AT528199B1 - Verbrennungsmotor mit einem einen SCR-Katalysator aufweisenden Abgassystem und Betriebsverfahren hierfür - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit einem Luftzufuhrsystem (2), einem Abgassystem (3) und einem Abgasrückführsystem (4), wobei das Abgassystem (3) einen SCR-Katalysator (10) aufweist und ein Betriebsverfahren für einen solchen Verbrennungsmotor. Das Abgasrückführsystem (4) des Verbrennungsmotors (1) weist eine stromauf einer Abgasturbolader-Turbine (9) von der Abgasleitung (8) abzweigende und stromab eines Ladeluftkühlers (7) in eine erste Luftzufuhrleitung (5) einmündende Abgasrückführleitung (11) mit einem darin angeordneten Abgasrückführkühler (12) und eine den Abgasrückführkühler (12) umgehende Bypassleitung (13) auf, wobei in der Abgasrückführleitung (11) ein Abgasumschaltventil (14) vorgesehen ist, über welches rückzuführendes Abgas in einer ersten Schaltstellung dem Abgasrückführkühler (12) zugeführt wird und in einer zweiten Schaltstellung der Bypassleitung (13) zugeführt wird. Erfindungsgemäß ist in der ersten Luftzufuhrleitung (5) stromab eines Verdichters (6) und stromauf des Ladeluftkühlers (7) ein Luftumschaltventil (15) vorgesehen, über welches verdichtete Verbrennungsluft in einer ersten Schaltstellung dem Ladeluftkühler (7) zugeführt wird und in einer zweiten Schaltstellung über eine zweite Luftzufuhrleitung (16) dem Abgasrückführkühler (12) zugeführt wird. Bei dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren wird in einem vorgegebenen Niedriglastbereich (NL) des Verbrennungsmotors (1) verdichtete Verbrennungsluft über eine zweite Luftzufuhrleitung (16) dem Abgasrückführkühler (12) zugeführt und nach Durchströmen des Abgasrückführkühlers (12) über die Abgasrückführleitung (11) stromab des Ladeluftkühlers (7) in die erste Luftzufuhrleitung (5) eingeleitet und Abgas über die Bypassleitung (13) des Abgasrückführkühlers (12) rückgeführt.

Description

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Beschreibung

VERBRENNUNGSMOTOR MIT EINEM EINEN SCR-KATALYSATOR AUFWEISENDEN ABGASSYSTEM UND BETRIEBSVERFAHREN HIERFÜR

[0001] Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit einem Luftzufuhrsystem, einem Abgassystem und einem Abgasrückführsystem, wobei das Abgassystem einen SCR- Katalysator aufweist und ein Betriebsverfahren für einen solchen Verbrennungsmotor.

[0002] Zur Reduzierung von im Abgas von Verbrennungsmotoren enthaltenen Stickoxiden (NOx) ist für hierfür eingesetzte SCR-Katalysatoren eine Mindesttemperatur von etwa 200 °C erforderlich. Bei einem Niedriglastbetrieb, insbesondere von längerer Dauer, sinken die Abgastemperaturen und damit auch die Katalysatortemperaturen jedoch ohne entsprechende Gegenmaßnahmen unter diesen Wert, weshalb dann eine NOx-Entfernung aus dem Abgas nicht, oder nicht mehr ausreichend möglich ist. Zur Behebung dieses Nachteils wird in der AT 525355 A4 vorgeschlagen, in einem Niedriglastbetrieb des Verbrennungsmotors diesem in Abhängigkeit von einer Temperatur des Motorkühlmittels verdichtete Verbrennungsluft entweder über einen unbeheizten Ladeluftkühler-Bypass oder über einen durch ein mit Motorkühlmittel beheizbaren LadeluftkühlerBypass zuzuführen. Auf diese Weise ist bei Niedriglast eine Temperaturerhöhung der Verbrennungsluft unabhängig von der Temperatur des Motorkühlmittels ermöglicht, was zu einer Erhöhung der Abgastemperatur und damit der Temperatur des SCR-Katalysators führt.

[0003] Obschon dieses Vorgehen sich als wirksame Maßnahme zur Erhöhung der Temperatur des SCR-Katalysators erwiesen hat, ist mit dem Einsatz zweier Bypässe für den Ladeluftkühler und insbesondere durch den Einsatz eines beheizten Bypasses ein nicht unerheblicher apparativer Aufwand verbunden. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Verbrennungsmotor und ein Betriebsverfahren hierzu anzugeben, welcher bzw. welches mit geringerem apparativem Aufwand eine bedarfsweise Temperierung eines im Abgassystem des Verbrennungsmotors angeordneten SCR- Katalysators ermöglicht.

[0004] Weitere Verbrennungsmotoren mit einem einen SCR-Katalysator aufweisenden Abgassystem und Betriebsverfahren hierfür sind beispielsweise aus der US 2009217660 A1 und der DE 60320574 T2 bekannt.

[0005] Diese Aufgabe wird durch einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

[0006] Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor weist ein Luftzufuhrsystem, ein Abgassystem und ein Abgasrückführsystem auf. Dabei ist in einer ersten Luftzufuhrleitung des Luftzufuhrsystems ein Verdichter zur Verdichtung von Verbrennungsluft und ein dem Verdichter nachgeschalteter Ladeluftkühler angeordnet. Das Abgassystem weist eine in einer Abgasleitung angeordnete und mit dem Verdichter gekoppelte Abgasturbolader- Turbine und einen der Abgasturbolader-Turbine nachgeschalteten SCR- Katalysator auf. Das Abgasrückführsystem weist eine stromauf der Abgasturbolader- Turbine von der Abgasleitung abzweigende und stromab vom Ladeluftkühler in die erste Luftzufuhrleitung einmündende Abgasrückführleitung mit einem darin angeordneten Abgasrückführkühler auf. Dabei ist eine den Abgasrückführkühler umgehende Bypassleitung vorgesehen. In der Abgasrückführleitung ist ein Abgasumschaltventil vorgesehen, über welches rückzuführendes Abgas in einer ersten Schaltstellung dem Abgasrückführkühler zugeführt wird und in einer zweiten Schaltstellung der Bypass-leitung zugeführt wird. Erfindungsgemäß ist in der ersten Luftzufuhrleitung stromab des Verdichters und stromauf des Ladeluftkühlers ein Luftumschaltventil vorgesehen, über welches verdichtete Verbrennungsluft in einer ersten Schaltstellung über die erste Luftzufuhrleitung dem Ladeluftkühler zugeführt wird und in einer zweiten Schaltstellung über eine zweite Luftzufuhrleitung dem Abgasrückführkühler zugeführt wird. Nach Durchströmen des Abgasrückführkühlers wird die verdichtete Verbrennungsluft über die Abgasrückführleitung zu einer Einmündung in die erste Luftzufuhrleitung stromab des Ladeluftkühlers und weiter zur Eingangsseite des Verbrennungsmotors geführt.

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[0007] Der Abgasrückführkühler, nachfolgend abgekürzt als AGR-Kühler bezeichnet, wird mit Motorkühlmittel beheizt, und weist daher typischerweise eine Temperatur von mehr als 80 °C auf. Eine durch das Luftumschaltventil ermöglichte Zufuhr von verdichteter Verbrennungsluft zum Verbrennungsmotor über den AGR-Kühler ermöglicht somit eine bedarfsweise Anhebung der Temperatur der Verbrennungsluft auf diesen Wert. Dies hat eine dementsprechende Erhöhung der Abgastemperatur zur Folge, wodurch eine unerwünschte Abkühlung des SCR-Katalysators vermieden werden kann. Dabei kann mit dieser Temperierung des SCR-Katalysators auf ohnehin vorhandene Bauteile zurückgegriffen werden und ein Einsatz zusätzlicher Bauteile weitgehend vermieden werden. Um den apparativen Aufwand so gering wie möglich zu halten, kann zusätzlich das Luftzufuhrsystem ohne einen Bypass für den Ladeluftkühler ausgeführt sein.

[0008] Bei der Erfindung ist in einem vorgegebenen Niedriglastbereich des Verbrennungsmotors das Abgasumschaltventil in die zweite Schaltstellung und das Luftumschaltventil in die zweite Schaltstellung geschaltet, wobei der vorgegebene Niedriglastbereich durch eine erste Lastkennlinie für einen von der Drehzahl des Verbrennungsmotors abhängigen effektiven Mitteldruck begrenzt ist. In einem durch effektiven Mitteldruck und Drehzahl des Verbrennungsmotors bestimmten Lastregime unterhalb der ersten Lastkennlinie wird somit verdichtete Verbrennungsluft über den AGR-Kühler zur Einlassseite des Verbrennungsmotors geführt und Abgas über den Bypass des AGR-Kühlers rückgeführt. Bei Durchströmung des AGR-Kühlers wird die verdichtete Verbrennungsluft auf die Temperatur des Motorkühlmittels aufgewärmt. Dies hat eine Anhebung der Abgastemperatur zur Folge, womit eine unerwünschte Abkühlung des SCR-Katalysators bei Niedriglast vermieden wird.

[0009] Dabei ist es vorgesehen, dass der vorgegebene Niedriglastbereich eine obere Drehzahlgrenze von etwa 40 % der Nenndrehzahl des Verbrennungsmotors und eine obere Grenze des effektiven Mitteldrucks des Verbrennungsmotors von etwa 35 % des maximalen effektiven Mitteldrucks aufweist. Vorzugsweise liegt die obere Drehzahlgrenze in einem Bereich von 30 % bis 50 % der Nenndrehzahl. Die obere Grenze des effektiven Mitteldrucks liegt bevorzugt in einem Bereich von 2 bar bis 6 bar.

[0010] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein vorgegebener Teillastbereich des Verbrennungsmotors vorgesehen, welcher einerseits durch die erste Lastkennlinie und andererseits durch eine zweite Lastkennlinie begrenzt ist, welche im Lastkennfeld des Verbrennungsmotors oberhalb der ersten Lastkennlinie verläuft, wobei im vorgegebenen Teillastbereich das Abgasumschaltventil in die zweite Schaltstellung und das Luftumschaltventil in die erste Schaltstellung geschaltet ist. Im vorgegebenen Teillastbereich wird somit verdichtete Verbrennungsluft über den Ladeluftkühler zur Einlassseite des Verbrennungsmotors geführt, während Abgas über den Bypass des AGR-Kühlers rückgeführt wird. Dabei ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der vorgegebene Teillastbereich eine obere Drehzahlgrenze von etwa 50 % der Nenndrehzahl des Verbrennungsmotors und eine obere Grenze des effektiven Mitteldrucks des Verbrennungsmotors von etwa 35 % des maximalen effektiven Mitteldrucks aufweist. Vorzugsweise liegt die obere Drehzahlgrenze in einem Bereich von 40 % bis 60 % der Nenndrehzahl. Die obere Grenze des effektiven Mitteldrucks liegt bevorzugt in einem Bereich von 4 bar bis 8 bar.

[0011] Die erste und die zweite Lastkennlinie weisen bevorzugt einen Verlauf mit bei zunehmender Drehzahl im Wesentlichen abnehmenden effektiven Mitteldruck auf. Dabei verläuft die zweite Lastkennlinie vorzugsweise etwa parallel zur ersten Lastkennlinie.

[0012] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist in einem Lastbereich des Verbrennungsmotors, welcher einerseits durch eine Volllastkennlinie und andererseits durch die zweite Lastkennlinie begrenzt ist, das Abgasumschaltventil in die erste Schaltstellung und das Luftumschaltventil in die erste Schaltstellung geschaltet. In diesem Lastregime des Verbrennungsmotors wird somit verdichtete Verbrennungsluft über den Ladeluftkühler zur Einlassseite des Verbrennungsmotors geführt und Abgas über den AGR-Kühler rückgeführt.

[0013] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist in der vom Luftumschaltventil zur Eingangsseite des AGR-Kühlers führenden zweiten Luftzufuhrleitung ein Drosselventil vorgesehen. Dies

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ermöglicht eine Drosselung der dem Verbrennungsmotor zugeführten verdichteten Verbrennungsluft, wenn diese im vorgegebenen Niedriglastbereich über den AGR-Kühler geleitet wird. Auf diese Weise ist eine Anpassung, insbesondere eine Erhöhung der AGR-Rate ermöglicht.

[0014] Für das Betriebsverfahren des erfindungsgemäß ausgeführten Verbrennungsmotors ist vorgesehen, dass in einem vorgegebenen Niedriglastbereich des Verbrennungsmotors verdichtete Verbrennungsluft über eine zweite Luftzufuhrleitung dem Abgasrückführkühler zugeführt wird und nach Durchströmen des Abgasrückführkühlers über die Abgasrückführleitung stromab des Ladeluftkühlers in die erste Luftzufuhrleitung eingeleitet wird und Abgas über die den Abgasrückführkühler umgehende Bypassleitung rückgeführt wird. Die zweite Luftzufuhrleitung zweigt dabei stromab des Verdichters und stromauf des Ladeluftkühlers von der ersten Luftzufuhrleitung ab.

[0015] In Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der vorgegebene Niedriglastbereich des Verbrennungsmotors im Lastkennfeld des Verbrennungsmotors durch eine erste Lastkennlinie für einen mit zunehmender Drehzahl im Wesentlichen abnehmenden effektiven Mitteldruck begrenzt ist.

[0016] Dabei ist es vorgesehen, dass der Niedriglastbereich eine obere Drehzahlgrenze von etwa 40 % der Nenndrehzahl des Verbrennungsmotors und ein obere Grenze des effektiven Mitteldrucks des Verbrennungsmotors von etwa 25 % des maximalen effektiven Mitteldrucks aufweist. Vorzugsweise liegt die obere Drehzahlgrenze in einem Bereich von 30 % bis 50 % der Nenndrehzahl. Die obere Grenze des effektiven Mitteldrucks liegt bevorzugt in einem Bereich von 2 bar bis 6 bar.

[0017] In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist ein vorgegebener Teillastbereich des Verbrennungsmotors vorgesehen, in welchem dem Verbrennungsmotor verdichtete Verbrennungsluft über den Ladeluftkühler zugeführt wird und Abgas über die den Abgasrückführkühler umgehende Bypassleitung rückgeführt wird, wobei der vorgegebene Teillastbereich einerseits durch die erste Lastkennlinie und andererseits durch eine zweite Lastkennlinie begrenzt ist, welche im Lastkennfeld des Verbrennungsmotors oberhalb der ersten Lastkennlinie verläuft. Der vorgegebene Teillastbereich weist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung eine obere Drehzahlgrenze von etwa 50 % der Nenndrehzahl des Verbrennungsmotors und ein obere Grenze des effektiven Mitteldrucks des Verbrennungsmotors von etwa 35 % des maximalen effektiven Mitteldrucks auf. Vorzugsweise liegt die obere Drehzahlgrenze in einem Bereich von 40 % bis 60 % der Nenndrehzahl. Die obere Grenze des effektiven Mitteldrucks liegt bevorzugt in einem Bereich von 4 bar bis 8 bar.

[0018] In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird in einem Lastbereich des Verbrennungsmotors, welcher einerseits durch eine Volllastkennlinie und andererseits durch die zweite Lastkennlinie begrenzt ist, dem Verbrennungsmotor verdichtete Verbrennungsluft über den Ladeluftkühler zugeführt und Abgas über den Abgasrückführkühler rückgeführt. Ein Betrieb des Verbrennungsmotors in diesem Lastregime kann auch als Standardbetrieb bezeichnet werden.

[0019] Obige sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter, nichteinschränkender Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen. Darin zeigen:

[0020] Fig. 1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors mit einem Luftzufuhrsystem, einem Abgassystem und einem Abgasrückführsystem, und

[0021] Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Lastkennfelds des Verbrennungsmotors.

[0022] Das in Fig. 1 lediglich beispielhaft und schematisch dargestellte Gesamtsystem umfasst einen Verbrennungsmotor 1 mit einem saugseitig angeschlossenen Luftzufuhrsystem 2, einem Abgassystem 3 sowie einem Abgasrückführsystem 4, wobei auf die Aufnahme nicht vorrangig erfindungsrelevanter Bestandteile verzichtet wurde. Strömungsrichtungen von Abgas bzw. Luft in den Systemen sind mit Pfeilen gekennzeichnet.

[0023] Bei dem Verbrennungsmotor 1, nachfolgend vereinfacht als Motor bezeichnet, kann es

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sich um einen Motor für einen PKW oder für ein Nutzfahrzeug handeln. Es versteht sich, dass der hier als vierzylindrig skizzierte Motor 1 mehr als 4, beispielsweise 6, 8 oder mehr Zylinder aufweisen kann. Obschon der Motor 1 als fremdgezündeter Ottomotor ausgebildet sein kann, ist vorzugsweise eine Ausführung als Dieselmotor vorgesehen.

[0024] Zur Zufuhr von Verbrennungsluft zum Motor 1 weist das Luftzufuhrsystem 2 eine erste Luftzufuhrleitung 5 und eine zweite Luftzufuhrleitung 16 auf. Ein in der ersten Luftzufuhrleitung 5 angeordneter Verdichter 6 eines Abgasturboladers dient der Verdichtung der Verbrennungsluft. Verdichtete Verbrennungsluft kann einerseits auf einem ersten Strömungspfad über einen stromab des Verdichters 6 in der ersten Luftzufuhrleitung 5 angeordneten Ladeluftkühler 7 sowie einer nachgeschalteten Drosselklappe 19 zur mengenmäßigen Einstellung des Verbrennungsluftstroms einem Einlasskrümmer 20 zur Verteilung der Verbrennungsluft auf die Motorzylinder zugeführt werden. Andererseits kann dem Motor 1 verdichtete Verbrennungsluft auf einem zweiten Strömungspfad über die zweite Luftzufuhrleitung 16 zugeführt werden. Die zweite Luftzufuhrleitung 16 zweigt hinter dem Verdichter 6 und vor dem Ladeluftkühler 7 von der ersten Luftzufuhrleitung 5 ab und mündet eingangsseitig eines Abgasrückführkühlers 12 in eine Abgasrückführleitung 11 des Abgasrückführsystems 4. Vor der Gaseintrittsseite des AGR-Kühlers 12 in die Abgasrückführleitung 11 eingespeiste verdichtete Verbrennungsluft wird nach Durchströmung des AGR-Kühlers 12 über die Abgasrückführleitung 11 der ersten Luftzufuhrleitung 5 und damit dem Motor 1 zugeführt. Dabei ist die Einmündung der Abgasrückführleitung 11 in die erste Luftzufuhrleitung 5 zwischen der Drosselklappe 19 und dem Einlasskrümmer 20 vorgesehen. Mittels eines in der zweiten Luftzufuhrleitung 16 angeordneten Drosselventils 22 kann die über diesen zweiten Strömungspfad dem Motor 1 zugeführte Verbrennungsluftmenge gedrosselt werden. Bei dem Drosselventil 22 kann es sich dabei um ein einstellbares Drosselventil bzw. eine einstellbare Drosselklappe oder um eine Konstantdrossel handeln.

[0025] Für eine mengenmäßige Aufteilung oder Verteilung der verdichteten Verbrennungsluft auf den ersten bzw. den zweiten Strömungspfad ist in der ersten Luftzufuhrleitung 5 ein stromab des Verdichters 6 und stromauf des Ladeluftkühlers 7 angeordnetes Luftumschaltventil 15 vorgesehen. Vorzugsweise weist das Luftumschaltventil 15 zwei Schaltstellungen auf. Dabei wird in einer ersten der beiden Schaltstellungen die verdichtete Verbrennungsluft zumindest überwiegend, vorzugsweise zumindest annähernd vollständig über die angeschlossene erste Luftzufuhrleitung 5 dem Ladeluftkühler 7 und weiter dem Motor 1 zugeführt. In der zweiten Schaltstellung wird die verdichtete Verbrennungsluft zumindest überwiegend, vorzugsweise zumindest annähernd vollständig über die angeschlossene zweite Luftzufuhrleitung 16 dem AGR-Kühler 12 und nach dessen Durchströmen dem Motor 1 zugeführt. Eine dementsprechende Ansteuerung des Luftumschaltventils 15 erfolgt vorzugsweise in Abhängigkeit von der aktuellen Motorlast. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Luftumschaltventil 15 als 2/3-Wegeventil ausgeführt. Mit dieser Ausführungsform kann dem Motor 1 verdichtete Verbrennungsluft entweder in der ersten Schaltstellung über die erste Luftzufuhrleitung 5 oder in der zweiten Schaltstellung über die zweite Luftzufuhrleitung 16 zugeführt werden.

Das Abgassystem 3 umfasst eine Abgasleitung 8, welche aus einem Abgaskrümmer 21 zur Aufnahme von aus den Motorzylindern ausströmendem Abgas ausmündet. Dabei kann das Abgas eine in der Abgasleitung 8 angeordnete Turbine 9 des Abgasturboladers antreiben, wobei diese wiederum über eine Welle 17 den in der ersten Luftzufuhrleitung 5 angeordneten Verdichter 6 antreibt. Stromab der Abgasturbolader-Turbine 9 ist zur Entfernung von insbesondere Stickoxiden aus dem Abgas ein SCR-Katalysator 10 angeordnet, welcher NOx auch bei sauerstoffhaltigem Abgas mittels eines Reduktionsmittels reduzieren kann. Als selektiv wirkendes Reduktionsmittel ist dabei vorzugsweise eine wässrige Harnstofflösung vorgesehen, welche eingangsseitig des ersten SCR-Katalysators 10 bedarfsweise in die Abgasleitung 8 eingespritzt wird. Hierfür notwendige Bauteile sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gesondert dargestellt. Es versteht sich, dass zusätzlich zum SCR-Katalysator 10 weitere der Abgasreinigung dienende filtertechnisch und/oder katalytisch wirksame Abgasreinigungskomponenten vorgesehen sein können, welche dem SCR- Katalysator vorgeschaltet und/oder nachgeschaltet in der Abgasleitung 8 angeordnet sind. Eine aus solchen Komponenten aufgebaute Abgasreinigungsanlage kann beispielsweise eine Hintereinanderschaltung von Dieseloxidationskatalysator, Partikelfilter, SCR-

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Katalysator und Ammoniak-Sperrkatalysator aufweisen. In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Abgasreinigungsanlage eine Hintereinanderschaltung von erstem SCR-Katalysator, erstem Ammoniak-Sperrkatalysator, Dieseloxidationskatalysator, Partikelfilter, zweitem SCR-KataIysator und zweitem Ammoniak-Sperrkatalysator.

[0026] Was das Abgasrückführsystem 4 betrifft, so ist dieses vorliegend als Hochdruck-Abgasrückführsystem ausgeführt, bei welchem Abgas des Motors 1 über eine stromauf der Abgasturbolader-Turbine 9 von der Abgasleitung 8 abzweigende und stromab der Drosselklappe 19 in die erste Luftzufuhrleitung 5 einmündende Abgasrückführleitung 11 geführt wird. Dabei kann über die Abgasrückführleitung 11 abgezweigtes Abgas über einen AGR-Kühler 12 geführt werden, oder den AGR-Kühler 12 über einen Bypassleitung 13 umgehen. Ein stromauf des AGR-Kühlers 12 angeordnetes Abgasrückführventil 18 ermöglicht dabei eine Einstellung der gesamten AGRMenge.

[0027] Für eine mengenmäßige Aufteilung oder Verteilung des rückgeführten Abgases auf den Strömungspfad durch den AGR-Kühler 12 bzw. den Strömungspfad über die Bypassleitung 13 ist ein Abgasumschaltventil 14 vorgesehen. Das Abgasumschaltventil 14 ist in der Abgasrückführleitung 11 stromab des Abgasrückführventils 18 und stromauf des AGR-Kühlers 12 angeordnet. Das Abgasumschaltventil 14 ist vorzugsweise analog zum Luftumschaltventil 15 als Umschaltventil mit zwei Schaltstellungen, insbesondere als 2/3-Wegeventil ausgeführt. In einer ersten Schaltstellung des Abgasumschaltventils 14 wird Abgas dem AGR-Kühler 12 zugeführt und in einer zweiten Schaltstellung wird Abgas in die Bypassleitung 13 geleitet. Zwischen dem Abgasumschaltventil 14 und dem AGR-Kühler 12 mündet die zweite Luftzufuhrleitung 16 in die Abgasrückführleitung 11.

[0028] Nachfolgend wird unter Bezug auf Fig. 2 ein bevorzugtes Verfahren zum Betreiben des Motors 1 näher erläutert. Fig. 2 zeigt ein Lastkennfeld 23 des Motors 1, bei welchem auf der Abszisse eine Drehzahl n und auf der Ordinate ein effektiver Mitteldruck BMEP (break mean effective pressure) abgetragen ist. Im Lastkennfeld 23 charakterisiert eine Volllastkennlinie 26 einen Betrieb des Motors 1 mit maximalem effektiven Mitteldruck BMEP bei gegebener Drehzahl n. Dabei erstreckt sich ein gesamter Drehzahlbereich des Motors 1 von einer Leerlaufdrehzahl nı bis zu einer Nenndrehzahl nn.

[0029] Durch eine erste Lastkennlinie 24 für einen von der Drehzahl n abhängigen effektiven Mitteldruck BMEP wird ein in Fig. 2 durch Schraffierung gekennzeichneter vorgegebener Niedriglastbereich NL im Lastkennfeld 23 abgegrenzt. Die erste Lastkennlinie 24 weist einen Verlauf mit einem ausgehend von einer oberen Grenze BMEP+: mit zunehmender Drehzahl n im Wesentlichen abnehmenden effektiven Mitteldruck BMEP auf. Dabei beträgt die obere Grenze BMEP+; mit vorzugsweise 2 bar bis 6 bar etwa 25 % des maximalen effektiven Mitteldrucks BMEPmax. Der Drehzahlbereich des vorgegebenen Niedriglastbereichs NL erstreckt sich von einer bei der oberen Grenze BMEP-: des effektiven Mitteldrucks BMPE der Volllastkennlinie 26 gegebenen Drehzahl bis zu einer oberen Drehzahlgrenze n+. Letztere liegt vorzugsweise in einem Bereich von 30 % bis 50 % der Nenndrehzahl nn des Motors 1.

[0030] Bei einem Betrieb des Motors 1 im vorgegebenen Niedriglastbereich NL ist das Abgasumschaltventil 14 in die zweite Schaltstellung und das Luftumschaltventil 15 in die zweite Schaltstellung geschaltet. Damit wird vom Verdichter 6 verdichtete Verbrennungsluft vorzugsweise vollumfänglich über die zweite Luftzufuhrleitung 16 zur Gaseintrittsseite des AGR-Kühlers 12 geführt. Mit Durchströmen des AGR-Kühlers 12 erwärmt sich diese auf die Temperatur des als Wärmetauschermedium verwendeten Motorkühlmittels. Nach Durchströmen des AGR-Kühlers 12 gelangt die solchermaßen erwärmte verdichtete Verbrennungsluft über die Abgasrückführleitung 11 und den entsprechenden Leitungsabschnitt der ersten Luftzufuhrleitung 5 zur Lufteintrittsseite des Motors 1. Mit dem im Niedriglastbereich NL in die zweite Schaltstellung geschalteten Abgasumschaltventil 14 wird rückgeführtes Abgas des Motors 1 vorzugsweise vollumfänglich über die den AGR-Kühler 12 umgehende Bypassleitung 13 geleitet und gelangt somit ungekühlt zur Lufteintrittsseite des Motors 1. Mittels des Abgasrückführventils 18 kann die Abgasrückführmenge eingestellt werden. Infolge der Erwärmung der verdichteten Verbrennungsluft im AGR-Kühler 12

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und der Rückführung von ungekühltem Abgas wird vom Motor 1 Abgas mit einer entsprechend erhöhten Temperatur abgegeben und eine Auskühlung des SCR-Katalysators 10 im Niedriglastbereich NL vermieden.

[0031] Oberhalb des Niedriglastbereichs NL ist ein in Fig. 2 durch Punktierung gekennzeichneter vorgegebener Teillastbereich TL vorgesehen. Dieser wird in Bezug auf den effektiven Mitteldruck BMEP nach oben durch eine zweite Lastkennlinie 25, und nach unten durch die erste Lastkennlinie 24 begrenzt. Vorliegend verläuft die zweite Lastkennlinie 25 mit annähernd konstantem Abstand zur ersten Lastkennlinie 24 und weist daher ebenfalls einen mit zunehmender Drehzahl n im Wesentlichen abnehmenden Verlauf des effektiven Mitteldrucks BMEP auf. Dabei beträgt eine obere Grenze BMEP-; mit vorzugsweise 4 bar bis 8 bar etwa 35 % des maximalen effektiven Mitteldrucks BMEPmax. Der Drehzahlbereich des vorgegebenen Teillastbereichs TL erstreckt sich von einer bei der oberen Grenze BMEP- des effektiven Mitteldrucks BMPE der Volllastkennlinie 26 gegebenen Drehzahl bis zu einer oberen Drehzahlgrenze n. Letztere liegt vorzugsweise in einem Bereich von 40 % bis 60 % der Nenndrehzahl nn des Motors 1.

[0032] Bei einem Betrieb des Motors 1 im vorgegebenen Teillastbereich TL ist das Abgasumschaltventil 14 in die zweite Schaltstellung und das Luftumschaltventil 15 in die erste Schaltstellung geschaltet. Damit wird vom Verdichter 6 verdichtete Verbrennungsluft vorzugsweise vollumfänglich über die erste Luftzufuhrleitung 5 dem Motor 1 zugeführt und dabei über den Ladeluftkühler 7 geleitet. Rückgeführtes Abgas des Motors 1 wird vorzugsweise vollumfänglich über die Bypassleitung 13 des AGR-Kühlers 12 geleitet und gelangt somit ungekühlt zur Lufteintrittsseite des Motors 1. Mittels des Abgasrückführventils 18 wird die Abgasrückführmenge eingestellt.

[0033] Ein in Bezug auf den effektiven Mitteldruck BMEP nach unten durch die zweite Lastkennlinie 25 sowie die Abszisse und nach oben durch die Volllastkennlinie 26 begrenzter Lastbereich des Motors 1 wird nachfolgend als Standard-Betriebsbereich SB bezeichnet. Im Standard-Betriebsbereich SB ist das Abgasumschaltventil 14 in die erste Schaltstellung und das Luftumschaltventil 15 in die erste Schaltstellung geschaltet. Damit wird vom Verdichter 6 verdichtete Verbrennungsluft vorzugsweise vollumfänglich über die erste Luftzufuhrleitung 5 dem Motor 1 zugeführt und dabei über den Ladeluftkühler 7 oder über einen gegebenenfalls vorhandenen Ladeluftkühler-Bypass geleitet. Rückgeführtes Abgas des Motors 1 wird vorzugsweise vollumfänglich über den AGR-Kühler 12 geleitet und gelangt somit durch den AGR-Kühler 12 gekühlt zur Lufteintrittsseite des Motors 1. Mittels des Abgasrückführventils 18 wird die Abgasrückführmenge eingestellt.

[0034] Nachfolgend wird davon ausgegangen, dass beim Betrieb des Motors 1 ein durch einen ersten Pfeil 27 gekennzeichneter stetiger Übergang vom Standard-Betriebsbereich SB über den Teillastbereich TL in den Niedriglastbereich NL erfolgt. In diesem Fall wird ausgehend von einem in der ersten Schaltstellung befindlichen Abgasumschaltventil 14 beim Absinken der Motorlast in den Teillastbereich TL das Abgasumschaltventil 14 zunächst in die zweite Schaltstellung umgeschaltet. Das Luftumschaltventil 15 verbleibt dabei in der ersten Schaltstellung. Bei weiterem Absinken der Motorlast in den Niedriglastbereich NL wird dann das Luftumschaltventil 15 in die zweite Schaltstellung umgeschaltet, während das Abgasumschaltventil 14 in der zweiten Schaltstellung verbleibt. Auch bei einem plötzlichen Übergang des Motorbetriebs vom Standard-Betriebsbereich SB in den Niedriglastbereich NL erfolgt vorzugsweise eine Änderung der Schaltstellungen von Abgasumschaltventil 14 und Luftumschaltventil 15 in der beschriebenen Reihenfolge.

[0035] Erfolgt ein stetiger Übergang des Motorbetriebs ausgehend vom Niedriglastbereich NL über den Teillastbereich TL in den Standard-Betriebsbereich SB, wie durch einen zweiten Pfeil 28 stilisiert, so erfolgt eine Änderung der Schaltstellungen von Abgasumschaltventil 14 und Luftumschaltventil 15 in umgekehrter Reihenfolge. Das heißt, dass ausgehend von jeweils in die zweite Schaltstellung geschaltetem Abgasumschaltventil 14 und Luftumschaltventil 15 im Niedriglastbereich NL beim Übergang in den Teillastbereich TL zunächst das Luftumschaltventil 15 von der zweiten Schaltstellung in die erste Schaltstellung gebracht wird, während das Abgasumschaltventil 14 in der zweiten Schaltstellung verbleibt. Wird mit steigender Motorlast der StandardBetriebsbereich SB erreicht, wird das Abgasumschaltventil 14 von der zweiten Schaltstellung in

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die erste Schaltstellung umgeschaltet, während das Luftumschaltventil in der ersten Schaltstellung verbleibt. Auch bei einem plötzlichen Übergang des Motorbetriebs vom Niedriglastbereich NL in den Standard-Betriebsbereich SB erfolgt vorzugsweise eine Änderung der Schaltstellungen von Abgasumschaltventil 14 und Luftumschaltventil 15 in der beschriebenen Reihenfolge.

[0036] Unabhängig davon, in welchem Lastbereich der Motor 1 betrieben wird, ist es infolge der beschrieben lastabhängigen Schaltstellungen von Abgasumschaltventil 14 und Luftumschaltventil 15 ausgeschlossen, dass gleichzeitig verdichtete Verbrennungsluft und Abgas dem AGR-Kühler 12 zugeführt werden. Wie sich in Testreihen gezeigt hat, kann mit dem oben erläuterten Betriebsverfahren eines entsprechend konfigurierten Motors 1 sowohl im Onroad-Betrieb als auch im Offroad-Betrieb eine Abkühlung des SCR-Katalysators unter die untere Betriebstemperaturgrenze von etwa 200 °C zuverlässig vermieden werden. Dadurch ist die Einhaltung strengster Grenzwerte für den Stickoxidgehalt des an die Umwelt abgegebenen Abgases ermöglicht.

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BEZUGSZEICHENLISTE

1 Verbrennungsmotor

2 Luftzufuhrsystem

3 Abgassystem

4 Abgasrückführsystem 5 Erste Luftzufuhrleitung 6 Verdichter

7 Ladeluftkühler

8 Abgasleitung

9 Abgasturbolader- Turbine 10 SCR-Katalysator

11 Abgasrückführleitung 12 Abgasrückführkühler 13 Bypassleitung

14 Abgasumschaltventil 15 Luftumschaltventil

16 Zweite Luftzufuhrleitung 17 Welle

18 Abgasrückführventil 19 Drosselklappe

20 Einlasskrümmer

21 Abgaskrümmer

22 Drosselventil

23 Lastkennfeld

24 Erste Lastkenmnlinie

25 Zweite Lastkennlinie 26 Volllastkennlinie

27 Erster Pfeil

28 Zweiter Pfeil

NL Niedriglastbereich

TL Teillastbereich

Nı, N2 Obere Drehzahlgrenze NN Nenndrehzahl

BMEP+, BMEP2 Obere Grenze des effektiven Mitteldrucks

Claims (10)

A ‚hes AT 528 199 B1 2025-11-15 Ss N Patentansprüche

1. Verbrennungsmotor mit einem Luftzufuhrsystem, einem Abgassystem und einem Abgasrückführsystem, wobei

- das Luftzufuhrsystem (2) einen in einer ersten Luftzufuhrleitung (5) angeordneten Verdichter (6) zur Verdichtung von Verbrennungsluft und einen dem Verdichter (6) nachgeschalteten Ladeluftkühler (7) aufweist,

- das Abgassystem (3) eine in einer Abgasleitung (8) angeordnete und mit dem Verdichter (6) gekoppelte Abgasturbolader-Turbine (9) und einen der Abgasturbolader- Turbine (9) nachgeschalteten SCR-Katalysator (10) aufweist,

- das Abgasrückführsystem (4) eine stromauf der Abgasturbolader-Turbine (9) von der Abgasleitung (8) abzweigende und stromab vom Ladeluftkühler (7) in die erste Luftzufuhrleitung (5) einmündende Abgasrückführleitung (11) mit einem darin angeordneten Abgasrückführkühler (12) und eine den Abgasrückführkühler (12) umgehende Bypassleitung (13) aufweist, wobei in der Abgasrückführleitung (11) ein Abgasumschaltventil (14) vorgesehen ist, über welches rückzuführendes Abgas in einer ersten Schaltstellung dem Abgasrückführkühler (12) zugeführt wird und in einer zweiten Schaltstellung der Bypassleitung (13) zugeführt wird, wobei in der ersten Luftzufuhrleitung (5) stromab des Verdichters (6) und stromauf des Ladeluftkühlers (7) ein Luftumschaltventil (15) vorgesehen ist, über welches verdichtete Verbrennungsluft in einer ersten Schaltstellung über die erste Luftzufuhrleitung (5) dem Ladeluftkühler (7) zugeführt wird und in einer zweiten Schaltstellung über eine zweite Luftzufuhrleitung (16) dem Abgasrückführkühler (12) zugeführt wird, wobei in einem vorgegebenen Niedriglastbereich (NL) des Verbrennungsmotors (1) das Abgasumschaltventil (14) in die zweite Schaltstellung und das Luftumschaltventil (15) in die zweite Schaltstellung geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Niedriglastbereich (NL) durch eine erste Lastkennlinie (24) für einen von der Drehzahl (n) des Verbrennungsmotors (1) abhängigen effektiven Mitteldruck (BMEP) begrenzt ist, wobei der vorgegebene Niedriglastbereich (NL) eine obere Drehzahlgrenze (nı) von etwa 40 % der Nenndrehzahl (nn) des Verbrennungsmotors (1) und eine obere Grenze (BMEP«) des effektiven Mitteldrucks (BMEP) des Verbrennungsmotors (1) von etwa 25 % des maximalen effektiven Mitteldrucks (BMEPmax) aufweist.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein vorgegebener Teillastbereich (TL) des Verbrennungsmotors (1) vorgesehen ist, welcher einerseits durch die erste Lastkennlinie (24) und andererseits durch eine zweite Lastkennlinie (25) begrenzt ist, welche im Lastkennfeld (23) des Verbrennungsmotors (1) oberhalb der ersten Lastkennlinie (24) verläuft, wobei im vorgegebenen Teillastbereich (TL) das Abgasumschaltventil (14) in die zweite Schaltstellung und das Luftumschaltventil (15) in die erste Schaltstellung geschaltet ist.

3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Teillastbereich (TL) eine obere Drehzahlgrenze (nz) von etwa 50 % der Nenndrehzahl (nv) des Verbrennungsmotors (1) und eine obere Grenze (BMEP>‚) des effektiven Mitteldrucks (BMEP) des Verbrennungsmotors (1) von etwa 35 % des maximalen effektiven Mitteldrucks (BMEPmax) aufweist.

4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Lastbereich (SB) des Verbrennungsmotors (1), welcher einerseits durch eine Volllastkennlinie (26) und andererseits durch die zweite Lastkennlinie (25) begrenzt ist, das Abgasumschaltventil (14) in die erste Schaltstellung und das Luftumschaltventil (15) in die erste Schaltstellung geschaltet ist.

5. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Luftzufuhrleitung (16) ein Drosselventil (22) angeordnet ist.

6. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (1) mit einem Luftzufuhrsystem (2), einem Abgassystem (3) und einem Abgasrückführsystem (4), wobei

- das Luftzufuhrsystem (2) einen in einer ersten Luftzufuhrleitung (5) angeordneten Verdichter (6) zur Verdichtung von Verbrennungsluft und einen dem Verdichter (6) nachgeschalteten Ladeluftkühler (7) aufweist,

- das Abgassystem (3) eine in einer Abgasleitung (8) angeordnete und mit dem Verdichter (6) gekoppelte Abgasturbolader-Turbine (9) und einen der Abgasturbolader- Turbine (9) nachgeschalteten SCR-Katalysator (10) aufweist,

- das Abgasrückführsystem (4) eine stromauf der Abgasturbolader-Turbine (9) von der Abgasleitung (8) abzweigende und stromab vom Ladeluftkühler (7) in die erste Luftzufuhrleitung (5) einmündende Abgasrückführleitung (11) mit einem darin angeordneten Abgasrückführkühler (12) und eine den Abgasrückführkühler (12) umgehende Bypassleitung (13) aufweist, wobei in einem vorgegebenen Niedriglastbereich (NL) des Verbrennungsmotors (1) verdichtete Verbrennungsluft über eine zweite Luftzufuhrleitung (16) dem Abgasrückführkühler (12) zugeführt und nach Durchströmen des Abgasrückführkühlers (12) über die Abgasrückführleitung (11) stromab des Ladeluftkühlers (7) in die erste Luftzufuhrleitung (5) eingeleitet wird und Abgas über die den Abgasrückführkühler (12) umgehende Bypassleitung (13) rückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Niedriglastbereich (NL) eine obere Drehzahlgrenze (nı) von etwa 40 % der Nenndrehzahl (nn) des Verbrennungsmotors (1) und eine obere Grenze (BMEP:+4) des effektiven Mitteldrucks (BMEP) des Verbrennungsmotors (1) von etwa 25 % des maximalen effektiven Mitteldrucks (BMEPmax) aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Niedriglastbereich (NL) des Verbrennungsmotors (1) im Lastkennfeld (23) des Verbrennungsmotors (1) durch eine erste Lastkennlinie (24) für einen mit zunehmender Drehzahl (n) im Wesentlichen abnehmenden effektiven Mitteldruck (BMEP) begrenzt ist.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7,

dadurch gekennzeichnet,

dass ein vorgegebener Teillastbereich (TL) des Verbrennungsmotors (1) vorgesehen ist, in welchem dem Verbrennungsmotor (1) verdichtete Verbrennungsluft über den Ladeluftkühler (7) zugeführt wird und Abgas über die den Abgasrückführkühler (12) umgehende Bypassleitung (13) rückgeführt wird, wobei der vorgegebene Teillastbereich (TL) einerseits durch die erste Lastkennlinie (24) und andererseits durch eine zweite Lastkennlinie (25) begrenzt ist, welche im Lastkennfeld (23) des Verbrennungsmotors (1) oberhalb der ersten Lastkennlinie (24) verläuft.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Teillastbereich (TL) eine obere Drehzahlgrenze (nz) von etwa 50 % der Nenndrehzahl (nn) des Verbrennungsmotors (1) und ein obere Grenze (BMEP-z) des effektiven Mitteldrucks (BMEP) des Verbrennungsmotors (1) von etwa 35 % des maximalen effektiven Mitteldrucks (BMEPmax) aufweist.

10. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Lastbereich (SB) des Verbrennungsmotors (1), welcher einerseits durch eine Volllastkennlinie (26) und andererseits durch die zweite Lastkennlinie (25) begrenzt ist, dem Verbrennungsmotor (1) verdichtete Verbrennungsluft über die den Ladeluftkühler (7) zugeführt wird und Abgas über den Abgasrückführkühler (12) rückgeführt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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