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Die
Erfindung betrifft eine Saug-Brennkraftmaschine, insbesondere Saug-Dieselmotor,
mit mindestens einem Arbeitszylinder, bei dem die zyklische Füllung
der Arbeitszylinder mit Verbrennungsluft ausschließlich
durch einen in den Arbeitszylindern herrschenden Unterdruck bzgl.
eines Umgebungsdruckes erfolgt, wobei in einer Abgasanlage der Saug-Brennkraftmaschine
eine Abgasrückführanlage angeordnet ist und wobei
die Saug-Brennkraftmaschine eine Sauganlage mit einem Saugrohr aufweist,
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Im
PKW-Bereich hat der Dieselmotor Anfang der siebziger Jahre als Saugdiesel
den Einzug gehalten. Er zeichnete sich damals u. a. durch eine einfache
und robuste Bauweise, u. a. ohne Elektronik und Abgasrückführung,
aus. Aufgrund der ansteigenden Leistungsanforderung und durch immer
schärfer werdende Abgasgrenzwerte wurde er vom komplexen, aufgeladenen
Dieselmotor (u. a. mit Abgasnachbehandlung und Abgasrückführung)
komplett verdrängt, so dass heute im PKW-Bereich nahezu
ausschließlich aufgeladene Dieselmotoren mit geregelten
Abgasrückführsystemen verwendet werden. Inzwischen
rückt die CO2-Diskussion und die
Frage nach kleinen, verbrauchsgünstigen Kraftfahrzeugen immer
mehr in den Mittelpunkt, so dass kleine, kostengünstige
und leichte Dieselmotoren immer interessanter werden.
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Aus
der
DE 10 2004
060 842 A1 ist ein Saugdieselmotor bekannt, der eine Abgasrückführung (AGR)
aufweist. In einer Ansaugleitung ist eine AGR-Klappe angeordnet,
die mechanisch mit einem Fahrhebel bzw. einem Fahrzeugregler derart
gekoppelt ist, dass bei Teillast die AGR-Klappe nicht betätigt
ist, wobei Abgas zurückgeführt wird, und bei Volllast
die AGR-Klappe betätigt ist, wodurch die AGR-Klappe geschlossen
ist und kein Abgas zurückgeführt wird.
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Aus
der
JP 2005076538 ist
ein Abgaskrümmer bekannt, in den ein Filter integriert
ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Saugdiesel-Konzept zur
Verfügung zu stellen, welches aktuellen Anforderungen an
Schadstoffemission genügt und gleichzeitig einen niedrigen Kraftstoffverbrauch
aufweist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Saug-Brennkraftmaschine
der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen
beschrieben.
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Dazu
ist es bei einer Saug-Brennkraftmaschine der o. g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass
in der Abgasanlage der Saug-Brennkraftmaschine mindestens ein Dieselpartikelfilter
angeordnet ist, wobei die Abgasrückführanlage
derart ausgebildet und angeordnet ist, dass diese rückzuführendes Abgas
stromab des Dieselpartikelfilters an einer Entnahmestelle entnimmt
und dem Saugrohr an einer Zuführstelle zuführt.
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Dies
hat den Vorteil, dass eine Schadstoffemission der Saug-Brennkraftmaschine
reduziert ist, wobei von Partikeln gereinigtes sauberes Abgas zurückgeführt
wird.
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Einen
geringen Bauraumbedarf der Abgasanlage erzielt man dadurch, dass
in der Abgasanlage ein Abgaskrümmer angeordnet ist, wobei
mindestens ein Dieselpartikelfilter in den Abgaskrümmer
integriert ist.
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Zweckmäßigerweise
ist die Abgasrückführanlage eine Niederdruck-Abgasrückführanlage.
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Ein
hohes Druckgefälle für hohe Abgasrückführraten
erzielt man dadurch, dass in der Abgasanlage stromab des Dieselpartikelfilters
und stromab einer Entnahmestelle für Abgas von der Abgasanlage eine
Abgasklappe angeordnet ist.
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Zur
weiteren Erhöhung des Druckgefälles über
die Abgasrückführanlage ist in der Sauganlage der
Saug-Brennkraftmaschine stromauf des Saugrohres eine Drosselklappe
angeordnet.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Dieselpartikelfilter
direkt an einem Zylinderkopf der Saug-Brennkraftmaschine angesetzt
angeordnet.
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Zweckmäßigerweise
ist in der Abgasrückführanlage zwischen der Entnahmestelle
und der Zuführstelle ein Abgasrückführventil
(AGR-Ventil) angeordnet.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform ist das AGR-Ventil an
der Zuführstelle oder an der Entnahmestelle angeordnet.
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Zum
Kühlen des rückgeführten Abgases ist in
der Abgasrückführanlage zwischen der Entnahmestelle
und der Zuführstelle ein Kühler für rückgeführtes
Abgas (AGR-Kühler) angeordnet.
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Eine
einfache Kühlung von rückgeführtem Abgas
ohne zusätzlichen Kühlkreislauf erzielt man dadurch,
dass der AGR-Kühler erste Strömungskanäle
für ein Kühlmedium aufweist, die strömungsleitend
mit einem Kühlmediumkreislauf, insbesondere Kühlwasserkreislauf,
der Saug-Brennkraftmaschine verbunden sind.
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Eine
besonders gut Kühlung von rückgeführtem
Abgas ohne einen Kühlmediumkreislauf der Saug-Brennkraftmaschine
zusätzlich thermisch zu belasten erzielt man dadurch, dass
der AGR-Kühler zweite Strömungskanäle
für ein Kühlmedium aufweist, die mit einem externen,
von einem Kühlmediumkreislauf der Saug-Brennkraftmaschine
getrennten Kühlmediumkreislauf verbunden sind.
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Auf
einen zusätzlichen AGR-Kühler kann verzichtet
werden, wenn die Abgasrückführanlage zwischen
der Entnahmestelle und der Zuführstelle eine Abgasrückführleitung
(AGR-Leitung) aufweist, die in einen Zylinderkopf oder in einem
Zylinderkurbelgehäuse der Saug-Brennkraftmaschine integriert ist.
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Zum
Erhöhen des Sauerstoffgehaltes im Abgas ist eine Sekundärluftpumpe
vorgesehen, welche derart ausgebildet und angeordnet ist, dass diese wahlweise
in das Abgas Frischluft fördert. Hierdurch kann in allen
Betriebphasen der Brennkraftmaschine eine Regeneration des Dieselpartikelfilters
durchgeführt werden.
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Zweckmäßigerweise
fördert die Sekundärluftpumpe stromauf des Dieselpartikelfilters
Frischluft in das Abgas.
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Zum
Erhöhen einer Abgastemperatur für eine Regeneration
des Dieselpartikelfilters ist eine variable Ventilsteuerung von
Einlassventilen und/oder Auslassventilen der Saug-Brennkraftmaschine
vorgesehen.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher
erläutert. Diese zeigt in
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1 eine
erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Saug-Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung und
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2 eine
zweite bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Saug-Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung.
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Die
in 1 dargestellte, erste bevorzugte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Saug-Brennkraftmaschine,
insbesondere Saugdiesel, umfasst ein Kurbelgehäuse 10 mit
beispielhaft drei Arbeitszylindern 12 und jedem Arbeitszylinder 12 zugeordneten
Einlassventilen 14 und Auslassventilen 16. Eine
Sauganlage 18 mit einem Saugrohr 20 führt
den Arbeitszylindern 12 Verbrennungsluft 22 zu. Eine
Abgasanlage 24 mit einem Abgaskrümmer 26 führt
von den Arbeitszylindern 12 Abgas 28 ab. In der Sauganlage 18 ist
eine Drosselklappe 30 vorgesehen. In der Abgasanlage 24 ist
eine Abgasklappe 32 vorgesehen, welche als Kombinationsbauteil
ausgebildet ist und sowohl die Funktion einer Abgasrückführklappe
(AGR-Klappe) als auch die Funktion eines Abgasrückführventils
(AGR-Ventil) aufweist. Üblicherweise weist die Saug-Brennkraftmaschine
alternativ entweder eine Abgasklappe 32 oder eine Drosselklappe 30 auf.
In 1 sind lediglich aus Gründen der Darstellung
beide Bauteile 30 und 32 zusammen eingezeichnet.
In den Abgaskrümmer 26 ist ein Dieselpartikelfilter
(DPF) 34 integriert.
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Eine
Abgasrückführanlage weist einen Kühler 36 für
rückgeführtes Abgas (AGR-Kühler) und
einen Kühlmediumkreislauf 38 auf. Dieser Kühlmediumkreislauf
ist beispielsweise mit einem Kühlwasserkreislauf der Saug-Brennkraftmaschine
verbunden oder von diesem getrennt. Die Abgasrückführanlage entnimmt
Abgas 28 aus der Abgasanlage 24 an einer Entnahmestelle 40 und
führt dieses als rückgeführtes Abgas 44 der
Sauganlage 18 an einer Zuführstelle 42 zu.
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Die
in 1 dargestellte Saug-Brennkraftmaschine weist einen
so genannten ”Gegenstrom”-Zylinderkopf auf, wobei
Abgas 28 und Verbrennungsluft 22 in entgegengesetzten
Richtungen nebeneinander im Zylinderkopf strömen. Dadurch kann
die Abgasrückführanlage sehr kompakt zwischen
der Entnahmestelle 40 der Abgasanlage 24 und der
Zuführstelle 42 der Sauganlage 18 ausgebildet
sein. Ein Abgasrückführkanal (AGR-Kanal) wird im
Wesentlichen von dem AGR-Kühler 36 ausgebildet.
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Bei
der zweiten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Saug-Brennkraftmaschine gemäß 2 sind
funktionsgleiche Teile mit gleichen Bezugzeichen bezeichnet, so
dass zu deren Erläuterung auf die obige Beschreibung der 1 verwiesen
wird. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform gemäß 1 ist
eine erste, externe Abgasrückführleitung (AGR-Leitung) 46 vorgesehen, welche
von einer ersten, externen Entnahmestelle 48 zu der Zuführstelle 42 führt.
Weiterhin ist eine zweite, interne Abgasrückführleitung 50,
welche von einer zweiten, internen Entnahmestelle 52 zu
der Zuführstelle 42 führt. Die zweite,
interne Abgasrückführleitung 50 ist in
einem Zylinderkopf der Saug-Brennkraftmaschine ausgebildet. An der
zweiten, internen Entnahmestelle 52 wird Abgas 28 stromab
des Dieselpartikelfilters 34 entnommen. Ein Teil des Abgases
wird auch stromauf des Dieselpartikelfilters 34 entnommen.
In dieser Ausführungsform ist ein bzgl. der Abgasklappe 32 separates
Abgasrückführventil 54 (AGR-Ventil) in
der Zuführstelle 42 vorgesehen.
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Die
in 2 dargestellte Saug-Brennkraftmaschine weist einen
so genannten ”Gleichstrom”-Zylinderkopf auf, wobei
Abgas 28 und Verbrennungsluft 22 in gleicher Richtungen
im Zylinderkopf strömen.
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In
beiden Ausführungsformen gemäß 1 und 2 ist
die Abgasrückführung (AGR) eine Niederdruck-AGR
(ND-AGR). Dies ermöglicht eine nahezu pulsationsfreie Abgasrückführung
durch die Entnahme stromab bzw. nach dem Partikelfilter 34. Diese
Entnahme nach dem Partikelfilter 34 hat weiterhin den Vorteil,
dass sauberes Abgas rückgeführt wird, so dass
ein Verkleben von Ventilen bzw. des Kühlers 36 vermieden
ist. Es ist eine hohe Abkühlung möglich. Es ist
eine AGR im gesamten Kennfeld der Saug-Brennkraftmaschine, also
insbesondere auch im Volllastbetrieb (Volllast-AGR) möglich.
Es sind beliebig hohe AGR-Raten realisierbar.
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Es
werden kleine Motoren mit 1, 2 oder 3-Zylindern mit DPF 34 und
geregelter Abgasrückführung vorgeschlagen. Die
AGR wird hinter dem DPF 34 entnommen, um gereinigtes Abgas
zurückzuführen. Der Partikelfilter 34 ist
beispielsweise direkt an den Zylinderkopf angesetzt, wobei eine
Integration in den Abgaskrümmer 26 vorteilhaft
ist. Mittels der Abgasklappe 32 stromab des Partikelfilters 34 wird
das Druckgefälle für die notwendig hohen AGR-Raten
erhöht. Dabei ist auch das Temperaturniveau höher.
Beim Saugmotor ist es einfacher eine Abgasklappe 32 zu montieren
als bei einem Motor, welcher kein Saugmotor ist, also mit Abgasturbolader
(ATL) oder einer sonstigen Aufladeeinrichtung ausgestattet ist,
da Teilchen aus dem DPF 34 eine Turbine des ATL bzw. der
Aufladeeinrichtung schädigen könnten. Eine Alternative
dazu ist eine AGR mittels variabler Ventilsteuerung (VVT-AGR). Dabei
wird AGR über ein eigenes AGR-Gaswechselventil im Zylinder
angesaugt. Dabei entfallen sämtliche externe Klappen.
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Wesentliche
Merkmale des Gegenstromkonzeptes gemäß 1 umfassen
eine Anordnung des Partikelfilters 34 direkt am Zylinderkopf;
Erhöhung des z. T. notwendigen Differenzdruckes Ansaugung/Abgas
zum Zwecke einer hohen AGR-Rate durch eine Abgasklappe 32;
die Kombiklappe oder Abgasklappe 32 kann durch eine Drosselklappe 30 am
Saugrohreingang ersetzt oder ergänzt werden; Anordnung
des AGR-Ventils 54 in der Strecke zwischen Abgasanlage 24 und
Saugrohr 20; optionale Anordnung eines AGR-Kühlers 36;
optionale Kombination von AGR-Ventil 54 und AGR-Kühler 34;
optionale Kombination des Differenzdruckstellers 32 und/oder 30,
des AGR-Ventils 54 und des AGR-Kühlers 36;
Kühlung der AGR durch Motorkühlwasser oder durch
einen externen Kühlkreislauf.
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Wesentliche
Merkmale des Gleichstromkonzeptes gemäß 2 umfassen
optionale Leitung der AGR durch den Zylinderkopf, wobei der AGR-Kühler 36 und
die externe AGR-Leitung 50 ggf. entfallen; optionale Anordnung
eines AGR-Ventils 54 am Eingang zum Saugrohr 20;
Abnahme der AGR nach dem DPF 34; optional externe AGR-Leitung 46 um
den Zylinderkopf; optionale Anordnung eines AGR-Kühlers 36 mit
Motorkühlwasser/externes Kühlwasser bei externer
AGR-Leitung 46.
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Bei
beiden Konzepten gemäß der 1 und 2 wird
die Kombiklappe oder Abgasklappe 32 optional durch die
Drosselklappe 30 am Saugrohreingang ersetzt oder ergänzt.
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Die
Regeneration des Partikelfilters 34 beim Dieselmotor wird
bei Temperaturen größer 600°C und einem λ größer
1,6 durchgeführt, d. h. das Abgas muss ausreichend heiß sein
und noch genügend Sauerstoff beinhalten. Beim aufgeladenen
Dieselmotor wird der Sauerstoffgehalt bei Bedarf beispielsweise
durch einen erhöhten Ladedruck vergrößert.
Die notwendige Temperaturerhöhung erfolgt durch eine Kraftstoffnacheinspritzung.
Im Volllastbereich kann bei einem Turbodieselmotor aufgrund des
höheren Luftverhältnisses im Vergleich zum Saugdiesel
eine DPF-Regeneration sogar kontinuierlich bei normalem Betrieb
erfolgen.
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Beim
Saugdiesel macht dies Schwierigkeiten. So kann beispielsweise aufgrund
eines zu geringen O2-Gehaltes im Abgas eine
Regeneration im Volllastbereich trotz ausreichend hoher Temperaturen
nicht durchgeführt werden, da Saugdiesel bei Volllast beispielsweise λ-Werte
kleiner 1,6 haben. Im Teillastbereich kann der O2-Gehalt
des Abgases nicht durch innermotorische Maßnahmen vergrößert
werden.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vorgesehen,
eine Luftpumpe (Sekundärluftpumpe) einzusetzen, die bei
Bedarf Frischluft in das Abgas 28 fördert. Diese
zusätzliche Lufteinbringung in das Abgas 28 dient
dazu, bei Bedarf den Sauerstoffgehalt des Abgases für die
DPF-Regeneration auf den Mindest-O2-Gehalt
anzuheben. Damit ist in allen Betriebsbereichen eine Regeneration
des DPF 34 möglich. Die notwendige Temperaturerhöhung
erfolgt, wie allgemein bei der DPF-Regeneration üblich,
durch eine späte Kraftstoff-Nacheinspritzung. Eine Alternative
bzw. Ergänzung zur bekannten Nacheinspritzung stellt die
Möglichkeit veränderbarer Ventilsteuerzeiten dar.
Durch ”Spates Einlass schließt” alleine
oder in Verbindung mit innerer AGR werden die Abgastemperaturen
gerade im sonst kritischen Bereich niedriger Lasten deutlich (+100
K) angehoben. Die Sekundärluftpumpe wird an einer beliebeigen
Stelle angebracht. Die Lufteinbringung erfolgt vor dem DPF 34 an
einer beliebigen Stelle zwischen den Auslassventilen 16 und
dem DPF 34.
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Die
erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist durch
den Verzicht auf ein Aufladeaggregat deutlich weniger komplex als
die heute üblichen Systeme und weist durch den Entfall
z. B. des Abgasturboladers, des zugehörigen Ladeluftkühlers
und der notwendigen Verschlauchung, auch ein deutlich geringes Gewicht
auf. Dieses wiederum reduziert den Kraftstoffverbrauch und die damit
verbundenen Emissionen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004060842
A1 [0003]
- - JP 2005076538 [0004]
