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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Temperierung von Abgasrückführungseinrichtungen sowie ein Kraftfahrzeug.
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Heutzutage eingesetzte Verbrennungsmotoren zeichnen sich durch eine hohe Effizienz aus, so dass ein geringerer Teil der im Kraftstoff enthaltenen chemischen Energie in Wärmeenergie umgewandelt wird. Dies bedingt ein schlechteres Aufwärmverhalten des Verbrennungsmotors nach einem Kaltstart.
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Ein kalter Verbrennungsmotor führt jedoch zu einem höheren Kraftstoffverbrauch aufgrund erhöhter interner Motorreibung und einem nicht optimalen Verbrennungsprozess. Darüber hinaus besteht bei einer dem Verbrennungsmotor zugeordneten externen Niederdruckabgasrückführungseinrichtung das Problem auftretenden Kondenswassers. Aufgrund eines Unterschreitens des Taupunkts kann es nämlich zu einer unerwünschten Kondensatbildung, insbesondere im Niederdruckkühler für das zurückzuführende Niederdruckabgas (Niederdruck-AGR-Kühler) sowie im Niederdruckventil, welches die Abgabe des zurückzuführenden Abgases in den Zuluftstrang des Verbrennungsmotors steuert (Niederdruck-AGR-Ventil), kommen.
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Hierbei kann einerseits ein sog. freies Strömungskondensat gebildet werden, indem das im warmen bzw. heißen und feuchten rückgeführten Niederdruckabgas enthaltene Wasser beim Abkühlen im Kontakt mit kalter Frischluft kondensiert. Dabei agglomerieren zunächst kleine Tropfen zu größeren Tropfen. Erreichen diese größeren Tropfen ein schnell rotierendes Kompressorrad können sie ein hohes Zerstörungspotential entwickeln.
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Andererseits kann eine sog. Wandkondensation auftreten, bei der das warme bzw. heiße rückgeführte Niederdruckabgas auf eine kalte Wand trifft, wodurch es zu einem Abkühlen des rückgeführten Abgases und des darin enthaltenen Wassers kommt. Erfolgt die Abkühlung bei gegebenem Anteil an gasförmigem Wasser auf eine Temperatur unterhalb des Taupunktes für diesen Wasseranteil, tritt in der Folge Kondensation auf.
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Das entstehende Kondenswasser kann zusammen mit dem rückgeführten Niederdruckabgas in den Zuluftstrang des Verbrennungsmotors gelangen. Erreicht das Kondensat das Kompressorrad des Turboladers, können die Kondensattropfen eine Erosion der Kompressorschaufeln hervorrufen, da sie bei den auftretenden Kompressordrehzahlen aufgrund ihrer Masse ein Hindernis für die Schaufeln darstellen. Dieser Verschleiß hat negative Auswirkungen auf Effizienz des Verdichters, den Kraftstoffverbrauch, die Emission von Luftschadstoffen und die Schwingungsentwicklung (NVH, noise vibration harshness). Darüber hinaus kann das Kondenswasser Fehlzündungen bei Ottomotoren hervorrufen.
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Aus der
DE 10 2017 202 128 A1 ist ein Wärmeenergiemanagementsystem für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs mit einem Kühlmittelkreislauf bekannt, welcher den Verbrennungsmotor und einen Wärmetauscher beinhaltet. Weiterhin ist ein Gaskreislauf vorhanden, in den der Verbrennungsmotor, der Wärmetauscher und eine Abgasleitung zur Niederdruckabgasrückführung mit Proportionalventilen eingebunden sind. Der Wärmetauscher tauscht Wärmeenergie zwischen dem im Kühlmittelkreislauf strömenden Kühlmittel und dem Abgas, welches in einem Gaskreislauf strömt, aus. Zudem kann ein Latentwärmespeicher vorhanden sein, wobei das Kühlmittel, das durch den Wärmetauscher strömt, ebenfalls mit dem Latentwärmespeicher in Fluidverbindung steht. Eine Temperierung der Proportionalventile ist mit der beschriebenen Anordnung jedoch nicht möglich.
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Die
DE 10 2014 209 994 A1 offenbart Verfahren und Systeme zum Bereitstellen von Zusatzwärme für eine Vorkompressorleitungswand, um die Kondensatbildung zu verringern. Das AGR-Ventil einer Niederdruckabgasrückführung ist in einem Temperierkreislauf angeordnet, der die Erwärmung des AGR-Ventils ermöglicht und mit dem Motorkühlkreislauf verbunden ist. Eine Temperierung des AGR-Kühlers sowie eine Wärmespeicherung sind mit der beschriebenen Anordnung jedoch nicht möglich.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Entstehung von Kondenswasser stromaufwärts des Kompressors zu mindern oder zu beheben.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Grundgedanke der Erfindung ist es, bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors zusätzliche Wärmeenergie zur Verfügung zu stellen, so dass der Niederdruck-AGR-Kühler und/oder das Niederdruck-AGR-Ventil erwärmt und eine Kondensatbildung verringert oder sogar verhindert werden kann. Insofern im Folgenden eine Abgasrückführung oder diesbezügliche Einrichtungen, wie z. B. ein Kühler oder ein AGR-Ventil, genannt, beschrieben oder erläutert werden, ist damit eine Niederdruckabgasrückführung, ein Niederdruck-AGR-Kühler, ein Niederdruck-AGR-Ventil etc. gemeint, sofern nicht anders angegeben.
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Eine erfindungsgemäße Anordnung zur Temperierung von Abgasrückführungseinrichtungen weist einen Verbrennungsmotor mit einem Motorkühlsystem zur Temperierung des Verbrennungsmotors, einen Zuluftstrang zum Zuführen von Zuluft zum Verbrennungsmotor, einen Abgasstrang zum Abführen eines Abgases vom Verbrennungsmotor und einen Abgasrückführungsstrang, ausgebildet zum Rückführen von Abgas von einer im Abgasstrang angeordneten Abgasentnahmestelle zu einer in dem Zuluftstrang angeordneten Abgaseinleitstelle, auf.
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Der Abgasrückführungsstrang ist als Niederdruckabgasrückführungsstrang ausgebildet. Daher ist die Abgasentnahmestelle im Abgasstrang stromabwärts der Abgasturbine eines dem Verbrennungsmotor zugeordneten Turboladers und ggf. stromabwärts von Abgasnachbehandlungseinrichtungen angeordnet, während die Abgaseinleitstelle im Zuluftstrang stromaufwärts des Kompressors des Turboladers angeordnet sein.
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Die Erfindung wirkt sich besonders vorteilhaft bei einer Niederdruckabgasrückführung aus, da hierbei aufgrund der langen Strömungswege besonders viel Zeit bis zu einer ausreichenden Erwärmung der Abgasrückführungseinrichtungen mittels des rückgeführten Abgases nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors vergeht und daher eine unerwünschte Bildung von Kondenswasser häufiger auftritt.
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Unter einem Verbrennungsmotor, teilweise auch als Brennkraftmaschine bezeichnet, ist eine Verbrennungskraftmaschine zur Umwandlung von im Kraftstoff enthaltener chemischer Energie in mechanische Arbeit zu verstehen. Der Verbrennungsmotor kann als selbstzündender oder fremdgezündeter Verbrennungsmotor ausgebildet sein. Als Kraftstoff kann beispielsweise Motorbenzin oder Diesel genutzt werden. Optional können im Abgasstrang Abgasnachbehandlungseinrichtungen, z. B. Katalysatoren, angeordnet sein.
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Mit Zuluft wird vorliegend eine Zusammensetzung aufweisend Frischluft, d. h. von außen zugeführte Luft, und ggf. rückgeführtes Abgas bezeichnet, die dem Verbrennungsmotor zur Durchführung des Verbrennungsvorgangs zugeführt wird.
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Erfindungsgemäß ist im Abgasrückführungsstrang ein Kühler zum Kühlen des rückgeführten Abgases angeordnet. Zudem weist die Anordnung ein Ventil zum Steuern der Zusammensetzung eines die Zuluft bildenden Gemischs aus Frischluft und rückgeführtem Abgas auf. Dieses Ventil wird auch als AGR-Ventil bezeichnet (AGR, Abgasrückführung). Das AGR-Ventil kann gasseitig stromabwärts des Kühlers, beispielsweise an der Abgaseinleitstelle des rückgeführten Abgases in die Frischluft, angeordnet sein. Alternativ kann das AGR-Ventil stromaufwärts des Kühlers, z. B. an der Abgasentnahmestelle, angeordnet sein. Auch ein stromaufwärts des Kühlers, d. h. auf der Heißseite des Kühlers, angeordnetes AGR-Ventil profitiert zumindest unter bestimmten Bedingungen, z. B. nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors, von einer Temperierung. Kühler und AGR-Ventil stellen Abgasrückführungseinrichtungen dar, die im Rahmen der Erfindung temperiert, d. h. je nach Bedarf gekühlt oder erwärmt werden sollen.
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Des Weiteren weist die erfindungsgemäße Anordnung ein Behältnis mit einem Wärmespeichermedium auf. Unter einem Wärmespeichermedium ist ein Medium, z. B. eine Flüssigkeit, zu verstehen, die Wärmeenergie speichern kann. Bevorzugt weist das Wärmespeichermedium eine hohe Wärmekapazität auf, so dass mit einer geringen Masse des Wärmespeichermediums möglichst viel Wärmeenergie gespeichert werden kann. Optional kann das Wärmespeichermedium in der Lage sein, chemische Reaktionen einzugehen und/oder physikalische Vorgänge zu durchlaufen, die mit einer Wärmeaufnahme und/oder Wärmeabgabe verbunden sind. Bevorzugt können solche chemischen Reaktionen bzw. physikalischen Vorgänge reversibel aufweisen, so dass eine Wärmeaufnahme bzw. Wärmeabgabe mehrfach stattfinden kann.
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Das Wärmespeichermedium ist in einem, bevorzugt geschlossenen, Behältnis angeordnet, wobei das Behältnis nicht auf eine bestimmte Form beschränkt ist. Das Volumen des Behältnisses kann größer als das Volumen des Wärmespeichermediums sein, um einer etwaigen thermischen Ausdehnung des Wärmespeichermediums begegnen zu können. Dadurch kann sichergestellt werden, dass das Wärmespeichermedium nicht, z. B. aufgrund von Leckagen, freigesetzt wird und eine Umweltgefahr darstellen kann.
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Bevorzugt kann das Behältnis aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit bestehen, um eine gute Wärmeübertragung zwischen dem im Behältnis befindlichen Wärmespeichermedium und einem Temperiermittel eines Temperierkreislaufs zu ermöglichen.
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Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Anordnung einen von einem Temperiermittel durchströmten Temperierkreislauf auf.
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Das Temperiermittel dient u. a. der indirekten Wärmeübertragung zwischen dem Wärmespeichermedium und im Temperierkreislauf angeordneten Einrichtungen. Einerseits kann das Temperiermittel bei niedriger Temperatur, z. B. unmittelbar vor oder nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors, Wärmeenergie von dem Wärmespeichermedium aufnehmen, z. B. unter Ausnutzung der Wärmeleitung des Behältnisses. Anschließend kann das erwärmte Temperiermittel Wärmeenergie an die im Temperierkreislauf angeordneten Abgasrückführungseinrichtungen abgeben. Zudem kann das Temperiermittel auch Wärmeenergie vom Verbrennungsmotor aufnehmen und an das Wärmespeichermedium übertragen.
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Das Temperiermittel kann beispielsweise Wasser aufweisen oder aus Wasser bestehen.
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Durch die Verwendung des Temperiermittels entfällt die Notwendigkeit eines Transports des Wärmespeichermediums zwischen verschiedenen Kavitäten. Die Gefahr einer unerwünschten Freisetzung des Wärmespeichermediums kann dadurch verringert werden. Zudem kann das Behältnis mit dem Wärmespeichermedium einfach in bestehende Wärmemanagementsysteme integriert werden, so dass beispielsweise auch eine Nachrüstung möglich ist.
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Der Temperierkreislauf kann durch Leitungen, z. B. Rohre oder Schläuche, gebildet sein, in denen sich das Temperiermittel befindet. Eine Anordnung von Einrichtungen im Temperierkreislauf, z. B. des Motorkühlsystems, der Abgasrückführungseinrichtungen oder des Behältnisses, bedeutet, dass eine Wärmeübertragung zwischen den entsprechenden Komponenten und dem Temperiermittel möglich ist, z. B. indem die Leitungen in direktem Kontakt mit den Einrichtungen stehen oder die Einrichtungen vom Temperiermittel umströmt werden. Zur Verbesserung der Wärmeübertragung kann der Temperierkreislauf Einrichtungen zur Verbesserung der Wärmeübertragung aufweisen, z. B. rippenartige oder mäanderförmige Strukturen zur Vergrößerung der Oberfläche. Im Temperierkreislauf kann ein Temperiermittelstrom durch Temperaturunterschiede ausgebildet werden.
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Der Temperierkreislauf verfügt über Teilkreisläufe, die im Folgenden beschrieben werden und die je nach Temperierungsbedarf genutzt werden können. Die Teilkreisläufe überschneiden sich teilweise, d. h. Leitungen des Temperierkreislaufs werden teilweise zur Ausbildung verschiedener Teilkreisläufe genutzt. Mit anderen Worten sind die beschriebenen Kreisläufe nicht voneinander getrennt.
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Erfindungsgemäß sind in einem Grundkreislauf des Temperierkreislaufs Das Motorkühlsystem des Verbrennungsmotors und der Kühler angeordnet. Mit anderen Worten strömt das Temperiermittel im Grundkreislauf vom Kühler zum Motorkühlsystem und wieder zurück. Dieser Grundkreislauf kann beispielsweise alleinig aktiv sein, wenn eine Kühlung des rückzuführenden Abgases und damit auch des Kühlers erforderlich ist. Hierfür wird das Temperiermittel im Motorkühlsystem gekühlt und das gekühlte Temperiermittel zum Kühler geführt, wo es Wärmeenergie vom Kühler aufnehmen kann. Mit anderen Worten kann das Kühlmittel des Motorkühlsystems das Temperiermittel sein bzw. kann das Motorkühlsystem zum Grundkreislauf erweitert werden. Die Bezeichnung Grundkreislauf bringt zum Ausdruck, dass es sich hierbei um den regelmäßig, d. h. unter normalen Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors, aktivierten Teilkreislauf des Temperierkreislaufs handelt, da zumeist eine Kühlung des Kühlers erforderlich ist.
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Das Motorkühlsystem kann über eine Pumpeinrichtung, sog. Wasserpumpe, verfügen, die zur Ausbildung einer Strömung im Motorkühlsystem und damit auch im Grundkreislauf genutzt werden kann. Mittels der Wasserpumpe kann in den die Wasserpumpe verlassenden Leitungen ein höherer Druck als in den Rücklaufleitungen ausgebildet werden.
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Der Temperierkreislauf weist des Weiteren einen Erwärmungskreislauf auf. Im Erwärmungskreislauf sind das Behältnis mit dem Wärmespeichermedium, das Motorkühlsystem, der Kühler und das AGR-Ventil angeordnet. Der Erwärmungskreislauf dient der Erwärmung des Kühlers und/oder des AGR-Ventils, z. B. nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors, wobei Wärmeenergie vom Wärmespeichermedium an das AGR-Ventil und/oder den Kühler übertragen wird.
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Des Weiteren weist der Temperierkreislauf einen Speicherkreislauf auf. Im Speicherkreislauf sind das Behältnis und das Motorkühlsystem angeordnet. Insofern ist das Motorkühlsystem sowohl Teil des Grundkreislaufs als auch des Erwärmungskreislaufs als auch des Speicherkreislaufs. Ebenso ist das Behältnis sowohl Teil des Erwärmungskreislaufs als auch des Speicherkreislaufs.
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Der Speicherkreislauf dient der Übertragung von Wärmeenergie vom Verbrennungsmotor bzw. das Motorkühlsystem zum Wärmespeichermedium. Mit anderen Worten kann mittels des Speicherkreislaufs Wärmeenergie dem Wärmespeichermedium zugeführt und in diesem für eine spätere Verwendung im Erwärmungskreislauf gespeichert werden Hierdurch kann vorteilhaft eine zusätzliche Kühlwirkung für den Verbrennungsmotor erreicht werden.
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Die erfindungsgemäße Anordnung weist zudem Durchflusssteuereinrichtungen auf, die zur Aufteilung des Temperiermittelstroms auf den Grundkreislauf, den Erwärmungskreislauf und den Speicherkreislauf ausgebildet sind. Mit anderen Worten kann durch entsprechende Ansteuerung der Durchflusssteuereinrichtungen festgelegt werden, ob das Temperiermittel den Grundkreislauf, den Erwärmungskreislauf und/oder den Speicherkreislauf durchströmt. Die Durchflusssteuereinrichtungen können beispielsweise als Dreiwegeventile ausgebildet sein.
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Die Erfindung ermöglicht vorteilhaft eine Temperierung, insbesondere eine Erwärmung nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors, der Abgasrückführungseinrichtungen Kühler und AGR-Ventil. Die Bildung von Kondenswasser kann dadurch verringert oder sogar verhindert werden, so dass keine oder allenfalls geringe Mengen an Kondenswasser aus dem Abgasrückführungsstrang in den Zuluftstrang gelangen können. Eine durch Kondenswasser bedingte Erosion der Kompressorschaufeln des Kompressorrads sowie dadurch bedingte negative Auswirkungen auf die Effizienz des Kompressors bzw. Verdichters, den Kraftstoffverbrauch, die Emission von Luftschadstoffen und die Schwingungsentwicklung können verringert oder verhindert werden. Zudem können im Falle eines Ottomotors als Verbrennungsmotor auch kondenswasserbedingte Fehlzündungen des Verbrennungsmotors minimiert oder verhindert werden.
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Weiter vorteilhaft wird für die Temperierung der Abgasrückführungseinrichtungen keine zusätzliche Energiezufuhr benötigt, die Temperierung wirkt sich also z. B. nicht nachteilig auf den Kraftstoffverbrauch aus. Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht nämlich eine Speicherung von Wärmeenergie im Wärmespeichermedium, falls ausreichend Wärmeenergie zur Verfügung steht, also z. B. nachdem der Verbrennungsmotor seine Betriebstemperatur erreicht hat. Diese gespeicherte Wärmeenergie kann dann zu einem späteren Zeitpunkt zur Erwärmung der Abgasrückführungseinrichtungen genutzt werden.
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Darüber hinaus kann der Temperierkreislauf und/oder das Behältnis mit dem Wärmespeichermedium auch in weitere Temperierkreisläufe, z. B. zur Temperierung von Abgasnachbehandlungseinrichtungen, integriert werden.
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Der Kühler und das AGR-Ventil können im Erwärmungskreislauf entweder in Reihe hintereinander oder parallel zueinander, bezogen auf den Strömungspfad des Temperiermittels, angeordnet sein.
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Eine parallele Anordnung ermöglicht vorteilhaft eine voneinander unabhängige Temperierung des Kühlers und des AGR-Ventils, indem der Temperiermittelstrom entsprechend aufgeteilt wird. Zur Aufteilung des Temperiermittelstroms können Durchflusssteuereinrichtungen, z. B. Dreiwegeventile, genutzt werden. Eine Verwendung von Dreiwegeservoventilen kann eine stufenlose Volumenaufteilung des Temperiermittelstroms ermöglichen.
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Eine Anordnung in Reihe hintereinander ermöglicht im Vergleich zu einer parallelen Anordnung eine einfachere technische Umsetzung, da entsprechende Verzweigungen und Durchflusssteuereinrichtungen zur Aufteilung des Temperiermittelstroms zwischen Kühler und AGR-Ventil entfallen.
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Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann das Wärmespeichermedium ein Latentwärmespeichermedium sein. Denkbar ist auch, dass das Temperiermittel als Wärmespeichermedium genutzt wird. In diesem Fall kann das Behältnis als Isolationsbehältnis ausgeführt sein.
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Als Latentwärmespeichermedium werden Phasenwechselmaterialien (engl. phase change materials, PCM) eingesetzt, deren latente Schmelzwärme, Lösungswärme oder Absorptionswärme größer ist als die Wärme, die sie aufgrund ihrer normalen spezifischen Wärmekapazität speichern können. Neben der spezifischen Wärmekapazität steht somit auch die latente Wärme des Phasenübergangs, z. B. von flüssig zu fest, für die Speicherung von Wärmeenergie zur Verfügung.
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Bevorzugt kann ein Latentwärmespeichermedium verwendet werden, dessen Phasenübergang von flüssig zu fest und umgekehrt, d. h. Erstarren bzw. Schmelzen, ausgenutzt wird. Die Phasenübergangstemperatur des Fest-Flüssig-Phasenübergangs sollte bevorzugt in einem Temperaturbereich zwischen 50 °C und 80 °C liegen.
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Als Latentwärmespeichermedien können beispielsweise Salzhydrate, Mischungen mit Salzhydraten oder Paraffine eingesetzt werden. Bevorzugt kann Natriumacetat-Trihydrat als Latentwärmespeichermedium genutzt werden, welches eine Phasenübergangstemperatur von 58 °C für den fest-flüssig Phasenübergang aufweist, jedoch auch bei niedrigeren Temperaturen von bis zu - 20 °C im flüssigen Zustand als unterkühlte Schmelze in einem metastabilen Zustand vorliegen kann, da sich das Salz in seinem Kristallwasser löst. Wird nun eine Kristallisation ausgelöst, erwärmt sich das Latentwärmespeichermedium wieder auf die Phasenübergangstemperatur des Fest-Flüssig-Phasenübergangs und gibt Wärmeenergie ab.
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Die mit dem Fest-Flüssig-Phasenübergang verbundene Schmelzwärme beträgt ca. 270 kJ/kg und ist damit größer als bei den meisten anderen Latentwärmespeichermedien, deren Fest-Flüssig-Phasenübergangstemperatur im Niedertemperaturbereich zwischen 40 °C und 100 °C liegt. D. h., die speicherbare Energie pro kg ist für Natriumacetat-Trihydrat besonders hoch, so dass für die Speicherung einer bestimmten Wärmeenergie wenig Latentwärmespeichermedium benötigt wird, so dass das Behältnis entsprechend klein gewählt werden kann. Dadurch kann beispielsweise Bauraum in einem mit der erfindungsgemäßen Anordnung versehenen Fahrzeug eingespart werden.
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Weitere Beispiele für Latentwärmespeichermedien sind Natriumsulfat-Decahydrat (Fest-Flüssig-Phasenübergangstemperatur 32,5 °C, Dikaliumhydrogenphosphat-Hexahydrat (Fest-Flüssig-Phasenübergangstemperatur 14 °C) und Calciumnitrat-Tetrahydrat (Fest-Flüssig-Phasenübergangstemperatur 43 °C).
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Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann das Latentwärmespeichermedium unterhalb seiner Phasenübergangstemperatur, z. B. unterhalb der Fest-Flüssig-Phasenübergangstemperatur, in einem metastabilen Zustand vorliegen.
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Es kann also ein Latentwärmespeichermedium verwendet werden, das als unterkühlte Schmelze oder unterkühlte Lösung in einem metastabilen Zustand vorliegen kann. Der Phasenübergang von flüssig zu fest unter Abgabe von Wärmeenergie kann dann durch Keimbildung in der unterkühlten Schmelze bzw. Lösung, z. B. mittels eines Impulses oder Impfen mit Keimen, ausgelöst werden. Vorteilhaft kann dadurch der Zeitpunkt des Phasenübergangs und somit der Beginn der Wärmeabgabe gesteuert werden.
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Beispielsweise kann das Latentwärmespeichermedium auf Umgebungstemperatur abkühlen, ohne dass eine Kristallisation auftritt, da sich das Latentwärmespeichermedium bei Umgebungstemperatur in einem metastabilen Zustand befindet.
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Bevorzugt sollte der metastabile Zustand bis zu einer Temperaturuntergrenze von 0 °C, weiter bevorzugt bis zu einer Temperaturuntergrenze von -10 °C, besonders bevorzugt bis zu einer Temperaturuntergrenze von -20 °C oder sogar bis zu einer Temperaturuntergrenze von -30 °C vorliegen. Dadurch kann eine Wärmeabgabe bis zum Erreichen der genannten Temperaturuntergrenzen ermöglicht werden.
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Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann im Erwärmungskreislauf eine Pumpeinrichtung angeordnet sein.
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Die Pumpeinrichtung kann bevorzugt elektrisch angetrieben werden. Sie ermöglicht die Ausbildung eines Temperiermittelstroms im Erwärmungskreislauf auch ohne vorherrschendes Temperaturgefälle. Beispielsweise kann die Pumpeinrichtung ein Vorwärmen der Abgasrückführungseinrichtungen und auch des Verbrennungsmotors (durch Erwärmen des Motorkühlsystems) vor einem Start des Verbrennungsmotors ermöglichen.
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Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann die Anordnung Temperatursensoren zur Ermittlung der Temperatur des Kühlers und/oder des AGR-Ventils und/oder des Verbrennungsmotors aufweisen.
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Beispielsweise können die Temperatursensoren direkt in oder an den genannten Einrichtungen angeordnet sein. Alternativ können Temperatursensoren im Temperiermittel, beispielsweise unmittelbar stromaufwärts oder stromabwärts derjenigen Einrichtung, deren Temperatur ermittelt werden soll, angeordnet sein. Anhand der Temperatur des Temperiermittels kann dann die Temperatur der Einrichtung abgeleitet werden. Die Temperatur des Verbrennungsmotors kann beispielsweise anhand der Temperatur des Temperiermittels im Motorkühlsystem ermittelt werden.
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Die Ermittlung der Temperaturen ermöglicht eine Steuerung der erfindungsgemäßen Anordnung in Abhängigkeit der Temperatur. Wird beispielsweise festgestellt, dass die Temperatur des AGR-Ventils zu gering ist, d. h. besteht die Gefahr unerwünschter Kondensatbildung, kann das AGR-Ventil erwärmt werden.
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Die Steuerung der erfindungsgemäßen Anordnung kann mittels einer Steuereinheit erfolgen, die zum Ausgeben von Steuersignalen an die Durchflusssteuereinrichtungen in Abhängigkeit der Temperatur des Kühlers und/oder der Temperatur des AGR-Ventils und/oder der Temperatur des Verbrennungsmotors ausgebildet ist. Beispielsweise kann eine Steuerung gemäß dem nachfolgend erläuterten erfindungsgemäßen Verfahren erfolgen.
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Die Steuereinheit kann Eingangsdaten von den Temperatursensoren empfangen, die Eingangsdaten verarbeiten und Steuersignale an Aktuatoren, also z. B. die Durchflusssteuereinrichtungen, als Reaktion auf die verarbeiteten Eingangsdaten basierend auf Anweisungen oder darin programmiertem Code entsprechend einer oder mehrerer Routinen aussenden.
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Die Steuereinheit kann hardware- und/oder softwaremäßig realisiert sein und physisch ein- oder mehrteilig ausgebildet sein. Insbesondere kann die Steuereinheit Teil einer Motorsteuerung sein oder in diese integriert sein. In einer typischen Ausgestaltung fungiert die Motorsteuerung eines Kraftfahrzeugs als Steuereinheit.
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Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug weist eine Anordnung gemäß vorstehender Beschreibung auf. Daher dienen die obigen Ausführungen zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Anordnung auch zur Beschreibung des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs entsprechen denen der erfindungsgemäßen Anordnung und deren entsprechender Ausführungsvarianten.
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Unter einem Kraftfahrzeug ist ein durch einen Motor angetriebenes Fahrzeug, z. B. ein Land-, Luft- oder Wasserfahrzeug, insbesondere ein Personenkraftwagen, zu verstehen.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Temperierung von Abgasrückführungseinrichtungen einer Anordnung gemäß obiger Beschreibung weist ein Ausbilden eines Temperiermittelstroms im Grundkreislauf bei erforderlicher Kühlung des Kühlers und bei erforderlicher Erwärmung des Kühlers und/oder des AGR-Ventils, ein Ausbilden eines Temperiermittelstroms im Erwärmungskreislauf auf.
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Eine Kühlung des rückzuführenden Abgases und damit auch des Kühlers ist üblicherweise erforderlich, sobald der Verbrennungsmotor seine normale Betriebstemperatur erreicht hat. In diesem Fall wird ein Temperiermittelstrom im Grundkreislauf, bevorzugt ausschließlich im Grundkreislauf, ausgebildet, d. h. das Temperiermittel strömt vom Kühler zum Motorkühlsystem und wieder zurück.
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Ist hingegen eine Erwärmung des Kühlers und/oder des AGR-Ventils erforderlich, z. B. um nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors einer Kondensation von im rückzuführenden Abgas enthaltenen Wasser vorzubeugen, wird der Temperiermittelstrom im Erwärmungskreislauf ausgebildet. Mit anderen Worten durchströmt das Temperiermittel das Motorkühlsystem, das Behältnis mit dem Wärmespeichermedium sowie das AGR-Ventil und/oder den Kühler AGR-Ventil und Kühler werden durchströmt, wenn diese in Reihe im Erwärmungskreislauf angeordnet sind. Bei einer parallelen Anordnung von AGR-Ventil und Kühler im Erwärmungskreislauf besteht auch die Möglichkeit, nur das AGR-Ventil oder nur den Kühler zu erwärmen.
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Hierbei kann Wärme vom Wärmespeichermedium an das Temperiermittel abgegeben, zum AGR-Ventil und/oder zum Kühler transportiert und dort an das AGR-Ventil bzw. den Kühler übertragen werden. Zudem können auch das Motorkühlsystem und damit der Verbrennungsmotor erwärmt werden.
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Bevorzugt wird der Temperiermittelstrom derart ausgebildet, dass das vom Behältnis mit dem Wärmespeichermedium kommende, d. h. das erwärmte Temperiermittel, zunächst das AGR-Ventil und/oder den Kühler durchströmt und erwärmt und erst im Anschluss daran auch das Motorkühlsystem vom Temperiermittel durchströmt und somit nachfolgend erwärmt wird.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können die bereits bezüglich der Anordnung beschriebenen Effekte erzielt werden, so dass die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens den Vorteilen der erfindungsgemäßen Anordnung und deren Ausführungsvarianten entsprechen.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann das Verfahren bei Erreichen einer Mindesttemperatur des Verbrennungsmotors ein Ausbilden eines Temperiermittelstroms im Speicherkreislauf aufweisen.
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Mittels diesen Ausführungsvarianten kann dem Wärmespeichermedium überschüssige Wärmeenergie des Verbrennungsmotors zugeführt und in diesem gespeichert werden, indem Wärmeenergie vom Verbrennungsmotor über das Motorkühlsystem an das Temperiermittel abgegeben, zum Behältnis transportiert und an das Wärmespeichermedium übertragen wird. Hierdurch kann bei einem nachfolgenden Kaltstart erneut Wärmeenergie vom Wärmespeichermedium abgegeben und zur Erwärmung der Abgasrückführungseinrichtungen zur Verfügung gestellt werden.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann bei erforderlicher Erwärmung des Kühlers und/oder des AGR-Ventils der Temperiermittelstrom auf den Kühler und das AGR-Ventil aufgeteilt werden. Hierzu können das AGR-Ventil und der Kühler parallel zueinander im Erwärmungskreislauf angeordnet sein. Hierdurch kann vorteilhaft eine bedarfsgerechte Temperierung des AGR-Ventils und des Kühlers erfolgen.
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Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann der Temperiermittelstrom, insbesondere der Temperiermittelstrom im Erwärmungskreislauf, mittels einer Pumpeinrichtung ausgebildet werden. Dies kann eine Erwärmung der Abgasrückführungseinrichtungen bereits vor einem Start des Verbrennungsmotors ermöglichen, so dass eine Kondensatbildung bereits ab dem Motorstart verhindert oder zumindest reduziert werden kann.
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Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus den Abbildungen und der zugehörigen Beschreibung ersichtlich. Es zeigen:
- 1 eine erste beispielhafte Anordnung mit in Reihe angeordnetem AGR-Ventil und Kühler,
- 2 die erste beispielhafte Anordnung in einem Kühlmodus,
- 3 die erste beispielhafte Anordnung in einem Heizmodus,
- 4 die erste beispielhafte Anordnung in einem Wärmespeichermodus,
- 5 die erste beispielhafte Anordnung in einem weiteren Wärmespeichermodus,
- 6 eine weitere beispielhafte Anordnung mit parallel angeordnetem AGR-Ventil und Kühler,
- 7 die zweite beispielhafte Anordnung in einem Kühlmodus,
- 8 die zweite beispielhafte Anordnung in einem Heizmodus,
- 9 die zweite beispielhafte Anordnung in einem Wärmespeichermodus,
- 10 die zweite beispielhafte Anordnung in einem weiteren Wärmespeichermodus.
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In den Figuren sind alle Einrichtungen, die von Gasen, d. h. Zuluft, Abgas, rückgeführtes Abgas, durchströmt werden, als doppelt gezeichnete Linie dargestellt. Einrichtungen, die von Flüssigkeiten, d. h. dem Temperiermittel durchströmt werden, sind als einfache Linie dargestellt. Gepunktete Abschnitte stellen inaktive Abschnitte des Temperierkreislaufs dar.
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1 zeigt eine erste beispielhafte Anordnung 1 zur Temperierung von Abgasrückführungseinrichtungen 2. Die Anordnung 1 weist einen Verbrennungsmotor 3 auf, der über einen Zuluftstrang 4 mit Zuluft versorgt wird. Vom Verbrennungsmotor 3 während des Verbrennungsvorgangs erzeugtes Abgas wird über einen sich an den Verbrennungsmotor 3 anschließenden Abgasstrang 5 abgeführt. Im Abgasstrang können optional Abgasnachbehandlungseinrichtungen 19, z. B. Katalysatoren und/oder Partikelfilter, angeordnet sein. Dem Verbrennungsmotor 3 ist weiterhin ein Turbolader zugeordnet, der einen im Zuluftstrang 4 angeordneten Kompressor 21 und eine im Abgasstrang 5 angeordnete Abgasturbine 20 aufweist, die über eine Turboladerwelle 22 miteinander verbunden sind.
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Die Anordnung 1 verfügt des Weiteren über einen Niederdruckabgasrückführungsstrang 6, der dazu ausgebildet ist, Abgas von einer im Abgasstrang 5 angeordneten Abgasentnahmestelle 7 zu einer im Zuluftstrang 4 angeordneten Abgaseinleitstelle 8 zu leiten. Die Abgasentnahmestelle 7 ist stromabwärts der Abgasturbine 20 und stromabwärts etwaig vorhandener Abgasnachbehandlungseinrichtungen 19 angeordnet, während die Abgaseinleitstelle 8 stromaufwärts der des Kompressor 21 angeordnet ist.
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Im Niederdruckabgasrückführungsstrang 6 befindet sich ein Kühler 9 zur Kühlung des rückzuführenden Abgases. Weiterhin ist an der Abgaseinleitstelle 8 ein AGR-Ventil 10 angeordnet, mit dem der Anteil an rückzuführendem Abgas, d. h. also die Zusammensetzung der Zuluft aus Frischluft und rückgeführtem Abgas, eingestellt werden kann.
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Darüber hinaus weist die Anordnung 1 ein Behältnis 11 mit einem Wärmespeichermedium 12 auf, wobei das Wärmespeichermedium 12 ein Latentwärmespeichermedium ist.
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Außerdem verfügt die Anordnung 1 über einen Temperierkreislauf 13, der von einem Temperiermittel durchströmt wird. Der Temperierkreislauf 13 weist einen Grundkreislauf 14, einen Erwärmungskreislauf 15 und einen Speicherkreislauf 16 auf. Zur Aufteilung des Temperiermittelstroms auf den Grundkreislauf 14 sowie den Erwärmungskreislauf 15 und den Speicherkreislauf 16 sind Durchflusssteuereinrichtungen 17a, 17 b vorgesehen, die als Dreiwegeventile ausgebildet sind. Durch entsprechende Einstellung der Dreiwegeventile kann festgelegt werden, ob das Temperiermittel den Grundkreislauf 14 oder den Erwärmungskreislauf15 oder den Speicherkreislauf 16 durchströmt. Es kann auch festgelegt werden, dass das Temperiermittel den Grundkreislauf 14 und den Speicherkreislauf 16 durchströmt. Die Aufteilung des Temperiermittelstroms auf den Grundkreislauf 14, den Erwärmungskreislauf 15 und den Speicherkreislauf 16 wird mittels der Durchflusssteuereinrichtungen 17a, 17b festgelegt.
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Im Grundkreislauf 14 sind das Motorkühlsystem 23 und der Kühler 9 angeordnet. Im Erwärmungskreislauf 15 sind das Behältnis 11 mit dem Wärmespeichermedium 12, der Kühler 9, das AGR-Ventil 10 und das Motorkühlsystem 23 angeordnet. Im Speicherkreislauf 16 sind das Behältnis 11 und das Motorkühlsystem 23 angeordnet. Daraus ergibt sich, dass sich die Teilkreisläufe zumindest teilweise überlagern, wie aus den 2,3 und 4 ersichtlich ist, die jeweils einen der Teilkreisläufe als aktiv darstellen.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 sind das AGR-Ventil 10 und der Kühler 9 im Erwärmungskreislauf 15 in Reihe hintereinander angeordnet. Wird also das AGR-Ventil 10 vom Temperiermittel durchströmt, so muss zwangsläufig auch der Kühler 9 vom Temperiermittel durchströmt werden.
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Im Erwärmungskreislauf 15 ist weiterhin eine elektrische Pumpe als Pumpeinrichtung 18 angeordnet. Die Pumpeinrichtung 18 ermöglicht eine Ausbildung des Temperiermittelstroms im Erwärmungskreislauf 15 bereits vor einem Start des Verbrennungsmotors 3 und somit eine frühzeitige Temperierung des Kühlers 9 sowie des AGR-Ventils 10.
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Das Motorkühlsystem 23 verfügt über eine Wasserpumpe 24, mittels der eine Strömung im Motorkühlsystem 23 und damit auch im Grundkreislauf 14, im Erwärmungskreislauf 15 und/oder im Speicherkreislauf 16 ausbildbar ist. Die als das Motorkühlsystem 23 verlassend dargestellten Leitungen sind mit dem Ausgang der Wasserpumpe 24 verbunden, so dass in diesen stets ein höherer Druck als in den zum Motorkühlsystem 23 führenden Rücklaufleitungen herrscht.
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Optional kann die Anordnung 1 Temperatursensoren (nicht dargestellt) zur Ermittlung der Temperatur des Kühlers 9 und/oder des AGR-Ventils 10 und/oder des Verbrennungsmotors 3 sowie eine Steuereinheit, ausgebildet zum Ausgeben von Steuersignalen an die Durchflusssteuereinrichtungen 17 in Abhängigkeit der Temperatur des Kühlers 9 und/oder der Temperatur des AGR-Ventils 10 und/oder der Temperatur des Verbrennungsmotors, aufweisen.
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2 zeigt die Anordnung 1 der 1 in einem Kühlmodus, d. h. während des Normalbetriebs nachdem der Verbrennungsmotor 3 seine Betriebstemperatur erreicht hat und eine Kühlung des rückzuführenden Abgases erforderlich ist. Hierfür ist lediglich der Grundkreislauf 14 aktiviert. Mit anderen Worten wird ein Temperiermittelstrom im Grundkreislauf ausgebildet und ein Austausch von Wärmeenergie findet nur zwischen dem Motorkühlsystem 23 und dem Kühler 9 statt. Das Temperiermittel strömt vom Motorsystem 23 durch die Durchflusssteuereinrichtung 17b zum Kühler 9 und von dort wieder zurück zum Motorkühlsystem 23.
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3 zeigt die Anordnung 1 der 1 in einem Heizmodus zur Erwärmung des AGR-Ventils 10 sowie des Kühlers 9. Ein solcher Heizmodus kann beispielsweise unmittelbar vor oder nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 3 gewählt werden, um die Abgasrückführungseinrichtungen 2 zu erwärmen und die Bildung von Kondenswasser zu verringern oder zu verhindern. Im Heizmodus, d. h. bei erforderlicher Erwärmung des Kühlers 9 und des AGR-Ventils 10, wird der Temperiermittelstrom im Erwärmungskreislauf 15 ausgebildet. Das Temperiermittel strömt vom Behältnis 11 über die Durchflusssteuereinrichtung 17a zum AGR-Ventil 10, von diesem über die Pumpeinrichtung 18 und die Durchflusssteuereinrichtung 17b zum Kühler 9 und vom Kühler 9 über das Motorkühlsystem 23 wieder zurück zum Behältnis 11.
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Hierbei wird Wärmeenergie vom Wärmespeichermedium an das Temperiermittel abgegeben, so dass sich das Temperiermittel erwärmt. Das erwärmte Temperiermittel durchströmt das AGR-Ventil 10, den Kühler 9 sowie das Motorkühlsystem 23, bevor es wieder zum Behältnis 11 gelangt und erneut Wärmeenergie vom Wärmespeichermedium 12 aufnehmen kann.
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Erreicht der Verbrennungsmotor 3 eine Mindesttemperatur, z. B. seine Betriebstemperatur, kann der Temperiermittelstrom, wie in 4 dargestellt, im Speicherkreislauf 15 ausgebildet werden. Das Temperiermittel strömt vom Motorkühlsystem 23 zum Behältnis 11 und über die Durchflusssteuereinrichtung 17a wieder zurück zum Motorkühlsystem. Hierbei wird Wärmeenergie vom erwärmten Motorkühlsystem 23 an das Temperiermittel übertragen. Das erwärmte Temperiermittel strömt zum Behältnis 11 und kann seinerseits Wärmeenergie an das Wärmespeichermedium 12 abgeben. Mit anderen Worten kann das Wärmespeichermedium 12 wieder aufgeladen werden, so dass für einen nachfolgenden Kaltstart wieder Wärmeenergie zur Erwärmung der Abgasrückführungseinrichtungen 2 zur Verfügung steht.
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Zusammen mit dem Speicherkreislauf 16 kann auch im Grundkreislauf 14, wie in 5 dargestellt, ein Temperiermittelstrom ausgebildet werden, da ab Erreichen der Mindesttemperatur nicht nur das Wärmespeichermedium 12 wieder aufgeladen werden kann, sondern zumeist auch eine Kühlung des Kühlers 9 erforderlich ist.
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Allerdings ist auch ein separater Betrieb ausschließlich des Speicherkreislaufs 16 möglich (siehe 4), beispielsweise falls keine Abgasrückführung durchgeführt wird und entsprechend keine Kühlung des Kühlers 9 erforderlich ist. Dazu kann beispielsweise Ventil 17b den Kühlmittelstrom im Grundkreislauf unterbrechen. Des Weiteren kann beispielsweise nach einem Ausschalten des Verbrennungsmotors 3, nachdem kein Abgas mehr gebildet wird, während das Temperiermittel noch ausreichend warm ist, das Wärmespeichermedium wieder aufgeladen werden. Hierzu kann eine nicht weiter dargestellte Zusatzpumpe in den Speicherkreislauf integriert sein.
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6 zeigt eine zweite beispielhafte Anordnung 1 zur Temperierung der Abgasrückführungseinrichtungen 2. Im Unterschied zur Anordnung 1 gemäß 1 sind bei der zweiten beispielhaften Anordnung 1 das AGR-Ventil 10 und der Kühler 9 parallel zueinander im Erwärmungskreislauf 15 angeordnet. Im Übrigen wird auf die obigen Ausführungen zur ersten beispielhaften Anordnung 1 verwiesen.
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Die parallele Anordnung von AGR-Ventil 10 und Kühler 9 ermöglicht eine selektive Durchströmung nur des AGR-Ventils 10, nur des Kühler 9 oder sowohl des AGR-Ventils 10 als auch des Kühlers 9. Dadurch kann der Temperiermittelstrom bei erforderlicher Erwärmung des Kühlers 9 und/oder des AGR-Ventils 10 auf den Kühler 9 und das AGR-Ventil 10 mittels der Durchflusssteuereinrichtungen 17b, 17c aufgeteilt werden. Mit anderen Worten können der Kühler 9 und das AGR-Ventil 10 unabhängig voneinander erwärmt werden.
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7 zeigt die zweite beispielhafte Anordnung 1 im Kühlmodus. Hierbei ist nur der Grundkreislauf 14 aktiv. Das Temperiermittel strömt vom Motorkühlsystem 23 über die Durchflusssteuereinrichtung 17b zum Kühler 9 und von diesem über die Durchflusssteuereinrichtung 17c wieder zurück zum Motorkühlsystem 23. Es wird im Übrigen auf die Ausführungen zu 2 verwiesen.
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8 zeigt die zweite beispielhafte Anordnung 1 im Heizmodus. Im Heizmodus können das AGR-Ventil 10 und/oder der Kühler 9 erwärmt werden, indem ein Temperiermittelstrom im Erwärmungskreislauf 15 ausgebildet wird. Das Temperiermittel strömt vom Behältnis 11 über die Durchflusssteuereinrichtung 17a zur Pumpeinrichtung 18, dann - je nach Stellung der Durchflusssteuereinrichtungen 17b und 17c - zum AGR-Ventil 10 und/oder zur Durchflusssteuereinrichtung 17b sowie zum Kühler 9 und anschließend über die Durchflusssteuereinrichtung 17c und das Motorkühlsystem 23 wieder zurück zum Behältnis 11.
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Hierbei wird Wärmeenergie vom Wärmespeichermedium 12 an das Temperiermittel abgegeben, so dass sich das Temperiermittel erwärmt. Das erwärmte Temperiermittel durchströmt dann je nach Aufteilung des Temperiermittelstroms das AGR-Ventil 10 und/oder den Kühler 9 sowie anschließend den Verbrennungsmotor 3, bevor es wieder zum Behältnis 11 gelangt und erneut Wärmeenergie vom Wärmespeichermedium 12 aufnehmen kann.
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Bei Erreichen einer Mindesttemperatur des Verbrennungsmotors 3 kann dann das Wärmespeichermedium 12 wieder aufgeladen werden, wie zu 4 beschrieben und in 9 für die zweite beispielhafte Anordnung 1 dargestellt.
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9 zeigt die zweite beispielhafte Anordnung 1 im Wärmespeichermodus. Bei Erreichen einer Mindesttemperatur des Verbrennungsmotors 3 wird hierfür ein Temperiermittelstrom im Speicherkreislauf 16 ausgebildet. Mit anderen Worten durchströmt das Temperiermittel das Motorkühlsystem 23 und das Behältnis 11.
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5 entsprechend kann auch bei der zweiten beispielhaften Anordnung 1 ein Temperiermittelstrom im Grundkreislauf 14 und im Speicherkreislauf 16 ausgebildet werden (10), sodass einerseits das Wärmespeichermedium 12 wieder aufgeladen wird und anderseits der Kühler 9 gekühlt wird.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Anordnung
- 2
- Abgasrückführungseinrichtung
- 3
- Verbrennungsmotor
- 4
- Zuluftstrang
- 5
- Abgasstrang
- 6
- Niederdruckabgasrückführungsstrang
- 7
- Abgasentnahmestelle
- 8
- Abgaseinleitstelle
- 9
- Kühler
- 10
- AGR-Ventil
- 11
- Behältnis
- 12
- Wärmespeichermedium
- 13
- Temperierkreislauf
- 14
- Grundkreislauf
- 15
- Erwärmungskreislauf
- 16
- Speicherkreislauf
- 17
- Durchflusssteuereinrichtung
- 18
- Pumpeinrichtung
- 19
- Abgasnachbehandlungseinrichtung
- 20
- Abgasturbine
- 21
- Kompressor
- 22
- Turboladerwelle
- 23
- Motorkühlsystem
- 24
- Wasserpumpe
