DE102010038201A1 - Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (1) mit einem Einlasssystem (2) mit einem vorzugsweise durch eine Abgasturbine (4) angetriebenen Verdichter (5) und einem Auslasssystem (3), mit einem Abgasrückführsystem (13) mit zumindest einer Abgasrückführleitung (13a), zur Rückführung von Abgas aus dem Auslasssystem (3) in das Einlasssystem (2), wobei Abgas mit Unterstützung eines einen Druckluftbehälter (10) aufweisenden Druckluftsystems (14) über eine Venturi-Einrichtung (12) rückführbar ist. Um auf möglichst einfache und energiesparende Weise Stickoxidemissionen reduzieren zu können und Bremsenergieverluste zu vermindern, ist vorgesehen, dass der Druckluftbehälter (10) über zumindest ein separates Entnahmeventil (26) mit zumindest einem Arbeitsraum (23) eines Zylinders (21) strömungsverbindbar ist, wobei vorzugsweise das Entnahmeventil (26) ein in den Arbeitsraum (23) öffnendes, zusätzlich zu Ein- und Auslassventilen (24, 25) angeordnetes Hubventil ist.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Einlasssystem mit einem vorzugsweise durch eine Abgasturbine angetriebenen Verdichter und einem Auslasssystem, mit einem Abgasrückführsystem mit zumindest einer Abgasrückführleitung, zur Rückführung von Abgas aus dem Auslasssystem in das Einlasssystem, wobei Abgas mit Unterstützung eines einen Druckluftbehälter aufweisenden Druckluftsystems über eine Venturi-Einrichtung rückführbar ist.
- Aus der
DE 43 19 380 C2 ist eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader bekannt, welche eine Abgasrückführleitung aufweist, die im Bereich einer Venturi-Einrichtung in das Einlasssystem einmündet. Durch die Venturi-Einrichtung lassen sich auch bei positiver Druckdifferenz zwischen Einlass- und Auslasssystem ausreichende Abgasrückführmengen erzielen. - Aus der
WO 08/022769 A1 - Die
WO 98/32964 A1 - Aus den Veröffentlichungen
EP 1 836 381 A1 ,DE 101 444 71 A1 undDE 10 333 480 A1 sind Brennkraftmaschinen mit jeweils einem separaten Bremsventil pro Zylinder bekannt, wobei vom in den Zylinder mündenden Bremsventil Leitungen zu einem für alle Zylinder gemeinsamen Sammelbehälter führen, welcher über ein Steuerventil mit dem Auslassstrang stromaufwärts einer Abgasturbine verbindbar ist. - Aus der
FR 2 836 181 A1 - Aufgabe der Erfindung ist es, ein Abgasrückführsystem zu entwickeln, mit welchem auf möglichst einfache und energiesparende Weise Stickoxidemissionen reduziert werden können.
- Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass der Druckluftbehälter über zumindest ein separates Entnahmeventil mit zumindest einem Arbeitsraum eines Zylinders strömungsverbindbar ist, wobei vorzugsweise das Entnahmeventil ein in den Zylinderraum öffnendes, zusätzlich zu Gaswechselventilen angeordnetes Hubventil ist.
- Dadurch, dass im Motorbremsbetrieb die Brennkraftmaschine als Verdichter genutzt wird, kann Druckluft auf einfache Weise gespeichert werden, ohne dass ein zusätzlicher elektrisch oder mechanisch betriebener Kompressor erforderlich wäre.
- Eine energetisch günstige Aufladung des Druckluftsystems kann erreicht werden, wenn zumindest ein Zylinder in zumindest einen Motorbetriebsbereich deaktiviert wird und der Druckluftbehälter über zumindest ein Entnahmeventil mit dem Arbeitsraum des deaktivierten Zylinders strömungsverbunden wird, wobei vorzugsweise die Aufladung des Druckluftbehälters während eines Motorbremsbetriebes erfolgt.
- In einer einfachen Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen dem Entnahmeventil und dem Druckluftbehälter eine Entnahmeleitung und in der Entnahmeleitung ein erstes Ventil, vorzugsweise ein Rückschlagventil, angeordnet ist. Anstelle des ersten Rückschlagventils kann auch ein synchron mit dem Entnahmeventil betätigtes Steuerventil vorgesehen sein.
- Ein hoher Luftdurchsatz lässt sich erreichen, wenn die Entnahmeleitung über eine Verbindungsleitung mit dem Einlasssystem, vorzugsweise stromaufwärts des Verdichters, verbunden ist.
- Um ein Rückströmen der Druckluft in Richtung des Luftfilters zu vermeiden, ist vorgesehen, dass in der Verbindungsleitung ein vorzugsweise durch ein Rückschlagventil gebildetes zweites Ventil angeordnet ist.
- Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen schematisch
-
1 ein Abgasrückführsystem einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einer ersten Ausführungsvariante in einer ersten Schaltstellung des Abgasventils, -
2 das Rückführsystem aus1 in einer zweiten Schaltstellung, -
3 ein Abgasrückführsystem einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einer anderen Ausbildung, -
4 eine Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Druckluftsystem in einer ersten Ausführungsvariante, -
5 das Ventilbild eines Zylinders dieser Brennkraftmaschine, -
6 bis9 das Druckluftsystem aus4 mit verschiedenen Arbeitstakten, -
10 ein Druckluftsystem einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einer zweiten Ausführungsvariante, -
11 bis14 ein Druckluftsystem einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einer dritten Ausführungsvariante mit verschiedenen Arbeitstakten und -
15 bis18 ein Druckluftsystem einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einer vierten Ausführungsvariante mit verschiedenen Arbeitstakten. - Die
1 zeigt eine Brennkraftmaschine1 mit einem Einlasssystem2 und einem Auslasssystem3 . Im Auslasssystem3 ist die Abgasturbine4 und im Einlasssystem2 der Verdichter5 eines Abgasturboladers angeordnet. Zur Rückführung von Abgas aus dem Auslasssystem3 in das Einlasssystem2 ist in der Abgasrückführleitung13a des Abgasrückführsystem13 ein Abgasrückführventil6 und ein Abgasrückführkühler7 angeordnet. Stromabwärts des Verdichters5 befindet sich ein Ladeluftkühler8 und eine Drosselklappe9 . - Um ein rasches Ansprechverhalten des Verdichter
5 des Abgasturboladers zu erreichen, ist ein Druckluftsystem14 mit einer in das Einlasssystem mündenden Druckluftleitung15 vorgesehen, wobei das Druckluftsystem14 weiters einen Druckluftbehälter10 und ein Druckluftventil11 aufweist. - Stromabwärts des Abgasrückführkühlers
7 verzweigt sich die Abgasrückführleitung13a in einen ersten und einen zweiten Abgasströmungsweg16 ,17 . Die Verzweigung ist mit Bezugszeichen13b bezeichnet. - Im ersten Abgasströmungsweg
16 ist eine Venturi-Einrichtung12 angeordnet, wobei die Druckluftleitung15 stromaufwärts der Venturi-Einrichtung12 in den ersten Abgasströmungsweg16 einmündet. Dadurch kann auch bei ungünstiger Druckdifferenz zwischen Einlasssystem2 und Auslasssystem3 ausreichend Abgas vom Auslasssystem3 in das Einlasssystem2 rückgeführt werden. - Um eine effektive Abgasrückführung zu erreichen, ist im ersten und/oder zweiten Abgasströmungsweg
16 ,17 stromabwärts der Venturieinrichtung12 ein Abgasventil18 angeordnet, mit welchem der Strömungsquerschnitt des ersten bzw. zweiten Abgasströmungsweges16 ,17 vermindert oder geschlossen werden kann. Im in1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist dieses Abgasventil18 als Umschaltventil18a zum Umschalten zwischen erstem und dem zweitem Strömungsweg16 ,17 ausgebildet. Das Umschaltventil18a weist dabei zumindest zwei Schaltstellung auf, wobei in einer ersten Schaltstellung, wie in1 ersichtlich, der erste Strömungsweg16 gesperrt und der zweite Strömungsweg17 geöffnet und in der in2 dargestellten zweiten Schaltstellung der erste Strömungsweg16 geöffnet und der zweite Strömungsweg17 gesperrt ist. Das Umschaltventil kann selbsttätig durch die Druckdifferenz zwischen erstem und zweiten Strömungsweg16 ,17 oder gesteuert durch einen Aktuator betätigt werden. - Die
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem das Abgasventil18 als durch einen Aktuator19 betätigtes Steuerventil18b ausgebildet ist, wobei durch das Steuerventil18b der Strömungsquerschnitt des zweiten Abgasströmungsweges17 verändert werden kann. Der zweite Strömungsweg17 mündet dabei über einen Abgas/Luft-Mischer20 in das Einlasssystem2 ein. Der Aktuator19 kann beispielsweise durch eine Unterdruckdose gebildet sein. Alternativ dazu kann das Abgasventil18 auch durch ein federbelastetes Einwegventil, beispielsweise eine federbelastete Klappe gebildet sein, welche in Richtung des Einlasssystems2 öffnet. - Während des stationären Motorbetriebes ist das Druckluftventil
11 geschlossen. Die Brennkraftmaschine1 kann somit mit konventioneller Abgasrückführung über das Abgasrückführventil6 und die Drosselklappe9 gesteuert werden, wobei durch das Abgasventil18 der zweite Abgasströmungsweg17 geöffnet wird. - Während eines transienten Motorbetriebes kann das Druckluftventil
11 geöffnet werden, um frische Druckluft über den ersten Abgasströmungsweg16 dem Einlasssystem2 zuzuführen, wodurch das transiente Verhalten der Brennkraftmaschine1 verbessert wird. Zur Verbesserung der Abgasqualität kann in dieser Phase das Abgasrückführventil6 zur Rückführung von Abgas in dem Einlasssystem2 geöffnet werden, wodurch Abgas über die Venturi-Einrichtung12 und dem ersten Abgasströmungsweg16 in das Einlasssystem2 strömt. Das Abgasventil18 (18a in1 und2 ,18b in3 ) ist dabei geschlossen. - Weiters kann im transienten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine
1 die Drosselklappe9 geschlossen werden, wenn Druckluft über das Druckluftventil11 in das Einlasssystem2 eingeblasen wird, um den Drehmomentaufbau der Brennkraftmaschine1 zu verbessern. Die zusätzliche Venturi-Einrichtung12 hat den Vorteil, dass Abgas auch in dieser Phase bei ungünstigen Druckverhältnissen in ausreichender Menge rückgeführt werden kann. Dadurch kann das Auftreten von Stickoxidspitzen zuverlässig verhindert werden. -
4 zeigt einen Zylinder21 mit einem Hin- und Hergehenden Kolben22 einer Brennkraftmaschine1 , wobei in den Arbeitsraum23 des Zylinders21 zusätzlich zu Ein- und Auslassventilen24 ,25 ein Entnahmeventil26 angeordnet ist, welches eine Druckluftleitung27 steuert. Die Druckluftleitung27 ist über eine Verbindungsleitung28 mit dem Druckluftbehälter10 verbunden, wobei in der Verbindungsleitung28 ein als Rückschlagventil ausgeführtes erstes Ventil29 angeordnet ist. Die Druckluftleitung27 und die Verbindungsleitung28 sind über ein als Rückschlagventil ausgeführtes zweites Ventil30 mit der Niederdruckseite des Einlasssystemes2 verbunden. Mit2a ist dabei ein Luftfilter angedeutet. - In
5 ist Lage der Einlass- und Auslassventile24 ,25 , sowie des zusätzlichen Entnahmeventils26 dargestellt. Im Bereich der Zylindermitte ist eine Einspritzeinrichtung31 angedeutet. - Während des normalen Betriebes der Brennkraftmaschine
1 ist das Entnahmeventil26 geschlossen. Während eines Motorbremsbetriebes oder während einer Niederlast- oder Leerlaufbetriebsphase der Brennkraftmaschine1 kann bei zumindest einem Zylinder das Entnahmeventil26 geöffnet werden. Der Hub und die Anordnung des Entnahmeventils26 sind so gewählt, dass auch bei voller Öffnung des Entnahmeventils26 keine Kollision mit dem Kolben22 auftritt. Durch Verändern des Öffnungsquerschnittes des Entnahmeventils26 kann die Bremsleistung reguliert werden. Die Betätigung des Entnahmeventils26 kann durch einen nicht weiterdargestellten einfachen hydraulischen- oder mechanischen Aktuator erfolgen. -
6 zeigt eine Brennkraftmaschine1 mit einem deaktivierten Zylinder21 während der Einlassphase A, wobei Luft über das Einlassventil24 und das Entnahmeventil26 in den Arbeitsraum23 strömt.7 zeigt den Zylinder21 während der Verdichtungsphase B, wobei komprimierte Luft über das Entnahmeventil26 in die Entnahmeleitung27 und über das erste Ventil29 in den Druckluftbehälter10 befördert wird. Die Drosselverluste durch das Entnahmeventil26 tragen maßgebend zur Motorbremsleistung bei.8 zeigt den Zylinder21 während der Expansionsphase C, wobei Luft über das Entnahmeventil26 aus der Verbindungsleitung28 in den Arbeitsraum23 gesaugt wird. -
9 zeigt den Zylinder21 während der Auslassphase D, wobei Luft aus dem Arbeitsraum23 durch das Auslassventil25 ausgestoßen wird. -
10 zeigt eine Brennkraftmaschine1 mit mehreren deaktivierten Zylindern21 , wobei jeder Arbeitsraum23 über jeweils ein Entnahmeventil26 und eine Entnahmeleitung27 mit dem Druckbehälter10 verbunden ist. Die Arbeitsweise ist analog zu der in den6 bis9 gezeigten Variante. - Die
11 bis14 zeigen eine dritte Ausführungsvariante des Druckluftsystems14 für verschiedene Arbeitstakte, wobei die mit den Entnahmeventilen26 verbundene Entnahmeleitung27 jeweils vom Einlasssystem2 getrennt ist. Währen der in11 dargestellten Einlassphase A wird Luft nur über das Einlassventil24 angesaugt. Während der in12 gezeigten Verdichtungsphase B wird komprimierte Luft nur über das Entnahmeventil26 in die Entnahmeleitung27 ausgestoßen. In der Expansionsphase C (13 ) wird Luft durch die geöffneten Einlass- und Auslassventile24 ,25 in den Arbeitsraum23 angesaugt, wobei die Einlass- und Auslassventile24 ,25 durch den Unterdruck im Zylinder21 geöffnet werden. Schließlich wird in der Auslassphase D der Inhalt des Arbeitsraumes23 über das Auslassventil25 ausgestoßen, wie aus14 ersichtlich ist. - Die
15 bis18 zeigen die Arbeitstakte einer vierten Variante des Druckluftsystems14 , welche sich von der in den11 bis14 dargestellten Variante dadurch unterscheidet, dass in der Expansionsphase C (17 ) Luft nur durch das Einlassventil24 angesaugt und während der in18 gezeigten Ausstoßphase D Luft nur durch das Entnahmeventil26 , in die Entnahmeleitung27 ausgestoßen wird. Diese Variante setzt eine vollvariable Ventilbetätigungseinrichtung voraus. - Dadurch, dass der Druckluftbehälter
10 während des Bremsbetriebes mit Druckluft über Entnahmeventile26 aufgeladen wird, können Bremsverluste während des Motorbremsbetriebes verringert bzw. frei werdende Bremsenergie zur Aufladung des Druckluftbehälters10 genutzt werden. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
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- DE 4319380 C2 [0002]
- WO 08/022769 A1 [0003]
- WO 98/32964 A1 [0004]
- EP 1836381 A1 [0005]
- DE 10144471 A1 [0005]
- DE 10333480 A1 [0005]
- FR 2836181 A1 [0006]
Claims (7)
- Brennkraftmaschine (
1 ) mit einem Einlasssystem (2 ) mit einem vorzugsweise durch eine Abgasturbine (4 ) angetriebenen Verdichter (5 ) und einem Auslasssystem (3 ), mit einem Abgasrückführsystem (13 ) mit zumindest einer Abgasrückführleitung (13a ), zur Rückführung von Abgas aus dem Auslasssystem (3 ) in das Einlasssystem (2 ), wobei Abgas mit Unterstützung eines einen Druckluftbehälter (10 ) aufweisenden Druckluftsystems (14 ) über eine Venturi-Einrichtung (12 ) rückführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckluftbehälter (10 ) über zumindest ein separates Entnahmeventil (26 ) mit zumindest einem Arbeitsraum (23 ) eines Zylinders (21 ) strömungsverbindbar ist, wobei vorzugsweise das Entnahmeventil (26 ) ein in den Arbeitsraum (23 ) öffnendes, zusätzlich zu Ein- und Auslassventilen (24 ,25 ) angeordnetes Hubventil ist. - Brennkraftmaschine (
1 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Entnahmeventil (26 ) und dem Druckluftbehälter (10 ) eine Entnahmeleitung (27 ) und in der Entnahmeleitung (27 ) ein erstes Ventil (29 ), vorzugsweise ein Rückschlagventil, angeordnet ist. - Brennkraftmaschine (
1 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahmeleitung (27 ) über eine Verbindungsleitung (28 ) mit dem Einlasssystem (2 ), vorzugsweise stromaufwärts des Verdichters (5 ), verbunden ist. - Brennkraftmaschine (
1 ) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbindungsleitung (28 ) ein vorzugsweise durch ein Rückschlagventil gebildetes zweites Ventil (30 ) angeordnet ist. - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (
1 ) mit einem Einlasssystem (2 ), mit einem vorzugsweise durch eine Abgasturbine (4 ) angetriebenen Verdichter (5 ) und einem Auslasssystem (3 ), mit einem Abgasrückführsystem (13 ) mit zumindest einer Abgasrückführleitung (13a ) zur Rückführung von Abgas aus dem Auslasssystem (3 ) in das Einlasssystem (2 ), wobei Abgas in zumindest einem Betriebsbereich der Brennkraftmaschine (1 ) mit Unterstützung eines einen Druckluftbehälter (10 ) aufweisenden Druckluftsystems (14 ) über eine Venturi-Einrichtung (12 ) rückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Zylinder (21 ) in zumindest einem Motorbetriebsbereich deaktiviert wird und der Druckluftbehälter (10 ) über zumindest ein Entnahmeventil (26 ) mit dem Arbeitsraum (23 ) des deaktivierten Zylinders (21 ) strömungsverbunden wird. - Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufladung des Druckluftbehälters (
10 ) während eines Motorbremsbetriebes erfolgt. - Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch Verändern des Öffnungsquerschnittes des Entnahmeventils (
26 ) die Motorbremsleistung reguliert wird.
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