DE102007005246A1 - Air supply to automotive piston engine has air pre-heater which is a liquid/gas heat exchanger forming an integral part of an engine cooling system - Google Patents

Air supply to automotive piston engine has air pre-heater which is a liquid/gas heat exchanger forming an integral part of an engine cooling system Download PDF

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Abstract

An automotive piston engine (1) has an inlet manifold (3) incorporating a compressor (2). In addition, a turbocharger-air cooler (4) is positioned between the compressor (2) and engine (1). The air cooler (4) has a by-pass pipe (6) with an air pre-heater (7) which is a liquid/gas heat exchanger forming an integral part of an engine (1) cooling system (8).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, mit einem Verdichter, einem Ladeluftkühler sowie einer Ladeluftvorwärmeinrichtung, die in einer den Ladeluftkühler umgehenden Bypassleitung angeordnet ist gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The present invention relates to an internal combustion engine, in particular in a motor vehicle, with a compressor, a charge air cooler as well a charge air preheater, the one in the intercooler bypass bypass is arranged according to the preamble of the claim 1.

Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist beispielsweise aus der DE 32 14 205 A1 bekannt, bei welcher die Ladeluft der Brennkraftmaschine durch den Ladeluftkühler und/oder die Ladeluftvorwärmeinrichtung zum Luftsammelrohr der Brennkraftmaschine geleitet wird. An der Einmündung der die kalte und warme Luft führenden Rohre in das Luftsammelrohr ist eine von beiden Luftströmen gegenseitig beaufschlagte und den Öffnungsquerschnitt des ein bzw. anderen Rohres beherrschende Klappe angeordnet, die an einer entgegen dem Kaltluftstrom wirkenden, bei steigender Temperatur der Ladeluft abnehmenden Federspannung aufweisenden Bimetallfeder angreift. Dadurch erhält man ein schnell reagierendes Regelventil, bei dem beispielsweise bei einer plötzlichen Beschleunigung der kalten oder warmen Brennkraftmaschine das Ventil sofort anspricht, indem die Wirkung der Bimetallfeder im wesentlichen überspielt wird.A generic device is for example from the DE 32 14 205 A1 in which the charge air of the internal combustion engine is passed through the charge air cooler and / or the charge air preheating device to the air intake pipe of the internal combustion engine. At the confluence of the cold and warm air pipes leading into the air manifold one of two air streams is acted upon mutually and the opening cross section of one or the other pipe dominating flap arranged on a counter to the cold air flow, decreasing with increasing temperature of the charge air spring tension Bimetallic spring attacks. This gives a fast-acting control valve, in which, for example, in a sudden acceleration of the cold or warm engine, the valve responds immediately by the effect of the bimetallic spring is essentially dubbed.

Bei modernen Testzyklen für Brennkraftmaschinen wird häufig mit niedrigen Abgastemperaturen gearbeitet. Einige der Nachbehandlungssysteme, wie beispielsweise ein SCR-Katalysator, kann in diesen niedrigen Temperaturenbereichen nicht optimal arbeiten. Um die Umsatzraten im SCR-Katalysator erhöhen und den Motor verbrauchsgünstiger einstellen zu können, müssen die Abgastemperaturen ein gewisses Niveau erreichen. Darüber hinaus wird insbesondere im Fahrbetrieb bei Bussen oftmals eine Anspringtemperatur eines Oxidationskatalysators nicht erreicht, wodurch keine passive Regeneration eines Partikelfilters des Oxidationskatalysators möglich ist.at modern test cycles for Internal combustion engines become common worked with low exhaust gas temperatures. Some of the aftertreatment systems, such as an SCR catalyst, can not work optimally in these low temperature ranges. To increase the conversion rates in the SCR catalyst and make the engine more fuel efficient to be able to adjust have to the exhaust gas temperatures reach a certain level. Furthermore In particular, when driving on buses often a light-off of an oxidation catalyst is not achieved, whereby no passive Regeneration of a particulate filter of the oxidation catalyst is possible.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Brennkraftmaschine der eingangs umrissenen Gattung mit einfachen Mitteln dahingehend zu verbessern, dass erhöhte Umsatzraten in einem Abgasnachbehandlungssystem der Brennkraftmaschine erreicht werden können.outgoing From this prior art, it is an object of the invention, a Internal combustion engine of the type outlined at the outset with simple To improve means that increased turnover rates in an exhaust aftertreatment system of Internal combustion engine can be achieved.

Gelöst wird dieses Problem durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.Is solved this problem by the subject-matter of independent claim 1. Advantageous embodiments are the subject of the dependent Claims.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei Abgastemperaturen im Abgasnachbehandlungssystem, welche eine optimale Abgasnachbehandlung nicht erlauben, die in die Brennkraftmaschine gelangende Ladeluft vorzuwärmen, indem eine Ladeluftvorwärmeinrichtung in einer einen Ladeluftkühler umgehenden Bypassleitung angeordnet wird und als Energiequelle zum Erwärmen der in die Brennkraftmaschine gelangenden Ladeluft die Ladeluftvorwärmeinrichtung in einem Kühlkreis der Brennkraftmaschine zu integrieren, so dass heißes Kühlmittel aus der Brennkraftmaschine zum Erhitzen der Ladeluft genutzt werden kann. Hierbei ist die Ladeluftvorwärmeinrichtung als Flüssig-/Gaswärmeübertragereinrichtung ausgebildet. Sollte demnach die Temperatur im Abgasnachbehandlungssystem einen bestimmten Grenzwert unterschreiten, kann je nach Bedarf, ein Teil oder die gesamte Ladeluft vorgewärmt werden. Insbesondere bei kleinen Lasten im Leerlauf und im Schubbetrieb des Kraftfahrzeuges kann dadurch die Abgastemperatur deutlich, vorzugsweise um ca. 60° erhöht werden. Durch die erfindungsgemäß ausgebildete und angeordnete Ladeluftvorwärmeinrichtung lassen sich insbesondere höhere Abgastemperaturen erzielen, mit welchen erhöhte Umsatzraten im Abgasnachbehandlungssystem erzielbar sind. Darüber hinaus kann auch die Brennkraftmaschine verbrauchsgünstiger eingestellt werden.The Invention is based on the general idea, at exhaust gas temperatures in the exhaust aftertreatment system, which optimal exhaust aftertreatment do not allow the reaching into the internal combustion engine charge air preheat by a charge air preheater in a one intercooler is arranged bypassing bypass line and as an energy source for Heat the charge air entering the internal combustion engine is the charge air preheater in a cooling circuit integrate the internal combustion engine, leaving hot coolant be used from the internal combustion engine for heating the charge air can. Here, the charge air preheating device is a liquid / gas heat transfer device educated. Should therefore the temperature in the exhaust aftertreatment system may fall below a certain threshold, as appropriate, a part or the entire charge air to be preheated. Especially at small loads at idle and overrun the motor vehicle can thereby the exhaust gas temperature significantly, preferably increased by about 60 °. By trained according to the invention and arranged charge air preheating device can be especially higher Achieve exhaust gas temperatures with which increased conversion rates in the exhaust aftertreatment system can be achieved. About that In addition, the internal combustion engine can also be used more economically be set.

Zweckmäßig ist zumindest eine steuerbare Ventileinrichtung in der Ansaugleitung angeordnet, über welche die durch den Ladeluftkühler und die Ladeluftvorwärmeinrichtung strömende Ladeluftmenge steuerbar ist. Hierdurch kann einfach und schnell die durch den Ladeluftkühler bzw. durch die Lade luftvorwärmeinrichtung strömende Ladeluftmenge gesteuert werden, wodurch je nach Anteil an gekühlter bzw. an vorgewärmter Ladeluft die in die Brennkraftmaschine gelangende Ladeluft exakt temperierbar ist. Sollte dabei die Temperatur im Abgasnachbehandlungssystem eine, zum Betrieb desselben erforderliche Grenztemperatur nicht erreichen, so wird beispielsweise mehr Ladeluft durch die Ladeluftvorwärmeinrichtung geleitet, während beispielsweise die durch den Ladeluftkühler strömende Ladeluftmenge reduziert wird. Dieser Vorgang wird solange fortgesetzt, bis die aus der Brennkraftmaschine austretenden Abgase aufgrund der erhöhten Temperatur der Ladeluftmenge die für den Betrieb des Abgasnachbehandlungssystems erforderliche Grenztemperatur erreicht haben.Is appropriate at least one controllable valve device in the suction line arranged over which by the intercooler and the charge air preheater flowing Charge air quantity is controllable. This can be quick and easy through the intercooler or by the charging luftvorwärmeinrichtung flowing Charge air quantity to be controlled, whereby depending on the proportion of cooled or on preheated Charge air exactly reaches the charge air reaching the internal combustion engine is temperature controlled. Should be the temperature in the exhaust aftertreatment system not required to operate the same limit temperature achieve, for example, more charge air through the charge air preheating passed while For example, the amount of charge air flowing through the intercooler is reduced becomes. This process is continued until that from the internal combustion engine exiting exhaust gases due to the increased temperature of the charge air quantity the for reached the required operating temperature of the exhaust aftertreatment system limit temperature to have.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.Further important features and advantages of the invention will become apparent from the Dependent claims, from the drawing and the associated Description of the figures with reference to the drawing.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It it is understood that the above and the following yet to be explained features not only in the specified combination, but also in other combinations or alone, without to leave the scope of the present invention.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.One preferred embodiment The invention is illustrated in the drawing and will be described in the following Description closer explained.

Die einzige 1 zeigt eine mögliche Anordnung einer erfindungsgemäßen Ladeluftvorwärmeinrichtung in einer Ansaugleitung einer Brennkraftmaschine.The only 1 shows a possible arrangement of a charge air preheating device according to the invention in an intake manifold of an internal combustion engine.

Entsprechend 1 weist ein erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1, welche beispielsweise in einem nicht gezeigten Kraftfahrzeug angeordnet sein kann, einen Verdichter 2 auf, welcher in einer Ansaugleitung 3 der Brennkraftmaschine 1 angeordnet ist. Zwischen der Brennkraftmaschine 1 und dem Verdichter 2 ist ein Ladeluftkühler 4 zum Kühlen der in die Brennkraftmaschine 1 gelangenden Ladeluft angeordnet. Derartige Ladeluftkühler 4 kommen insbesondere bei durch Verdichter 2 aufgeladenen Brennkraftmaschinen 1 zum Einsatz, wobei der Verdichter 2 die angesaugte Luft verdichtet und unter Druck in einen Zylinderblock 5 der Brennkraftmaschine 1 befördert. Bei der adiabatischen Kompression kommt es dabei zu einer Temperaturerhöhung der angesaugten Frischluft und damit, gemäß dem allgemeinen Gasgesetz, zu einer Verringerung der Dichte der angesaugten Luft in der Brennkraftmaschine 1.Corresponding 1 has an internal combustion engine according to the invention 1 , which may be arranged for example in a motor vehicle, not shown, a compressor 2 on which is in a suction line 3 the internal combustion engine 1 is arranged. Between the internal combustion engine 1 and the compressor 2 is a charge air cooler 4 for cooling in the internal combustion engine 1 reaching charge air arranged. Such intercooler 4 especially by compressors 2 charged internal combustion engines 1 for use, the compressor 2 compressed air and compressed under pressure into a cylinder block 5 the internal combustion engine 1 promoted. In the case of adiabatic compression, an increase in the temperature of the intake fresh air occurs and thus, according to the general gas law, a reduction in the density of the intake air in the internal combustion engine 1 ,

Durch Abkühlung der angesaugten Luft nach der Kompression, d.h. nach dem Verdichter 2, kann die Dichte der komponierten Ansaugluft erhöht werden. Hierdurch gelangt bei Ansaugen mehr Luft in den Zylinder 5, so dass mehr Kraftstoff pro Arbeitsspiel verbrannt werden kann und dadurch Leistung und der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine 1 erhöht werden können.By cooling the sucked air after compression, ie after the compressor 2 , the density of the composed intake air can be increased. As a result, more air enters the cylinder during intake 5 , so that more fuel per cycle can be burned and thereby power and the efficiency of the internal combustion engine 1 can be increased.

In einer den Ladeluftkühler 4 umgehenden Bypassleitung 6 ist gemäß der 1 eine Ladeluftvorwärmeinrichtung 7 zum Erwärmen der in die Zylinder 5 gelangenden Ladeluft angeordnet. Dabei ist die Ladeluftvorwärmeinrichtung 7 erfindungsgemäß als Flüssig-/Gaswärmeübertragereinrichtung ausgebildet und in einen Kühlkreis der Brennkraftmaschine 1 integriert. Stromab der Zylinder 5 ist ein Abgasrückführungskühler 9 angeordnet, welcher ausgangsseitig über eine Abgasrückführleitung 10 mit der Ansaugleitung 3 verbunden ist. Ebenfalls stromab der Zylinder 5 der Brennkraftmaschine 1 gelegen ist ein Abgasnachbehandlungssystem 11, welches beispielsweise einen SCR-Katalysator und/oder einen Oxidationskatalysator mit einem Partikelfilter aufweisen kann. Die Abgasrückführung wird dabei in bekannte Weise zur Minderung von Stickstoffoxiden bei der Verbrennung des Kraftstoffs in der Brennkraftmaschine 1 verwendet. Eine derartige Reduktion ermöglicht es, die speziell bei Brennkraftmaschinen 1 für Kraftfahrzeuge vorgeschriebenen Emissionsgrenzwerte einzuhalten.In a charge air cooler 4 immediate bypass line 6 is according to the 1 a charge air preheater 7 for heating in the cylinders 5 reaching charge air arranged. Here is the charge air preheating 7 According to the invention designed as a liquid / gas heat transfer device and in a cooling circuit of the internal combustion engine 1 integrated. Downstream of the cylinders 5 is an exhaust gas recirculation cooler 9 arranged, which on the output side via an exhaust gas recirculation line 10 with the suction line 3 connected is. Also downstream of the cylinder 5 the internal combustion engine 1 located is an exhaust aftertreatment system 11 which may comprise, for example, an SCR catalyst and / or an oxidation catalyst with a particulate filter. The exhaust gas recirculation is in a known manner for the reduction of nitrogen oxides in the combustion of the fuel in the internal combustion engine 1 used. Such a reduction makes it possible, especially in internal combustion engines 1 comply with the emission limit values prescribed for motor vehicles.

Optional kann dabei die Ladeluftvorwärmeinrichtung 7 gemäß der 1 auch in einen Kühlkreis 8 des Abgasrückführungskühlers 9 integriert sein.Optionally, the charge air preheating device 7 according to the 1 also in a cooling circuit 8th the exhaust gas recirculation cooler 9 be integrated.

Da das Abgasnachbehandlungssystem 11, bzw. der darin angeordnete Oxidationskatalysator bzw. SCR-Katalysator eine bestimmte Grenztemperatur für den Betrieb erfordern, ist es insbesondere bei lastarmen Fahrten des mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 1 ausgestatteten Kraftfahrzeuges, also beispielsweise bei einer Bergabfahrt, erforderlich, die der Brennkraftmaschine 1 zugeführte Ladeluft zu erwärmen. Hierzu ist zumindest eine steuerbare Ventileinrichtung 12 vorgesehen, welche in der Ansaugleitung 3 angeordnet ist und über welche eine durch den Ladeluftkühler 4 und die Ladeluftvorwärmeinrichtung 7 strömende Ladeluftmenge steuerbar ist. Ist beispielsweise die Temperatur im Abgasnachbehandlungssystem 11 zu niedrig, so kann beispielsweise eine als Drosselklappe 13 ausgebildete Ventileinrichtung 12 leicht geschlossen werden, während eine Drosselklappe 13' der Ventileinrichtung 12 leicht geöffnet wird, so dass mehr Ladeluft durch die den Ladeluftkühler 4 umgehende Bypassleitung 6 und damit durch die Ladeluftvorwärmeinrichtung 7 strömen kann. Hierdurch wird der insgesamt zu den Zylindern 5 der Brennkraftmaschine 1 gelangende Ladeluftstrom erwärmt, wodurch die für die effektive Abgasnachbehandlung erforderliche Grenztemperatur im Abgasnachbehandlungssystem 11 erreicht werden kann. Um die Ladeluft zu erwärmen, wird dabei erfindungsgemäß die bei der Verbrennung entstehende Abwärme der Brennkraftmaschine 1 genutzt, welche über den Kühlkreis 8 an die Ladeluftvorwärmeinrichtung 7 übermittelt und in dieser auf die Ladeluft übertragen wird.As the exhaust aftertreatment system 11 , Or the arranged therein oxidation catalyst or SCR catalyst require a certain temperature limit for operation, it is especially in low-load driving with the inventive engine 1 equipped motor vehicle, so for example when driving downhill, required, the internal combustion engine 1 to heat supplied charge air. For this purpose, at least one controllable valve device 12 provided, which in the suction line 3 is arranged and about which one through the intercooler 4 and the charge air preheater 7 flowing charge air quantity is controllable. For example, is the temperature in the exhaust aftertreatment system 11 too low, for example, as a throttle 13 trained valve device 12 be easily closed while a throttle 13 ' the valve device 12 is slightly opened, allowing more charge air through the intercooler 4 immediate bypass line 6 and thus by the charge air preheating 7 can flow. As a result, the total of the cylinders 5 the internal combustion engine 1 heated charge air stream, whereby the required for the effective exhaust aftertreatment temperature limit in the exhaust aftertreatment system 11 can be achieved. In order to heat the charge air, according to the invention, the heat generated during the combustion of the internal combustion engine 1 used, which over the cooling circle 8th to the charge air preheating device 7 is transmitted and transferred in this to the charge air.

Eine Steuerung der Ventileinrichtung 12 wird dabei von einer Steuereinrichtung 14 übernommen, welche so ausgebildet ist, dass die durch den Ladeluftkühler 4 und die Ladeluftvorwärmeinrichtung 7 strömende Ladeluftmenge in Abhängigkeit einer Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung 11 steuert. Gemäß der 1 weist dabei die Ventileinrichtung 12 zwei örtlich voneinander getrennte Drosselklappen 13, 13' auf, welche in einem Einmündungsbereich 15 der Bypassleitung 6 in die Ansaugleitung 3 angeordnet sind. Denkbar ist aber auch ein direkt an der Einmündung 15 angeordnete Ventileinrichtung 12.A control of the valve device 12 is doing by a control device 14 taken, which is designed so that by the intercooler 4 and the charge air preheater 7 flowing charge air quantity as a function of a temperature of the exhaust aftertreatment device 11 controls. According to the 1 has the valve device 12 two locally separate throttle valves 13 . 13 ' on which in a junction area 15 the bypass line 6 in the intake pipe 3 are arranged. It is also conceivable, however, a directly at the junction 15 arranged valve device 12 ,

Durch die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 kann eine bedarfsgerechte Temperierung der Abgase erreicht werden, wodurch sich die Brennkraftmaschine 1 verbrauchsgünstiger einstellen lässt und zugleich deutlich verbesserte Emissionswerte erreicht werden können, da die für die Funktion des Abgasnachbehandlungssystem 11 erforderliche Grenztemperatur vorzugsweise stets erreicht wird.By the internal combustion engine according to the invention 1 If necessary, an appropriate temperature control of the exhaust gases can be achieved, whereby the internal combustion engine 1 can be adjusted more fuel efficient and at the same time significantly improved emission levels can be achieved, since the for the function of the exhaust aftertreatment system 11 required limit temperature is preferably always achieved.

Claims (5)

Brennkraftmaschine (1), insbesondere in einem Kraftfahrzeug, mit – einem in einer Ansaugleitung (3) angeordneten Verdichter (2), – einem zwischen der Brennkraftmaschine (1) und dem Verdichter (2) angeordneten Ladeluftkühler (4) zum Kühlen der in die Brennkraftmaschine (1) gelangenden Ladeluft, – einer Ladeluftvorwärmeinrichtung (7), die in einer den Ladeluftkühler (4) umgehenden Bypassleitung (6) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeluftvorwärmeinrichtung (7) als Flüssig-/Gas-Wärmeübertragereinrichtung ausgebildet und in einen Kühlkreis (8) der Brennkraftmaschine (1) integriert ist.Internal combustion engine ( 1 ), in particular in a motor vehicle, with - one in a suction line ( 3 ) arranged compressors ( 2 ), - one between the internal combustion engine ( 1 ) and the compressor ( 2 ) arranged intercooler ( 4 ) for cooling in the internal combustion engine ( 1 ) passing charge air, - a charge air preheating device ( 7 ), which in one the intercooler ( 4 ) bypass line ( 6 ), characterized in that the charge air preheating device ( 7 ) formed as a liquid / gas heat exchanger device and in a cooling circuit ( 8th ) of the internal combustion engine ( 1 ) is integrated. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeluftvorwärmeinrichtung (7) in einen Kühlkreis (8) eines Abgasrückführungskühlers (9) integriert istInternal combustion engine according to claim 1, characterized in that the charge air preheating device ( 7 ) in a cooling circuit ( 8th ) of an exhaust gas recirculation cooler ( 9 ) is integrated Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine steuerbare Ventileinrichtung (12) in der Ansaugleitung (3) angeordnet ist, über welche eine durch den Ladeluftkühler (4) und die Ladeluftvorwärmeinrichtung (7) strömende Ladeluftmenge steuerbar ist.Internal combustion engine according to claim 1 or 2, characterized in that at least one controllable valve device ( 12 ) in the intake line ( 3 ) is arranged, via which one through the intercooler ( 4 ) and the charge air preheating device ( 7 ) flowing charge air quantity is controllable. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Ventileinrichtung (12) als Drosselklappe (13) ausgebildet ist.Internal combustion engine according to claim 3, characterized in that the at least one valve device ( 12 ) as a throttle valve ( 13 ) is trained. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung (14) zur Steuerung der zumindest einen Ventileinrichtung (12) so ausgebildet ist, dass sie die durch den Ladeluftkühler (4) und die Ladeluftvorwärmeinrichtung (7) strömende Ladeluftmenge in Abhängigkeit einer Temperatur einer Abgasnachbehandlungseinrichtung (11) steuert.Internal combustion engine according to claim 3 or 4, characterized in that a control device ( 14 ) for controlling the at least one valve device ( 12 ) is designed so that they pass through the intercooler ( 4 ) and the charge air preheating device ( 7 ) flowing charge air quantity as a function of a temperature of an exhaust aftertreatment device ( 11 ) controls.
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