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Die Erfindung betrifft eine einen Lader aufweisende Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit einer eine Ladeluftkühlung aufweisenden Ladeluftzuführung und einer Kondensatzuführleitung zu der Brennkraftmaschine für das in der Ladeluftzuführung aufgefangene Kondensat, wobei in der Kondensatzuführleitung ein Ventil angeordnet ist, welches den Durchlass der Kondensatzuführleitung öffnet oder sperrt.
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Zur Verringerung der Partikel und Stickoxidemission bei Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren, ist die Rückführung von Abgas bekannt, wobei sowohl eine Hochdruck-Abgasrückführung als auch eine Niederdruck-Abgasrückführung möglich ist. Dabei wird der Abgasstrom auf Temperaturen von ca. 150°C bis 200°C abgekühlt und der Ansaugluft zugemischt. Als Kühlmedium im Abgaskühler wird bei diesen Temperaturen der gekühlten Ansaugluft in der Regel ein Teilstrom des Motorkühlmittels verwendet. Die Abgasrückführung ist umso wirkungsvoller, je niedriger die Gasaustrittstemperaturen am Abgaskühler sind.
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Bei der Hochdruck-Abgasrückführung wird üblicherweise Abgas vor der Turbine entnommen und der Ladeluft nach dem Ladeluftkühler zugeführt. Die Kühlung des rückgeführten Abgases erfolgt durch das aus der Brennkraftmaschine zurückgeführte Kühlmittel, sodass aufgrund der hohen Temperaturen üblicherweise kein Abgaskondensat entsteht. Die Hochdruck-Abgasrückführung erreicht eine deutliche Verringerung der Stickoxidemission, allerdings verbunden mit einem gleichzeitigen Anstieg der Partikelemission. Die Partikel- oder Feinstaubemission kann durch Partikelfilter verringert werden.
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Bei der Niederdruck-Abgasrückführung wird das Abgas nach der Turbine, bevorzugt nach einem Partikelfilter, dem Abgasstrom entnommen, abgekühlt und dem Verdichter saugseitig zugeführt. Aufgrund der stärkeren Abkühlung des rückgeführten Abgases ist eine weitere Verminderung der Stickoxidemission möglich, jedoch bildet sich aufgrund der starken Abkühlung des rückgeführten Abgases Kondensat, welches stark sauer ist, was im Wesentlichen auf die gebildete Salpetersäure HNO3 zurückgeht, sodass es zu Korrosion kommen kann.
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Aus der
DE 197 14 308 B4 ist eine aufgeladene, ladeluftgekühlte Brennkraftmaschine mit einem Ladeluftkühler und einer Vorrichtung zum Sammeln und Abführen des in dem Ladeluftkühler anfallenden Kondensats bekannt. Hierzu hat der Ladeluftkühler an seiner geodätisch tiefsten Stelle einen Kondensatsammelraum mit einer Öffnung, die über eine Kondensatrücklaufleitung in Strömungsverbindung mit dem Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine steht. Die Kondensatrücklaufleitung kann gemäß einer Variante ein Druckmembranventil mit einer Druckmembran aufweisen, die in Wirkverbindung mit einem Druckmembranventilkegel steht. Dieser beherrscht die Kondensatrücklaufleitung. Die Druckmembran wird in Schließrichtung vom Ladedruck beaufschlagt, und zwar entgegen der Kraft einer Druckfeder. Diese öffnet das Druckmembranventil nach Abfall des Ladedrucks, sodass das Kondensat abfließen kann. Auf diese Weise gelangt das Kondensat ins Kurbelgehäuse. Dieses ist über eine Entlüftungsleitung mit der Luftansaugleitung des Turboladers verbunden. Dadurch kann das Kondensat mit eventuellen Schadstoffen weder direkt noch über das Abgas nach außen gelangen. Es muss, falls es nicht im Ölsumpf verbleibt, den Hochtemperatur- und Hochdruckprozess der Verbrennung durchlaufen. Dabei werden brennbare Schadstoffe, wie Kohlenwasserstoffe, weitgehend zu CO
2 und H
2O verbrannt.
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Ein Ladeluftkühler wird beispielsweise auch in der
DE 197 57 034 A1 beschrieben. Bei dem dortigen Wärmetauscher wird die heiße Luft in einen ersten Sammelkanal des Wärmetauschers eingeleitet, wo sie sich verteilt und in Flachrohre einströmt, die in den Sammelkanal münden. Die Flachrohre sind nebeneinander und mit den die langen Seiten ihres Querschnitts enthaltenden Seitenflächen parallel zueinander angeordnet und bilden einen Strömungsweg aus, durch den kühlende Luft durchgeleitet wird. Im Strömungsweg sind zwischen den Flachrohren Kühlrippen angeordnet, die einen effektiven Wärmeaustausch zwischen den Flachrohren und dem kühlenden Luftstrom bewirken. Nach dem Durchqueren des kühlenden Luftstroms münden die Flachrohre in einen zweiten Sammelkanal, der die darin einströmende, gekühlte und komprimierte Ladeluft der Verbrennung im Motor zuführt. Bei derartigen Ladeluftkühlern bildet sich unter Umständen, beispielsweise bei besonders niedrigen Außentemperaturen, Kondensat in den Rohren und/oder den Sammelkanälen, das gegebenenfalls mit aus dem Abgasturbolader stammendem Öl angereichert ist. Das auf diese Weise gebildete Kondensat kann bei extrem niedrigen Temperaturen eine Vereisung des Ladeluftkühlers mit sich bringen, die zu einem untolerierbaren Druckabfall der Ladeluft führt.
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Eine als Dieselmotor ausgebildete Brennkraftmaschine offenbart die
DE 28 14 593 C2 . Das im Betrieb im Ladeluftkühler entstehende Kondensat wird hierbei an der geodätisch tiefsten Stelle entnommen und ohne Pumpe über eine Steigleitung in die Abgasleitung vor die Abgasturbine geführt. Dort wird es verdampft, kühlt das Abgas und reinigt die Abgasturbine. Dabei wird die zwischen der Ladeluft und dem Abgas vorhandene Druckdifferenz als Mittel zur Förderung des Kondensats in die Abgasleitung genutzt. Die beschriebene Anordnung funktioniert nur, wenn im Ladeluftkühler ein höherer Druck als in der Abgasleitung herrscht. Dies ist üblicherweise nur bei hoher Motorlast der Fall. Außerdem darf im Kondensat kein Öl enthalten sein, da dieses die Abgasqualität durch hohe HC-Emission verschlechtern würde. Ölhaltiges Kondensat ist aber bei Entsorgung der im Kurbelgehäuse anfallenden Ölgase in die Ansaugluftleitung kaum zu vermeiden.
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In der Praxis hat sich jedoch herausgestellt, dass insbesondere die von dem Ladedruck abhängige Steuerung der geöffneten bzw. geschlossenen Position des Ventils unter verschiedenen Betriebsbedingungen ungeeignet ist, um eine unerwünschte Zuführung des Kondensats in diesen Betriebsbedingungen zuverlässig zu unterbinden. Insbesondere führt die Zuführung des Kondensats in das Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine vor allem im Winter zu einem unerwünschten Anstieg der Luftfeuchtigkeit und in der Folge zu einer Ölverdünnung.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Zuführung des Kondensats im Hinblick auf die unterschiedlichen Betriebsbedingungen wesentlich zu verbessern. Hierzu soll einerseits eine Brennkraftmaschine, andererseits ein Verfahren zur Anwendung bei der Brennkraftmaschine geschaffen werden, welches die Zuführung des Kondensats auf solche Betriebsbedingungen beschränkt, in denen die zusätzliche Feuchtigkeit nicht zu nachteiligen Auswirkungen führen kann.
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Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst mit einer Brennkraftmaschine gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist also eine Brennkraftmaschine vorgesehen, bei der das Ventil in Abhängigkeit einer Druckdifferenz zwischen einem Verdichterdruck eines Verdichters des Laders und dem Saugrohrdruck der Brennkraftmaschine den Durchlass der Kondensatzuführleitung öffnet oder schließt. Hierdurch wird bei der Ladeluftzuführung mittels des Laders zu der Brennkraftmaschine auch bei ungünstigen Witterungs- oder Fahrbedingungen ein nachteiliger Einfluss der Kondensatzuführung auf das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine vermieden. Hierzu wird entgegen dem Stand der Technik nicht lediglich der Verdichterdruck als Stellgröße erfasst, sondern die für den Einfluss auf den Betrieb der Brennkraftmaschine wesentliche Druckdifferenz zwischen einem Verdichterdruck des Verdichters des Laders und dem Saugrohrdruck. Hierfür wird beispielsweise eine Membran von beiden Seiten mit Druck beaufschlagt, nämlich einerseits mit dem Verdichterdruck, andererseits mit dem Saugrohrdruck, sodass die entsprechende Auslenkung der Membran als Stellsignal für den Verdichter erfasst und einer Steuerung des Ventils zugrunde gelegt werden kann. Selbstverständlich könnte auch dem Verdichter und dem Saugrohr jeweils ein separater Drucksensor zugeordnet sein, um so die Differenz der Messwerte mittels einer Steuereinheit zu ermitteln. Hierbei müssen also der Drucksensor, die Membran und/oder das Ventil keine Baueinheit bilden, sondern können an unterschiedlichen Positionen an der Brennkraftmaschine angeordnet sein.
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Erfindungsgemäß ist eine Brennkraftmaschine realisierbar, deren Kondensatzuführleitung ausschließlich in einem oder in mehreren Druckdifferenzbereichen geöffnet und außerhalb dieser Druckdifferenzbereiche geschlossen ist. Besonders vorteilhaft ist hingegen eine Ausgestaltung der Erfindung, bei welcher mittels des Ventils bei einer Druckdifferenz, die geringer als ein Schaltpunkt ist, die Kondensatzuführleitung zumindest weitgehend geöffnet ist und bei einer Druckdifferenz, die größer als der Schaltpunkt ist, die Kondensatzuführleitung zumindest weitgehend geschlossen ist, sodass sich unterhalb des Schaltpunkts als Schwellenwert das Ventil in der geöffneten Position befindet und das Kondensat der Brennkraftmaschine durch die Kondensatzuführleitung zugeführt wird. Insbesondere ist also der Durchlass nur bei einem vergleichsweise geringen Unterdruck in dem Saugrohr gegenüber dem Verdichter geöffnet, während ein höherer Unterdruck ebenso wie ein Überdruck als Ladedruck des Verdichters zu einer geschlossenen Stellung des Ventils und damit zu einer Unterbrechung der Kondensatzuführung führt.
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Dabei erweist es sich als besonders praxistauglich, wenn der Schaltpunkt in einem Bereich zwischen 100 und 300 mbar einstellbar ist, um so eine individuelle Anpassung des Schaltpunkts und somit des Ventils an unterschiedliche Einsatzbedingungen und Brennkraftmaschinen problemlos durchführen zu können. Das mit einer solchen Schaltpunktanpassung ausgestattete Ventil kann somit für eine Vielzahl unterschiedlicher Einsatzzwecke entsprechend eingestellt werden, sodass die Herstellungskosten verringert werden können. Dabei liegt ein Schaltpunkt, der sich in der Praxis bereits als Erfolg versprechend erwiesen hat, bei ca. 200 mbar.
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Eine andere, ebenfalls besonders Erfolg versprechende Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird dadurch erreicht, dass mittels des Ventils bei einem Saugrohrdruck über ca. 800 mbar in dem Saugrohr der Brennkraftmaschine die Kondensatzuführleitung zumindest weitgehend geöffnet ist und bei einem Saugrohrdruck unter ca. 800 mbar die Kondensatzuführleitung zumindest weitgehend geschlossen ist. Dies gilt auch, wenn die Ventilstellung in Abhängigkeit einer Druckdifferenz zwischen dem Verdichterdruck und dem Saugrohrdruck einstellbar ist. Hierdurch können unerwünschte nachteilige Einflüsse des zugeführten Kondensats auf das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine vermieden werden, indem die Kondensatzuführung auf einen Betriebsbereich mit einem relativ hohen Saugrohrdruck beschränkt wird.
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Bei einer anderen, ebenfalls besonders Erfolg versprechenden Abwandlung, bei welcher die Kondensatzuführleitung mit einem Saugrohr der Brennkraftmaschine verbunden ist, werden mit geringem Aufwand nachteilige Auswirkungen auf den Betrieb der Brennkraftmaschine vermieden, indem beispielsweise eine Verdünnung des Öls verhindert wird. Vielmehr gelangt das Kondensat zusammen mit der zugeführten Ladeluft in den Ansaugtrakt und wird dort entsprechend der Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine in kurzer Zeit vollständig in die gasförmige Phase überführt.
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Das Ventil könnte aufgrund einzelner oder mehrerer Messwerte elektronisch gesteuert geöffnet bzw. geschlossen werden. Besonders einfach ist demgegenüber eine Abwandlung, bei welcher der Schließkörper aufgrund der auf eine Druckmembran wirkenden Druckdifferenz entgegen der Rückstellkraft eines Federelements in die die Kondensatzuführleitung verschließende Position beweglich ist, um so eine rein mechanische Ventilsteuerung zu realisieren, die ohne eine elektrische Messdatenerfassung zuverlässig die Kondensatzuführung steuert.
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Hierzu kann das Ventil mit einer Klappe, welche entgegen der Federkraft schwenkbeweglich ausgeführt ist, oder mit einem in die Kondensatzuführleitung hineinreichenden Schieber ausgestattet sein. Besonders praxisnah ist hingegen eine Variante, bei welcher das Ventil einen kolbenförmigen Schließkörper aufweist, welcher mit seiner Stirnseite in einer die Kondensatzuführleitung verschließenden Position gegen eine einen Dichtungssitz bildende Dichtfläche anlegbar ist und dadurch das Überströmen des Kondensats in der geschlossenen Position verhindert. Beispielsweise hat das Ventil hierzu einen Ventileinlass sowie einen Ventilauslass, die zueinander koaxial und durch eine Trennwand gegeneinander getrennt angeordnet sind, wobei der Ventileinlass eine 90°-Umlenkung des Ventileinlasses radial von einer Ausformung des Ventilauslasses einschließt. Der Schließkörper liegt gegen einen Randbereich der Umlenkung in der geschlossenen Ventilstellung dichtend an. Dabei weist gemäß einer bevorzugten Variante ein Ventileinlass des Ventils eine Querschnittsfläche auf, die kleiner als eine Querschnittsfläche eines Ventilauslasses bemessen ist.
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Als besonders praxisgerecht erweist es sich zudem, wenn das Federelement eine insbesondere mittels eines Stellmittels vorspannbare Druckfeder aufweist, um so eine problemlose Kalibrierung des Federelements in Abhängigkeit der jeweiligen Brennkraftmaschine ohne einen Austausch von Funktionselementen vornehmen zu können.
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Dabei kann der Druckmembran ein Schmutzfilter zugeordnet sein, welcher beispielsweise aus einem PU-Schaum besteht, um so das aufgrund der differenzdruckabhängigen Verformung der Druckmembran entweichende bzw. angesaugte Ausgleichsvolumen problemlos abzuführen bzw. zuzuführen. Alternativ kann auch eine Schlauchverbindung zu einer Reinluftseite des Dämpferfilters der Brennkraftmaschine vorgesehen sein, um so auf einen separaten Schmutzfilter verzichten zu können.
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Dabei kann die Erfindung grundsätzlich in Verbindung mit einem beliebigen Lader realisiert werden. Besonders Erfolg versprechend ist die Erfindung jedoch in Verbindung mit einem als Abgasturbolader ausgeführten Lader, wobei grundsätzlich auch eine Kompressor-Aufladung eine sinnvolle Anwendung der Erfindung gestattet. Ferner kann die Brennkraftmaschine mit einer Abgasrückführung ausgestattet sein.
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Obwohl eine Fördereinheit innerhalb der Kondensatzuführleitung vorgesehen sein kann, ist es besonders sinnvoll, wenn die Kondensatzuführleitung als eine Saugleitung ausgeführt ist, sodass der Kondensattransport allein durch den anliegenden Unterdruck erfolgt, ohne dass hierzu eine zusätzliche Fördereinheit erforderlich ist.
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Die zweitgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren zur Zuführung des in einer Ladeluftzuführung einer Brennkraftmaschine aufgefangenen Kondensats mittels einer Kondensatzuführleitung zu der Brennkraftmaschine gelöst, wobei der Durchlass der Kondensatzuführleitung in Abhängigkeit einer Druckdifferenz zwischen einem Verdichterdruck eines Verdichters des Laders und dem Saugrohrdruck der Brennkraftmaschine geöffnet oder geschlossen wird. Die Ladeluftzuführung wird dadurch unter solchen Betriebsbedingungen, bei denen es auch in Verbindung mit ungünstigen Witterungsbedingungen anderenfalls zu einer unerwünschten Kondensatbildung kommen könnte, wirksam unterbunden. In überraschend einfacher Weise wird hierzu als Stellgröße lediglich die Druckdifferenz zwischen einem Verdichterdruck des Verdichters des Laders und dem Saugrohrdruck genutzt. Hierzu kann bei einer mechanischen Umsetzung des Verfahrens eine Membran mit einem Differenzdruck beaufschlagt werden oder mittels entsprechender Sensoren der jeweilige Druck in dem Saugrohr sowie in einem Verdichterauslass erfasst und mittels einer Steuerung ein entsprechendes Signal ausgelöst werden.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
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Diese zeigt in einer geschnittenen Seitenansicht ein Ventil 1, welches zur Anordnung in einer nicht näher gezeigten Kondensatzuführleitung einer aufgeladenen Brennkraftmaschine bestimmt ist. Das Ventil 1 hat einen Ventileinlass 2, durch welchen das in einem Ladeluftkreislauf der Brennkraftmaschine anfallende Kondensat in das Ventil 1 eintritt und in der dargestellten geöffneten Ventilstellung durch einen Ventilauslass 3 einem nicht gezeigten Saugrohr der Brennkraftmaschine zugeführt wird. Im Bereich einer Umlenkung 4 ist eine Dichtfläche 5 vorgesehen, gegen die ein Schließkörper 6 des Ventils 1 in der geschlossenen, das Überströmen des Kondensats ausschließenden Ventilstellung dichtend anliegt. Der Schließkörper 6 ist mittels eines Federelements 7 in Richtung der geöffneten Ventilstellung vorgespannt, sodass der Schließkörper 6 lediglich bei einem ausreichenden Differenzdruck zwischen dem Verdichterdruck und dem Saugrohrdruck der Brennkraftmaschine entgegen der Federkraft in die geschlossene Position bewegt wird. Hierzu liegt der Differenzdruck gegen eine Druckmembran 8 an, die mit dem Schließkörper 6 verbunden ist. Die Druckmembran 8 ist mit einem Gehäusedeckel 9 mit einem Durchlass für die aufgrund der Verformung der Druckmembran 8 verdrängten Luft ausgestattet, wobei dem Durchlass zum Schutz gegen unerwünschte Umgebungseinflüsse ein Schmutzfilter 10 zugeordnet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19714308 B4 [0005]
- DE 19757034 A1 [0006]
- DE 2814593 C [0007]
