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Die Erfindung betrifft ein System einer Brennkraftmaschine mit mindestens einer Abgasrückführungsleitung, in der ein Drosselventil angeordnet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug mit dem System sowie ein Verfahren zum Steuern der rückgeführten Abgasmenge.
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Ein Abgasrückführungssystem (AGR-System) wird zur Minderung der Emission von Stickoxiden verwendet, die bei der Verbrennung von Kraftstoff in einer Brennkraftmaschine entstehen. Dazu wird Abgas der Ladeluft zugemischt und durch die Brennkraftmaschine rezirkuliert. Durch die Zumischung von Abgas in die angesaugte Luft sinkt deren Sauerstoffgehalt, und bei einer geringeren Kraftstoffeinspritzung sinkt die Verbrennungstemperatur des Kraftstoff-Luftgemischs. Da die Reaktionsgeschwindigkeit der Stickoxidbildung von der Verbrennungstemperatur abhängt, bilden sich bei niedrigen Verbrennungstemperaturen weniger Stickoxide.
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Bei einem Hochdruck (HD)-AGR-System wird Abgas direkt stromabwärts der Brennkraftmaschine aus ihrem Abgastrakt abgeleitet und unmittelbar stromaufwärts der Brennkraftmaschine in ihren Ansaugtrakt geleitet. Bei einem Niederdruck- (ND) AGR-System wird Abgas hinter einer Abgasnachbehandlungsanlage dem Abgastrakt entnommen und vor dem Verdichter eines Turboladers der Ladeluft zugeführt. Im Vergleich zu einem HD-AGR-System ist das rückgeführte Abgas in einem ND-AGR-System kühler und partikelärmer. Abgas kann durch beide Arten von Abgasrückführungssystemen zur Brennkraftmaschine rückgeführt werden.
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Gesetzliche Vorgaben bedingen einen Bedarf, den Stickoxid-Ausstoß im gesamten Motorkennfeld zu reduzieren. Die Steuerung herkömmlicher AGR-Systeme ist durch relativ kleine Öffnungen von AGR-Ventilen besonders unter Bedingungen hoher Lasten der Brennkraftmaschine nicht robust genug, da hier ein hoher Abgasdruck bei relativ geringem erforderlichen Abgasmassenstrom vorliegen. Es sind zweistufige Ventile bekannt, die eine gute Steuerbarkeit unter hohen und niedrigen Abgasdruckniveaus ermöglichen. Jedoch sind solche zweistufigen Ventile für eine Anwendung unter spezifischen Bedingungen entworfen und optimiert, bei denen die Charakteristik des Druckabfalls im gesamten AGR-System, bedingt durch die Ausbildung von Rohren, Kühler etc., und im Abgassystem bekannt ist. Selbst bei einer bekannten Brennkraftmaschine besteht eine Anzahl verschiedener Möglichkeiten der Ausbildung von Abgas- und Abgasrückführungssystemen. Es besteht daher die Aufgabe, eine Abgasrückführung unabhängig von der Bauart der vom Abgas durchströmten Bauteile zu steuern.
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Diese Aufgabe wird durch ein System mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst, sowie durch ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 6 und ein Verfahren gemäß Anspruch 7. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Neben- und Unteransprüchen, den Figuren und den Ausführungsbeispielen. Die Ausführungsformen der Erfindung können in vorteilhafter Weise miteinander kombiniert werden.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein System einer Brennkraftmaschine mit einem Ansaugtrakt, in dem mindestens ein Kompressor eines Abgasturboladers angeordnet ist, einem Abgastrakt, in dem mindestens eine Turbine des Abgasturboladers angeordnet ist, und mindestens einer Abgasrückführungsleitung, die von dem Abgastrakt abzweigt und in den Ansaugtrakt mündet. In der Abgasrückführungsleitung ist mindestens ein Drosselventil angeordnet.
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In der erfindungsgemäßen Anordnung ermöglicht das Drosselventil vorteilhaft ein Einstellen eines gewünschten Abgasdrucks an einem Steuerventil in der Abgasrückführungsleitung, das die Abgasrückführungsleitung öffnet und schließt. Dadurch wird eine verlässliche Dosierung von rückgeführtem Abgas über das gesamte Kennfeld der Brennkraftmaschine ermöglicht. Das erfindungsgemäße System kann an verschiedene Brennkraftmaschinen sowie entsprechende Kraftfahrzeuge angepasst werden.
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Das Drosselventil ermöglicht das Einstellen eines bestimmten Druckabfalls am Steuerventil. Über das Drosselventil kann der Abgasdruck dabei einfach gesteuert werden.
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Bevorzugt ist in dem erfindungsgemäßen System eine erste Abgasrückführungsleitung angeordnet, die stromaufwärts der Turbine von dem Abgastrakt abzweigt und stromabwärts des Verdichters in den Ansaugtrakt mündet, und in der stromaufwärts eines ersten Steuerventils ein erstes Drosselventil angeordnet ist. Die erste Abgasrückführungsleitung ist damit eine Hochdruck-Abgasrückführungsleitung.
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Ebenfalls bevorzugt ist in dem erfindungsgemäßen System eine zweite Abgasrückführungsleitung angeordnet, die stromabwärts der Turbine von dem Abgastrakt abzweigt und stromaufwärts eines Verdichters des Abgasturboladers in den Ansaugtrakt mündet, und in der stromaufwärts eines zweiten Steuerventils ein zweites Drosselventil angeordnet ist. Die zweite Abgasrückführungsleitung ist damit eine Niederdruck-Abgasrückführungsleitung. Das erfindungsgemäße System kann damit ein HD-AGR, ein ND-AGR oder sowohl ein HD-AGR und ein ND-AGR aufweisen.
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Dabei kann das Drosselventil vorteilhafterweise ein einfaches Ventil ohne Ventilsitz sein. Ein vollständiges Schließen des Drosselventils ist nicht notwendig, so dass auch keine Anforderungen an das Drosselventil bestehen, Bedingungen einzustellen, unter denen kein Durchfluss oder nur wenig Durchfluss stattfinden soll. Besonders bevorzugt ist das Drosselventil als Drosselklappe ausgebildet.
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Vorzugsweise ist in dem erfindungsgemäßen System eine Steuerungseinrichtung mit dem Drosselventil (d.h. in Abhängigkeit vom Vorliegen einer oder beider Abgasrückführungsleitungen mit dem ersten Drosselventil und/oder dem zweiten Drosselventil) verbunden, die ausgebildet ist, einen Öffnungsstatus des Drosselventils in Abhängigkeit von Parametern ausgewählt aus der Gruppe umfassend Abgasdruck, Druckabfall des Abgases sowie die Drehzahl und die Last der Brennkraftmaschine zu steuern.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen System.
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Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Menge an rückgeführtem Abgas mittels eines erfindungsgemäßen Systems, mit den Schritten:
- - Betreiben der Brennkraftmaschine,
- - Leiten von Abgas durch mindestens eine Abgasrückführungsleitung,
- - Ermitteln mindestens eines Parameters mit Bezug auf den Abgasdruck in der betreffenden Abgasrückführungsleitung,
- - Öffnen des Steuerventils in der Abgasrückführungsleitung zu einem bestimmten Grad,
- - Ansteuern des Drosselventils in der Abgasrückführungsleitung in Abhängigkeit von dem Parameter.
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Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechen den Vorteilen des erfindungsgemäßen Systems.
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Bevorzugt werden in dem erfindungsgemäßen Verfahren als Parameter die Drehzahl und/oder die Last der Brennkraftmaschine ermittelt.
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Ebenfalls bevorzugt wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren als Parameter der Druckabfall des Abgases in der Abgasrückführungsleitung ermittelt.
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Vorzugsweise wird ein angestrebter Druckabfall des Abgases als Funktion der Drehzahl und/oder der Last der Brennkraftmaschine berechnet.
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Bevorzugt wird das Drosselventil bei niedriger Last und/oder niedriger Drehzahl der Brennkraftmaschine vollständig geöffnet. Dadurch wird bei einem niedrigen Abgasdruck ein möglichst hoher Fluss des rückgeführten Abgases ermöglicht. Die Flussrate des rückgeführten Abgases, d.h. seine Menge, wird unter diesen Verhältnissen über ein relativ weit geöffnetes Steuerventil in der entsprechenden Abgasrückführungsleitung gesteuert.
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Ebenfalls bevorzugt wird das Drosselventil bei hoher Last und/oder hoher Drehzahl der Brennkraftmaschine teilweise geschlossen. Dadurch wird der Druckabfall in der Abgasrückführungsleitung verringert, so dass auch der Antriebsdruck des rückgeführten Abgases an dem entsprechenden Steuerventil verringert wird. Ein Steuern der Menge des rückgeführten Abgases wird dadurch bei einem mittleren Öffnungswinkel des Steuerventils in der entsprechenden Abgasrückführungsleitung ermöglicht. Dadurch ist das Steuern des Abgasstroms verlässlicher als bei herkömmlichen Systemen, bei denen unter Bedingungen mit großen Mengen an rückgeführtem Abgas ein kleiner Öffnungswinkel des Steuerventils eingestellt wird, bei dem die Menge des Abgases jedoch nicht zuverlässig gesteuert werden kann.
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Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen
- 1 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Systems einer Brennkraftmaschine mit einem Niederdruck- und einem Hochdruck-Abgasrückführungssystem.
- 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems.
- 3 ein Fließdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ein herkömmliches System 1a einer Brennkraftmaschine 2 mit jeweils einer Niederdruck- und einer Hochdruck-Abgasrückführungsleitung (ND-AGR und HD-AGR) weist gemäß der Darstellung von 1 eine Brennkraftmaschine 2 auf, die in der Darstellung von 1 vier Zylinder 3 aufweist, aber auch eine andere Zahl von Zylindern aufweisen kann, z.B. ein, zwei, drei, fünf, sechs oder acht Zylinder. Die Brennkraftmaschine 2 kann eine selbstzündende oder fremdgezündete Brennkraftmaschine sein. Die Brennkraftmaschine 2 weist eine Ölkühlung 4 mit einer Ölleitung 5 sowie ein Schwungrad 6 auf.
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Die Brennkraftmaschine 2 ist mit einem Ansaugtrakt 7 und mit einem Abgastrakt 8 verbunden. Im Abgastrakt 8 ist eine Turbine 81 eines Turboladers angeordnet. Die Turbine 81 ist über eine Welle mit einem im Ansaugtrakt 7 angeordneten Kompressor 71 des Turboladers verbunden.
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Stromabwärts von dem Kompressor 71 ist eine Kühlereinrichtung (Ladeluftkühler) 72 im Ansaugtrakt 7 angeordnet. Im Ansaugtrakt 7 kann eine nicht gezeigte Drosseleinrichtung angeordnet sein.
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Stromaufwärts der Turbine 81 führt eine erste Abgasrückführungsleitung 10 (HD-AGR-Leitung) zum Ansaugtrakt 7. In der ersten Abgasrückführungsleitung 10 sind ein erstens Steuerventil 11 und eine nicht gezeigte Kühlereinrichtung angeordnet. Die (nicht gezeigte) Kühlereinrichtung weist eine Bypassleitung mit einem Steuerventil auf. Als Steuerventile werden hier Tellerventile verwendet.
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Stromabwärts der Turbine 81 sind im Abgastrakt 8 ein Stickoxidspeicherkatalysator (lean NOx trap, LNT) 82 und ein Partikelfilter 83 angeordnet. Bei einer selbstzündenden Brennkraftmaschine 2 ist der Partikelfilter 83 ein Dieselpartikelfilter. Der Partikelfilter 83 ist mit einem Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR-Katalysator) kombiniert.
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Stromabwärts des Partikelfilters 83 zweigt eine zweite Abgasrückführungsleitung 20 (ND-AGR-Leitung) vom Abgastrakt 8 ab. In der zweiten Abgasrückführungsleitung 20 sind ein Filter 22, eine Kühlereinrichtung 23 und ein zweites Steuerventil 21 angeordnet. Die Kühlereinrichtung 23 weist eine Bypassleitung 24 mit einem Bypass-Steuerventil 25 auf, durch die bei Bedarf, wenn das rückgeleitete Abgas nicht gekühlt werden soll, Abgas geleitet werden kann.
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Die zweite Abgasrückführungsleitung 20 mündet stromaufwärts des Kompressors 71 in den Ansaugtrakt 7. Die Mündung in den Ansaugtrakt 7 ist mittels des zweiten Steuerventils 21 gestaltet, das Merkmale eines Kombinationsventils aufweist. Alternativ kann hier auch ein Butterflyventil als Steuerventil verwendet werden. Stromaufwärts des zweiten Steuerventils 22 sind ein Luftfilter 72 und ein Massenstromsensor 73 im Ansaugtrakt 7 angeordnet.
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Die Steuerventile 11, 21 werden durch Steuermittel gesteuert, die von einer Steuerungseinrichtung 9 angesteuert werden. In dem System 1 sind im Bereich des Abgastrakts 8 als auch im Ansaugtrakt 7 innerhalb und außerhalb der Leitungen eine Reihe von Sensoren, besonders Temperatursensoren 18, angeordnet. In der ersten und zweiten Abgasrückführungsleitung 10, 20 sind Drucksensoren 19 zum Messen der Abgasmenge angeordnet. Weiterhin sind an der Brennkraftmaschine 2 Sensoren zum Erfassen der Last und der Drehzahl der Brennkraftmaschine 2 angeordnet.
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Die Pfeile in 1 und 2 zeigen die Strömungsrichtung der fluiden Medien im System, d.h. der Ansaugluft und des Abgases.
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Eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems 1 gemäß der Darstellung von 2 weist zum großen Teil die Merkmale des Systems 1a gemäß 1 auf. In der ersten Abgasrückführungsleitung 10 ist stromaufwärts des ersten Steuerventils 11 ein erstes Drosselventil 31 angeordnet. In der zweiten Abgasrückführungsleitung 20 ist stromaufwärts des zweiten Steuerventils 21 ein zweites Drosselventil 41 angeordnet. Die besagten Drosselventile 31, 41 sind als einfache Drosselklappen ausgebildet. Durch den Grad der Winkelstellung der Drosselventile 31, 41 kann der Druck und das Strömungsverhalten des Abgases in der jeweiligen Abgasrückführungsleitung beeinflusst werden. Die Drosselventile 31, 41 werden durch Steuermittel gesteuert, die ebenfalls von der Steuerungseinrichtung 9 angesteuert werden.
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In einer weiteren, nicht gezeigten Ausführungsform kann das System 1 auch nur eine Abgasrückführungsleitung aufweisen, also nur eine ND-AGR-Leitung mit einem Drosselventil und keine HD-AGR-Leitung oder nur eine HD-AGR-Leitung mit einem Drosselventil und keine ND-AGR-Leitung.
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In einer weiteren, nicht gezeigten Ausführungsform kann das System 1b auch zwei Abgasrückführungsleitungen aufweisen, wobei aber nur in einer Abgasrückführungsleitung ein Drosselventil angeordnet ist, also z.B. ein Drosselventil in der HD-AGR-Leitung und nicht in der ND-AGR-Leitung, oder ein Drosselventile in der ND-AGR-Leitung und nicht in der HD-AGR-Leitung.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahren gemäß 3 wird in einem ersten Schritt S1 die Brennkraftmaschine 2 betrieben, so dass Abgas durch den Abgastrakt 8 strömt. In einem zweiten Schritt S2 wird Abgas durch mindestens eine der Abgasrückführungsleitungen geleitet. Dazu wird das erste Steuerventil 11 zum Leiten von Abgas durch die erste Abgasrückführungsleitung 10 und/oder das zweite Steuerventil 21 zum Leiten von Abgas durch die zweite Abgasrückführungsleitung 20 geöffnet.
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Die Menge des rückzuführenden Abgases wird auf der Basis von Parametern bestimmt, die in einem dritten Schritt S3 ermittelt werden. Exemplarisch wird die Last der Brennkraftmaschine 2 ermittelt. Zur Last der Brennkraftmaschine 2 wird mindestens ein bestimmter, auf dem Wissen des Fachmanns beruhender Schwellenwert eingestellt, der dem Wechsel von einer niedrigen in eine hohe Last entspricht. Für weitere Parameter wie Drehzahl der Brennkraftmaschine oder Abgasdruck in der entsprechenden Abgasrückführungsleitung werden ebenfalls bestimmte Schwellenwerte vorgegeben.
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In einem vierten Schritt S4 wird der Öffnungsgrad der Steuerventile 11, 21 eingestellt. Bei niedriger Last sind die Steuerventile 11, 21 geöffnet (d.h. zu 100%). Überschreitet die Last einen vorgegebenen Schwellenwert, werden in die Steuerventile 11, 21 auf einen mittleren Öffnungsgrad (d.h. etwa 50% des maximalen Öffnungswinkels) eingestellt.
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In einem fünften Schritt wird der Öffnungsgrad der Drosselventile 31, 41 eingestellt. Bei niedriger Last sind die Drosselventile 31, 41 geöffnet (d.h. zu 100%). Überschreitet die Last einen vorgegebenen Schwellenwert, werden in die Drosselventile 31, 41 auf einen mittleren Öffnungsgrad eingestellt (d.h. zu 50%). Vorzugsweise werden mehrere Schwellenwerte vorgegeben, und der Öffnungsgrad der Drosselventile 31, 41 dementsprechend auf weitere Stufen eingestellt, z.B. auf 40%, 30%, 20% oder 10%.
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Das Verfahren ist hier so beschrieben worden, dass Abgas durch beide Abgasrückführungssysteme geleitet wird. Das Verfahren ist analog auch für nur eins der beiden Abgasrückführungssysteme durchführbar, wobei Abgas durch ein System geleitet wird, und durch das andere nicht, oder wobei das System nur ein Abgasrückführungssystem aufweist, oder wobei Abgas durch beide Systeme geleitet wird, und dabei nur in einem System der Strom des rückgeführten Abgases mit einer Drosselklappe reguliert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erfindungsgemäßes System
- 1a
- herkömmliches System
- 2
- Brennkraftmaschine
- 3
- Zylinder
- 4
- Ölkühlung
- 5
- Ölleitung
- 6
- Schwungrad
- 7
- Ansaugtrakt
- 71
- Kompressor
- 72
- Ladeluftkühler
- 73
- Luftfilter
- 74
- Massenstromsensor
- 8
- Abgastrakt
- 81
- Turbine
- 82
- LNT
- 83
- Partikelfilter
- 9
- Steuerungseinrichtung
- 10
- erste Abgasrückführungsleitung
- 11
- erstes Steuerventil
- 20
- zweite Abgasrückführungsleitung
- 21
- zweites Steuerventil
- 22
- Filter
- 23
- Kühlereinrichtung
- 24
- Bypass
- 25
- Bypass-Steuerventil
- 31
- erstes Drosselventil
- 41
- zweites Drosselventil
