DE102004001371A1 - Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung - Google Patents

Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung, wobei die Brennkraftmaschine eine Ansaugleitung mit eingangsseitigem Ansaugverdichter aufweist, und mit einer der Abgasrückführung angehörenden Abgasleitung, die mittels einer Einmündung mit der Ansaugleitung verbunden ist. Es ist ein in Reihe zum Ansaugverdichter (11) und stromauf der Einmündung (25) liegender Zusatzverdichter (49) vorgesehen, dessen Funktion für einen Expanderbetrieb umkehrbar ist. DOLLAR A Ferner betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Erzeugen und/oder Regeln einer Druckdifferenz in einer Abgasleitung einer Brennkraftmaschine gemäß Oberbegriff des Anspruchs 9.
  • Brennkraftmaschinen mit Abgasrückführung und Verfahren zum Erzeugen und/oder Regeln eines entsprechenden Abgasrückführstroms sind bekannt. Um eine möglichst hohe Abgasrückführrate zu erzielen, ist es wünschenswert zwischen einem Abgasbereich und einem Frischluftbereich der Brennkraftmaschine eine möglichst hohe Druckdifferenz zu erzeugen. Insbesondere bei Brennkraftmaschinen, die über einen Verdichter im Ansaugbereich verfügen, muss der Druck im Abgasbereich zumindest geringfügig höher sein als im Frischluftbereich, um überhaupt noch eine Abgasrückführung zu ermöglichen. In der Praxis ist es sogar möglich, dass aufgrund der Verdichtung der Ansaugluft diese einen höheren Druck aufweist als die eigentlich zurückzuführenden Abgase. Um dennoch entgegen der eigentlich negativen Druckdifferenz eine Abgasrückführung und so eine Vermischung der Frischluft mit Abgasen zu erreichen, ist es insbesondere aus den Druckschriften DE 198 19 699 A1 , DE 101 13 812 A1 und DE 196 03 591 C1 bekannt, die im Abgasbereich der Brennkraftmaschine zur Verfügung stehenden Abgase durch geeignete Mittel zusätzlich zu verdichten. Außerdem ist es bekannt, bei Brennkraftmaschinen, deren Frischluftverdichter durch eine Abgasturbine angetrieben wird, die Turbinengeometrie derart zu verändern, dass sich vor der Abgasturbine ein ausreichend hoher Staudruck ergibt, so dass durch diese Maßnahme eine Abgasrückführung möglich wird. Schließlich ist eine weitere Möglichkeit bekannt, eine positive Druckdifferenz zur Rückführung von Abgasen zwischen dem Abgasbereich und dem Frischluftbereich der Brennkraftmaschine zu erzielen, indem stromaufwärts der Abgaseinmündung im Frischluftbereich eine Drosselklappe vorgesehen ist. Mit der Drosselklappe lässt sich der Druck im Ansaugbereich der Brennkraftmaschine erniedrigen, so dass eine Abgasrückführung möglich ist.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, zu den oben angegebenen Vorrichtungen und Verfahren eine möglichst einfach aufgebaute und/oder besonders wirtschaftliche Alternative anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Bei dieser Brennkraftmaschine liegt erfindungsgemäß ein Zusatzverdichter, der in seiner Funktion für einen Expanderbetrieb umkehrbar ist, in Reihe zum Ansaugverdichter. Der Zusatzverdichter ist stromaufwärts vor einer Einmündung einer Abgasleitung der Abgasrückführung in dem Frischluftbereich der Brennkraftmaschine vorgesehen. Je nach Betriebszustand der Brennkraftmaschine ist es notwendig, Abgase zurückzuführen oder einen möglichst hohen Ladedruck zur Verfügung zu stellen, um die Abgaswerte zu verbessern oder den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu erhöhen. Der Zusatzverdichter ermöglicht in entsprechenden Betriebszuständen der Brennkraftmaschine eine Erhöhung des Ladedrucks und so des Wirkungsgrades und/oder der Leistungsausbeute derselben. Der Zusatzverdichter ist erfindungsgemäß in seiner Funktion umkehrbar. Um eine Verdichtung von strömendem Fluid zu erreichen, ist Energie notwendig, die einem Verdichter zuzuführen ist. Unter „in seiner Funktion umkehrbar" wird in dieser Anmeldung verstanden, dass diese Energie dem Zusatzverdichter nicht zugeführt wird, sondern es kehrt sich die Funktion des Zusatzverdichters um, so dass dieser bereits bei abgeschalteter Energiezufuhr aufgrund der inneren Reibung als Expander wirkt. Schließlich kann der Zusatzverdichter durch Abbremsung dem Gasstrom zusätzlich Energie entziehen, so dass sich ein vergrößerter Druckabfall im Gasstrom, nämlich im Frischluftbereich der Brennkraftmaschine, ergibt. Es ist also möglich, durch Steuerung der Energiezufuhr beziehungsweise Energieentnahme in das beziehungsweise aus dem strömenden Fluid, insbesondere durch Abschalten oder durch Bremsung des Zusatzverdichters, die eine Rückführung von Abgasen aus dem Abgasbereich in den Frischluftbereich der Brennkraftmaschine notwendige Druckdifferenz zu erzeugen beziehungsweise zu erhöhen. Die Betriebsart und Betriebsführung des Zusatzverdichters ermöglicht mithin auf einfache Weise eine Einflussnahme auf die Druckverhältnisse im Frischluftbereich in Relation zum Druck im Abgasbereich.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass parallel zu dem Zusatzverdichter eine Bypassleitung mit einem Bypassventil, insbesondere einer Bypassklappe, liegt. Die Bypassklappe ermöglicht es, den Zusatzverdichter abhängig von den Betriebszuständen der Brennkraftmaschine zu umgehen (Offenstellung der Klappe) beziehungsweise zuzuschalten (Schließstellung der Klappe). Beliebige Zwischenstellungen sind möglich. Dabei ist bei geschlossener Bypassklappe der Zusatzverdichter in Serie mit dem Ansaugluftstrom des Ansaugverdichters geschaltet. Bei geöffneter Bypassklappe kann die Frischluft den Zusatzverdichter umgehen oder im Wesentlichen umgehen, so dass dieser kurzgeschlossen, also quasi wirkungslos ist. Dies kann insbesondere im Volllastbereich der Brennkraftmaschine sinnvoll sein. Hierbei tritt die Einflussnahme hinzu, dass bei einem wirksamen Betrieb des Zusatzverdichters dieser im Verdichterbetrieb oder im Expanderbetrieb gefahren werden kann.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Zusatzverdichter als elektrischer oder als mechanischer Verdichter und/oder als elektrischer oder als mechanischer Expander ausgelegt ist. Unter einem elektrischen Verdichter/Expander ist zu verstehen, dass dem Verdichter/Expander ein elektrischer Motor/Generator oder Motorgenerator zugeordnet ist. Der elektrische Motor dient dem Antrieb des Verdichters, der Generator wird vom Expander angetrieben. Ein Motorgenerator vereinigt die Eigenschaften eines elektrischen Motors und eines Generators in einem Gerät. Ist der Verdichter und/oder Expander mit einem Motorgenerator gekoppelt, so lässt sich im Expanderbetrieb die Expansionsenergie der Frischluft in elektrische Energie umwandeln. Diese elektrische Energie kann vorteilhaft in einem Akkumulator zwischengespeichert oder direkt ins Bordnetz eingespeist, insbesondere für zum Betrieb der Brennkraftmaschine erforderliche Vorgänge weiterverwendet werden. Ein mechanisch angetriebener Verdichter kann derart mit der Brennkraftmaschine, insbesondere mit der Kurbelwelle derselben, gekoppelt werden, dass die Expansionsenergie im Expanderbetrieb rückgewinnbar ist. Hierzu kann in die mechanische Wirkverbindung zwischen dem Zusatzverdichter und der Brennkraftmaschine ein Getriebe geschaltet werden. Mit Hilfe des Getriebes kann die Drehzahl des Zusatzverdichters so bestimmt und/oder beeinflusst werden, dass dieser entweder als Verdichter oder als Expander betreibbar ist. Die zuzuführende Energie entstammt also direkt von der Brennkraftmaschine, insbesondere der Kurbelwelle; überschüssige Energie wird dieser direkt wieder zugeführt.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird außerdem durch ein Verfahren zum Erzeugen und/oder Regeln einer Druckdifferenz zwischen dem Abgas und Frischluftbereich einer Brennkraftmaschine gemäß Oberbegriff des Anspruchs 9 gelöst. Bei diesem Verfahren wird erfindungsgemäß ein Zusatzverdichter, der im Frischluftbereich angeordnet ist, zum Erzeugen der Druckdifferenz auch als Expander betrieben. Er kann somit als Verdichter oder Expander betrieben werden. Im Frischluftbereich wird der Frischluftdruck mittels eines Ansaugverdichters erzeugt. Im Betriebszustand des Expandierens wirkt der Zusatzverdichter wie eine Drossel, er reduziert also den Druck im Frischluftbereich der Brennkraftmaschine. Dies führt letztlich zu einer höheren Druckdifferenz zwischen dem mittels der Abgasleitung verbundenen Abgasbereich und Frischluftbereich der Brennkraftmaschine. Mithin erhöht sich die Abgasrückführungsrate.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass bei dem Betrieb des Zusatzverdichters als Expander elektrische und/oder mechanische Energie zurückgewonnen wird. Dies ermöglicht einen besonders guten Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine.
  • Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen, der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung.
  • Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben.
  • Die einzige Figur zeigt eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung.
  • Die Figur zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine 1 mit einer Abgasrückführung 3, einem Frischluftbereich 5 und einem Abgasbereich 7. Der Frischluftbereich 5 weist eine Ansaugleitung 9 und einen stromabwärts daran angeschlossenen Ansaugverdichter 11 auf. In die Ansaugleitung 9 ist -stromabwärts des Ansaugverdichters- eine Ladeluftkühlung 15 geschaltet. Ferner weist die Ansaugleitung 9 zwei Verzweigungen 17, 19 auf. An der Verzweigung 17 wird in Strömungsrichtung eine Bypassleitung 21 abgezweigt, die an der Verzweigung 19 wieder in die Ansaugleitung 9 mündet. Die Bypassleitung 21 weist eine verstellbare Bypassklappe 23 auf. An einer Einmündung 25 mündet eine der Abgasrückführung 3 angehörende Abgasleitung 27 in die Ansaugleitung 9. Die Einmündung 25 führt stromabwärts zu einer Versorgungsleitung 29 der Brennkraftmaschine 1. Die Versorgungsleitung 29 ist verzweigt und dient zur Versorgung der einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine 1 mit einem Gemisch aus Abgas und Frischluft. Mit den Bezugszeichen 31 ist der Motorblock und mit den Bezugszeichen 33 sind die Brennräume der Brennkraftmaschine 1 angedeutet. Stromabwärts der Brennräume 33 ist die verzweigte Abgasleitung 27 zu erkennen, in die die bei der Verbrennung in den einzelnen Brennräumen 33 der Brennkraftmaschine 1 entstehenden Abgase ausgestoßen werden. Die Abgasleitung 27 weist eine Verzweigung 37 auf, von der die Abgasleitung 27 zur Einmündung 25 der Ansaugleitung 9 und als Leitung 27' zu einer dem Abgasbereich 7 angehörenden Abgasturbine 39 führt. Stromabwärts der Abgasturbine 39 mündet die Leitung 27' in ein hier nicht dargestelltes Endrohr der Brennkraftmaschine 1 beziehungsweise in weitere nachgeschaltete Aggregate, was lediglich durch einen Pfeil 41 angedeu tet ist. Der Pfeil 43 deutet an, dass die Ansaugleitung 9 mit möglicherweise von einem Luftfilter gefilterter Frischluft versorgt wird.
  • Die Abgasturbine 39 ist mit dem Ansaugverdichter 11 wirkverbunden, was durch eine gestrichelte Linie 45 angedeutet ist, so dass insbesondere das bekannte Abgasturboladerprinzip realisiert ist, das daher an dieser Stelle nicht weiter beschrieben wird, da es dem Fachmann bekannt ist.
  • In die Abgasleitung 27 ist zwischen der Abzweigung 37 und der Einmündung 25 ein einstellbares Ventil 47 geschaltet, so dass die Rückführrate der Abgasrückführung 3 eingestellt werden kann.
  • In die Ansaugleitung 9 ist zwischen den Verzweigungen 17, 19 also parallel zu der Bypassleitung 21 mit der Bypassklappe 23 ein Zusatzverdichter 49 geschaltet. Im Folgenden wird auf die Funktion dieses Zusatzverdichters 49 im Zusammenspiel mit den weiteren Funktionselementen der Brennkraftmaschine 1 und auf das Verfahren zum Erzeugen und/oder Regeln einer Druckdifferenz zwischen dem Abgasbereich 7 und dem Frischluftbereich 5 der Brennkraftmaschine 1 eingegangen. Hierzu wird auf die Figur Bezug genommen.
  • Der Zusatzverdichter 49 kann sowohl als Verdichter als auch als Expander betrieben werden. Daher soll zwischen zwei Betriebszuständen des Zusatzverdichters 49, nämlich dem Betrieb als Verdichter beziehungsweise des Betriebs als Expander, unterschieden werden.
  • Der Zusatzverdichter 49 ist mit zumindest einem in der Figur nicht dargestellten weiteren Aggregat wirkverbunden, über das dem Zusatzverdichter 49 Energie zugeführt und/oder entzogen werden kann. Bei dem weiteren Aggregat kann es sich um einen Motorgenerator oder eine mechanische Kopplung, insbesondere über ein Getriebe, mit dem Abtrieb der Brennkraftmaschine 1 handeln. Verdichterbetrieb wird angenommen, wenn dem Zusatzverdichter 49 soviel Energie zugeführt wird, dass der in der Ansaugleitung 9 geführte Volumenstrom verdichtet wird. Expanderbetrieb liegt dann vor, wenn dem entsprechenden Volumenstrom Energie entzogen wird. Dies ist bereits durch Abschalten der Energiezufuhr des Zusatzverdichters 49 möglich, da dieser eine innere Reibung aufweist, und wird verstärkt, wenn der Motorgenerator als Generator arbeitet.
  • In einem ersten Betriebszustand, bei dem die Brennkraftmaschine 1 mit Abgasrückführung betrieben wird, ist das Ventil 47 der Abgasleitung 27 zumindest teilweise geöffnet. Weiter ist die Bypassklappe 23 in der Bypassleitung 21 geschlossen. Um eine ausreichende Druckdifferenz zwischen der Abgasleitung 27 und der Ansaugleitung 9 an der Einmündung 25 zu erzeugen, muss der in der Ansaugleitung 9 im Bereich der Einmündung 25 herrschende Druck unter dem in der Abgasleitung 27 an der Einmündung 25 herrschenden Druck liegen. Falls aufgrund der Ansaug-, Lade- und Abgasdrücke gerade das Gegenteil der Fall wäre, wird in diesem Betriebszustand dem Zusatzverdichter 49 soviel Energie mittels des Motorgenerators entzogen, bis sich in der Ansaugleitung 9 an der Einmündung 25 durch die im Zusatzverdichter 49 stattfindende Expansion ein hinreichend geringerer Druck einstellt, der kleiner ist als der Druck in der Abgasleitung 27 an der Abzweigung 37. Vorteilhaft kann in diesem Betriebszustand durch eine Dosierung der Energieentnahme beziehungsweise der Energiezufuhr eine nahezu beliebige Druckdifferenz zwischen der Abgasleitung 27 und der Ansaugleitung 9 eingestellt werden. Prinzipiell ist es also denkbar, allein durch die Ansteuerung des Zusatzverdichters 49 die Abgasrückführrate zu steuern beziehungsweise zu regeln. Eine weitere Einflussnahme auf die Druckdifferenz ist durch die steuerbare Bypassklappe 23 möglich. Im Betrieb mit geschlossener Bypassklappe 23 ist durch Ansteuerung des Zusatzverdichters 49 eine Steuerung und/oder Regelung des in der Ansaugleitung 9 an der Einmündung 25 herrschenden Drucks vom minimalen Ansaugdruck bis zum maximalen Druck möglich, bei dem die Abgasrückführung zum Erliegen kommt. In diesem Fall des Einsatzes einer Drosselklappe beziehungsweise eines Drosselventils liegt eine Doppelfunktion vor, denn sie/es dient zum Abschalten beziehungsweise Umgehen oder teilweisen Umgehen des Zusatzverdichters 49 und nimmt auf die Frischluftzuführung durch ihre/seine Querschnittseinstellung eine Drosselwirkung vor. Beides wirkt sich auf die Druckdifferenz zwischen Frischluft und Abgas aus. Bei der dargestellten Ausführungsform kann diese Druckdifferenz also mit zwei parallel geschalteten Stellgliedern, mithin mit dem gegebenenfalls als Expander betriebenen Zusatzverdichter und der verstellbaren Drosselklappe beziehungsweise dem verstellbaren Drosselventil gesteuert und/oder geregelt werden.
  • Es ist auch möglich, in einem zweiten Betriebszustand die Brennkraftmaschine 1 bei geschlossener Bypassklappe 23 und insbesondere geschlossenem Ventil 47 zweifach aufzuladen, wodurch sich Leistung und Wirkungsgrad verbessern. Der Zusatzverdichter 49 wird dann also als Verdichter betrieben.
  • Ferner ist ein dritter Betriebszustand denkbar, bei dem die Bypassklappe 23 geöffnet ist. Bei geöffneter Bypassklappe 23 wird der Zusatzverdichter 49 über die Bypassleitung 21 zumindest teilweise umströmt, so dass dieser weniger Einfluss hat. Es ist denkbar, den so kurzgeschlossenen Zusatzverdichter 49 in diesem Betriebszustand abzuschalten. Dies kann insbesondere im Volllastbereich sinnvoll sein, wenn die durch die Abgasturbine 39 in Verbindung mit dem Ansaugverdichter 11 erzielbaren Ladedrücke ausreichend sind.
  • Bei einem in der Figur nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Zusatzverdichter 49 und die parallel geschaltete Bypassleitung 21 mit der Bypass-Klappe 23 stromaufwärts vor dem Ansaugverdichter 11 in der Ansaugleitung 9 vorgesehen. Auch bei dieser Anordnung lässt sich das oben beschriebene erfindungsgemäße Verfahren durchführen.
  • Außerdem ist es denkbar, in der Ansaugleitung 9 eine, keine oder mehrere Ladeluftkühlungen 15 vorzusehen. Auch in diesen Fällen kann das erfindungsgemäße Verfahren realisiert werden.
  • 1
    Brennkraftmaschine
    3
    Abgasrückführung
    5
    Frischluftbereich
    7
    Abgasbereich
    9
    Ansaugleitung
    11
    Ansaugverdichter
    15
    Ladeluftkühlung
    17
    Verzweigung
    19
    Verzweigung
    21
    Bypassleitung
    23
    Bypass-Klappe
    25
    Einmündung
    27
    Abgasleitung
    27'
    Leitung
    29
    Versorgungsleitung
    31
    Motorblock
    33
    Brennraum
    37
    Abzweigung
    39
    Abgasturbine
    41
    Pfeil
    43
    Pfeil
    45
    Linie
    47
    Ventil
    49
    Zusatzverdichter

Claims (10)

  1. Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung, wobei die Brennkraftmaschine eine Ansaugleitung mit eingangsseitigem Ansaugverdichter aufweist, und mit einer der Abgasrückführung angehörenden Abgasleitung, die mittels einer Einmündung mit der Ansaugleitung verbunden ist, gekennzeichnet durch einen in Reihe zum Ansaugverdichter (11) und stromauf der Einmündung (25) liegenden Zusatzverdichter (49), dessen Funktion für einen Expanderbetrieb umkehrbar ist.
  2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzverdichter (49) stromaufwärts des Ansaugverdichters (11) in der Ansaugleitung (9) liegt.
  3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzverdichter (49) stromabwärts des Ansaugverdichters (11) in der Ansaugleitung (9) liegt.
  4. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Ansaugverdichters (11) eine Ladeluftkühlung (15) liegt.
  5. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu dem Zusatzverdichter (49) eine Bypassleitung (21) mit einem vorzugsweise im Querschnitt einstellbaren Drosselventil (23) liegt.
  6. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ansaugverdichter (11) zusammen mit einer Abgasturbine 39 als Abgasturbolader ausgebildet ist.
  7. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzverdichter (49) mit einem elektrischen Motor und/oder Generator und/oder mit einem mechanischen Antrieb und/oder Abtrieb der Brennkraftmaschine gekoppelt ist und als Verdichter und/oder Expander ausgebildet ist.
  8. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselventil (23) eine Drosselklappe ist.
  9. Verfahren zum Erzeugen und/oder Regeln einer Druckdifferenz, die einen Abgasrückführstrom in einer Abgasleitung zwischen dem Abgas- und Frischluftbereich einer Brennkraftmaschine bewirkt, insbesondere zur Anwendung bei einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein im Frischluftbereich (5) liegender Zusatzverdichter (49) zum Erhöhen und/oder Erzeugen der Druckdifferenz auch als Expander betrieben wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Betrieb des Zusatzverdichters (49) als Expander elektrische und/oder mechanische Energie zurückgewonnen wird.
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