DE102011084782B4 - Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) mit mindestens einem Zylinder (2), mindestens einer Abgasleitung (3) zum Abführen der Verbrennungsgase via Abgasabführsystem (3a) und mindestens einer Ansaugleitung (4) zum Zuführen von Ladeluft via Ansaugsystem (4a), wobei die Brennkraftmaschine (1) ausgestattet ist mit – mindestens einer Abgasrückführung (5), welche eine Rückführleitung (5a) umfaßt, die aus dem Abgasabführsystem (3a) abzweigt und in das Ansaugsystem (4a) mündet, – mindestens einem Abgasturbolader (6) umfassend einen im Ansaugsystem (4a) angeordneten Verdichter (6a) und eine im Abgasabführsystem (3a) angeordnete Turbine (6b), – einem Drosselelement (7), welches stromabwärts des Verdichters (6a) in der mindestens einen Ansaugleitung (4) angeordnet ist, und – einer Bypaßleitung (8), die stromaufwärts des Drosselelementes (7) aus der mindestens einen Ansaugleitung (4) abzweigt und stromabwärts des Drosselelementes (7) wieder in die mindestens eine Ansaugleitung (4) einmündet, wobei in der Bypaßleitung (8) eine Expansionsmaschine (9) zur Gewinnung zusätzlicher Energie angeordnet ist, bei dem das Drosselelement (7) in Richtung Schließstellung verstellt wird, um den durch die Expansionsmaschine (9) geführten Ladeluftstrom zu vergrößern, dadurch gekennzeichnet, dass im Schubbetrieb der Brennkraftmaschine (1) durch Verstellen des Drosselelementes (7) der überwiegende Anteil der Ladeluft durch die Expansionsmaschine (9) geleitet wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, mindestens einer Abgasleitung zum Abführen der Verbrennungsgase via Abgasabführsystem und mindestens einer Ansaugleitung zum Zuführen von Ladeluft via Ansaugsystem, wobei die Brennkraftmaschine ausgestattet ist mit
    – mindestens einer Abgasrückführung, welche eine Rückführleitung umfasst, die aus dem Abgasabführsystem abzweigt und in das Ansaugsystem mündet,
    – mindestens einem Abgasturbolader umfassend einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter und eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine,
    – einem Drosselelement, welches stromabwärts des Verdichters in der mindestens einen Ansaugleitung angeordnet ist, und
    – einer Bypaßleitung, die stromaufwärts des Drosselelementes aus der mindestens einen Ansaugleitung abzweigt und stromabwärts des Drosselelementes wieder in die mindestens eine Ansaugleitung einmündet,
    wobei in der Bypaßleitung eine Expansionsmaschine zur Gewinnung zusätzlicher Energie angeordnet ist,
    bei dem das Drosselelement in Richtung Schließstellung verstellt wird, um den durch die Expansionsmaschine geführten Ladeluftstrom zu vergrößern.
  • Dabei ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung die mindestens eine Abgasleitung als zum Abgasabführsystem und die mindestens eine Ansaugleitung als zum Ansaugsystem gehörend anzusehen.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfaßt der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen.
  • Bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen ist man grundsätzlich bemüht, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren und die Schadstoffemissionen zu reduzieren. Um diese Ziele zu erreichen, werden nach dem Stand der Technik verschiedene Maßnahmen ergriffen bzw. Konzepte eingesetzt.
  • Hinsichtlich der Schadstoffproblematik ist die Reduzierung der Stickoxidemissionen, insbesondere bei den Dieselmotoren, von hoher Relevanz. Da die Bildung der Stickoxide nicht nur einen Luftüberschuß, sondern auch hohe Temperaturen erfordert, besteht ein Konzept zur Verringerung der Stickoxidemissionen darin, die Verbrennungstemperaturen zu senken.
  • Dabei ist die Abgasrückführung, d. h. die Rückführung von Abgas aus dem Abgasabführsystem in das Ansaugsystem, zielführend, bei der mit zunehmender Abgasrückführrate die Stickoxidemissionen deutlich gesenkt werden können. Die Abgasrückführrate xAGR bestimmt sich dabei wie folgt: xAGR = mAGR/(mAGR + mFrischluft) wobei mAGR die Masse an zurückgeführtem Abgas und mFrischluft die dem mindestens einen Zylinder zugeführte und zuvor mittels Verdichter komprimierte Frischluft bezeichnet. Die Ladeluft kann somit im Rahmen der vorliegenden Erfindung neben der Frischluft auch rückgeführtes Abgas mit umfassen.
  • Um eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen zu erreichen, sind hohe Abgasrückführraten erforderlich, die in der Größenordnung von xAGR ≈ 60% bis 70% liegen können. Zur Einstellung der rückzuführenden Abgasmenge, d. h. der Rückführrate, ist nach dem Stand der Technik ein Steuerelement, welches auch als AGR-Ventil bezeichnet wird, in der Rückführleitung vorgesehen. Die Abgasrückführung (AGR) kann auch zur Reduzierung der Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen genutzt werden.
  • Die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, ist nicht nur mit mindestens einer Abgasrückführung ausgestattet, sondern vielmehr auch mit mindestens einem Abgasturbolader, der einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter und eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine umfaßt.
  • Die Aufladung ist zwar in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung, bei dem die für den motorischen Verbrennungsprozeß benötigte Luft verdichtet wird, wodurch die zugeführte Kraftstoffmasse und der Mitteldruck gesteigert werden können. Mittels Aufladung kann aber nicht nur die Leistung der Brennkraftmaschine bei unverändertem Hubraum gesteigert, sondern auch bei gleicher Leistung der Hubraum der Brennkraftmaschine reduziert werden. Die Aufladung führt grundsätzlich zu einer höheren Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen läßt sich das Lastkollektiv mittels Aufladung zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist.
  • Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Brennkraftmaschinen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu erhöhen.
  • Bei einem Abgasturbolader sind ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet. Der heiße Abgasstrom wird via Abgasleitung der Turbine zugeführt und entspannt sich unter Energieabgabe in dieser Turbine, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm via Ansaugleitung zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung des mindestens einen Zylinders erreicht wird. Häufig wird stromabwärts des Verdichters eine Ladeluftkühlung vorgesehen, mit der die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in den Brennraum gekühlt und somit die Dichte der Zylinderfüllung erhöht wird.
  • Der Vorteil eines Abgasturboladers beispielsweise im Vergleich zu einem mechanischen Lader besteht darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine besteht bzw. erforderlich ist. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie von der Brennkraftmaschine bezieht, nutzt der Abgasturbolader die Energie der von der Brennkraftmaschine erzeugten heißen Abgase.
  • Die Aufladung kann auch eingesetzt werden, um die Schadstoffemissionen zu reduzieren. So können bei gezielter Auslegung der Aufladung beispielsweise beim Dieselmotor die Stickoxidemissionen ohne Einbußen beim Wirkungsgrad verringert werden. Gleichzeitig können die Kohlenwasserstoffemissionen günstig beeinflußt werden. Die Emissionen an Kohlendioxid, die direkt mit dem Kraftstoffverbrauch korrelieren, nehmen mit sinkendem Kraftstoffverbrauch ebenfalls ab.
  • Vor dem Hintergrund des oben Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufzuzeigen, mit dem die Brennkraftmaschine gegenüber dem Stand der Technik verbessert wird, insbesondere einen höheren Wirkungsgrad erhält.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, mindestens einer Abgasleitung zum Abführen der Verbrennungsgase via Abgasabführsystem und mindestens einer Ansaugleitung zum Zuführen von Ladeluft via Ansaugsystem, wobei die Brennkraftmaschine ausgestattet ist mit
    • – mindestens einer Abgasrückführung, welche eine Rückführleitung umfasst, die aus dem Abgasabführsystem abzweigt und in das Ansaugsystem mündet,
    • – mindestens einem Abgasturbolader umfassend einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter und eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine,
    • – einem Drosselelement, welches stromabwärts des Verdichters in der mindestens einen Ansaugleitung angeordnet ist, und
    • – einer Bypaßleitung, die stromaufwärts des Drosselelementes aus der mindestens einen Ansaugleitung abzweigt und stromabwärts des Drosselelementes wieder in die mindestens eine Ansaugleitung einmündet, wobei in der Bypaßleitung eine Expansionsmaschine zur Gewinnung zusätzlicher Energie angeordnet ist,
    bei dem das Drosselelement in Richtung Schließstellung verstellt wird, um den durch die Expansionsmaschine geführten Ladeluftstrom zu vergrößern, und das dadurch gekennzeichnet ist, dass im Schubbetrieb der Brennkraftmaschine durch Verstellen des Drosselelementes der überwiegende Anteil der Ladeluft durch die Expansionsmaschine geleitet wird.
  • Bei der verwendeten Brennkraftmaschine ist im Ansaugsystem, d.h. auf der Einlaßseite der Brennkraftmaschine eine Expansionsmaschine vorgesehen. Diese Expansionsmaschine soll die in der komprimierten Ladeluft gebundene Energie nutzen, um die Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine in der Gesamtbilanz zu erhöhen, falls der Betrieb der Brennkraftmaschine dies zuläßt, dafür geeignet ist bzw. ein Bedarf für zusätzliche Energie besteht. Der Schubbetrieb der Brennkraftmaschine ist ein Beispiel für einen Betriebszustand, der geeignet ist, um mittels Expansionsmaschine zusätzliche Energie zu gewinnen, die ansonsten ungenutzt bleiben würde.
  • Dabei wird der durch die Expansionsmaschine geführte Ladeluftstrom mittels Drosselelement eingestellt. Durch Verstellen des Drosselelementes in Richtung Schließstellung wird der Strömungswiderstand des Leitungsabschnitts des Ansaugsystems, in dem das Drosselelement angeordnet ist, erhöht, weshalb ein größerer Ladeluftanteil durch die Expansionsmaschine strömt, die selbst aber auch einen Strömungswiderstand für den Ladeluftstrom darstellt.
  • Das Drosselelement kann ein Ventil oder eine Drosselklappe sein und zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung zweistufig schaltbar sein oder aber stufenlos verstellbar. Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen das Drosselelement elektrisch, hydraulisch, pneumatisch, mechanisch oder magnetisch steuerbar ist, vorzugsweise mittels Motorsteuerung.
  • Die Expansionsmaschine entzieht der komprimierten Ladeluft Energie, die zur weiteren Nutzung bereitgestellt wird, beispielsweise an der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, oder aber zum direkten Antrieb von Nebenaggregaten verwendet werden kann. Damit verbessert sich die Energiebilanz bzw. der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine. Bei gleichem Kraftstoffeinsatz wird die Leistungs- bzw. Energieabgabe der Brennkraftmaschine erhöht.
  • Im Schubbetrieb, in welchem die Kraftstoffversorgung vorzugsweise unterbrochen und dem mindestens einen Zylinder nur Frischluft bzw. Abgas zugeführt wird, fungiert die Expansionsmaschine auch als Motorbremse, da die Ladeluft durch die Expansionsmaschine hindurch angesaugt werden muß, was die Pumpverluste, d. h. die Ladungswechselverluste, spürbar erhöht.
  • Die kinetische Energie, die nach dem Stand der Technik während des Schubbetriebs verloren geht, wird erfindungsgemäß in der Expansionsmaschine des Ansaugsystems nutzbar gemacht.
  • Damit wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich ein Verfahren aufgezeigt, mit dem die Brennkraftmaschine gegenüber dem Stand der Technik verbessert wird, insbesondere einen höheren Wirkungsgrad erhält.
  • Vorteilhaft sind grundsätzlich Verfahrensvarianten, bei denen das Drosselelement nicht ganz geschlossen wird, so dass in sämtlichen Betriebszuständen immer ein Teil der Ladeluft durch das Drosselelement strömt.
  • Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen das Drosselelement stufenlos verstellt wird.
  • Nach dem Stand der Technik wird bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl bzw. Last, d. h. bei Unterschreiten einer bestimmten Abgasmenge, ein spürbarer Drehmomentabfall beobachtet. Dieser Effekt ist unerwünscht. Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird beispielsweise bei einem Dieselmotor die Motorendrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis. Dies hat zur Folge, dass zu niedrigeren Drehzahlen hin das Ladedruckverhältnis ebenfalls abnimmt, was gleichbedeutend ist mit einem Drehmomentabfall.
  • Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann durch unterschiedliche Maßnahmen verbessert werden, beispielsweise durch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnittes und gleichzeitiger Abgasabblasung, falls der Abgasstrom einen vorgebbaren Abgasstrom überschreitet. Eine derartige Turbine wird auch als Waste-Gate-Turbine bezeichnet. Eine Turbine mit variabler Turbinengeometrie gestattet eine Anpassung der Turbinengeometrie bzw. des wirksamen Turbinenquerschnittes an den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine, so dass eine Regelung der Turbinengeometrie im Hinblick auf niedrige und hohe Drehzahlen als auch für niedrige und hohe Lasten erfolgen kann.
  • Vorteilhaft sind daher Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Turbine des mindestens einen Abgasturboladers mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestattet ist, sowie Ausführungsformen, bei denen die Turbine eine Waste-Gate-Turbine ist, d. h. über eine Bypaßleitung verfügt, über welche Abgas an der Turbine vorbei geführt werden kann.
  • Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann des Weiteren dadurch verbessert werden, dass mehrere Turbolader bzw. Turbinen parallel oder in Reihe geschaltet werden. Die dazugehörigen Verdichter können in Reihe oder parallel im Ansaugsystem angeordnet werden.
  • Vorteilhaft sind aus diesem Grunde insbesondere Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens zwei Abgasturbolader vorgesehen sind.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
  • Bei Brennkraftmaschinen, bei denen in der Rückführleitung der mindestens einen Abgasrückführung ein Steuerelement vorgesehen ist, sind Verfahrensvarianten vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass das Steuerelement im Schubbetrieb geöffnet wird.
  • Das geöffnete Steuerelement sorgt zusammen mit einem in Richtung Schließstellung verstellten Drosselelement für ein erhöhtes Druckgefälle zwischen Abgasabführsystem und Ansaugsystem und damit für eine hohe Abgasrückführrate während des Schubbetriebs. Eine große Menge heißen rückgeführten Abgases stellt sicher, dass die Brennkraftmaschine während des Schubbetriebs nicht auskühlt bzw. weniger stark abkühlt. Diese Maßnahme wirkt sich günstig auf die Schadstoffemissionen aus, insbesondere auf die Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid, wenn die Brennkraftmaschine im Anschluss an den Schubbetrieb wieder in den befeuerten Betrieb überführt wird.
  • Das für den Schubbetrieb der Brennkraftmaschine vorstehend Gesagte gilt in analoger Weise auch für einen Bremsbetrieb der Brennkraftmaschine.
  • Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine durch Verstellen des Drosselelementes der überwiegende Anteil der Ladeluft durch die Expansionsmaschine geleitet wird.
  • Die mittels Expansionsmaschine gewonnene Energie kann während der Warmlaufphase auf vorteilhafte Weise für die Erwärmung des Abgases, des Öls, des Kühlmittels oder der Brennkraftmaschine selbst, beispielsweise des Zylinderkopfes, oder auch zur Erwärmung eines Abgasnachbehandlungssystems genutzt werden.
  • Die Reibung in den mit Öl versorgten Verbrauchern, beispielsweise den Kurbelwellenlagern, wird maßgeblich von der Viskosität und damit von der Temperatur des bereitgestellten Öls bestimmt und trägt zum Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine bei.
  • Eine Erwärmung des Motoröls während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine sorgt für eine schnelle Abnahme der Viskosität und damit für eine Verringerung der Reibung bzw. Reibleistung.
  • Hinsichtlich der Erwärmung eines Abgasnachbehandlungssystems wird Bezug genommen auf die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine gemachten Ausführungen.
  • Bei Brennkraftmaschinen, bei denen die Expansionsmaschine zwecks Leistungsabgabe mit einem Generator verbunden ist, sind Verfahrensvarianten vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine der mittels Generator erzeugte Strom zumindest auch zur Erwärmung des Abgases genutzt wird. Die Erwärmung des Abgases kann dabei indirekt und vorteilhafterweise durch die Aufheizung eines Abgasnachbehandlungssystems erfolgen.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen als Expansionsmaschine eine zusätzliche Turbine verwendet wird. Eine Turbine weist infolge der kontinuierlichen Durchströmung einen vergleichsweise hohen Wirkungsgrad auf, insbesondere im Vergleich zu einer Kolbenmaschine. Zudem sind separat verbaubare Turbinen für den Kraftfahrzeugbau verfügbar und es liegen ausreichend Erkenntnisse für den Einsatz solcher Expansionsmaschinen bei Brennkraftmaschinen vor.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung der zusätzlichen Turbine auf der Einlaßseite der Brennkraftmaschine bringt zahlreiche Vorteile mit sich, insbesondere gegenüber einer Anordnung auf der heißen Abgasseite. Die Herstellungskosten für die Turbine sind niedriger, da die thermische Belastung der Turbine bzw. des Turbinengehäuses wesentlich geringer ist als auf der Abgasseite, so dass keine kostenintensive – häufig nickelhaltigen – Werkstoffe verwendet werden müssen, vielmehr Bleche oder Aluminium eingesetzt werden kann. Nicht nur die Werkstoffkosten an sich sind niedriger, sondern auch die Kosten für die Bearbeitung dieser Werkstoffe.
  • Darüber hinaus lässt sich die Welle einer Turbine unter geringem Aufwand zur Leistungsübertragung bzw. -abgabe mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbinden.
  • Auch aus diesem Grund sind bei Brennkraftmaschinen mit Kurbelwelle Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen die Expansionsmaschine bzw. Turbine zwecks Leistungsabgabe mit dieser mindestens einen Kurbelwelle verbunden wird oder verbindbar ist.
  • Vorteilhaft sind aber auch Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Expansionsmaschine zwecks Leistungsabgabe mit einem Generator verbunden wird oder verbindbar ist. Der vom Generator bereitgestellte Strom kann auf vielfältige Weise genutzt oder gespeichert werden. So kann der Strom zum Antrieb von Nebenaggregaten verwendet werden, die Lichtmaschine entlasten oder, wie weiter unten im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren noch beschrieben werden wird, zur Aufheizung des Abgases bzw. eines Abgasnachbehandlungssystems in der Warmlaufphase eingesetzt werden.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen im Ansaugsystem stromabwärts des Verdichters und stromaufwärts der Stelle, an der die Bypaßleitung aus der mindestens einen Ansaugleitung abzweigt, ein Ladeluftkühler vorgesehen wird. Der Ladeluftkühler senkt die Lufttemperatur und steigert damit die Dichte der Luft, wodurch der Kühler bzw. die Kühlung zu einer besseren Füllung des mindestens einen Zylinders mit Luft beiträgt, d. h. zu einer größeren Luftmasse im Zylinder.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Rückführleitung der mindestens einen Abgasrückführung stromaufwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem abgezweigt wird und stromabwärts des Verdichters in das Ansaugsystem einmündet.
  • Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Rückführleitung stromabwärts der Stelle, an der die Bypaßleitung wieder in die mindestens eine Ansaugleitung einmündet, in das Ansaugsystem mündet.
  • Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird das rückzuführende Abgas mittels Hochdruck-AGR stromaufwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem entnommen. Da das Abgas stromaufwärts der Turbine in der Regel unbehandelt ist, d. h. es sich um die Rohemissionen der Brennkraftmaschinen handelt, wird das rückgeführte Abgas vorzugsweise stromabwärts des Verdichters und eines gegebenenfalls vorgesehenen Ladeluftkühlers in das Ansaugsystem eingeleitet, so dass der Verdichter und der Ladeluftkühler nicht verschmutzt werden.
  • Das Abgas weist stromaufwärts der Turbine einen hohen Druck auf, so dass das zur Rückführung erforderliche Druckgefälle zwischen Abgasseite und Einlaßseite sichergestellt werden kann. Andererseits steht das rückgeführte Abgas nicht mehr zum Antrieb der Turbine zur Verfügung.
  • Beim Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung und Hochdruck-AGR ergibt sich zwangsläufig ein Konflikt, da eine Steigerung der Abgasrückführrate gleichzeitig die Abnahme des durch die Turbine geleiteten Abgasstroms bedingt. Der verminderte Abgasmassenstrom durch die Turbine führt zu einem verminderten Turbinendruckverhältnis bzw. Ladedruckverhältnis, was gleichbedeutend ist mit einem verminderten Ladedruck. Es können sich weitere Nachteile hinsichtlich der Pumpgrenze des Verdichters und der Schadstoffemissionen ergeben.
  • Aus den vorstehend genannten Gründen sind Ausführungsformen des Verfahrens vorteilhaft, bei denen die Rückführleitung der mindestens einen Abgasrückführung stromabwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem abgezweigt wird und stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem einmündet, d. h. zur Abgasrückführung eine sogenannte Niederdruck-AGR eingesetzt wird, mit der – insbesondere im Teillastbereich – hohe Ladedrücke bei gleichzeitig hohen Abgasrückführraten realisiert werden können.
  • Im Gegensatz zur Hochdruck-AGR, die stromaufwärts der Turbine Abgas aus dem Abgasabführsystem entnimmt und stromabwärts des Verdichters in das Ansaugsystem einleitet, wird bei der Niederdruck-AGR Abgas auf die Einlaßseite zurückgeführt, welches die Turbine bereits durchströmt hat, denn die Niederdruck-AGR umfaßt eine Rückführleitung, die stromabwärts der Turbine aus der Abgasleitung abzweigt und stromaufwärts des Verdichters in die Ansaugleitung mündet.
  • Das mittels Niederdruck-AGR auf die Einlaßseite zurückgeführte Abgas wird stromaufwärts des Verdichters mit Frischluft gemischt. Die auf diese Weise erzeugte Mischung aus Frischluft und rückgeführtem Abgas bildet die Ladeluft, die dem Verdichter zugeführt und verdichtet wird, wobei die komprimierte Ladeluft stromabwärts des Verdichters vorteilhafterweise im Ladeluftkühler gekühlt wird.
  • Dabei ist es unschädlich, dass im Rahmen der Niederdruck-AGR Abgas durch den Verdichter hindurchgeführt wird, da vorzugsweise Abgas verwendet wird, welches stromabwärts der Turbine einer Abgasnachbehandlung, insbesondere im Partikelfilter, unterzogen wurde. Ablagerungen im Verdichter, welche die Geometrie des Verdichters, insbesondere die Strömungsquerschnitte, verändern und auf diese Weise den Wirkungsgrad des Verdichters verschlechtern, sind daher in der Regel nicht zu befürchten.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen sowohl eine Niederdruck-AGR als auch eine Hochdruck-AGR vorgesehen werden.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen in der Rückführleitung der mindestens einen Abgasrückführung eine Kühlvorrichtung vorgesehen wird, um das rückzuführende Abgas zu kühlen.
  • Die Kühlvorrichtung senkt die Temperatur im heißen Abgasstrom und steigert damit die Dichte der Abgase. Die Temperatur der Zylinderfrischladung bzw. der Ladeluft, die sich bei der Mischung der Frischluft mit den rückgeführten Abgasen einstellt, wird hierdurch weiter gesenkt, wodurch auch der AGR-Kühler zu einer besseren Füllung des mindestens einen Zylinders mit Frischgemisch beiträgt.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen in der Rückführleitung der mindestens einen Abgasrückführung ein Steuerelement vorgesehen wird, um die Menge des rückzuführenden Abgases einzustellen.
  • Vorzugsweise ist das als AGR-Ventil dienende Steuerelement stromabwärts der AGR-Kühlvorrichtung in der Rückführleitung angeordnet, so dass das Steuerelement von einem bereits gekühlten Abgasstrom durchströmt wird.
  • Ein stromabwärts der Kühlvorrichtung vorgesehenes AGR-Ventil wird thermisch weniger stark belastet, so dass gegebenenfalls auf eine Kühlung des AGR-Ventils verzichtet werden kann bzw. weniger temperaturfeste und damit kostengünstigere Werkstoffe zur Herstellung des Ventils verwendet werden können.
  • Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen des Verfahrens sein, bei denen das als AGR-Ventil dienende Steuerelement stromaufwärts der AGR-Kühlvorrichtung in der Rückführleitung angeordnet wird.
  • Ein stromaufwärts der Kühlvorrichtung vorgesehenes Steuerelement verhindert, dass die Kühlvorrichtung fortwährend, d. h. auch in Betriebszuständen, in denen kein Abgas via Rückführleitung in das Ansaugsystem zurückgeführt wird, mit heißem Abgas beaufschlagt wird. Zu berücksichtigen ist dabei, dass das Zuführen von Abgas in die Kühlvorrichtung zu einer Verschmutzung der Kühlvorrichtung führt und ein stromaufwärts der Kühlvorrichtung vorgesehenes Steuerelement im geschlossenen Zustand eine Beaufschlagung mit Abgas und damit eine Verschmutzung unterbinden kann.
  • Da ein stromaufwärts der Kühlvorrichtung vorgesehenes Steuerelement prinzipbedingt mit dem ungekühlten, d. h. dem heißen Abgas beaufschlagt wird, kann es vorteilhaft, gegebenenfalls notwendig sein, dieses Steuerelement zu kühlen.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen im Abgasabführsystem stromabwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem angeordnet wird, d. h. ein Oxidationskatalysator, ein Speicherkatalysator, ein Partikelfilter und/oder ein Drei-Wege-Katalysator.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen im Abgasabführsystem mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem vorgesehen wird, welches mit einer elektrischen Heizvorrichtung ausgestattet ist, die die mittels Expansionsmaschine gewonnene Energie nutzt.
  • Viele Abgasnachbehandlungssysteme benötigen eine Mindesttemperatur, um ausreichend Schadstoffe konvertieren zu können. Ein Oxidationskatalysator bzw. ein Speicherkatalysator beispielsweise 200°C bzw. 300°C.
  • Nach dem Stand der Technik wird das Abgas häufig mittels Nacheinspritzung mit unverbrannten Kohlenwasserstoffen angereichert, wobei der eingebrachte Kraftstoff verbrannt wird, um die Abgastemperatur zu erhöhen. Brennkraftmaschinen, die von einer Nacheinspritzung Gebrauch machen, sind aber von Hause aus sehr anfällig für eine Ölverdünnung. Zudem erhöht sich der Kraftstoffverbrauch, wodurch der Wirkungsgrad gesenkt wird.
  • Insofern sind Abgasnachbehandlungssysteme vorteilhaft, welche über eine elektrische Heizvorrichtung verfügen. Insbesondere wenn diese Heizvorrichtung mit Energie gespeist wird, die erfindungsgemäß mittels einer Expansionsmaschine im Ansaugsystem zusätzlich gewonnen wird.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen der Ladeluftkühler bzw. der AGR-Kühler flüssigkeitsgekühlt wird.
  • Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, die Kühlung nach dem Prinzip eines Wärmetauschers in Gestalt einer Luftkühlung oder einer Flüssigkeitskühlung auszuführen. Bei der Luftkühlung wird der durch den Kühler geführte Gasstrom mittels einer Luftströmung gekühlt, die aus dem Fahrtwind resultiert und/oder durch ein Gebläse erzeugt wird. Die Flüssigkeitskühlung erfordert hingegen die Ausbildung eines Kühlkreislaufs, gegebenenfalls unter Verwendung eines bereits bestehenden Kreislaufes, beispielsweise der Motorkühlung bei einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine. Das Kühlmittel wird dabei mittels einer im Kühlkreislauf angeordneten Pumpe gefördert, so dass es zirkuliert und den Kühler durchströmt. Die von der Ladeluft im Kühler an das Kühlmittel abgegebene Wärme wird abgeführt und dem Kühlmittel in einem anderen Wärmetauscher wieder entzogen.
  • Aufgrund der wesentlich höheren Wärmekapazität einer Flüssigkeit gegenüber Luft können mit der Flüssigkeitskühlung wesentlich größere Wärmemengen abgeführt werden als dies mit einer Luftkühlung möglich ist. Aus diesem Grund ist es besonders bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen mit Abgasrückführung vorteilhaft, mit einer Flüssigkeitskühlung zu arbeiten, da die abzuführende Wärmemenge vergleichsweise groß sein kann.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen die Brennkraftmaschine mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet wird, denn eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung ist thermisch besonders hoch belastet und stellt daher erhöhte Anforderungen an die Kühlung.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen eine Direkteinspritzung zum Einbringen von Kraftstoff vorgesehen wird.
  • Die Direkteinspritzung von Kraftstoff ist neben der Verwendung eines variablen Ventiltriebs insbesondere beim ottomotorischen Arbeitsverfahren eine geeignete Maßnahme, die Drosselverluste zu senken und damit den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen eine Zündvorrichtung zur Einleitung einer Fremdzündung mittels Motorsteuerung vorgesehen wird.
  • Vorteilhaft sind aber auch Ausführungsformen, bei denen die Brennkraftmaschine ein Dieselmotor ist.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
  • 1 schematisch eine erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
  • 1 zeigt eine erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine 1 am Beispiel eines Vier-Zylinder-Reihenmotors, der vier in Reihe angeordnete Zylinder 2 aufweist.
  • Die Brennkraftmaschine 1 verfügt über ein Ansaugsystem 4a, über welches den Zylindern 2 Ladeluft, d. h. Frischluft gegebenenfalls vermischt mit rückgeführtem Abgas, zugeführt wird, und über ein Abgasabführsystem 3a zum Abführen der Abgase.
  • Die Brennkraftmaschine 1 ist mit einer Abgasrückführung 5 ausgestattet, mit der Abgas aus dem Abgasabführsystem 3a in das Ansaugsystem 4a zurück geführt werden kann. Die Abgasrückführung 5 umfaßt eine Rückführleitung 5a, die aus dem Abgasabführsystem 3a abzweigt und in das Ansaugsystem 4a einmündet, wobei in der Rückführleitung 5a eine Kühlvorrichtung 5c zum Kühlen des rückzuführenden Abgases und ein Steuerelement 5b zum Einstellen der rückzuführenden Abgasmenge vorgesehen sind.
  • Die Brennkraftmaschine 1 ist zudem zwecks Aufladung mit einem Abgasturbolader 6 ausgestattet, dessen Verdichter 6a in einer Ansaugleitung 4 des Ansaugsystems 4a angeordnet ist und dessen Turbine 6b in einer Abgasleitung 3 des Abgasabführsystems 3a angeordnet ist. Stromabwärts des Verdichters 6a ist ein Ladeluftkühler 10 im Ansaugsystem 4a vorgesehen, der die Temperatur der Ladeluft senkt und die Dichte steigert.
  • Die Rückführleitung 5a der Abgasrückführung 5, die vorliegend stromaufwärts der Turbine 6b aus dem Abgasabführsystem 3a abzweigt, mündet stromabwärts des Verdichters 6a wieder in das Ansaugsystem 4a ein. Es handelt sich bei der Abgasrückführung 5 der in 1 dargestellten Brennkraftmaschine 1 somit um eine Hochdruck-AGR 5.
  • Stromabwärts des Ladeluftkühlers 10 ist ein Drosselelement 7 in der Ansaugleitung 4 des Ansaugsystems 4a vorgesehen, wobei stromaufwärts des Drosselelementes 7 eine Bypaßleitung 8 aus der Ansaugleitung 4 abzweigt, die stromabwärts des Drosselelementes 7 wieder in die Ansaugleitung 4 einmündet.
  • In der Bypaßleitung 8 ist eine Expansionsmaschine 9, vorliegend in Gestalt einer zusätzlichen Turbine 9a, zur Gewinnung zusätzlicher Energie angeordnet, wobei der durch die Expansionsmaschine 9 geführte Ladeluftstrom mittels Drosselelement 7 eingestellt wird.
  • Die Expansionsmaschine 9 ist zwecks Leistungsabgabe mit einem Generator 11 verbunden, dessen Strom in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine 1 auch zur Erwärmung des Abgases genutzt werden kann.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennkraftmaschine
    2
    Zylinder
    3
    Abgasleitung
    3a
    Abgasabführsystem
    4
    Ansaugleitung
    4a
    Ansaugsystem
    5
    Abgasrückführung
    5a
    Rückführleitung
    5b
    Steuerelement, AGR-Ventil
    5c
    Kühlvorrichtung
    6
    Abgasturbolader
    6a
    Verdichter
    6b
    Turbine
    7
    Drosselelement
    8
    Bypaßleitung
    9
    Expansionsmaschine
    9a
    zusätzliche Turbine
    10
    Ladeluftkühler
    11
    Generator
    AGR
    Abgasrückführung
    mAGR
    Masse an zurückgeführtem Abgas
    mFrischluft
    Masse an zugeführter Frischluft bzw. Verbrennungsluft

Claims (14)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) mit mindestens einem Zylinder (2), mindestens einer Abgasleitung (3) zum Abführen der Verbrennungsgase via Abgasabführsystem (3a) und mindestens einer Ansaugleitung (4) zum Zuführen von Ladeluft via Ansaugsystem (4a), wobei die Brennkraftmaschine (1) ausgestattet ist mit – mindestens einer Abgasrückführung (5), welche eine Rückführleitung (5a) umfaßt, die aus dem Abgasabführsystem (3a) abzweigt und in das Ansaugsystem (4a) mündet, – mindestens einem Abgasturbolader (6) umfassend einen im Ansaugsystem (4a) angeordneten Verdichter (6a) und eine im Abgasabführsystem (3a) angeordnete Turbine (6b), – einem Drosselelement (7), welches stromabwärts des Verdichters (6a) in der mindestens einen Ansaugleitung (4) angeordnet ist, und – einer Bypaßleitung (8), die stromaufwärts des Drosselelementes (7) aus der mindestens einen Ansaugleitung (4) abzweigt und stromabwärts des Drosselelementes (7) wieder in die mindestens eine Ansaugleitung (4) einmündet, wobei in der Bypaßleitung (8) eine Expansionsmaschine (9) zur Gewinnung zusätzlicher Energie angeordnet ist, bei dem das Drosselelement (7) in Richtung Schließstellung verstellt wird, um den durch die Expansionsmaschine (9) geführten Ladeluftstrom zu vergrößern, dadurch gekennzeichnet, dass im Schubbetrieb der Brennkraftmaschine (1) durch Verstellen des Drosselelementes (7) der überwiegende Anteil der Ladeluft durch die Expansionsmaschine (9) geleitet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1 zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1), bei der in der Rückführleitung (5a) der mindestens einen Abgasrückführung (5) ein Steuerelement (5b) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Schubbetrieb der Brennkraftmaschine (5) das Steuerelement (5b) geöffnet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine (1) durch Verstellen des Drosselelementes (7) der überwiegende Anteil der Ladeluft durch die Expansionsmaschine (9) geleitet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3 zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1), bei der die Expansionsmaschine (9) zwecks Leistungsabgabe mit einem Generator (11) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine (1) der mittels Generator (11) erzeugte Strom zumindest auch zur Erwärmung des Abgases genutzt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Expansionsmaschine (9) eine zusätzliche Turbine (9a) verwendet wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) mit mindestens einer Kurbelwelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine (9) zwecks Leistungsabgabe mit dieser mindestens einen Kurbelwelle verbunden wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine (9) zwecks Leistungsabgabe mit einem Generator verbunden wird.
  8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Ansaugsystem (4) stromabwärts des Verdichters (6a) und stromaufwärts der Stelle, an der die Bypaßleitung (8) aus der mindestens einen Ansaugleitung (4) abzweigt, ein Ladeluftkühler (10) vorgesehen wird.
  9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführleitung (5a) der mindestens einen Abgasrückführung (5) stromaufwärts der Turbine (6b) aus dem Abgasabführsystem (3a) abgezweigt wird und stromabwärts des Verdichters (6a) in das Ansaugsystem (4a) einmündet.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführleitung (5a) stromabwärts der Stelle, an der die Bypaßleitung (8) in die mindestens eine Ansaugleitung (4) einmündet, in das Ansaugsystem (4a) mündet.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführleitung (5a) der mindestens einen Abgasrückführung (5) stromabwärts der Turbine (6b) aus dem Abgasabführsystem (3a) abgezweigt wird und stromaufwärts des Verdichters (6a) in das Ansaugsystem (4a) einmündet.
  12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rückführleitung (5a) der mindestens einen Abgasrückführung (5) eine Kühlvorrichtung (5c) vorgesehen wird, um das rückzuführende Abgas zu kühlen.
  13. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rückführleitung (5a) der mindestens einen Abgasrückführung (5) ein Steuerelement (5b) vorgesehen wird, um die Menge des rückzuführenden Abgases einzustellen.
  14. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasabführsystem (3a) mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem vorgesehen wird, welches mit einer elektrischen Heizvorrichtung ausgestattet ist, die die mittels Expansionsmaschine (9) gewonnene Energie nutzt.
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