CH717411A1 - Aufgeladene Verbrennungskraftmaschine mit optimierter Abgasrückführung. - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine mit partikelfreier bzw. nahezu partikelfreier Rohemission umfassend einen mehrere Zylinder aufweisenden Motorblocks (10), einen Turbolader (30) sowie eine Abgasrückführung, dadurch gekennzeichnet , dass für die Kühlung der Ladeluft und des rückgeführten Abgases eine gemeinsame Kühlervorrichtung (40) vorgesehen ist.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine mit partikelfreier bzw. nahezu partikelfreier Rohemission umfassend einen mehrere Zylinder aufweisenden Motorblock, einen Turbolader sowie eine Abgasrückführung.
[0002] Bei Verbrennungskraftmaschinen ist die Abgasrückführung eine seit langem angewendete Maßnahme, um einerseits die Stickoxidbildung bei der Verbrennung zu reduzieren und um andererseits bei fremdgezündeten Verbrennungskraftmaschinen den Wirkungsgrad anzuheben, insbesondere im unteren Teillastbetrieb.
[0003] Figur 1 zeigt eine dem Stand der Technik entsprechende externe Hochdruck-Abgasrückführung am Anwendungsbeispiel einer fremdgezündeten Verbrennungskraftmaschine. Die Verbrennungskraftmaschine besteht aus einem Motorblock 1 mit mindestens einem Brennraum 1a. Den einzelnen Brennräumen 1a wird über den Ansaugtrakt Luft bzw. Luft, die mit Abgas verdünnt ist, zugeführt. Die Verbrennungskraftmaschine umfasst eine einfache Turboaufladung, bei dieser die Ansaugluft zunächst durch den Turbolader 3 verdichtet und anschliessend einem Ladeluftkühler 4 zur Kühlung der verdichteten Ladeluft zugeführt wird. Stromabwärts zum Ladeluftkühler 4 ist eine Drosselklappe 5 vorgesehen, um die den Brennräumen 1a zugeführte Luftmenge zu steuern.
[0004] Der verdichteten Ladeluft kann nach dem Ladeluftkühler 4 Abgas der Verbrennungskraftmaschine zugemischt werden, bevor es über die Drosselklappe 5 den Brennräumen 1a zugeführt wird. Der Kraftstoffpfad ist für die in Figur 1 gezeigte Verbrennungskraftmaschine nicht dargestellt. In dem gezeigten Beispiel der Figur 1 kann es sich um einen Gasmotor handeln, bei dem eine Direkteinspritzung des Brenngases erfolgt.
[0005] Bekanntermaßen führt eine Absenkung der Verbrennungstemperatur zu einem Rückgang der Stickoxidbildung. Daher wird das extern rückgeführte Abgas zwecks Kühlung über einen AGR-Kühler 6, d.h. einem Wärmetauscher geleitet, der sekundärseitig an den Motorkühlwasserkreislauf 7 angeschlossen ist. Das hierdurch gekühlte Abgas wird dann über das sich in Durchflussrichtung befindende Rückschlagventil 8 und das zur Einstellung der Abgasrückführungsrate dienende AGR-Ventil 9 dem Ladeluftpfad zugeleitet. Wie dem Fachmann bekannt ist, erfolgt diese Einleitung des Abgases vor der Drosselklappe 5, was eine Minderung der Ladungswechselverluste bewirkt.
[0006] Die verdichtete Ladeluft kann Temperaturen aufweisen, deren Maximalwerte im Bereich von etwa 230 Grad Celsius liegen. Je nach verwendetem Brenngas kann der AGR-Kühler 6 bei einer hier vorliegenden Hochdruck-Abgasrückführung mit Temperaturen von bis zu über 700 Grad Celsius belastet werden. Wird als Brenngas bspw. Wasserstoff eingesetzt, liegen die Maximaltemperaturen erfahrungsgemäß bei etwa 650 Grad Celsius. Der AGR-Kühler 6 unterliegt also deutlich höheren thermischen Belastungen als der Ladeluftkühler 4 und ist entsprechend aufwendig und kostspielig. Andererseits sorgt das Auftreten derart hoher Temperaturen am AGR-Kühler dafür, dass sich weitaus weniger Partikel an ihm festsetzen und darüber hinaus auch bereits an ihm festgesetzte Partikel wieder entfernen können.
[0007] Auch im Falle einer Niederdruck-Abgasrückführung ist der AGR-Kühler 6 sehr hohen Temperaturen ausgesetzt. Für Wasserstoffmotoren kann das dem AGR-Kühler 6 zugeführte Abgas Temperaturen von bis zu 550 Grad Celsius aufweisen.
[0008] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Optimierung des in Figur 1 dargestellten Konzeptes mit Abgasrückführung aufzuzeigen, mit dem ohne nennenswerte Betriebseinschränkungen eine Ersparnis bei den Herstellungs- und/oder Wartungskosten erzielbar ist.
[0009] Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Verbrennungskraftmaschine gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungen der Verbrennungskraftmaschine sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
[0010] Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass für die Kühlung der Ladeluft und des rückgeführten Abgases ein gemeinsamer Kühler eingesetzt wird. Bevorzugt erfolgt eine Zuführung des rückgeführten Abgasstroms vor einer etwaigen Kühlervorrichtung, d.h. weder Abgasstrom noch Ladeluft durchströmen vor der Vermengung einen entsprechenden Wärmetauscher. Auf diese Weise lässt sich zumindest eine Kühlervorrichtung bzw. ein Wärmetauscher einsparen.
[0011] Gemäß einer bevorzugten Ausführung wird ein konventioneller Ladeluftkühler als gemeinsamer Kühler eingesetzt. Der Ladeluftkühler ist üblicherweise im Ladeluftpfad zwischen Turbolader und Drosselklappe verbaut. Der Ladeluftkühler ist ein Wärmetauscher und sorgt für einen Wärmeabtrag aus der Ladeluft bzw. aus dem Luft-Brenngasgemisch. Der zwecks AGR (Abgasrückführung) abgezweigte Teil des Abgasstroms wird hier der Ladeluft stromaufwärts des Ladeluftkühlers zugeführt. Daher kann auf einen gesonderten Wärmetauscher im Abgasrückführungsstrang, einem sogenannten AGR-Kühler verzichtet werden. Dieses bevorzugte Konzept ist insbesondere bei solchen Verbrennungskraftmaschinen sinnvoll einsetzbar, die sich durch eine vergleichsweise geringe Abgasrückführungsrate und/oder eine partikelfreie bzw. nahezu partikelfreie Rohemission auszeichnen. Dies ist bspw. bei einem Wasserstoffmotor der Fall. Wasserstoffmotoren, die für einen AGR-Betrieb ausgelegt sind, werden typischerweise mit maximalen Abgasführungsraten in einem Bereich von 10 - 20 Prozent bzw. in manchen Fällen von 5 - 30 % betrieben. Dadurch ist die durch die Abgaszuleitung verursachte Zunahme des maximalen Massenstromes des durch den Ladeluftkühler hindurchzuleitenden und abzukühlenden Mediums sowie die Temperaturbeaufschlagung des Ladeluftkühlers vergleichsweise moderat. Ohne Zuleitung von Abgas weist die in den Ladeluftkühler einströmende Ladeluft Maximaltemperaturen in einer Größenordnung von 230 Grad Celsius auf. Fällt die Temperaturerhöhung aufgrund einer hohen Abgasrückführungsrate besonders groß aus, dann weist die Temperatur des in den Ladeluftkühler einströmenden Mediums eine Größenordnung von maximal 300 Grad Celsius auf. Vor diesem Hintergrund kann auf den zusätzlichen Wärmetauscher im Abgasrückführungsstrang, dem AGR-Kühler verzichtet werden und stattdessen für die gemeinsame Kühlung von Ladeluft und rückgeführtem Abgasstrom der Ladeluftkühler eingesetzt werden.
[0012] Damit die Funktionstüchtigkeit des Ladeluftkühlers und damit die Funktionstüchtigkeit der Verbrennungskraftmaschine bestehen bleibt, muss bereits das unmittelbar aus den Brennräumen austretende Abgas frei von Partikeln bzw. nahezu frei von Partikeln sein.
[0013] Durch die Einsparung eines zweiten Kühlers, insbesondere des konventionellen Wärmetauschers im Abgasrückführungsstrang gemäß dem Stand der Technik kann eine deutliche Kostenersparnis bei entsprechenden Verbrennungskraftmaschinen erzielt werden. Zu beachten ist jedoch an dieser Stelle, dass sonstige Komponenten des Abgasrückführungspfades, wie bspw. ein AGR-Ventil oder ein Rückschlagventil, wegen der fehlenden gesonderten Kühlung im Abgasrückführungspfad höheren thermischen Belastungen unterliegen.
[0014] Die aufgezeigte Vorgehensweise ist sinnvoll für Verbrennungskraftmaschinen, bei denen das Zusammentreffen von dem Kraftstoff und der Ladeluft erfolgt nachdem die Ladeluft bzw. die mit Abgas verdünnte Ladeluft den Ladeluftkühler bereits durchströmt hat. Vorstellbar sind Varianten mit sogenannter Einpunktsaugrohreindüsung, bei diesen eine Zuführung des Kraftstoffes in einem gemeinsamen Saugrohr mehrerer bzw. aller Zylinder erfolgt. Auch ist es vorstellbar, die Erfindung für ein Motorkonzept mit sogenannter Mehrpunkteindüsung einzusetzen, bei der jedem Zylinder eine eigene Einspritzdüse zugeordnet ist. Hier erfolgt die Kraftstoffzuführung in die verdichtete Luft außerhalb des Brennraumes. Ebenso ist ein Konzept vorstellbar für eine Direkteindüsung, bei dieser der Kraftstoff direkt dem Brennraum zugeführt wird. Allerdings ist die Erfindung ebenso anwendbar auf ein Konzept, bei dem das Brenngas der Luft bereits vor der Verdichtung zugeführt wird. Allerdings muss hierbei darauf geachtet werden, dass die Zündtemperatur des Luft-Brenngasgemisches unterhalb der maximal möglichen Temperatur des zugeleiteten Abgases liegt. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn das Luft-Brenngasgemisch eine vergleichsweise hohe Zündtemperatur aufweist und eine Abgasrückführung lediglich im unteren Teillastbetrieb der Verbrennungskraftmaschine erfolgt.
[0015] Ferner ist die Erfindung zwar prädestiniert für Wasserstoffmotoren aber nicht generell darauf beschränkt. Anstelle von reinem Wasserstoff kann auch ein Mischkraftstoff zum Einsatz kommen, welcher einen hohen Anteil an Wasserstoff aufweist, wie bspw. Hythane, sofern ein solcher Kraftstoff bei der Nutzung in der Verbrennungskraftmaschine keine Partikel oder nur extrem geringe Mengen an Partikeln emittiert werden. Voraussetzung für eine zielführende Verwendung der Erfindung ist die Koexistenz eines Kraftstoffs und eines Brennverfahrens, gegebenenfalls unterstützt durch eine entsprechende Konditionierung mit der eine Verbrennung sichergestellt werden kann, bei der keine oder äusserst niedrige Partikelemissionen vorliegen.
[0016] Die Abgasrückführung kann als Hochdruck- oder Niederdruck-Abgasrückführung ausgeführt sein. Bei einer Hochdruck-Abgasrückführung wird das Abgas möglichst unmittelbar hinter dem Abgassammler und auf jeden Fall strömungsaufwärts der einzigen Turbine bzw. im Fall einer mehrstufigen Aufladung strömungsaufwärts derjenigen Turbine abgezweigt, die als erstes von dem Abgas durchströmt wird, und über ein AGR-Ventil und/oder Rückschlagventil dem Ladeluftstrom zugeführt. Bei einer Niederdruck-Abgasrückführung wird das Abgas hingegen einem weiter strömungsabwärts hinter einer Turbine liegendem Entnahmepunkt des Abgaspfades entnommen, an denen folglich geringere Abgastemperaturen vorliegen.
[0017] Die Verbrennungskraftmaschine kann auch ein Dual- beziehungsweise Multikraftstoffmotor sein, bei diesem das Luft-Kraftstoffgemisch, insbesondere das Luft-Brenngasgemisch im Brennraum mittels eines zusätzlichen Pilotkraftstoffes gezündet wird. Als geeigneter Pilotkraftstoff eignet sich beispielsweise Oxymethylenether (OME).
[0018] Denkbar ist auch die Verwendung der Erfindung für eine Verbrennungskraftmaschine deren Brennräume jeweils mit einem Vorkammerzündungssystem ausgestattet sein können, bspw. mit einer Vorkammerzündkerze, einer ungespülten oder einer gespülten Vorkammer. Letztere kann ebenso mit einem weiteren zusätzlichen Kraftstoff gezündet werden, beispielsweise ebenfalls mittels OME.
[0019] Der Betrieb der Verbrennungskraftmaschine erfolgt beispielsweise in einem Lambda-Bereich zwischen 0,8 und 3 und bevorzugt in einem Lambda-Bereich zwischen 1 und 2,5 und besonders bevorzugt in einem Lambda-Bereich zwischen 1,2 und 2.
[0020] Ebenso ist vorstellbar, dass die Verbrennungskraftmaschine eine Mehrfachaufladung aufweist.
[0021] Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung sollen nachfolgend anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen: Figur 1: eine schematische Darstellung einer konventionellen Verbrennungskraftmaschine, Figur 2: eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine mit optimiertem Abgasrückführungsstrang.
[0022] Figur 2 zeigt das neue Konzept mit optimierter Abgasrückführung. Zu sehen ist der Motorblock 10 mit einer Vielzahl von Brennräumen 10a. Der Verbrennungskraftmaschine ist als Wasserstoffmotor ausgeführt, bei dem die Luft über einen Abgasturbolader 30 zur Verdichtung zugeführt wird. Die verdichtete Luft wird einem Ladeluftkühler 40 zugeführt.
[0023] Die Verbrennungskraftmaschine umfasst zusätzlich einen Abgasrückführungsstrang, dem ausgehend vom Abgassammler, ein Teil des dort zusammengeführten aus den Brennräumen 10a ausgetretenen Abgases bei geöffnetem AGR-Ventil 90 zugeführt werden kann. Das AGR-Ventil 90 dient zur Einstellung der Abgasrückführungsrate. Hierbei kann durch den Öffnungsgrad des AGR-Ventils 90 die über ein Rückschlagventil 80 strömende Abgasmenge, die in den Luftstrom mündet, der wiederum zum Ladeluftkühler 40 führt, beeinflusst werden. Folglich wird das Luft-Brenngasgemisch mit dem zugesetzten Abgasanteil gemeinsam dem Ladeluftkühler 40 zur Abkühlung zugeführt. Am Ausgang des Ladeluftkühlers 40 befindet sich die Drosselklappe 50, um den Luftmassestrom in den Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine durch eine Drosselung steuern zu können.
[0024] Die maximale Abgasrückführungsrate des gezeigten Wasserstoffmotors liegt typischerweise in einem Bereich zwischen 10% - 20% oder in manchen Fällen zwischen 5% und 30%. Dadurch ist die durch die Abgaszuleitung verursachte Zunahme des maximalen Massenstroms des durch den Ladeluftkühler 40 abzukühlenden Mediums sowie die Temperaturbeaufschlagung des Ladeluftkühlers 40 vergleichsweise moderat. Ohne Zuleitung von Abgas weist das in den Ladeluftkühler 40 einströmende Luft eine Temperatur in einer Größenordnung von etwa 230 Grad Celsius auf. Fällt die Temperaturerhöhung aufgrund einer hohen Abgasrückführungsrate besonders groß aus, dann weist die Temperatur des in den Ladeluftkühler 40 einströmenden mit Abgas verdünnten Luft eine Größenordnung von maximal 300 Grad Celsius auf.
Bezugszeichenliste:
[0025] Motorblock 1, 10 Brennraum 1a, 10a Ansaugluft 2, 20 Turbolader 3, 30 Ladeluftkühler 4, 40 Drosselventil 5,50 AGR-Kühler 6 Motorkühlkreislauf 7 Rückschlagventil 8, 80 AGR-Ventil 9, 90

Claims (12)

1. Verbrennungskraftmaschine mit partikelfreier bzw, nahezu partikelfreier Rohemission umfassend einen mehrere Zylinder aufweisenden Motorblock (10), einen Turbolader (30) sowie eine Abgasrückführung, dadurch gekennzeichnet, dasseine gemeinsame Kühlervorrichtung (40) zur Kühlung der Ladeluft und des rückgeführten Abgasstroms vorgesehen ist.
2. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet,dassals gemeinsame Kühlervorrichtung der Ladeluftkühler (40) des Ladeluftpfades verwendet wird und der rückzuführende Abgasstrom stromaufwärts des Ladeluftkühlers (40) dem Ladeluftpfad zugeführt wird.
3. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet,dassdie Zuführung des rückzuführenden Abgasstroms vom Abgassammler über ein AGR-Ventil (90) und ein Rückschlagventil (80) in den Ladeluftpfad erfolgt.
4. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet,dassdie Abgasrückführung eine Niederdruck-Abgasrückführung oder eine Hochdruck-Abgasrückführung ist.
5. Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet,dassdie Verbrennungskraftmaschine als Gasmotor ausgelegt ist und den Brennräumen (10a) ein gasförmiger Brennstoff zugeführt wird, vorzugsweise Wasserstoff.
6. Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet,dassin Bezug auf die Strömungsrichtungen das Zusammentreffen von dem Kraftstoff und der Ladeluft erfolgt nachdem die Ladeluft den Ladeluftkühler (40) durchströmt hat.
7. Verbrennungskraftmaschinen nach einem der vorstehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet,dassdie Verbrennungskraftmaschine ein Dual-Fuel-Motor ist, bei dem das Luft-Brennstoffgemisch, insbesondere das Luft-Brenngasgemisch in dem Brennraum (10a) mittels eines Pilotkraftstoffes gezündet wird, insbesondere mittels Oxymethylenether (OME).
8. Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet,dassdie Verbrennungskraftmaschine mit mindestens einem Vorkammerzündsystem ausgestattet ist.
9. Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet,dasses sich bei dem mindestens einem Vorkammerzündsystem um eine gespülte Vorkammer handelt, in der vorzugsweise ein anderer zweiter Kraftstoff eingespritzt wird und es sich bei diesem zweiten Kraftstoff besonders bevorzugt um Oxymethylenether (OME) handelt.
10. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 7,dadurch gekennzeichnet,dassauch bereits der Pilotkraftstoff im Brennraum resp. im Hauptbrennraum gezündet wird.
11. Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet,dassdie Verbrennungskraftmaschine in einem Lambda-Bereich zwischen 0,8 und 3 und bevorzugt in einem Lambda-Bereich zwischen 1 und 2,5 und besonders bevorzugt in einem Lambda-Bereich zwischen 1,2 und 2 betrieben wird.
12. Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet,dassdie Verbrennungskraftmaschine eine Mehrfachaufladung vorsieht.
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