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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.
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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.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, zu den oben angegebenen Vorrichtungen und
Verfahren eine möglichst
einfach aufgebaute und/oder besonders wirtschaftliche Alternative
anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen, der Zeichnung
und der nachfolgenden Beschreibung.
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Im
Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben.
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Die
einzige Figur zeigt eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit
Abgasrückführung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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- 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