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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie eine Brennkraftmaschinenanordnung
nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 7.
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Brennkraftmaschinen,
insbesondere Ottomotoren, mit einer Abgasrückführung sind dem Stand der Technik
als allgemein bekannt zu entnehmen. Die Abgasrückführung, also das Abtrennen eines
Abgasteilstromes aus dem Abgastrakt des Motors und das Zurückführen dieses
Abgasteilstromes in den Ansaugtrakt des Motors, dient der Reduktion von
Stickoxidemissionen. Darüber
hinaus kann eine Abgasrückführung auch
zum Absenken des spezifischen Kraftstoffverbrauchs im Teillastbetrieb
bei Ottomotoren eingesetzt werden. Das Hinzufügen von Abgas zur Ansaugluft
ermöglicht,
bei gleicher Motorleistung die Drosselklappe weiter zu öffnen und
damit die Strömungsverluste
an dieser Stelle zu verringern. Damit kann der Verbrauch im Teillastbetrieb
von Ottomotoren ohne weitere Nachteile um bis zu 5 Prozent abgesenkt
werden.
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Bei
aufgeladenen Ottomotoren erfolgt eine Abgasrückführung im allgemeinen auf einer
Hochdruckseite eines Turboladers. Ein Abgasteilstrom wird also in
Strömungsrichtung
des Abgasstromes vor der Turbine des Turboladers entnommen und dem
Ladeluftstrom hinter dem Verdichter des Turboladers wieder zugefügt. Die
realisierbaren Luftmassenströme
durch eine derartige Abgasrückführung sind
vom Spüldruckgefälle p3 – p2 über
den Motor hinweg abhängig,
da der rückgeführte Abgasstrom
gegen den Druck der aufgeladenen Ladeluft anarbeiten muss. In Betriebszuständen mit
einem geringen Spüldruckgefälle ist
somit eine effiziente Abgasrückführung bei
bekannten Hochdruckabgasrückführungssystemen
nicht möglich.
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Es
ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum
Betreiben einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1
sowie eine Brennkraftmaschinenanordnung nach dem Oberbegriff von
Patentanspruch 7 derart weiterzubilden, dass eine effiziente Abgasrückführung in weitgehend
allen Betriebszuständen
der Brennkraftmaschine ermöglicht
wird.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Patentanspruch
1 sowie durch eine Brennkraftmaschinenanordnung mit den Merkmalen
von Patentanspruch 7 gelöst.
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Das
Verfahren betrifft den Betrieb einer Brennkraftmaschine, insbesondere
eines Ottomotors für
einen Kraftwagen. Das Verfahren beinhaltet eine Abgasrückführung, also
die Entnahme eines Abgasteilstromes aus einem Abgasstrom der Brennkraftmaschine
und die Rückführung des
Abgasteilstromes zu einem Ladeluftstrom zu einem Brennraum der Brennkraftmaschine.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass der Abgasteilstrom in Strömungsrichtung
des Abgasstromes hinter einer Turbine eines Abgasturboladers entnommen
wird und dem Ladeluftstrom in Strömungsrichtung des Ladeluftstroms vor
einem Verdichter des Abgasturboladers zugeführt wird. In anderen Worten
handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren um eine Niederdruckabgasrückführung, bei
welcher der Abgasteilstrom nach der Entspannung in der Turbine des
Abgasturboladers entnommen wird und vor der Kompression der Ladeluft,
also vor dem Verdichter des Abgasturboladers rückgeführt wird. Dadurch wird die
Abhängigkeit
der Effizienz der Abgasrückführung vom
Spüldruckgefälle reduziert,
und es wird eine effiziente Abgasrückführung auch in Betriebszuständen der Brennkraftmaschine
ermöglicht,
in denen lediglich ein geringes Spüldruckgefälle vorliegt. Dies konnte bislang
nur dadurch ermöglicht
werden, dass das Abgas vor der Turbine des Abgasturboladers aufgestaut wurde,
um ein hinreichendes Druckgefälle
zu schaffen. Ein derartiges Aufstauen des Abgases ist im Rahmen
eines erfindungsgemäßen Verfahrens
nicht mehr notwendig. Dadurch steigt die Effizienz des Ladungswechsels,
d. h. Ladungswechselverluste werden geringer, wodurch auch der Kraftstoffverbrauch gesenkt
werden kann.
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Die
Entnahme des Abgasteilstromes kann dabei in Strömungsrichtung des Abgasstromes
vor oder hinter einem Abgaskatalysator erfolgen. Beide Alternativen
weisen spezifische Vorteile auf. Bei einer Entnahme des Abgasteilstromes
vor dem Katalysator können
unverbrannte Kohlenwasserstoffe und unverbranntes Kohlenmonoxid
im nächsten
Zyklus nochmals verbrannt werden, so dass der Schadstoffausstoß gesenkt
wird. Die Entnahme des Abgasteilstromes hinter dem Katalysator bringt
den Vorteil, dass die Abgastemperatur dort erhöht ist, da im Katalysator exotherme
chemische Reaktionen stattfinden.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens wird weiterhin der Abgasteilstrom in einen ersten
und einen zweiten weiteren Abgasteilstrom geteilt. Der erste weitere
Abgasteilstrom wird dabei durch einen Abgasrückführungskühler geleitet und nach Durchströmen des
Abgasrückführungskühlers mit
dem zweiten weiteren Abgasteilstrom wieder vereinigt. Eine Kühlung des
rückgeführten Abgases
ermöglicht
dabei vorteilhaft eine größere Befüllung der
Brennkammern der Brennkraftmaschine, da durch die Abkühlung des
rückgeführten Abgases
dessen Dichte steigt. Die Abzweigung eines zweiten weiteren Abgasteilstromes,
welcher den Abgasrückführungskühler nicht
durchläuft und
hinter dem Abgasrückführungskühler mit
dem ersten weiteren Abgasteilstrom wieder vereinigt wird, bringt
den Vorteil, dass über
das Massenstromverhältnis
der beiden Teilströme
eine Temperatur des rückgeführten Abgases
und damit auch seine Dichte eingestellt werden kann.
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Es
ist dabei besonders vorteilhaft, ein Massenstromverhältnis des
ersten und zweiten weiteren Abgasteilstromes in Abhängigkeit
wenigstens einer gemessenen Ladelufttemperatur einzustellen. Während eine
möglichst
tiefe Temperatur der Ladeluft und damit auch des rückgeführten Abgases
im Sinne einer maximalen Beladung des Motors wünschenswert ist, bringen tiefe
Temperaturen der Ladeluft dennoch Probleme mit sich. Insbesondere
der Wassergehalt des rückgeführten Abgases
kann bei zu tiefen Ladelufttemperaturen zum Auskondensieren von
Wasser führen.
Gerät solches
auskondensiertes Wasser in Form von Tröpfchen in das sehr schnell
drehende Verdichterrad des Abgasturboladers, so treten im Abgasturbolader
Unwuchten auf, was sowohl das Verdichterrad als auch die Lagerung
der Turboladerwelle schwer beschädigen
kann. Auch das Eindringen von Kondenswasser in den Brennraum des
Motors ist nicht wünschenswert
und senkt dessen Wirkungsgrad.
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Die
Ladelufttemperatur wird dabei bevorzugt in Strömungsrichtung der Ladeluft
vor dem Verdichter und/oder nach dem Verdichter und/oder nach einem
Ladeluftkühler
gemessen. Auch eine kombinierte Messung an mehreren der genannten
Punkten ist möglich
und erlaubt eine besonders präzise
Steuerung des Temperaturganges im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine.
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Es
ist besonders vorteilhaft, das Massenstromverhältnis derart einzustellen,
dass die Ladelufttemperatur größer ist
als die Kondensationstemperatur von Wasser unter den jeweiligen
Druckbedingungen im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine. Damit wird
die, wie eingangs beschrieben, besonders schädliche Bildung von Kondensattröpfchen in
der Ladeluft zuverlässig
vermieden.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin eine Brennkraftmaschinenanordnung für einen
Kraftwagen mit einem Ottomotor mit einem Ansaugtrakt und einem Abgastrakt.
Im Ansaugtrakt des Ottomotors sind dabei ein Verdichter eines Abgasturboladers
sowie ein in Strömungsrichtung
eines Ladeluftstromes hinter diesem angeordneter Ladeluftkühler angeordnet. Weiterhin
sind im Abgastrakt des Ottomotors eine Turbine des Abgasturboladers
sowie ein in Strömungsrichtung
eines Abgasstromes hinter dieser angeordneter Abgaskatalysator angeordnet.
Eine Abgasrückführungsleitung
verbindet den Abgastrakt mit dem Ansaugtrakt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass
die Abgasrückführungsleitung
in Strömungsrichtung
des Abgasstromes hinter der Turbine des Abgasturboladers mit dem
Abgastrakt verbunden ist. Die Verbindung der Abgasrückführungsleitung
mit dem Ansaugtrakt erfolgt weiterhin in einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschinenanordnung
in Strömungsrichtung
des Ladeluftstromes vor dem Verdichter des Abgasturboladers. Eine
derartige Brennkraftmaschinenanordnung umfasst somit eine bereits
eingangs geschilderte Niederdruckabgasrückführung, welche, wie oben ausgeführt, die
Probleme der Hochdruckabgasrückführung vermeidet. Insbesondere
ist kein hohes Spüldruckgefälle bzw. ein
Rückstauen
des Abgases vor der Turbine des Abgasturboladers nötig, um
eine effiziente Abgasrückführung zu
gewährleisten.
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Wie
bereits bezüglich
des erfindungsgemäßen Verfahrens
dargestellt, ist es alternativ möglich, die
Abgasrückführungsleitung
in Strömungsrichtung des
Abgasstromes vor oder hinter dem Abgaskatalysator mit dem Abgastrakt
zu verbinden.
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Die
Abgasrückführungsleitung
umfasst weiterhin bevorzugt einen Abgasrückführungskühler, wobei eine Bypassleitung
in Strömungsrichtung
eines Abgasrückführungsstromes
vor dem Abgasrückführungskühler mit
der Abgasrückführungsleitung oder
dem Abgastrakt und in Strömungsrichtung
des Abgasrückführungsstromes
hinter dem Abgasrückführungskühler mit
der Abgasrückführungsleitung verbunden
ist. Damit wird ermöglicht,
bedarfsweise nur einen Anteil oder unter Umständen keinen Teil des rückgeführten Abgases
zu kühlen.
Hierdurch wird eine exakte Temperatureinstellung des rückgeführten Abgases
ermöglicht.
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Bevorzugt
ist weiterhin in der Bypassleitung ein Steuerventil zum Steuern
eines Massenstromverhältnisses
zwischen einem die Abgasrückführungsleitung durchströmenden ersten
und einem die Bypassleitung durchströmenden zweiten Abgasteilstroms
angeordnet.
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Zum
Steuern des Steuerventils ist bevorzugt eine Steuervorrichtung vorgesehen,
wobei zusätzlich im
Ansaugtrakt in Strömungsrichtung
vor dem Verdichter und/oder nach dem Verdichter und/oder nach dem
Ladeluftkühler
wenigstens ein Temperatursensor zum Abgeben von Signalen an die
Steuervorrichtung angeordnet ist. Damit kann ein Verhältnis zwischen
gekühltem
und ungekühltem
rückgeführten Abgas
in Abhängigkeit
der Temperaturverhältnisse im
Ansaugtrakt eingestellt werden. Insbesondere ist es so möglich, wie
bereits eingangs geschildert, die Kondensation von Wasser aus dem
rückgeführten Abgas
zu vermeiden. Damit werden Beschädigungen am
Abgasturbolader oder ein Leistungsverlust der Brennkraftmaschine
zuverlässig
verhindert.
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Im
Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnungen
näher erläutert werden.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
Brennkraftmaschinenanordnung mit Hochdruckabgasrückführung nach dem Stand der Technik,
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2 ein
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschinenanordnung
mit einer Niederdruckabgasrückführung mit
Abgasentnahme vor und hinter einem Katalysator,
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3 eine
alternative Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschinenanordnung
mit Abgasentnahme hinter dem Katalysator,
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4 eine
weitere alternative Ausführungsform
mit Abgasentnahme vor dem Katalysator, und
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5 eine
weitere alternative Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschinenanordnung
mit Abgasentnahme hinter dem Katalysator und alternativer Lage eines
Steuerventils.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer im Ganzen mit 10 bezeichneten
Anordnung eines Ottomotors 12 mit einem Ansaugtrakt 14 und
einem Abgastrakt 16. Angesaugte Ladeluft für den Motor 12 wird
in Richtung des Pfeils 18 durch eine Luftleitung 20 zu
einem Verdichterrad 22 des Turboladers 24 angesaugt.
Die verdichtete Ladeluft wird vom Verdichter 22 zu einem
Ladeluftkühler 26 geführt und strömt schließlich in
Richtung des Pfeils 28 durch den Ansaugkrümmer 30 in
Richtung des Motors 12. Das Abgas aus den Brennkammern
des Motors 12 wird in Richtung des Pfeils 32 durch
den Abgaskrümmer 34 geleitet
und treibt schließlich
die Turbine 36 des Abgasturboladers 24 bevor sie
in Richtung des Pfeils 38 zum Auspuff des Kraftwagens geleitet
wird. Im Abgastrakt 16 ist vor der Turbine 36 des
Abgasturboladers 24 eine Leitung 40 abgezweigt,
durch welche in Richtung des Pfeils 42 ein Abgasteilstrom
durch einen Abgasrückführungskühler 44 und
eine weitere Abgasrückführungsleitung 46 in
den Ansaugtrakt 14 zurückgeleitet
werden kann. Zur Einstellung der Massenverhältnisse zwischen abgezweigtem
und nicht abgezweigtem Abgasstrom ist an der Abzweigung der Abgasrückführungsleitung 40 aus
dem Abgaskrümmer 34 ein
regelbares Ventil 48 angeordnet. Dadurch kann bedarfsweise
eingestellt werden, wie viel Abgas den Brennräumen des Motors wieder zugeführt werden
soll. Wie zu erkennen ist, erfolgt die Abgasrückführung im Hochdruckbereich des
Turboladers 24. Um eine effiziente Abgasrückführung zu
ermöglichen,
muss also ein Druck p2 im Ansaugkrümmer 30 kleiner
sein als ein Druck p3 im Abgaskrümmer 34 der
Anordnung 10. Dies ist nicht in allen Betriebszuständen des
Kraftwagens gewährleistet.
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Dieses
Problem wird in einem ersten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschinenanordnung,
welches in 2 gezeigt und im Ganzen mit 10' bezeichnet
ist, vermieden. Die Abgasrückführung erfolgt
hier auf der Niederdruckseite des Abgasturboladers 24.
Hierzu wird über
ein erstes regelbares Ventil 48 ein Abgasteilstrom entnommen und über eine
erste Abgasrückführungsleitung 50 dem
Abgasrückführungskühler 44 zugeleitet.
Aus diesem tritt das gekühlte
Abgas in die zweite Abgasrückführungsleitung 52 ein.
Die erste Abgasrückführungsleitung 50 ist
dabei hinter einem Katalysator 54 aus dem Abgastrakt 16 der
Anordnung 10' abgezweigt.
Insbesondere liegt die Abzweigung und damit das regelbare Ventil 48 hinter
dem Abgasturbolader 24, so dass das aus dem Motor 12 austretende
Abgas sich durch Durchtritt durch die Turbine 36 des Abgasturboladers 24 bereits
entspannen konnte. Die zweite Abgasrückführungsleitung 52 mündet zwischen
einer Drosselklappe 56 und dem Verdichter 22 des
Abgasturboladers 24 in den Ansaugtrakt 14. Der hier
vorliegende Druck ist wesentlich geringer als der Druck p2 im Ansaugkrümmer des Motors 12.
Dadurch muss auch auf der Abgasseite weniger Druck aufgebracht werden,
um Abgas wieder rückzuführen. Um eine
Temperatursteuerung des Abgases vornehmen zu können, ist eine Bypassleitung 58 zwischen
Turbine 36 des Abgasturboladers 24 und Katalysator 54 aus
dem Abgastrakt 16 abgezweigt und mündet hinter dem Abgasrückführungskühler 44 in
die zweite Abgasrückführungsleitung 52.
Um ein Massenstromverhältnis
zwischen die Bypassleitung 58 durchströmendem Abgas und den Abgasrückführungsluftkühler 44 durchströmendem Abgas
einstellen zu können, ist
ein zweites regelbares Ventil 60 in der Bypassleitung 58 nahe
der Wiedervereinigung mit der zweiten Abgasrückführungsleitung 52 angeordnet.
Dieses kann durch eine Steuereinheit 62 gesteuert werden. Um
ein Kondensieren von Wasser aus dem rückgeführten Abgas zu vermeiden, muss
die Temperatur im Ansaugtrakt 14 an jedem Punkt über der
Kondensationstemperatur von Wasser liegen. Um dies sicherzustellen,
ist ein Temperatursensor 64 im Ansaugtrakt 14 hinter
dem Ladeluftkühler 26 angeordnet.
In einem modifizierten Ausführungsbeispiel
ist ein Temperatursensor 66 im Ansaugtrakt 14 zwischen
Verdichter 22 des Abgasturboladers 24 und Ladeluftkühler 26 angeordnet.
In einem weiteren, modifizierten Ausführungsbeispiel ist ein Temperatursensor 68 in Strömungsrichtung
der Ladeluft vor dem Verdichter 22 vorgesehen. In wiederum
einem weiteren, modifizierten Ausführungsbeispiel sind beliebige
Kombinationen von Temperatursensoren 64, 66, 68 an
den genannten Einbaustellen vorgesehen. Damit kann die Steuereinheit 62 ein
genaues Bild der Temperaturverhältnisse
im Ansaugtrakt 14 ermitteln und auf dieser Grundlage den Öffnungszustand
des Ventils 60 und damit das Mischungsverhältnis zwischen
gekühltem
und ungekühltem
Abgas einstellen, so dass eine gewünschte Temperaturen erhalten
bleiben.
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3 zeigt
eine alternative Ausführungsform 10'' hierzu. Das gesamte rückzuführende Abgas wird
in dieser Ausführungsform
hinter dem Katalysator 54 aus dem Abgastrakt 16 entnommen. Über eine gemeinsame
Leitung 70 wird der Abgasrückführung zunächst über das Ventil 48 die
gewünschte
rückzuführende Abgasmenge
zugeführt.
Die Leitung 70 teilt sich dabei in die erste Abgasrückführungsleitung 50 und
die Bypassleitung 58 auf. In der ersten Abgasrückführungsleitung 50 ist
wiederum ein Abgasrückführungskühler 44 angeordnet,
der gekühltes
Abgas in die zweite Abgasrückführungsleitung 52 weiterleitet.
Die Bypassleitung 58 vereinigt sich wiederum mit der Abgasrückführungsleitung 52,
ein regelbares Ventil 60 ist wiederum nahe dieses Vereinigungspunktes
angeordnet.
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Eine
weitere alternative Anordnung 10''' zeigt 4.
Sie entspricht im Wesentlichen der in 3 gezeigten
Ausführungsform 10'', die Entnahme des rückzuführenden
Abgases erfolgt hier jedoch zwischen Turbine 36 des Abgasturboladers 24 und Abgaskatalysator 54.
Eine etwas geringere Abgastemperatur für das rückzuführende Abgas wird hier in Kauf
genommen, dafür
liegen vor dem Katalysator 54 größere Mengen an unverbranntem CO
und unverbrannten Kohlenwasserstoffen vor, deren Wiederverbrennung
im Rahmen der Abgasrückführung die Emissionen
der Brennkraftmaschine senkt.
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5 zeigt
schließlich
eine schematische Darstellung einer weiteren alternativen Ausführungsform.
Diese unterscheidet sich von der in 3 gezeigten
Ausführungsform
durch eine alternative Positionierung des regelbaren Ventils 60.
Dieses ist hier in unmittelbarer Nähe der Abzweigung der Bypassleitung 58 aus
der Abgasrückführungsleitung 70 angeordnet.
Dies kann die Strömungsverhältnisse
im Abgasrückführungssystem
verbessern.