DE102009014277B4

DE102009014277B4 - Vorrichtung zum Betreiben einer Diesel-Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung

Info

Publication number: DE102009014277B4
Application number: DE102009014277.0A
Authority: DE
Inventors: Uwe Sailer; Jochen Petters
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2009-03-20
Filing date: 2009-03-20
Publication date: 2016-10-13
Anticipated expiration: 2029-03-21
Also published as: DE102009014277A1

Abstract

Vorrichtung zum Betreiben einer Diesel-Brennkraftmaschine (10) mit Abgasturboaufladung, mit einer in deren Abgasanlage (20) integrierten Abgasturbine (24) und einem Ansaugsystem mit einem integrierten Verdichter (26), der über eine Ladedruckleitung (14) Verbrennungsluft zur Brennkraftmaschine (10) fördert, ferner mit einer Abgasrückführeinrichtung mit einer steuerbaren Rückführleitung (40), die eine Abgasleitung (16) stromauf der Abgasturbine (24) mit der Ladedruckleitung (14) des Ansaugsystems verbindet, wobei in die Rückführleitung (40) ein Dieselpartikelfilter (44) eingeschaltet ist, der über ein nachgeschaltetes Wegeventil (46) mit der Ladedruckleitung (40) und/oder der Abgasanlage (20) verbindbar ist, wobei stromab der Abgasturbine (24) ein Haupt-Dieselpartikelfilter (36) angeordnet ist, und wobei der Dieselpartikelfilter (44) über eine vom Wegeventil (46) abzweigende Regenerationsleitung (48) stromab des Haupt-Dieselpartikelfilters (36) in die Abgasleitung (20) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführleitung (40) stromab einer den Ansaugmassenstrom steuernden Drosselklappe (28) in die Ladedruckleitung (14) mündet, und dass in die Ladedruckleitung (14) stromab der Mündung der Rückführleitung (40) ein Ladeluftkühler (30) eingeschaltet ist, wobei an der Ladedruckleitung (14) eine Umgehungsleitung (32) mit einem Steuerventil (34) angeschlossen ist, das den Ladeluftkühler (30) unterhalb einer definierten Temperatur der Verbrennungsluft kurzschließt, und dass stromauf des Wegeventiles (46) ein separates Abgasrückführventil (42) zur Steuerung der Abgasrückführrate nach Maßgabe definierter Betriebszustände der Brennkraftmaschine (10) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betreiben einer Diesel-Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Beispielsweise durch die DE 10 2006 054 043 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, die bei einer Diesel-Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung eine Hochdruck-Abgasrückführung mit einer Rückführleitung stromauf der Abgasturbine und einer Niederdruck-Abgasrückführung mit einer zweiten Rückführleitung in das Ansaugsystem der Brennkraftmaschine aufweist. Die zweite Rückführleitung zweigt von der Abgasanlage stromab eines Partikelfilters (DPF) ab und mündet stromauf des Verdichters des Abgasturboladers in das Ansaugsystem. Das stromab des Dieselpartikelfilters rückgeführte Abgas hat den Vorteil, dass es durch den Dieselpartikelfilter bereits vorgereinigt ist.
Aus der FR 2 894 624 A1 ist eine gattungsgemäße Vorrichtung bekannt, bei der in der oben genannten Rückführleitung ein Dieselpartikelfilter eingeschaltet ist, der über ein nachgeschaltetes Wegeventil mit der Ladedruckleitung des Ansaugsystems und/oder der Abgasanlage verbindbar ist. Aus der EP 2 006 504 A1 und aus der DE 10 2006 057 488 A1 sind jeweils Hochdruck-Abgasrückführungen bekannt, wobei in der jeweiligen Abgasrückführleitung zusätzliche Abgasreinigungsvorrichtungen vorhanden sind. Diese können beispielhaft ein Dieselpartikelfilter oder ein Partikelfilter in der Rückführleitung sein. Aus der DE 10 2005 039 137 A1 ist ein Arbeitsfluidkreislauf für einen Turbomotor mit Abgasrückführung bekannt, bei der stromab einer Mündung einer Rückführleitung ein Ladeluftkühler mit Umgehungsleitung eingesetzt ist. Aus der FR 2 879 712 A1 ist eine weitere Vorrichtung zum Betreiben einer Diesel-Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art mit nur einer Hochdruck-Abgasrückführung so auszubilden, dass bei einem funktionell günstigen Betrieb der Brennkraftmaschine nur von Abgaspartikeln und schädlichen Verbrennungsrückständen gereinigtes Abgas rückgeführt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist im Patentanspruch 2 angeführt.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass in die Rückführleitung ein Dieselpartikelfilter eingeschaltet ist, der über ein nachgeschaltetes Wegeventil mit der Ladedruckleitung des Ansaugsystems und/oder der Abgasanlage verbindbar ist. Der Dieselpartikelfilter – der auf den wesentlich geringeren Abgasmassenstrom in der Rückführleitung ausgelegt und deshalb deutlich kleiner als ein Haupt-Dieselpartikelfilter in der Abgasanlage sein kann – reinigt besonders wirkungsvoll das rückgeführte Abgas und vermeidet somit den Eintrag von Rußpartikeln, HC-Rückständen, etc. in das Ansaugsystem der Brennkraftmaschine.
Erfindungsgemäß kann daher ein Teilstrom über einen zusätzlichen, beschichteten Partikelfilter (DPF2) geleitet werden. Stromab des Partikelfilters (DPF2) ist ein Wegeventil verbaut, welches im regulären Betriebszyklus den Massenstrom der AGR in Richtung Ladeluftsystem regeln kann oder in einem Regenerationszyklus im Falle der aktiven Regeneration des DPF2 den Weg in das Abgassystem freigibt. So kann während der Regeneration des Haupt-Dieselpartikelfilters in der Abgasanlage auch der DPF2 regeneriert werden.
Mittels einer im Abgassystem geschalteten Drosselklappe ist erfindungsgemäß das Druckgefälle gesteigert. Nach der Einleitung kann mittels eines ausreichend groß dimensionierten Ladeluftkühlers (beispielsweise als Luft-/Wasser-Ladeluftkühler) die Ladung abgekühlt werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Wegeventil wird eine sichere Regenerationsmöglichkeit des in der Rückführleitung geschalteten Partikelfilters ermöglicht, sobald eine zu hohe Beladung erreicht wird. Außerdem kann ein AGR-Kühler entfallen.
Eine zuverlässige Regeneration des in der Rückführleitung geschalteten Dieselpartikelfilters wird dadurch erzielt, dass dieser über eine vom Wegeventil abzweigende Regenerationsleitung mit der Abgasleitung stromab des Haupt-Dieselpartikelfilters verbindbar ist. Dies sichert ein ausreichendes Druckgefälle mit entsprechend hohem Durchsatz an mit Kraftstoff angereichertem Abgas im Regenerationsbetrieb der Brennkraftmaschine.
Des Weiteren mündet die Rückführleitung stromab der den Ansaugmassenstrom steuernden Drosselklappe in die Ladedruckleitung, wodurch in baulich besonders einfacher Weise die Abgasrückführrate angehoben und zweckmäßig beeinflussbar ist.
Zudem ist in die Ladedruckleitung stromab der Mündung der Rückführleitung ein Ladeluftkühler eingeschaltet. Der in seiner Kühlleistung entsprechend angepasste Ladeluftkühler übernimmt zugleich die Kühlung des rückgeführten Abgases, so dass ein separater Abgaskühler in der Rückführleitung entfallen kann.
Dazu ist an der Ladedruckleitung eine Umgehungsleitung mit einem Steuerventil angeschlossen, die den Ladeluftkühler unterhalb einer definierten Temperatur der Verbrennungsluft kurzschließt und somit zu einer schnelleren Erwärmung der Brennkraftmaschine nach einem Kaltstart beiträgt.
Das Wegeventil in der Rückführleitung kann bevorzugt so gesteuert sein, dass es in einem durch ein Motorsteuergerät geschalteten Betriebszyklus der Brennkraftmaschine zur Regeneration des Dieselpartikelfilters die Rückführleitung schließt und die Verbindung zur Regenerationsleitung öffnet. Damit kann eine besonders effiziente und schnelle Regeneration des in der Rückführleitung angeordneten DPF erreicht werden.
Stromauf des Wegeventiles ist ein separates Abgasrückführventil zur Steuerung der Abgasrückführrate nach Maßgabe definierter Betriebszustände der Brennkraftmaschine vorgesehen, während über das Wegeventil lediglich z. B. über eine baulich einfache, bistabile Klappensteuerung die Rückführleitung entweder mit der Ladedruckleitung oder mit der Regenerationsleitung verbindbar und die jeweils andere Leitung schließbar ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden anhand des anhängenden Blockschaltbildes näher erläutert. Das Blockschaltbild zeigt eine Diesel-Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung und einer Hochdruck-Abgasrückführung, bei der in die Rückführleitung ein zweiter Dieselpartikelfilter eingeschaltet ist.
In der Zeichnung ist mit 10 eine Mehrzylinder-Diesel-Brennkraftmaschine bezeichnet, die über ein Ansaugsystem mit einer Ansaugleitung 12 und einer Ladedruckleitung 14 mit Verbrennungsluft versorgt ist, während über eine Abgasanlage mit Abgasleitungen 16, 18, 20 das Abgas zu weiteren, nicht dargestellten Abgaseinrichtungen abgeleitet wird.
Die Brennkraftmaschine 10 ist mit Abgasturboaufladung betrieben, wobei in das Ansaugsystem und die Abgasanlage ein Abgasturbolader 22 integriert ist.
Der von der Abgasturbine 24 angetriebene Verdichter 26 saugt über einen vorgeschalteten Luftfilter, eine Messeinrichtung (nicht dargestellt) und die Ansaugleitung 12 Verbrennungsluft an und drückt sie über die Ladedruckleitung 14 in die Brennräume der Brennkraftmaschine 10.
In die Ladedruckleitung 14 ist als Drosselelement eine steuerbare Drosselklappe 28 und ferner ein Ladeluftkühler 30 eingeschaltet. Der Ladeluftkühler 30 ist beispielsweise ein Wasser-Luft-Wärmetauscher, der in einen Niedertemperatur-Kreislauf des Kühlsystems der Brennkraftmaschine 10 eingebunden ist.
Der Ladeluftkühler 30 ist durch eine Umgehungsleitung 32 mit einem Steuerventil 34 kurzschließbar. Durch Öffnen des Steuerventiles 34 strömt die Verbrennungsluft unter Umgehung des Ladeluftkühlers 30 weitgehendst durch die einen geringeren Durchströmwiderstand aufweisende Umgehungsleitung.
Die Abgasturbine 24 des Abgasturboladers 22 ist zwischen die Abgasleitung 16 (z. B. ein Abgasvorrohr) und die Abgasleitung 18 geschaltet. Stromab der Abgasturbine 24 ist zwischen der Abgasleitung 18 und der weiterführenden Abgasleitung 20 ein Partikelfilter (DPF) 36 integriert, der in bekannter Weise Rußpartikel und schädliche Verbrennungsrückstände im Abgas der Brennkraftmaschine 10 konvertiert bzw. reinigt. Dem Dieselpartikelfilter 36 kann ggf. ein Vorkatalysator 38 vorgeschaltet sein.
Von der Abgasleitung 16 stromauf der Abgasturbine 24 zweigt eine Rückführleitung 40 einer Hochdruck-Abgasrückführeinrichtung ab, die andererseits stromab der Drosselklappe 28, jedoch stromauf des Ladeluftkühlers 30 in die Ladedruckleitung 14 mündet.
In die Rückführleitung 40 sind in Abgasströmungsrichtung betrachtet ein Abgasrückführventil 42, ein zweiter Partikelfilter (DPF) 44 und ein Wegeventil 46 integriert.
Das Abgasrückführventil 42 steuert in an sich bekannter Weise die Abgasrückführrate zur Brennkraftmaschine 10, wobei das Abgasrückführventil 42 an das elektronische Motormanagement (nicht dargestellt) entsprechend angeschlossen ist und die Rückführrate nach Maßgabe der Betriebszustände der Brennkraftmaschine steuert.
Der zweite Dieselpartikelfilter 44 ist auf den geringeren Abgasdurchsatz ausgelegt und dementsprechend kleiner als der im Hauptmassenstrom liegende DPF 36. Im übrigen ist der Dieselpartikelfilter 44 zur Erfüllung seiner Abgasreinigungswirkung handelsüblich ausgebildet und entsprechend katalytisch beschichtet.
Das Wegeventil 46 ist als 1/2-Wegeventil ausgeführt und verbindet den stromauf liegenden Zweig der Rückführleitung 40 entweder mit dem stromab liegenden Zweig der Rückführleitung 40 oder mit einer abzweigenden Regenerationsleitung 48, die stromab des Haupt-Dieselpartikelfilters 36 in die Abgasleitung 20 mündet.
Im regulären Betriebszyklus der Brennkraftmaschine 10 steuert das Wegeventil 46 die Rückführleitung 40 auf, während die Regenerationsleitung 48 geschlossen ist. Die Abgasrückführrate zur Brennkraftmaschine 10 steuert das Abgasrückführventil 42 in üblicher Weise. Das rückgeführte Abgas wird im Dieselpartikelfilter 44 gereinigt und im nachgeschalteten Ladeluftkühler 30 zusammen mit der Verbrennungsluft gekühlt.
Bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine 10 ist das Sperrventil 34 in der Umgehungsleitung 32 geöffnet und dementsprechend der Ladeluftkühler 30 im wesentlichen kurzgeschlossen, wodurch eine schnellere Erwärmung der Brennkraftmaschine 10 erzielt ist.
Wird über das elektronische Motormanagement erkannt, dass ein Regenerationszyklus zur Selbstreinigung der Dieselpartikelfilter 36, 44 ansteht, so wird temporär die Abgasrückführung zur Brennkraftmaschine 10 unterbrochen, indem das Wegeventil 46 die Rückführleitung 40 schließt und die Regenerationsleitung 48 öffnet.
Des Weiteren wird das Abgasrückführventil 42 aufgesteuert, so dass nunmehr das Abgas in der Rückführleitung 40 über den Dieselpartikelfilter 44 und die Regenerationsleitung 48 in die Abgasleitung 20 abgeführt wird. Gleichzeitig wird die Brennkraftmaschine 10 in einem Regenerationszyklus mit Kraftstoffanreicherung, Last- oder Drehzahlanhebung, etc. betrieben.
Nach erfolgter Regenerierung der Dieselpartikelfilter 36, 44 wird das Wegeventil 46 in den vorherigen Zustand umgeschaltet und es wird wieder die reguläre Abgasrückführung über das Abgasrückführventil 42 gesteuert.
Das Wegeventil 46 kann ggf. auch die Funktion als Abgasrückführventil erfüllen. Das Wegeventil 46 ist dann nicht bistabil geschaltet, sondern kann auch eine Regelfunktion übernehmen, in der der Abgasdurchsatz zum stromab liegenden Zweig der Rückführleitung 40 entsprechend gesteuert ist.
Dabei wird zugleich ein erhöhter Durchsatz an Abgas im Dieselpartikelfilter 44 erzielt, indem zeitweise rückgeführtes Abgas in die Regenerationsleitung 48 abgesteuert wird. Das separate Abgasrückführventil 42 stromauf des Wegeventiles 46 kann dann entfallen.

Claims

Vorrichtung zum Betreiben einer Diesel-Brennkraftmaschine (10) mit Abgasturboaufladung, mit einer in deren Abgasanlage (20) integrierten Abgasturbine (24) und einem Ansaugsystem mit einem integrierten Verdichter (26), der über eine Ladedruckleitung (14) Verbrennungsluft zur Brennkraftmaschine (10) fördert, ferner mit einer Abgasrückführeinrichtung mit einer steuerbaren Rückführleitung (40), die eine Abgasleitung (16) stromauf der Abgasturbine (24) mit der Ladedruckleitung (14) des Ansaugsystems verbindet, wobei in die Rückführleitung (40) ein Dieselpartikelfilter (44) eingeschaltet ist, der über ein nachgeschaltetes Wegeventil (46) mit der Ladedruckleitung (40) und/oder der Abgasanlage (20) verbindbar ist, wobei stromab der Abgasturbine (24) ein Haupt-Dieselpartikelfilter (36) angeordnet ist, und wobei der Dieselpartikelfilter (44) über eine vom Wegeventil (46) abzweigende Regenerationsleitung (48) stromab des Haupt-Dieselpartikelfilters (36) in die Abgasleitung (20) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführleitung (40) stromab einer den Ansaugmassenstrom steuernden Drosselklappe (28) in die Ladedruckleitung (14) mündet, und dass in die Ladedruckleitung (14) stromab der Mündung der Rückführleitung (40) ein Ladeluftkühler (30) eingeschaltet ist, wobei an der Ladedruckleitung (14) eine Umgehungsleitung (32) mit einem Steuerventil (34) angeschlossen ist, das den Ladeluftkühler (30) unterhalb einer definierten Temperatur der Verbrennungsluft kurzschließt, und dass stromauf des Wegeventiles (46) ein separates Abgasrückführventil (42) zur Steuerung der Abgasrückführrate nach Maßgabe definierter Betriebszustände der Brennkraftmaschine (10) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wegeventil (46) in der Rückführleitung (40) in einem durch ein Motorsteuergerät geschalteten Betriebszyklus der Brennkraftmaschine zur Regeneration des Dieselpartikelfilters (44) die Rückführleitung (40) schließt und die Verbindung zur Regenerationsleitung (48) öffnet.