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Die
Erfindung betrifft eine selbstzündende Brennkraftmaschine
mit einer Verbrennungsluft aus der Umgebung ansaugenden Frischgasleitung
und einer Abgasleitung, wobei in die Abgasleitung ein Abgasnachbehandlungssystem
eingeschaltet ist und wobei ein mechanischer Drehzahlregler für
das Einspritzsystem der Brennkraftmaschine vorgesehen ist.
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Eine
derartige Brennkraftmaschine ist aus der
EP 1 321 640 B1 bekannt.
Diese Brennkraftmaschine weist einen Abgassammler mit einem integrierten
Abgasnachbehandlungssystem in Form eines Rußfilters und/oder
Oxidationskatalysators auf, die in einem Gehäuse so zusammengefasst
sind, dass die akustischen Eigenschaften des Abgassammlers und des
Abgasnachbehandlungssystems ohne separaten Abgasschalldämpfer
ausgenutzt und aufeinander abgestimmt sind.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine derartige Brennkraftmaschine
derart weiterzubilden, dass die Abgasemissionen zur Erfüllung
neuerer gesetzlicher Vorschriften weiter verringert werden.
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Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine die Frischgasleitung
mit der Abgasleitung verbindende Abgasrückführleitung
vorgesehen ist, die von einem Abgasrückführventil
beherrscht ist und dass die Abgasentnahmestelle aus der Abgasleitung in
einer Zone mit stabilen Druckverhältnissen angeordnet ist.
Dieser Ausgestaltung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die tatsächliche
Abgasrückführrate genau festzulegen ist und sicherzustellen
ist, dass diese festgelegte Abgasrückführrate
beim Betrieb der Brenn kraftmaschine bei allen Betriebszuständen der
Brennkraftmaschine, bei denen Abgas zurückgeführt
wird, genau eingehalten wird. Andererseits ist es bei mechanisch
geregelten Brennkraftmaschinen, die also ein Kraftstoffeinspritzsystem
mit einer mechanischen Regelung aufweisen, mit einem vertretbaren
Aufwand kaum möglich, eine betriebsabhängig geregelte
Abgasrückführung darzustellen. Vielmehr wird bei
solchen Brennkraftmaschinen eine ”schwarz-weiß”-Steuerung
vorgesehen, die die Abgasrückführung entweder
ein- oder ausschaltet. Ist nun eine solche Brennkraftmaschine zusätzlich
mit einem Abgasnachbehandlungssystem, das insbesondere einen Partikelfilter
aufweist, ausgestattet, ändert sich die Druckdifferenz über
das Abgasnachbehandlungssystem in Abhängigkeit der Beladungsmenge
des Partikelfilters mit Rußpartikeln. Ausgehend von dieser
Konstellation und den hierzu gewonnenen Erkenntnissen wird eine
Einhaltung von einer gleichbleibenden Abgasrückführrate
dadurch erreicht, dass die Abgasentnahmestelle aus der Abgassammelleitung
in einer Zone mit stabilen, also weitgehend gleichen Druckverhältnissen
angeordnet ist.
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In
einer ersten Anordnung ist diese Entnahmestelle in Strömungsrichtung
hinter dem Abgasnachbehandlungssystem in der Abgasleitung angeordnet.
Diese Ausgestaltung ist vorteilhaft anwendbar bei einem motornah
angeordneten Abgasnachbehandlungssystem, das also bevorzugt direkt
an die Gasauslasskanäle des Zylinderkopfs anschließt.
Besonders vorteilhaft ist die Abgasentnahme in Strömungsrichtung
hinter dem Abgasnachbehandlungssystem, da dort bei unbeladenem und
beladenem Partikelfilter genügend stabile, also gleiche
Druckverhältnisse herrschen. Dabei erfolgt die Regelung
bzw. Ein- und Ausschaltung der Abgasrückführung
bevorzugt in Abhängigkeit von durch Regelstangenpositionsgebern
erzeugten Schaltsignalen. Dazu sind bevorzugt an der Regelstange
Schaltmagnete angebracht, die zusammenwirkend mit elektromagnetisch betätigten
Schaltern die Abgasrückführung oberhalb einer
bestimmten Einspritzmenge einschalten (und bei Unterschreiten des
entsprechenden Grenzwertes wieder ausschalten). Zusätzlich
kann in weiterer Ausgestaltung die Drehzahl der Brennkraftmaschine
berücksichtigt werden. Ein Drehzahlsignal kann – sofern
es nicht schon für andere Anwendungen vorhanden ist – durch
einen Aufnehmer leicht aufgenommen werden und wird so eingesetzt,
dass die Abgasrückführung oberhalb einer Mindestdrehzahl
eingeschaltet wird und bei einer Höchstdrehzahl wieder
abgeschaltet wird. Die Mindestdrehzahl entspricht dabei beispielsweise
einer Leerlaufdrehzahl von 1.000 U/Min. und die Höchstdrehzahl
beispielsweise einer Volllastdrehzahl von 2.800 U/Min.
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Ist
die Brennkraftmaschine aufgeladen, also insbesondere mit einem Abgasturbolader
ausgestattet, kann die Abgasrückführung alternativ
in Abhängigkeit des Ladeluftdrucks, der durch einen einfachen
Drucksensor gemessen wird, gesteuert werden. Oberhalb eines vorgegebenen
Ladeluftdrucks, beispielsweise 0,35 bar, wird die Abgasrückführung eingeschaltet.
Zusätzlich kann bei dieser Ausgestaltung auch noch die
Drehzahl der Brennkraftmaschine berücksichtigt werden.
Die zuvor dargestellten Ausführungen zu der ersten Anordnung
haben zudem den Vorteil, dass das gesamte System bei dem Brennkraftmaschinenhersteller
komplett aufgebaut und eingestellt werden kann, da alle Teile brennkraftmaschinennah
verbaut sind, und keine bei dem Einbaukunden der Brennkraftmaschine
vorzunehmenden Anpassarbeiten erforderlich sind. Ein von dem Einbaukunden
gerätespezifisch verbauter Abgasschalldämpfer
hinter der Entnahmestelle stabilisiert die Druckverhältnisse
weiter.
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In
einer zweiten Ausführung ist die Abgasentnahmestelle in
Strömungsrichtung vor dem Abgasnachbehandlungssystem in
der Abgasleitung angeordnet und es ist hinter dem Abgasnachbehandlungssystem
ein Druckregelventil in der Abgasleitung vorgesehen. Diese Ausgestaltung
bietet sich insbesondere für solche Lösungen an,
bei denen das Abgasnachbehandlungssystem nicht brennkraftmaschinennah
angeordnet ist beziehungsweise sein kann. In diesem Fall wird mit
dem Druckregelventil ein genügend konstanter Druck an der
Abgasentnahmestelle eingestellt. Dies kann in einer einfachsten
Ausgestaltung derart erfolgen, dass das System so eingestellt ist,
dass bei einem unbeladenen Partikelfilter, bei dem der Druck an
der Abgasentnahmestelle gegenüber dem dort herrschenden
Druck bei beladenem Partikelfilter erheblich geringer ist, das Druckregelventil
um ein vorgegebenes Maß geschlossen wird, so dass an der
Abgasentnahmestelle ein höherer Druck eingestellt wird.
Ist der Partikelfilter teilbeladen, wird das Druckregelventil wieder
geöffnet. Diese Steuerung des Druckregelventils kann in
einer einfachen Ausgestaltung alleine von dem Differenzdruck über
das Abgasnachbehandlungssystem gesteuert werden. Zusätzlich
können aber für diese Steuerung auch noch die
Drehzahl und die Regelstangenstellung berücksichtigt werden.
Gegebenenfalls ist für diese Steuerung auch eine einfache
elektronische Kennfeldsteuerung sinnvoll einsetzbar.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung
zu entnehmen, in der zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung näher
beschrieben sind.
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Es
zeigen:
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1 eine
erste Ausführung mit einer Abgasentnahmestelle hinter dem
Abgasnachbehandlungssystem und
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2 eine
zweite Ausführung mit einer Abgasentnahmestelle vor dem
Abgasnachbehandlungssystem.
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1 zeigt
eine selbstzündende Brennkraftmaschine 1 mit schematisch
dargestellten Zylindern Z1–Z4. Die Brennkraftmaschine 1 weist
dabei einen üblichen Aufbau auf, bei dem eine Kurbelwelle
in einem Kurbelgehäuse gelagert ist und an der Kurbelwelle
jedem Zylinder zugeordnete Kolben über Pleuel angelenkt
sind. Die Zylinder sind von einem Zylinderkopf abgedeckt, wobei
in dem Zylinderkopf Gaswechseleinrichtungen und Einspritzeinrichtungen
angeordnet sind. Die Einspritzeinrichtungen umfassen zumindest eine
von einer Regelstange gesteuerte Hochdruckpumpe, die einer der Zylinderzahl
entsprechenden Anzahl von Einspritzventilen Kraftstoff zuführt.
Die Brennkraftmaschine 1 kann im Übrigen luftgekühlt,
wassergekühlt oder ölgekühlt sein.
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Die
Gaswechseleinrichtungen weisen Gasauslasskanäle auf, die
an einer Zylinderkopflängsseite 2 münden.
An diese Gasauslasskanäle ist eine Abgassammelleitung 3 angeschlossen,
die direkt mit einem Abgasnachbehandlungssystem 4 verschaltet ist.
Die Abgassammelleitung 3 weist dabei im Grunde nur an der
Zylinderkopflängsseite 2 befestigte Anschlussstutzen
und eine Bypassleitung 5 zur Umgehung des Abgasnachbehandlungssystems 4 auf. Das
Abgasnachbehandlungssystem 4 weist insbesondere einen Partikelfilter
auf, wobei aber je nach Ausgestaltung zusätzlich auch noch
zumindest ein Katalysator und/oder Brenner verbaut sein können. Die
Bypassleitung 5 mit einem Bypassventil 6 wird nur
benötigt, wenn der Partikelfilter im beladenen Zustand
nicht regeneriert werden kann und zeitlich begrenzt zur Vermeidung
einer Überladung umgangen werden muss. Die Bypassleitung 5 mündet
hinter dem Bypassventil 6 in eine weiterführende
Abgasleitung 7, an die mittels eines Befestigungsflansches 9 ein
Abgasschalldämpfer 8 angebracht werden kann.
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An
die Abgasleitung 7 ist eine Abgasrückführleitung 10 angeschlossen,
mittels der über ein Abgasrückführventil 11 gesteuert
Abgas in eine Frischgasleitung als Bestandteil des Gaswechselsystems
zurückgeführt wird. Das Abgasrückführventil 11 wird
bevorzugt nach einer ”schwarz-weiß”–Regelung geöffnet
oder geschlossen. Die diesbezügliche Steuerung erfolgt
bevorzugt zumindest in Abhängigkeit der Stellung der Regelstange
des Einspritzsystems.
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Die 2 zeigt
im Unterschied zu der Ausgestaltung in 1 eine Brennkraftmaschine,
an der eine herkömmliche Abgassammelleitung 3a angeschlossen
ist, und an die ”motorfern” ein Abgasnachbehandlungssystem 4a,
gegebenenfalls mit einem vorgeschalteten Brenner 12, angeschlossen
ist. Bei dieser Ausführung zweigt die Abgasrückführleitung 10 mit
dem eingeschalteten Abgasrückführventil 11 von
der Abgassammelleitung 3a ab, wobei zur Einstellung von
stabilen Druckverhältnissen an der Entnahmestelle in der
Abgassammelleitung 3a ein Druckregelventil 13 hinter
dem Abgasnachbehandlungssystem 4a in die Abgasleitung 7a eingesetzt
ist. Wiederum hinter dem Druckregelventil 13 ist über
einen weiteren Befesti gungsflansch 9 ein Abgasschalldämpfer 8 (wie
bei 1) angeschlossen. Mit dem Druckregelventil 13 wird
unabhängig von dem Beladungszustand des Partikelfilters
des Abgasnachbehandlungssystems 4a der Abgasdruck so eingestellt, dass
an der Entnahmestelle für die Abgasrückführleitung 10 ein
zumindest nahezu konstanter Druck eingestellt ist.
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- 1
- Brennkraftmaschine
- 2
- Zylinderkopflängsseite
- 3
- Abgassammelleitung
- 4
- Abgasnachbehandlungssystem
- 5
- Bypassleitung
- 6
- Bypassventil
- 7
- Abgasleitung
- 8
- Abgasschalldämpfer
- 9
- Befestigungsflansch
- 10
- Abgasrückführleitung
- 11
- Abgasrückführventil
- 12
- Brenner
- 13
- Druckregelventil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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