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Die
Erfindung betrifft eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine mit
Abgasrückführung, ein Verfahren zum Steuern der
Abgasanlage, ein Steuerungssystem zum Steuern der Abgasströme
der Abgasanlage und eine Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage
mit Abgasrückführung mit den in den Oberbegriffen
der jeweiligen unabhängigen Ansprüche genannten
Merkmalen.
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Es
ist bekannt, dass die Vorschriften für die Abgasemissionen
der Brennkraftmaschinen mit steigender Anzahl der Fahrzeuge ständig
verschärft werden, wie beispielsweise EURO 6 Norm in
Europa oder Tier 2 oder Bin 5 in
USA. Manche Hersteller ziehen es vor, verschiedene Befeuerungsstrategien
einzusetzen wie HCCI (Homogeneus Charge Compression Ignition) oder
aktive Nachbehandlungsvorrichtungen wie NOx-(Stickstoffoxid)-Abscheider
oder SCR-(Selective Catalytic Reduction)-Katalysatoren. Jedoch erfordern
diese Technologien einen erheblichen materiellen Aufwand und Entwicklung,
die die Komplexität der Systeme erhöhen und für
den Konsumenten hohe Folgekosten wie höheren Kraftstoffverbrauch
und Technologienachhaltigkeitskosten bedeuten.
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Eine
der bekannten Strategien, die Emissionen einer Brennkraftmaschine
zu senken, ist es die Abgasreinigung durch Abgasrückführung
zu verbessern. Die Abgase enthalten immer noch relativ viel Sauerstoff
und werden teilweise der Frischluftzufuhr beigemischt, wodurch weniger
Frischluft aus der Atmosphäre entnommen werden muß.
Die Abgase werden hierzu entweder direkt nach dem Auslaßkrümmer
entnommen oder erst durch eine einen Katalysator- oder Partikelfilter
enthaltende Abgasreinigungsanlage gereinigt und dann zum Teil über
eine hierfür vorgesehene Rohrleitung entnommen und der Frischluftzufuhr
am Einlaßkrümmer beigemischt.
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In
US 7,165,540 B2 ist
ein Abgasrückführungssystem einer Brennkraftmaschine
offenbart, bei dem zwei Turbolader, ein Hochdruck- und ein Niederdruckturbolader,
so verschaltet sind, dass deren Antriebsstufen oder Turbinen hintereinander
im Abgasstrang und deren Verdichterstufen ebenso im Luftzuführungstrakt
bzw. Abgasrückführungstrakt hintereinander angeordnet
sind. Ein Teil der Abgasrückführung ist auch zwischen
den zwei Antriebsstufen der beiden Turbolader ausgeführt
und wird über zwischengeschaltete Kühler abgekühlt,
mit gesteuerten Ventilen geschaltet und einem jeweiligen Verdichter der
beiden Turbolader zugeführt. Das Ziel des komplizierten
Zusammenspiels der mehrfach geführten Abgasrückführung
ist, den Druck der Abgase und den Druck der Ladeluft in einem Mischer
aneinander anzugleichen, damit eine Vermischung effektiv sein kann.
Nachteilig ist dabei, dass die Leistungen der Turbolader nicht linear
zu der Abgasleistung sind und daher eine Druckanpassung in allen
Betriebszuständen der Brennkraftmaschine schwierig zu steuern
ist. Dies trifft insbesondere auf den zweiten zusätzlichen Turbolader
zu, da er für Niederdruck ausgelegt werden muß und
daher auch größere Abmessungen und Gewicht mit
sich bringt.
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US 2002/0112478 A1 offenbart
eine ähnliche Anordnung, wie in
US 7,165,540 B2 , mit einem
Hochdruck- und einem Niederdruckturbolader, deren Ladeluftstrom
mit Hilfe von steuerbaren Ventilen durch eine rechnergestützte
Steuerung so gesteuert wird, dass die Verdichtung der Ladeluft optimiert
wird. Die Abgasrückführung erfolgt ungeregelt
und wird nur an der Stelle im Abgasstrang vor den beiden Turboladern
entnommen. Somit ist eine verbesserte gasreinigende Wirkung durch
Abgasrückführung nicht verwirklicht.
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US 7,117,843 B2 offenbart
eine Diesel-Brennkraftmaschine mit einem Niederdruck-Abgasrückführungssystem,
bei dem ein Turbolader vorhanden ist, in dessen Verdichter über
einen Abgaskühler und ein gesteuertes Abgasventil ein Teil
der Abgase zusammen mit der Frischluft zurückgeführt wird.
Das System kommt zwar mit nur einem Verdichter und einer Turbine
aus, jedoch bereiten die rückgeführten Abgase,
die in den Frischlufttrakt eingeführt werden, der Luftfilteranlage
Probleme und verstopfen diese relativ schnell. Ferner ist der Luftfilter
hohen Temperaturen ausgesetzt und muß daher höheren Temperaturen
standhalten oder die Leistung des Abgaskühlers entsprechend
erhöht werden. Der Hauptnachteil besteht jedoch darin,
dass die Rückführung der Abgase nicht in allen
Betriebszuständen der Brennkraftmaschine gewährleistet
sein kann, da der Druck der Abgase starken Schwankungen unterliegt.
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US 6,050,095 offenbart einen
Turbolader mit integrierter Abgasrückführung.
Neben der vorteilhaften Kompaktheit dieser Lösung haften
ihr die benannten Nachteile jedoch ebenso an.
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In
US 2006/0124115 A1 offenbart
eine Abgasanlage mit einer Abgasrückführung, die
zwei abgasbetriebenen Turbolader aufweist, die jeweils eine Teilverdichtung
bewirken. Die Vermischung der Frischluft und der rückgeführten
Abgase erfolgt vor dem Eintritt in den ersten Niederdruck-Verdichter.
Die Abgasrückführung ist stromabwärts
zwischen den Turbinen der beiden Turbolader angeschlossen und weist
eine Miniabgasreinigung auf. Auch dieser Lösung sind die
oben beschriebenen Nachteile eigen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abgasanlage mit Abgasrückführung
derart zu verbessern, dass die Abgase der Brennkraftmaschine in
allen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine noch effektiver
von Schadstoffen gereinigt bzw. noch weniger Frischluft benötigt
wird und dadurch die Emissionswerte abgesenkt werden.
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Die
Erfindung geht nach einem ersten vorrichtungstechnischen Aspekt
von einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung aus,
die mit einem mit einer Drosselklappe geregelten Frischluftzuführstrang,
wenigstens einem ersten Abgas-Rückführstrang,
wenigstens einem ersten Turbolader mit einem Verdichter und einer
abgasbetriebenen Turbine, sowie mit wenigstens einer im Abgasstrom
angeordneten Abgasreinigungsvorrichtung ausgestattet ist.
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Dadurch,
dass in wenigstens einem Abgas-Rückführstrang
wenigstens ein zweiter Verdichter angeordnet ist, der von einem
eine mechanische Drehenergie erzeugenden Antriebsmechanismus angetrieben
ist, ist die Aufgabe der Erfindung gelöst.
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Die
Leistungsabgabe und/oder die Drehzahl des Antriebsmechanismus des
zweiten Verdichters sind vorzugsweise in Abhängigkeit von
Betriebsparametern der Brennkraftmaschine steuerbar und/oder gesteuert.
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Besondere
Vorteile werden mit einer erfindungsgemäßen Abgasanlage
erreicht, wenn der Antriebsmechanismus als eine elektrische Maschine ausgebildet
ist, denn eine elektrische Maschine läßt sich
besonders flexibel steuern.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung vorliegender Erfindung ist der
Abgas-Rückführstrang mit zweitem Verdichter stromabwärts
nach der wenigstens einen Abgasreinigungsvorrichtung an die Abgasanlage
angeschlossen, so dass dieser Abgas-Rückführstrang
eine Niederdruckabgasrückführung darstellt, und
der erste Abgas-Rückführstrang stromabwärts
vor der wenigstens einen Abgasreinigungsvorrichtung an die Abgasanlage
angeschlossen ist, so dass dieser Abgas-Rückführstrang
eine Hochdruckabgasrückführung darstellt.
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Weitere
Vorteile lassen sich erfindungsgemäß erreichen,
wenn der Abgasstrom durch den Abgas-Rückführstrang
mit zweitem Verdichter über eine steuerbare Ventilvorrichtung
ein- und abschaltbar und/oder drosselbar ist.
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Eine
noch bevorzugtere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich, wenn
wenigstens zwei Abgas-Rückführstränge über
jeweils eine steuerbare Ventilvorrichtung ein- und abschaltbar und/oder
drosselbar sind.
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Eine
genauere Steuerung der Zusammensetzung der Frischluft und der rückgeführten
Gase läßt sich erreichen, wenn in dem Frischluftzuführstrang
und in dem Abgas-Rückführstrang mit zweitem Verdichter
jeweils ein Drucksensor vorgesehen ist.
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Besonders
vorteilhafte Fortbildungen der erfindungsgemäßen
Abgasanlage ergeben sich, wenn wenigstens eine Ventilvorrichtung
von einer Steuerung steuerbar und/oder gesteuert ist.
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Die
Abgasreinigungsvorrichtung weist vorzugsweise wenigstens einen Katalysator
und/oder einen Partikelfilter auf. Ferner kann sie mehrteilig ausgeführt
sein und mit Hilfe von Rohrverbindungen verbunden werden.
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Um
die Temperatur der rückgeführten Abgase an die
thermischen Anforderungen der Brennkraftmaschine anzupassen, ist
in dem Frischluftzuführstrang und/oder in dem Abgas-Rückführstrang
mit zweitem Verdichter vorzugsweise wenigstens ein Kühler
zum Abkühlen der Frischluft und/oder der rückgeführten
Abgase vorgesehen.
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Als
Betriebsparameter der Brennkraftmaschine sind vorzugsweise die Abgasrückführungsrate
und/oder die relative Sauerstoffkonzentration im Einlaßkrümmer
(BGR) mit Hilfe eines jeweiligen Erfassungsmittels erfaßt.
Solches Erfassungsmittel kann beispielsweise ein Sauerstoffsensor
oder die von einer Motorsteuerung zur Verfügung gestellte Betriebsparameter
sein.
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Nach
einem verfahrenstechnischen Aspekt geht die vorliegende Erfindung
von einem Verfahren zum Steuern der Abgasanlage mit Abgasrückführung nach
einer der vorhergehend beschriebenen Ausgestaltung.
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Dadurch,
dass die Leistungsabgabe des Antriebsmechanismus und/oder die Drehzahl
des zweiten Verdichters in Abhängigkeit von Betriebsparametern
der Brennkraftmaschine gesteuert werden, ist die Aufgabe der Erfindung
auch verfahrenstechnisch gelöst.
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Um
geringere NOx-Emissionen zu erreichen, muß die Abgasrückführungsrate
möglichst erhöht werden. Gleichzeitig, um einen
optimalen Motorbetrieb zu gewährleisten, wird ferner als
ein wichtiger Einflußfaktor beispielsweise die relative
Sauerstoffkonzentration im Einlaßkrümmer (Burned
Gas Rate BGR, oder auch Brenngasrate) mit Hilfe einer überlagerten
Motorsteuerung geregelt. Diese überlagerte Motorsteuerung
kann auch alternativ mit einem beliebigen konventionellen System
realisiert sein und profitiert in jedem Fall davon, dass erfindungsgemäß durch
die Minimierung der Druckdifferenz die Vermischung der rückgeführten
Abgase mit der Frischluft besser optimiert wird.
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Hierbei
ist beispielsweise die relative Sauerstoffkonzentration im Einlaßkrümmer
BGR = 1 – [O2]EINLASS/[O2]REF anhand der erfaßten Sauerstoffkonzentration
mit der Referenz-Sauerstoffkonzentration der Luft von [O2]REF = 20.95% verglichen.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens läßt
sich dadurch realisieren, dass wenn
- – der
stromabwärts vor einer Luft-Abgasmischvorrichtung erfaßte
Druck in der Abgasrückführung einen vorgegebenen
und/oder vorgebbaren Schwellenwert unterschreitet und/oder die Druckdifferenz
zwischen dem Luftdruck im Frischluftzuführstrang und dem
Abgasdruck in der Abgasrückführung einen vorgegebenen
und/oder vorgebbaren Druckdifferenz-Schwellenwert unterschreitet
- – die Niederdruckabgasrückführung,
der Abgas-Rückführstrang mit zweitem Verdichter,
durch Öffnen der zugehörigen Ventilvorrichtung
zugeschaltet, und
- – die Hochdruckabgasrückführung durch
Schließen einer Hauptventilvorrichtung abgeschaltet oder
mit geöffneter Hauptventilvorrichtung parallel zur Niederdruckabgasrückführung
betrieben wird.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird die Druckdifferenz zwischen dem Luftdruck in dem Frischluftzuführstrang
und dem Abgasdruck in der Abgasrückführung erfaßt
und die Leistungsabgabe und/oder die Drehzahl des Antriebsmechanismus des
zweiten Verdichters derart geregelt, dass die Druckdifferenz minimiert
und/oder einen vorgegebenen und/oder vorgebbaren Druckdifferenz-Schwellenwert
unterschreitet.
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Diese
bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist mit beliebigen Motorsteuerungssystemen und Verfahren
kombinierbar und kann ihnen hierzu parallel oder überlagert
betrieben werden. Das bedeutet, dass die Druckdifferenz zwischen
dem Druck der rückgeführten Abgase und dem Druck
der Frischluft immer optimal geregelt wird, so dass die Gasvermischung
effektiver erfolgen kann, während ein Motorsteuerungssystem
außerdem gleichzeitig das Kraftstoffgemisch an die Erfordernisse
der Leistungsbereitstellung und optimale Emissionswerte anpaßt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren ist ferner in einer
alternativen Ausgestaltung so ausgebildet, dass
- – in
einem ersten Verfahrensschritt die elektronische Steuerung eingeschaltet
und zum zweiten Verfahrensschritt fortgeschritten wird,
- – in einem zweiten Verfahrensschritt geprüft
wird, ob die Hauptventilvorrichtung der Hochdruckabgasrückführung
voll geöffnet ist und wenn das Ergebnis negativ ausfällt,
die Hochdruckabgasrückführung betrieben und zum
sechsten Verfahrensschritt fortgeschritten wird, wo wenn das Ergebnis positiv
ausfällt, zur nächsten Abfrage im dritten Verfahrensschritt
fortgeschritten wird,
- – im dritten Verfahrensschritt geprüft wird,
ob eine erfaßte Abweichung der Abgasrückführungsrate oder
der relativen Sauerstoffkonzentration im Einlaßkrümmer
(BGR) größer als ein jeweiliger vorgegebener und/oder
vorgebbarer Schwellenwert ist und wenn das Ergebnis negativ ausfällt,
die Hochdruckabgasrückführung betrieben und zum sechsten
Verfahrensschritt fortgeschritten wird, und wenn das Ergebnis positiv
ausfällt, zum vierten Verfahrensschritt fortgeschritten
wird,
- – im vierten Verfahrensschritt die Niederdruckabgasrückführung
betrieben wird, in dem die Ventilvorrichtung der Niederdruckabgasrückführung geöffnet
und die Hauptventilvorrichtung geschlossen wird und im fünften
Verfahrensschritt die Steuerung der Hochdruckabgasrückführung
abgeschaltet wird, oder
- – im sechsten Verfahrensschritt die Hochdruckabgasrückführung
betrieben wird, in dem die Ventilvorrichtung der Niederdruckabgasrückführung geschlossen
und die Hauptventilvorrichtung geöffnet wird und im siebten
Verfahrensschritt die Steuerung der Niederdruckabgasrückführung
abgeschaltet wird, und
- – im achten Verfahrensschritt zum Beginn des Verfahrensablaufs
verzweigt wird.
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Diese
alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens unterscheidet sich grundsätzlich von der vorhergehend
Beschriebenen dadurch, dass die Leistungsabgabe des Antriebsmechanismus
und/oder die Drehzahl des zweiten Verdichters mit der erfaßten
oder ermittelten Abgasrückführungsrate oder relativen Sauerstoffkonzentration gekoppelt
wird. Ferner ist es möglich in einer weiteren bevorzugten
Ausgestaltung der Erfindung beide bevorzugte Ausgestaltungen des
erfindungsgemäßen Verfahrens einander überlagert
anzuwenden.
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Nach
noch einem weiteren Aspekt vorliegender Erfindung werden ihre Aufgaben
durch ein Steuerungssystem zum Steuern der Abgasströme
der Abgasanlage nach einer der vorhergehend beschriebenen Ausgestaltungen
gelöst. Dieses Steuerungssystem kann in einem gesonderten
Gehäuse untergebracht sein oder in die Motorsteuerung integriert
werden.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe wird nach einem weiteren
Aspekt auch durch eine Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage
mit Abgasrückführung (14) nach einer
der vorhergehend beschriebenen Ausgestaltungen gelöst.
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Weitere
bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen,
in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand
der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematische Anordnung einer beispielhaften erfindungsgemäßen
Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, und
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2 ein
Flußdiagramm einer bevorzugten Ausgestaltung der Steuerung
der erfindungsgemäßen Abgasanlage.
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1 zeigt
eine schematische Anordnung einer beispielhaften erfindungsgemäßen
Abgasanlage 15 einer Brennkraftmaschine 9.
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Eine
hier beispielhaft verwendete Brennkraftmaschine 9 ist als
ein 6-Zylinder V-Motor ausgeführt und weist einen Einlaßkrümmer 11 und
einen zweiteiligen Auslaß- oder Abgaskrümmer 10 auf.
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Die
Frischluft gelangt über einen Frischluftzuführstrang 17,
eingesaugt durch einen ersten Verdichter 1, über
eine vorzugsweise steuerbare und von einer Steuerung gesteuerte
Drosselklappe 2 zu einer Luft-Abgasmischvorrichtung 18,
von wo sie gemischt mit den rückgeführten Abgasen
in den Einlaßkrümmer 11 strömt.
Die Luft-Abgasmischvorrichtung 18 ist im einfachsten Fall
einfach durch einen Rohrverbindungspunkt realisiert.
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Der
erste Verdichter 1 ist durch eine abgasbetriebene Turbine 1.1 angetrieben,
die von den ausströmenden heißen Abgasen in dem
Abgasstrang in Drehung versetzt ist. Dies ist ein konventioneller
Turbolader, wie er in Diesel- oder Ottomotoren zum Einsatz kommt.
Seine Pumpleistung bzw. Drehzahl kann demnach über eine
variierbare Stellung der Turbinenschaufeln wie bei einem TGM-Turbolader
geregelt werden.
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Unmittelbar
an den Austritt der Abgase aus dem Abgaskrümmer 10 ist
ein Abgas-Rückführstrang 13 angeschlossen,
der mittels einer steuerbaren Ventilvorrichtung 3 ab- und
zuschaltbar bzw. in vorteilhaften Ausgestaltungen auch drosselbar
ist. Die Abgase strömen über diesen Abgas-Rückführstrang 13 bei
geöffneter Ventilvorrichtung 3 in die Abgasrückführung 21 und
gelangen zur Luft-Abgasmischvorrichtung 18, wo sie mit
der Frischluft gemischt werden und weiter in den Einlaßkrümmer 11 strömen. In
einer bevorzugten vorliegenden Ausgestaltung ist ein Kühler 7 in
der Abgasrückführung 21 angeordnet, in
dem die Abgase abgekühlt werden, bevor sie mit der Frischluft
gemischt werden.
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Die
Abgase strömen, nachdem sie die Turbine 1.1 passieren
in eine Abgasreinigungsvorrichtung 12, die einen Katalysator
und/oder einen Partikelfilter und beispielsweise wenigstens einen
Dämpfer aufweist. Nach der Abgasreinigung strömen
die Abgase zum Teil über den Abgasaustritt 16 in
die Atmosphäre und werden zum Teil in einen zweiten Abgas-Rückführstrang 14 abgeleitet,
der mit Hilfe einer Rohrleitung an das Abgasrohr angeschlossen ist.
Da die Abgase nach dem Passieren der Abgasreinigungsvorrichtung 12 einen
geringeren Druck aufweisen, nennt man den zweiten Abgas-Rückführstrang 14 auch eine
Niederdruckabgasrückführung 14.
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Die
Niederdruckabgasrückführung 14 ist mittels
einer Ventilvorrichtung 4 ab- und zuschaltbar bzw. in vorteilhaften
Ausgestaltungen drosselbar. Diese Ventilvorrichtung 4 ist
lediglich beispielhaft am Eingang der Niederdruckabgasrückführung 14 angeordnet
und kann in anderen vorteilhaften Ausgestaltungen an einer anderen
beliebigen Position entlang der Niederdruckabgasrückführung 14 vor
ihrer Zusammenführung mit der Hochdruckabgasrückführung 13 angeordnet
sein, so z. B. auch zwischen zwei Dämpfern.
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Ein
Kühler 8 kühlt die rückgeführten
Abgase, die dann vorzugsweise im abgekühlten Zustand zu einem
zweiten Verdichter 5 strömen. Dieser Kühler 8 kann
in weiteren bevorzugten Ausgestaltungen entfallen, wenn beispielsweise
aufgrund der Länge der Abgasrückführung
und den Temperatureinschränkungen seitens des Einlaßkrümmers
und/oder des zweiten Verdichters 5 keine Kühlung
erforderlich ist. Dieser zweite Verdichter 5 ist erfindungsgemäß von einer
elektrischen Maschine 5.1 angetrieben, wodurch seine Pumpleistung
unabhängig von dem aktuellen Druck der Abgase und deren
Massenstrom regelbar ist. Dadurch, dass die Abgase abgekühlt
und durch die Abgasreinigungsvorrichtung 12 von Schadstoffen
größtenteils befreit sind, verursachen sie eine geringere
Verschleißbelastung des Verdichters 5. Verdichter 5 kann
daher langlebiger und/oder kostengünstiger gestaltet sein.
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Die
durch den Verdichter 5 verdichteten rückgeführten
Abgase werden in die Abgasrückführung 21 geleitet,
wo sie durch den dort angeordneten Kühler 7 erneut
abgekühlt werden. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung
der vorliegenden Erfindung kann dieser Kühler 7 deswegen
in der Hochdruckabgasrückführung 13 angeordnet
werden, wenn beispielsweise eine weitere Abkühlung der
rückgeführten Abgase aus der Niederdruckabgasrückführung 14 unerwünscht
ist. Eine Steuerung 19 steuert über die Steuerleitungen 20 den
Schaltzustand der Ventilvorrichtungen 2, 3 und 4 und
die Leistung bzw. die Drehzahl der elektrischen Maschine 5.1.
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Ferner
ist je ein (nicht dargestellter) Drucksensor in dem Frischluftzuführstrang 17 und
in der Abgasrückführung 21 angeordnet,
deren Meßsignale der Steuerung 19 zugeführt
werden.
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Die
Steuerung 19 wertet die Meßsignale dieser Drucksensoren
aus, um eine Druckdifferenz ΔP zwischen dem Luftdruck Pl
im Frischluftzuführstrang 17 und dem Abgasdruck
Pr in der Abgasrückführung 21 zu bilden
und diese Druckdifferenz oder die erfaßten Druckwerte Pl
und/oder Pr direkt mit je einem vorgegebenen und/oder vorgebbaren
Druckdifferenz-Schwellenwert ΔPmax und/oder dem Schwellenwert
Prmin zu vergleichen.
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Die
Steuerung 19 oder eine weitere Steuerung steuert außerdem
auf die konventionelle Weise die Leistung des ersten Verdichters 17 beispielsweise
durch die Variierung der Stellung der Turbinenschaufeln der Turbine 1.1.
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Die
Brennkraftmaschine 9 erfordert unter verschiedenen Belastungen
eine darauf angepaßte Luftmenge, die aus Frischluft und
den rückgeführten Abgasen zusammengesetzt ist.
Ein nicht dargestellter Luftmassenmesser erfaßt beispielsweise
das Volumen oder die Masse der Luft/Abgasmischung und liefert seine
Signale an eine (nicht dargestellte) Motorsteuerung, die die Kraftstoffzufuhr
und Zündzeitpunkte steuert.
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Wenn
die Steuerung 19 einen Druckwert Pr der rückgeführten
Abgase in der Abgasrückführung 21 erhält,
der unter einen vorgegebenen und/oder vorgebbaren Schwellenwert
Prmin abfällt, oder die Druckdifferenz ΔP zwischen
dem Luftdruck Pl im Frischluftzuführstrang 17 und
dem Abgasdruck Pr in der Abgasrückführung 21 einen
vorgegebenen und/oder vorgebbaren Druckdifferenz-Schwellenwert ΔPmax
unterschreitet, dann steht fest, dass die Druckleistung der Hochdruckabgasrückführung 13 nicht
ausreicht, um eine gewünschte Vermischungsrate der Frischluft
mit den rückgeführten Abgasen in der Luft-Abgasmischvorrichtung 18 zu
gewährleisten.
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Um
den Druck der rückgeführten Abgase auf einen ausreichenden
Wert anzuheben, wird nun auf die Niederdruckabgasrückführung 14 umgeschaltet, indem
die Ventilvorrichtung 3 geschlossen, Ventilvorrichtung 4 geöffnet
und der Elektromotor 5.1 in Gang gesetzt und seine Leistungsabgabe
und/oder Drehzahl geregelt wird, so dass die oben genannten erfaßten
Druckwerte in einen zulässigen Wertebereich gebracht werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die beiden
Abgasrückführungen 13 und 14 statt
einer oben beschriebenen wahlweisen Inbetriebnahme eine parallele
Inbetriebnahme aufweisen, wodurch die Leistung des zweiten Verdichters 5 und somit
des Elektromotors 5.1 in einem geringeren Maße
benötigt wird.
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Mit
anderen Worten, die erfindungsgemäße Anpassung
bzw. Minimierung der Druckdifferenz ΔP zwischen dem Luftdruck
Pl im Frischluftzuführstrang 17 und dem Abgasdruck
Pr in der Abgasrückführung 21 wird einer
Motorsteuerung überlagert, so dass in allen Betriebszuständen
sowohl eine optimale Vermischung der rückgeführten
Abgase mit der Frischluft als auch die benötigten Betriebsparameter,
insbesondere die Abgasrückführrate und/oder die
relative Sauerstoffkonzentration im Einlaßkrümmer
optimiert werden. Die Motorsteuerung kann hierbei nach einem der
bekannten Verfahren oder erfindungsgemäß wie unter 2 beschrieben
gestaltet sein.
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2 zeigt
ein Flußdiagramm der Steuerung der erfindungsgemäßen
Abgasanlage 15 in einer bevorzugten Ausgestaltung.
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In
dem Verfahrensschritt S1 erfolgt ein Start der Steuerung der Abgasanlage,
der beispielsweise mit dem Starten der Brennkraftmaschine 9 zusammenfallen
kann.
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Im
Verfahrensschritt S2 erfolgt eine Erfassung des Öffnungsgrades
der Ventilvorrichtung 3 der Hochdruckabgasrückführung 13.
Hierzu kann beispielsweise die Stellung einer die Ventilvorrichtung ausbildenden
Drosselklappe oder in anderen Ausgestaltungen der Massenstrom der
Abgase erfaßt werden. Solange diese Ventilvorrichtung noch
nicht an ihre Beschränkung durch maximale Öffnung
gekommen ist, heißt es, dass die Steuerung der Abgasrückführung 13 noch
in einem steuerbaren Bereich liegt und es wird diese normale Abgasrückführung
gesteuert ausgeführt.
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Wenn
die Ventilvorrichtung 3 ihre volle Öffnung erreicht
hat, dann wird zu einer weiteren Abfrage im Verfahrensschritt S3
fortgeschritten. Hierbei wird der Fehler oder der Betrag der Abgasrückführungsrate
oder der relativen Sauerstoffkonzentration im Einlaßkrümmer
mit einem vorgegebenen und/oder vorgebbaren Schwellenwert verglichen.
Innerhalb eines zulässigen Wertebereiches wird immer noch
die Hochdruckabgasrückführung 13 angewendet
und zum Verfahrensschritt S6 fortgeschritten, in dem die Ventilvorrichtung 4 der
Niederdruckabgasrückführung 14 geschlossen
wird, wenn sie vorher offen war, und die Ventilvorrichtung 3 der
Hochdruckabgasrückführung 13 geöffnet,
wenn sie vorher geschlossen war.
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Im
darauf folgenden Verfahrensschritt S7 erfolgt die Steuerung des
geschlossenen Regelkreises der Hochdruckabgasrückführung 13.
Hierbei kann die Öffnung der Ventilvorrichtung 3 beispielsweise eine
Funktion des Fehlers der Abgasrückführungsrate
oder der relativen Sauerstoffkonzentration im Einlaßkrümmer
bzw. der Abgasrückführungsrate selbst sein. Ferner
kann hier die Steuerung der elektrischen Maschine 5.1,
d. h. der Niederdruckabgasrückführung 14 ausgeschaltet
werden.
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Überschreitet
der Fehler der Abgasrückführungsrate oder der
relativen Sauerstoffkonzentration im Einlaßkrümmer
in S3 den vorgegebenen Schwellenwert, dann wird auf die zwangskomprimierte
Abgasrückführung über die Niederdruckabgasrückführung 14 umgeschaltet.
Hierzu wird zum Verfahrensschritt S4 fortgeschritten, in dem die
Ventilvorrichtung 4 der Niederdruckabgasrückführung 14 geöffnet
wird, wenn sie vorher geschlossen war, und die Ventilvorrichtung 3 der
Hochdruckabgasrückführung 13 geschlossen,
wenn sie vorher geöffnet war. Hiernach schreitet das Verfahren
zum Verfahrensschritt S5 fort, in dem eine Steuerung des geschlossenen
Regelkreises der Niederdruckabgasrückführung 14als Funktion
des Fehlers der Abgasrückführungsrate oder der
relativen Sauerstoffkonzentration im Einlaßkrümmer
bzw. der Abgasrückführungsrate oder der relativen
Sauerstoffkonzentration im Einlaßkrümmer selbst
erfolgt. Außerdem kann hier die Steuerung der Ventilvorrichtung 3,
d. h. der Hochdruckabgasrückführung 13 abgeschaltet
bzw. in einen Stand-by-Zustand versetzt werden.
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Beide
Verfahrensschritte S7 und S5 münden in einer Schleife,
die an den Anfang des Verfahrens führt, so dass der jeweilige
Regelkreis geschlossen wird. Im Verfahrensschritt S8 kann abgefragt
werden, ob eine Schleifenwiederholung oder Beendigung des Verfahrens
gewünscht ist.
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Die
relative Sauerstoffkonzentration im Einlaßkrümmer
läßt sich nach folgender Beziehung bestimmen: BGR = 1 – 02EIN/O2REF, wobei 02EIN die
Sauerstoffkonzentration im Einlaßkrümmer und O2REF die Referenz-Sauerstoffkonzentration
der Luft ist.
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Mit
der erfindungsgemäßen Abgasanlage mit Abgasrückführung
werden die Emissionen der Brennkraftmaschine gesenkt, eine höhere
Abgasrückführungsrate oder relative Sauerstoffkonzentration
im Einlaßkrümmer erreicht, wodurch der entsprechende
Abgaskühler und Einlaßkrümmer langlebiger werden
und der Betrieb der Kraftmaschine kann besser auf Verbrennungsprozesse
optimiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erster
Verdichter
- 1.1
- Turbine
- 2
- Ventilvorrichtung,
Drosselklappe der Abgasrückführung
- 3
- Hauptventilvorrichtung,
Ventilvorrichtung
- 4
- Ventilvorrichtung
- 5
- zweiter
Verdichter
- 5.1
- Antriebsmechanismus,
elektrische Maschine, Elektromotor
- 6
- Frischluft-Kühler,
Ladeluft-Kühler)
- 7
- gemeinsamer
Abgas-Kühler
- 8
- Abgas-Kühler
der Niederdruckabgasrückführung
- 9
- Brennkraftmaschine
- 10
- Abgaskrümmer
- 11
- Einlaßkrümmer
- 12
- Abgasreinigungsvorrichtung,
Katalysator, Partikelfilter
- 13
- Abgas-Rückführstrang,
erster, Hochdruckabgasrückführung
- 14
- Abgas-Rückführstrang,
zweiter, Niederdruckabgasrückführung
- 15
- Abgasanlage
- 16
- Abgasaustritt
- 17
- Frischluftzuführstrang
- 18
- Luft-Abgasmischvorrichtung
- 19
- Steuersystem,
Steuerung
- 20
- Steuerleitung/en
- 21
- Abgasrückführung
- S1...S8
- Verfahrensschritte
- Pl
- Luftdruck
- Pr
- Druck
in der Abgasrückführung
- ΔP
- Druckdifferenz
- ΔPmax
- Druckdifferenz-Schwellenwert
- Prmin
- Schwellenwert
- DPF
- Dieselpartikelfilter
- AGR
- Abgasrückführung
- BGR
- Burned
Gas Rate, Relative Sauerstoffkonzentration im Einlaßkrümmer
- 02EIN
- Sauerstoffkonzentration
im Einlaßkrümmer
- O2REF
- Referenz-Sauerstoffkonzentration
der Luft
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - US 7165540
B2 [0004, 0005]
- - US 2002/0112478 A1 [0005]
- - US 7117843 B2 [0006]
- - US 6050095 [0007]
- - US 2006/0124115 A1 [0008]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - EURO 6 Norm [0002]
- - Tier 2 [0002]
- - Bin 5 [0002]
