • Vorteilhaft sind aber im zuvor beschriebenen Zusammenhang insbesondere Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die zweite Rückführleitung unter Ausbildung eines dritten Knotenpunktes von dem Abgasabführsystem abzweigt und unter Ausbildung eines vierten Knotenpunktes stromabwärts des ersten Kühlers in die erste Rückführleitung mündet.
  • Dann kann ein am zweiten Knotenpunkt vorgesehenes Stellelement bei aktivierter Abgasrückführung der Einstellung der gesamten Rückführrate dienen und zwar sowohl der via erste Rückführleitung als auch der via zweite Rückführleitung rückgeführten Abgasmenge.
  • Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen in der zweiten Rückführleitung stromabwärts des zweiten Kühlers ein zweites Stellelement vorgesehen ist.
  • Dieses zweite Stellelement kann ein zweistufig schaltbares Stellelement sein und zur Verbindung bzw. Trennung des zweiten Kühlers mit bzw. von der ersten Rückführleitung dienen, d.h. verwendet werden.
  • Das zweite Stellelement kann folglich auch dazu genutzt werden, den zweiten Kühler stromabwärts mit dem Abgasabführsystem zu verbinden und das durch den zweiten Kühler geführte Abgas in das Abgasabführsystem einzuleiten, wozu gegebenenfalls weitere abgasführende Leitungen vorzusehen sind. Dann kühlt der zweite Kühler kein rückzuführendes Abgas. Vielmehr kühlt der zweite Kühler Abgas, das dem Abgasabführsystem entnommen wurde und wieder in das Abgasabführsystem eingeleitet wird. D.h. der zweite Kühler dient vorliegend nur der Energierückgewinnung, d.h. der Nutzbarmachung der dem Abgas immanenten Energie.
  • Vorteilhaft sind aus den vorstehend genannten Gründen daher auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine weitere abgasführende Leitung vorgesehen ist, die unter Ausbildung eines fünften Knotenpunktes zwischen dem zweiten Kühler und dem zweiten Stellelement von der zweiten Rückführleitung abzweigt und unter Ausbildung eines sechsten Knotenpunktes in das Abgasabführsystem mündet.
  • Bei Ausführungsformen, bei denen die zweite Rückführleitung unter Ausbildung eines vierten Knotenpunktes stromabwärts des ersten Kühlers in die erste Rückführleitung mündet, kann dann auch der erste Kühler stromabwärts via die weitere abgasführende Leitung mit dem Abgasabführsystem verbunden werden. Dann kühlt der erste Kühler kein rückzuführendes Abgas, sondern Abgas, das wieder in das Abgasabführsystem eingeleitet wird. Beide Kühler dienen dann bei deaktivierter Abgasrückführung der Energierückgewinnung.
  • Bei Ausführungsformen, bei denen eine abgasführende Leitung stromabwärts des zweiten Kühlers von der zweiten Rückführleitung abzweigt und unter Ausbildung eines sechsten Knotenpunktes in das Abgasabführsystem mündet, ist es vorteilhaft, den sechsten Knotenpunkt stromabwärts des ersten und dritten Knotenpunktes im Abgasabführsystem anzuordnen.
  • Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen am sechsten Knotenpunkt ein drittes Stellelement angeordnet ist. Das dritte Stellelement kann vorzugsweise dazu verwendet werden, um die weitere abgasführende Leitung zu versperren bzw. freizugeben oder das Abgasabführsystem stromaufwärts des sechsten Knotenpunktes zu versperren bzw. freizugeben. Unter Verwendung des dritten Stellelements kann die weitere abgasführende Leitung mit dem Abgasabführsystem stromabwärts und stromaufwärts der Kühler verbunden werden. Die via die weitere abgasführende Leitung in das Abgasabführsystem eingeleitete Abgasmenge lässt sich unter Verwendung des dritten Stellelements steuern.
  • Das dritte Stellelement kann auch als stufenlos verstellbares Drosselelement dazu dienen, den Abgasdruck stromaufwärts im Abgasabführsystem zu erhöhen, wodurch sich die treibenden Druckgefälle über die Kühler hinweg ebenfalls erhöhen und dem Abgas eine Ausweichmöglichkeit um die Kühler herum genommen wird bzw. das Umgehen der Kühler erschwert wird.
  • Zur Generierung des erforderlichen Druckgefälles kann zusätzlich ein Absperrelement stromaufwärts der Einmündung der Abgasrückführung im Ansaugsystem vorgesehen werden, um einlassseitig den Druck stromabwärts des Absperrelementes zu senken.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein mittels Hilfsantrieb antreibbarer Verdichter im Ansaugsystem 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. 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.
  • Vorteilhaft können in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen die Rückführleitungen stromabwärts des Verdichters in das Ansaugsystem münden.
  • Bei einer sogenannten Hochdruck-AGR wird das Abgas stromabwärts des Verdichters in das Ansaugsystem eingebracht. Um dabei 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 auch erhitzt und einer Kondensatbildung auf diese Weise vorbeugt bzw. entgegenwirkt.
  • Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen die Rückführleitungen stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem münden.
  • 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 entnimmt die Niederdruck-AGR stromabwärts der Turbine Abgas aus dem Abgasabführsystem und leitet dieses vorzugsweise stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem, um das für eine Rückführung erforderliche Druckgefälle zwischen dem Abgasabführsystem und dem Ansaugsystem realisieren zu können.
  • 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 vorzugsweise stromabwärts des Verdichters in einem Ladeluftkühler gekühlt wird.
  • Da Abgas durch den Verdichter hindurchgeführt wird, wird das Abgas stromabwärts der Turbine vorzugsweise einer Abgasnachbehandlung unterzogen. Die Niederdruck-AGR kann auch mit einer Hochdruck-AGR kombiniert werden.
  • Vorteilhaft können aus den bereits genannten Gründen somit Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen die Rückführleitungen stromaufwärts der Turbine vom Abgasabführsystem abzweigen.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen 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 der Hochdruck-AGR.
  • Vorteilhaft können ebenfalls aus bereits genannten Gründen Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen die Rückführleitungen stromabwärts der Turbine vom Abgasabführsystem abzweigen.
  • Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen zwischen der Turbine und den abzweigenden Rückführleitungen mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem im Abgasabführsystem vorgesehen ist. Da Abgas durch den Verdichter hindurchgeführt wird, wird das Abgas stromabwärts der Turbine vorzugsweise einer Abgasnachbehandlung unterzogen.
  • Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der aufgeladenen 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 in der erfindungsgemäßen Weise genutzt werden kann.
  • Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen zur Nachbehandlung des Abgases ein Oxidationskatalysator als Abgasnachbehandlungssystem vorgesehen ist.
  • Zwar findet auch ohne zusätzliche Maßnahmen bei einem ausreichend hohen Temperaturniveau und dem Vorhandensein genügend großer Sauerstoffmengen eine Oxidation der unverbrannten Kohlenwasserstoffe und von Kohlenmonoxid im Abgasabführsystem statt. Diese Reaktionen kommen aber aufgrund der stromabwärts schnell abnehmenden Abgastemperatur und der infolgedessen rapide sinkenden Reaktionsgeschwindigkeit schnell zum Erliegen. Daher kommen katalytische Reaktoren zum Einsatz, die unter Verwendung katalytischer Materialien eine Oxidation auch bei niedrigen Temperaturen sicherstellen. Sollen zusätzlich Stickoxide reduziert werden, kann dies beim Ottomotor durch den Einsatz eines Drei-Wege-Katalysators erreicht werden.
  • Die Oxidation ist eine exotherme Reaktion, wobei die freigesetzte Wärme die Temperatur und damit die Enthalpie des Abgases erhöht. Am Austritt des Oxidationskatalysators steht somit ein energiereicheres Abgas zur Verfügung. Insofern ist das Vorsehen eines Oxidationskatalysators insbesondere auch im Hinblick auf die erfindungsgemäße Nutzung der Abgasenergie sinnvoll und vorteilhaft.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Bypassleitung zur Umgehung der Kühler vorgesehen ist, die die AGR-Kühler überbrückt und mit der das via Abgasrückführung rückgeführte Abgas bei Umgehung der Kühler in das Ansaugsystem eingeleitet werden kann.
  • Es kann sinnvoll sein, die AGR-Kühlung zu überbrücken, beispielsweise um zu vermeiden, dass zusätzlich Wärme in die Flüssigkeitskühlung der Brennkraftmaschine eingetragen wird. Eine derartige Vorgehensweise bietet sich an, falls die Flüssigkeitskühlung der Brennkraftmaschine bereits stark beansprucht ist, beispielsweise bei Volllast. Wird die Abgasrückführung im Rahmen einer Motorbremse genutzt, ist es ebenfalls sinnvoll, das heiße Abgas ungekühlt zurückzuführen.
  • 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.
  • Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Flüssigkeitskühlung einen Kühlkreislauf aufweist, der die Kühler der Abgasrückführung umfasst.
  • Sind die AGR-Kühler in den Kühlkreislauf der Motorkühlung eingebunden, müssen viele zur Ausbildung eines Kreislaufs erforderlichen Bauteile und Aggregate grundsätzlich nur in einfacher Ausfertigung vorgesehen werden, da diese sowohl für den Kühlkreislauf der AGR-Kühler als auch für den der Motorkühlung verwendet werden können, was zu Synergien und Kosteneinsparungen führt, aber auch eine Gewichtsersparnis mit sich bringt.
  • So werden vorzugsweise nur eine Pumpe zur Förderung des Kühlmittels und ein Behältnis zur Bevorratung des Kühlmittels vorgesehen. Die von der Brennkraftmaschine und der AGR-Kühlung an das Kühlmittel abgegebene Wärme kann dem Kühlmittel in einem gemeinsamen Wärmetauscher entzogen werden.
  • Die vom Kühlmittel in der AGR-Kühlung aufgenommene Abgasenergie bzw. Abgaswärme lässt sich auf diese Weise ebenfalls einfacher nutzen, beispielsweise zur Erwärmung der Brennkraftmaschine bzw. des Motoröls.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und gemäß den 1, 2, 3, 4 und 5 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
    • 1 schematisch eine erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine mitsamt Abgasrückführung in einem ersten Betriebsmodus,
    • 2 schematisch die erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine mitsamt Abgasrückführung in einem zweiten Betriebsmodus,
    • 3 schematisch die erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine mitsamt Abgasrückführung in einem dritten Betriebsmodus,
    • 4 schematisch die erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine mitsamt Abgasrückführung in einem vierten Betriebsmodus, und
    • 5 schematisch die erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine mitsamt Abgasrückführung in einem fünften Betriebsmodus.
  • 1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine 1 mitsamt Abgasrückführung 4 in einem ersten Betriebsmodus.
  • Die Brennkraftmaschine 1 verfügt über ein Ansaugsystem 3 zur Versorgung der Zylinder mit Ladeluft und 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 vorgesehen mit zwei Rückführleitungen 4a, 4b, wobei in jeder Rückführleitung 4a, 4b ein Kühler 5a, 5b angeordnet ist. Die Kühler 5a, 5b weisen jeweils einen Kühlmittel führenden Kühlmittelmantel auf, welcher der Wärmeübertragung zwischen dem Abgas und dem Kühlmittel dient. Die Kühler 5a, 5b sind parallel angeordnet, unabhängig voneinander zur Kühlung von Abgas bzw. zur Energierückgewinnung verwendbar und fluidisch mit der Motorkühlung verbunden bzw. verbindbar.
  • Die erste Rückführleitung 4a zweigt unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes 2a stromabwärts der Turbine 6b vom Abgasabführsystem 2 ab und mündet stromaufwärts des Verdichters 6a unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes 3a in das Ansaugsystem 3. Am zweiten Knotenpunkt 3a ist ein erstes Stellelement 7 vorgesehen. Ein Kombiventil 7a wird als erstes Stellelement 7 eingesetzt, das der Einstellung der rückgeführten Abgasmenge, d.h. der Rückführrate, und damit auch der Deaktivierung der Abgasrückführung 4 dient.
  • Die zweite Rückführleitung 4b zweigt ebenfalls stromabwärts der Turbine 6b sowie stromabwärts des ersten Knotenpunktes 2a unter Ausbildung eines dritten Knotenpunktes 2c vom Abgasabführsystem 2 ab und mündet unter Ausbildung eines vierten Knotenpunktes 10 stromabwärts des ersten Kühlers 5a in die erste Rückführleitung 4a.
  • Eine weitere abgasführende Leitung 11 ist vorgesehen, die unter Ausbildung eines fünften Knotenpunktes 12 stromabwärts des zweiten Kühlers 5b von der zweiten Rückführleitung 4b abzweigt und unter Ausbildung eines sechsten Knotenpunktes 2d in das Abgasabführsystem 2 mündet.
  • Der sechste Knotenpunkt 2d ist vorliegend stromabwärts des ersten und dritten Knotenpunktes 2a, 2c im Abgasabführsystem 2 angeordnet. Am sechsten Knotenpunkt 2d ist ein drittes Stellelement 2b angeordnet. Das dritte Stellelement 2b ist eine stufenlos verstellbare Klappe 2b' und dient im ersten Betriebsmodus dazu, die weitere abgasführende Leitung 11 zu versperren.
  • In der zweiten Rückführleitung 4b ist stromabwärts des zweiten Kühlers 5b und stromabwärts des fünften Knotenpunktes 12 ein zweites Stellelement 8 vorgesehen. Das zweite Stellelement 8 ist ein zweistufig schaltbares 2-2-Wege-Ventil 8a, das zwei Leitungsanschlüsse und zwei Schaltpositionen hat und beide Kühler 5a, 5b via zweitem Knotenpunkt 3a mit dem Ansaugsystem 3 oder via sechstem Knotenpunkt 2d mit dem Abgasabführsystem 2 verbindet oder aber den zweiten Kühler 5b deaktiviert bzw. von der ersten Rückführleitung 4a trennt und via sechstem Knotenpunkt 2d mit dem Abgasabführsystem 2 verbindet.
  • Beide Kühler 5a, 5b können daher zur Kühlung rückzuführenden Abgases, aber auch bei deaktivierter Abgasrückführung zur Energierückgewinnung eingesetzt werden. Im Folgenden wird dies anhand der 2 bis 5 näher erläutert.
  • Im ersten Betriebsmodus der 1 ist das zweite Stellelement 8 in der Offenstellung und das erste Stellelement 7 trennt die erste Rückführleitung 4a vom Ansaugsystem 3. Damit ist die Abgasrückführung 4 deaktiviert. Aufgrund der versperrten abgasführenden Leitung 11 erfolgt auch keine Energierückgewinnung unter Verwendung der AGR-Kühler 5a, 5b.
  • 2 zeigt schematisch die erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine 1 mitsamt Abgasrückführung 4 in einem zweiten Betriebsmodus. Es soll nur ergänzend zu 1 ausgeführt werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf 1. Für dieselben Bauteile bzw. Komponenten wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
  • Im zweiten Betriebsmodus kühlen beide Kühler 5a, 5b rückzuführendes Abgas. Die zweite Rückführleitung 4b ist mit der ersten Rückführleitung 4a verbunden und die erste Rückführleitung 4a ist mit dem Ansaugsystem 3 verbunden. Das erste Stellelement 7 ist entsprechend geschaltet bzw. eingestellt. Das zweite Stellelement 8 ist weiterhin in der Offenstellung und die abgasführende Leitung 11 ist weiterhin versperrt.
  • Insbesondere wenn die Brennkraftmaschine bei höheren Lasten betrieben wurde bzw. wird und das Kühlmittel bzw. die Kühler 5a, 5b aufgeheizt sind, kann es sinnvoll sein, Abgas durch beide Kühler 5a, 5b zurück zu führen. Dann kühlen die aufgeheizten Kühler 5a, 5b sowie das heiße Kühlmittel das Abgas weniger. Gegebenenfalls tragen die aufgeheizten Kühler 5a, 5b sowie das heiße Kühlmittel sogar Wärme in das Abgas ein. Das hochtemperierte Abgas wird in die Zylinder zurückgeführt, wodurch die Zylinderinnentemperatur angehoben und die Reibleistung reduziert wird.
  • 3 zeigt schematisch die erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine 1 mitsamt Abgasrückführung 4 in einem dritten Betriebsmodus. Es soll nur ergänzend zu 1 bzw. 2 ausgeführt werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf 1 bzw. 2. Für dieselben Bauteile bzw. Komponenten wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
  • Im dritten Betriebsmodus kühlt nur der erste Kühler 5a rückzuführendes Abgas, wozu die erste Rückführleitung 4a via zweitem Knotenpunkt 3a mit dem Ansaugsystem 3 verbunden ist. Die zweite Rückführleitung 4b mitsamt dem zweiten Kühler 5b ist von der ersten Rückführleitung 4a getrennt und via abgasführender Leitung 11 und sechstem Knotenpunkt 2d mit dem Abgasabführsystem 2 verbunden. Der zweite Kühler 5b dient somit der Energierückgewinnung. Das erste Stellelement 7 verbindet die erste Rückführleitung 4a mit dem Ansaugsystem 3 und das zweite Stellelement 8 ist in der Schließstellung und trennt die zweite Rückführleitung 4b von der ersten Rückführleitung 4a. Das dritte Stellelement 2b gibt im dritten Betriebsmodus die weitere abgasführende Leitung 11 frei.
  • 4 zeigt schematisch die erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine 1 mitsamt Abgasrückführung 4 in einem vierten Betriebsmodus. Es soll nur ergänzend zu den vorherigen 1, 2 und 3 ausgeführt werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf die 1, 2 und 3. Für dieselben Bauteile bzw. Komponenten wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
  • Im vierten Betriebsmodus ist die Abgasrückführung 4 deaktiviert und beide Kühler 5a, 5b werden bei deaktivierter Abgasrückführung 4 zur Energierückgewinnung eingesetzt. Das erste und zweite Stellelement 7, 8 sind entsprechend geschaltet bzw. eingestellt. Beide Kühler 5a, 5b sind via sechstem Knotenpunkt 2d mit dem Abgasabführsystem 2 verbunden und vom Ansaugsystem 3 getrennt.
  • Das erste Stellelement 7 trennt die erste Rückführleitung 4a vom Ansaugsystem 3 und das zweite Stellelement 8 ist in der Offenstellung und verbindet die beiden Rückführleitungen 4a, 4b. Das dritte Stellelement 2b gibt im vierten Betriebsmodus die weitere abgasführende Leitung 11 frei.
  • 5 zeigt schematisch die erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine 1 mitsamt Abgasrückführung 4 in einem fünften Betriebsmodus. Es soll nur ergänzend zu 3 ausgeführt werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf 3. Für dieselben Bauteile bzw. Komponenten wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
  • Im fünften Betriebsmodus kühlt der erste Kühler 5a rückzuführendes Abgas. Das erste Stellelement 7 verbindet hierzu die erste Rückführleitung 4a mit dem Ansaugsystem 3.
  • Die zweite Rückführleitung 4b mitsamt dem zweiten Kühler 5b ist von der ersten Rückführleitung 4a getrennt und via abgasführender Leitung 11 und sechstem Knotenpunkt 2d mit dem Abgasabführsystem 2 verbunden. Der zweite Kühler 5b dient somit der Energierückgewinnung. Das zweite Stellelement 8 ist hierzu in der Schließstellung und trennt die zweite Rückführleitung 4b von der ersten Rückführleitung 4a.
  • Das dritte Stellelement 2b gibt im fünften Betriebsmodus sowohl die weitere abgasführende Leitung 11 als auch das Abgasabführsystem 2 stromaufwärts des sechsten Knotenpunktes 2d frei. Letzteres trägt großen Abgasmengen Rechnung, die bei hohen Lasten bzw. hohen Drehzahlen vorliegen können und bei denen zur Vermeidung eines zu hohen Abgasgegendrucks die verschwenkbare Klappe 2b' als Überdruckventil fungiert und das Abgasabführsystem 2 freigibt. Diese Überdruckfunktion kann auch in anderen Betriebsmodi ausgelöst werden und wird bei der in den Figuren dargestellten ersten Ausführungsform passiv selbststeuernd mittels Feder realisiert.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennkraftmaschine
    2
    Abgasabführsystem
    2a
    erster Knotenpunkt
    2b
    drittes Stellelement
    2b'
    stufenlos verstellbare Klappe
    2c
    dritter Knotenpunkt
    2d
    sechster Knotenpunkt
    3
    Ansaugsystem
    3a
    zweiter Knotenpunkt
    4
    Abgasrückführung
    4a
    erste Rückführleitung
    4b
    zweite Rückführleitung
    5a
    erster Kühler
    5b
    zweiter Kühler
    6
    Abgasturbolader
    6a
    Verdichter des Abgasturboladers
    6b
    Turbine des Abgasturboladers
    7
    erstes Stellelement
    7a
    Kombiventil
    8
    zweites Stellelement
    8a
    2-2-Wege-Ventil
    9
    Abgasnachbehandlungssystem
    10
    vierter Knotenpunkt
    11
    abgasführende Leitung
    12
    fünfter Knotenpunkt
    AGR
    Abgasrückführung
    mAGR
    Masse an zurückgeführtem Abgas
    mFrischluft
    Masse an zugeführter Frischluft bzw. Verbrennungsluft
    nmot
    Drehzahl der Brennkraftmaschine
    xAGR
    Abgasrückführrate
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102009015656 A1 [0016]

Claims (21)

  1. Brennkraftmaschine (1) mit - mindestens einem Zylinder, - einem Ansaugsystem (3) zur Versorgung des mindestens einen Zylinders mit Luft, - einem Abgasabführsystem (2) zur Abführung der Abgase, - einer Abgasrückführung (4), die mindestens zwei Rückführleitungen (4a, 4b) umfasst, wobei in jeder Rückführleitung (4a, 4b) jeweils ein Kühler (5a, 5b) vorgesehen ist und die Kühler (5a, 5b) parallel angeordnet sind und unabhängig voneinander zur Kühlung von Abgas verwendbar sind, und - mindestens einem Stellelement (2b, 7, 8) zur Einstellung einer vorgebbaren rückzuführenden Abgasmenge, dadurch gekennzeichnet, dass - jeder Kühler (5a, 5b) zur Kühlung von Abgas zwecks Energierückgewinnung verwendbar ist.
  2. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kühler (5a, 5b) zwecks Energierückgewinnung mindestens einen Kühlmittel führenden Kühlmittelmantel aufweist, welcher der Wärmeübertragung zwischen dem Abgas und dem Kühlmittel dient.
  3. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass - eine erste Rückführleitung (4a) vorgesehen ist, in der ein erster Kühler (5a) angeordnet ist und die unter Verwendung mindestens eines Stellelementes (7) stromaufwärts des ersten Kühlers (5a) mit dem Abgasabführsystem (2) und stromabwärts des ersten Kühlers (5a) mit dem Ansaugsystem (3) zumindest verbindbar ist, und - eine zweite Rückführleitung (4b) vorgesehen ist, in der ein zweiter Kühler (5b) angeordnet ist und die unter Verwendung mindestens eines Stellelementes (7, 8) stromaufwärts des zweiten Kühlers (5b) mit dem Abgasabführsystem (2) und stromabwärts des zweiten Kühlers (5b) wahlweise mit dem Ansaugsystem (3) oder dem Abgasabführsystem (2) zumindest verbindbar ist.
  4. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Rückführleitung (4a) stromabwärts des ersten Kühlers (5a) unter Verwendung mindestens eines Stellelementes (7, 8) wahlweise mit dem Ansaugsystem (3) oder dem Abgasabführsystem (2) zumindest verbindbar ist.
  5. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Rückführleitung (4a) unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes (2a) von dem Abgasabführsystem (2) abzweigt und unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes (3a) in das Ansaugsystem (3) mündet.
  6. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Rückführleitung (4a) am zweiten Knotenpunkt (3a) ein erstes Stellelement (7) vorgesehen ist.
  7. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Rückführleitung (4b) unter Ausbildung eines dritten Knotenpunktes (2c) von dem Abgasabführsystem (2) abzweigt und unter Ausbildung eines vierten Knotenpunktes (10) stromabwärts des ersten Kühlers (5a) in die erste Rückführleitung (4a) mündet.
  8. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Rückführleitung (4b) stromabwärts des zweiten Kühlers (5b) ein zweites Stellelement (8) vorgesehen ist.
  9. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine abgasführende Leitung (11) vorgesehen ist, die unter Ausbildung eines fünften Knotenpunktes (12) zwischen dem zweiten Kühler (5b) und dem zweiten Stellelement (8) von der zweiten Rückführleitung (4b) abzweigt und unter Ausbildung eines sechsten Knotenpunktes (2d) in das Abgasabführsystem (2) mündet.
  10. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der sechste Knotenpunkt (2d) stromabwärts des ersten und dritten Knotenpunktes (2a, 2c) im Abgasabführsystem (2) angeordnet ist.
  11. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass am sechsten Knotenpunkt (2d) ein drittes Stellelement (2b) angeordnet ist.
  12. Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein mittels Hilfsantrieb antreibbarer Verdichter im Ansaugsystem (3) angeordnet ist.
  13. 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.
  14. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführleitungen (4a, 4b) stromabwärts des Verdichters (6a) in das Ansaugsystem (3) münden.
  15. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführleitungen (4a, 4b) stromaufwärts des Verdichters (6a) in das Ansaugsystem (3) münden.
  16. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführleitungen (4a, 4b) stromaufwärts der Turbine (6b) vom Abgasabführsystem (2) abzweigen.
  17. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführleitungen (4a, 4b) stromabwärts der Turbine (6b) vom Abgasabführsystem (2) abzweigen.
  18. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Turbine (6b) und den abzweigenden Rückführleitungen (4a, 4b) mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem (9) im Abgasabführsystem (2) vorgesehen ist.
  19. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass zur Nachbehandlung des Abgases ein Partikelfilter als Abgasnachbehandlungssystem (9) vorgesehen ist.
  20. Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung einer Motorkühlung eine Flüssigkeitskühlung vorgesehen ist.
  21. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitskühlung einen Kühlkreislauf aufweist, der die Kühler (5a, 5b) der Abgasrückführung (4) umfasst.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102009015656A1 (de) 2008-04-03 2009-10-29 GM Global Technology Operations, Inc., Detroit Modulare Abgasrückführungskühlung für Verbrennungsmotoren

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