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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Brennkraftmaschine.
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Es ist bekannt, Brennkraftmaschinen, beispielsweise solche, die für den Antrieb von Kraftfahrzeugen vorgesehen sind, mit einer externen Abgasrückführung zu versehen. Dabei wird ein Teil des von einem Verbrennungsmotor der Brennkraftmaschine in einen Abgasstrang entlassenen Abgases abgezweigt und in eine Saugstrecke des Verbrennungsmotors zurückgeführt, wo dieses mit der Frischluft vermischt wird und so dem Verbrennungsmotor wieder zugeführt wird.
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Mittels der Abgasrückführung soll die Flammtemperatur in den Brennräumen des Verbrennungsmotors in bestimmten Betriebssituationen der Brennkraftmaschine reduziert werden.
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Eine Abgasrückführung wird vielfach bei aufgeladenen Motoren angewandt. Dabei kommt in der Regel eine von zwei Varianten zur Anwendung: Bei der ersten Variante, der sogenannten Niederdruck-Abgasrückführung wird das Abgas in Strömungsrichtung hinter der Turbine des Abgasturboladers abgezweigt, dann (zur Schonung des nachfolgenden Verdichters des Abgasturboladers) gekühlt und vor dem Verdichter in die Frischgasstrecke geführt. Bei der zweiten Variante, der sogenannten Hochdruck-Abgasrückführung, wird das Abgas noch vor dem Durchströmen der Turbine des Abgasturboladers abgezweigt und – hinter dem Verdichter des Abgasturbolader – in die Frischgasstrecke rückgeführt. In der Regel ist dabei vorgesehen, das über die Hochdruck-Abgasrückführung geführte Abgas in einem Ladeluftkühler der Frischgasstrecke gemeinsam mit der Frischluft oder separat mittels eines in die Hochdruck-Abgasrückführung integrierten eigenen Kühlers zu kühlen.
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Aus der
EP 0 622 533 B1 ist bekannt, einen in eine Hochdruck-Abgasrückführung integrierten Abgaskühler bedarfsweise in Abhängigkeit von dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine mehr oder weniger mittels eines Bypasses zu umgehen.
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In den meisten Betriebspunkten der Brennkraftmaschine dient die Abgasrückführung gerade der Senkung der Verbrennungstemperatur in den Brennräumen des Verbrennungsmotors. In diesen Betriebspunkten ist dann auch eine Kühlung des Abgases vorgesehen, wodurch verhindert wird, dass durch das rückgeführte Abgas große Wärmemengen in die Brennräume eingebracht werden, die der gewollten Senkung der Brennraumtemperatur entgegenwirken. Dagegen kann in anderen Betriebspunkten des Verbrennungsmotors, insbesondere in einer Warmlaufphase nach einem Kaltstart und bei niedrigen Lasten gerade dieses Einbringen von Wärmeenergie in die Brennräume gewollt sein, um – nach einem Kaltstart – möglichst schnell ein ausreichend hohes Temperaturniveau des nicht über die Abgasrückführung geführten Abgases zu erreichen bzw. – bei sehr niedrigen Lasten – zu halten. Dadurch wird ein möglichst schnelles Erreichen bzw. ein Halten der sogenannten Light-Off-Temperatur eines in den Abgasstrang integrierten Oxidationskatalysators erreicht.
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Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader weisen regelmäßig einen Ladeluftkühler auf, durch den die Erwärmung der Frischgases infolge der Verdichtung und die damit einhergehende Erhöhung des spezifischen Volumens des Frischgases zumindest teilweise rückgängig gemacht werden soll. Die Füllung der Brennräume der Brennkraftmaschinen kann dadurch weiter verbessert werden.
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Aus der
EP 0 780 555 B1 ist bekannt, dass es bei einer solchen aufgeladenen Brennkraftmaschine nach einem Kaltstart und einer sich an einen Kaltstart anschließenden Warmlaufphase unerwünscht sein kann, das Frischgas mittels der Ladeluftkühlers zu kühlen, da dies einem schnellen Erreichen der Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine entgegen wirkt.
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Es wird daher vorgeschlagen, beim Kaltstart und in der Warmlaufphase den Ladeluftkühler mittels eines Bypasses zu umgehen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine, wie sie beispielsweise aus der erwähnten
EP 0 622 533 B1 bekannt ist, zu verbessern. Insbesondere soll das Betriebsverhalten und/oder das Emissionsverhalten verbessert werden.
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Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Brennkraftmaschine gemäß dem unabhängigen Patentanapruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, ein möglichst schnelles Erreichen einer Betriebstemperatur einer gattungsgemäßen Brennkraftmaschine und insbesondere einer Light-Off-Temperatur eines in den Abgasstrang einer gattungsgemäßen Brennkraftmaschine integrierten Oxidationskatalysators dadurch zu erreichen, dass der Brennkraftmaschine in bestimmten Betriebszuständen und insbesondere bei einem Kaltstart und in einer sich anschließenden Warmlaufphase sowohl ungekühltes Abgas als auch ungekühltes Frischgas zugeführt wird. Dadurch wird die in dem Abgas als auch in dem Frischgas enthaltene Wärmeenergie in den oder die Brennräume der Brennkraftmaschine eingebracht und nicht vorab in einem oder mehreren Kühlern, insbesondere einem Abgas(rückführungs)kühler und einem Ladeluftkühler abgeführt.
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Bei einer gattungsgemäßen Brennkraftmaschine, die zumindest einen Verbrennungsmotor, einen Abgasstrang zum Abführen von Abgas von dem Verbrennungsmotor, einen Frischgasstrang zum Zuführen von Frischgas zu dem Verbrennungsmotor, einen Abgasturbolader mit einer in den Abgasstrang integrierten Turbine und einem in den Frischgasstrang integrierten Verdichter sowie eine Abgasrückführung zum Rückführen von Abgas aus dem Abgasstrang in den Frischgasstrang aufweist, ist demnach erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass der Frischgasstrang und die Abgasrückführung ungekühlt oder sofern für den Frischgasstrang eine solche Kühlung in Form eines Ladeluftkühlers und/oder für die Abgasrückführung in Form eines Abgas(rückführungs)kühlers vorgesehen ist/sind, mit Mitteln zur bedarfsweisen Umgehung einer solchen Kühlung ausgebildet sind.
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Insbesondere kann der Ladeluftkühler in einem Saugrohr integriert aufgenommen sein. Eine derartige Ausführungsform eines Ladeluftkühlers wird auch als saugrohrintegrierter Ladeluftkühler (SiLLK) bezeichnet.
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Bei der Abgasrückführung handelt es sich vorzugsweise um eine sogenannte Hochdruck-Abgasrückführung, die in Strömungsrichtung des Abgases vor der Turbine abzweigt. Ein wesentlicher Vorteil einer solchen Hochdruck-Abgasrückführung ist die verhältnismäßig hohe Abgastemperatur des rückgeführten Abgases, insbesondere im Vergleich zu einer bekannten Niederdruck-Abgasrückführung, die hinter der Turbine abzweigt. Das über eine solche Niederdruck-Abgasrückführung geführte Abgas ist infolge der vorherigen Entspannung in der Turbine bereits deutlich abgekühlt. Da eine Niederdruck-Abgasrückführung vor dem Verdichter des Abgasturboladers in die Frischgasstrecke mündet, muss ferner zuvor noch eine zusätzliche Abkühlung des rückgeführten Abgases erfolgen. Dadurch soll der Verdichter des Abgasturboladers vor zu hohen Temperaturen geschützt werden.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, in den Frischgasstrang einen Ladeluftkühler zu Integrieren, mit dem insbesondere eine vorteilhafte Kühlung des infolge der Verdichtung erwärmten Frischgases zur Verbesserung der Füllung der Brennräume des Verbrennungsmotors. Erfindungsgemäß ist dann ein Bypass für den Ladeluftkühler vorgesehen, um diesen bei Bedarf umgehen zu können.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Abgasrückführung in den Bypass für den Ladeluftkühler mündet. Dadurch kann zum einen sichergestellt werden, dass kein rückgeführtes Abgas über den Ladeluftkühler geführt wird. Verschmutzungen des Ladeluftkühlers durch das Abgas werden dadurch vermieden. Zum anderen weist die Anordnung der Mündung der Abgasrückführung in den Bypass den Vorteil auf, dass die verbleibende Strecke der Frischgasstrecke bis zum Verbrennungsmotor noch so groß sein kann, dass eine gute Vermischung des rückgeführten Abgases mit dem Frischgas erfolgen kann, bevor dieses in die Brennräume des Verbrennungsmotors eingebracht wird.
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In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist – neben einer ungekühlten oder mit Mitteln zur bedarfsweisen Umgehung einer Kühlung einer Hochdruck-Abgasrückführung – eine zusätzliche Niederdruck-Abgasrückführung, die in Strömungsrichtung des Abgases hinter der Turbine und vorzugsweise auch insbesondere hinter einem Partikelfilter, der in den Abgasstrang integriert ist, abzweigt. Durch eine Kombination einer Hochdruck-Abgasrückführung und einer Niederdruck-Abgasrückführung kann ein besonders gut angepasstes und somit vorteilhaftes Thermomanagement für die Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von den verschiedenen Betriebszuständen des Verbrennungsmotors durchgeführt werden. Wesentlicher Vorteil der Niederdruck-Abgasrückführung ist dabei die intensive Kühlung des rückgeführten Abgases, wobei vorzugsweise ein separater Abgaskühler in der Niederdruck-Abgasrückführung vorgesehen ist, der das bereits durch die Entspannung in dem Verdichter abgekühlte Abgas weiter abkühlt. In einem weiteren (dritten) Kühlungsschritt kann das bereits mit dem Frischgas vermischte Abgas dann noch in dem Ladeluftkühler gekühlt werden.
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Diese Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ermöglicht, die Hochdruck-Abgasrückführung lediglich in denjenigen Betriebszuständen, die insbesondere durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Brennkraftmaschine verbessert werden sollen, nämlich der Betrieb während der Warmlaufphase des Verbrennungsmotors und ein Betrieb bei niedrigen und sehr niedrigen Lasten des Verbrennungsmotors, zum Einsatz kommen zu lassen. Da in diesen Betriebszuständen das rückgeführte Abgas gerade nicht gekühlt werden soll, kann somit auf einen Kühler für die Hochdruck-Abgasrückführung vollständig verzichtet werden. In den übrigen Betriebszuständen, wenn die in dem rückgeführten Abgas enthaltene Wärmeenergie dagegen gerade nicht in die Brennräume des Verbrennungsmotors eingebracht werden soll, kann dann (nahezu) ausschließlich eine Abgasrückführung über die vorzugsweise vorgesehene Niederdruck-Abgasrückführung erfolgen, in der das rückgeführte Abgas intensiv in bis zu drei Kühlungsschritten gekühlt wird.
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Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung liegt somit darin, durch eine gezielte Ausnutzung der in dem rückgeführten Abgas sowie in dem Frischgas enthaltenen Wärmeenergie die Temperatur des von dem Verbrennungsmotor kommenden Abgases zu erhöhen bzw. hoch zu halten, mit dem Ziel, in den genannten Betriebszuständen des Verbrennungsmotors, d. h. in einer Warmlaufphase und bei niedrigen bis sehr niedrigen Lasten, ein schnelles Aufheizen der in den Abgasstrang integrierten Abgasnachbehandlungseinrichtungen und insbesondere eines Oxidationskatalysators zu erreichen bzw. diese auf einer ausreichend hohen Temperatur zu halten.
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Insbesondere soll erreicht werden, dass die Temperatur des Abgases, wenn dieses in einen in den Abgasstrang integrierten Oxidationskatalysator strömt, zumindest die sogenannte Light-Off-Temperatur dieses Oxidationskatalysators, die regelmäßig bei ca. 170°C bis 200°C und insbesondere bei 180°C liegen kann, aufweist. Ein Unterschreiten dieser Light-Off-Temperatur wird demnach erfindungsgemäß gerade dadurch verhindert bzw. der Zeitraum, in dem diese Temperatur unterschritten wird, möglichst verkürzt, indem erfindungsgemäß möglichst ungekühltes rückgeführtes Abgas sowie möglichst ungekühltes Frischgas dem Verbrennungsmotor zugeführt wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
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1: ein Prinzipschaubild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.
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Die in der 1 schematisch dargestellte Brennkraftmaschine umfasst einen (Hubkolben-)Verbrennungsmotor 10 mit einer Mehrzahl von in jeweils einem Zylinder (nicht dargestellt) ausgebildeten Brennräumen. Der Verbrennungsmotor dieser Ausführungsform arbeitet nach dem Diesel-Prinzip.
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Über einen Frischgasstrang 12 wird den Brennräumen Frischgas zugeführt, das in den Brennräumen mittels direkt eingespritzten Kraftstoffs vermischt und dort verbrannt wird. Das dabei entstehende Abgas strömt aus den Brennräumen in einen Abgasstrang 14 der Brennkraftmaschine.
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Das dem Verbrennungsmotor 10 zugeführte Frischgas besteht aus Umgebungsluft, die über einen Luftfilter 16 aus der Umgebung angesaugt wird, sowie einem mehr oder weniger großen Anteil (der auch Null betragen kann) an Abgas, das aus dem Abgasstrang 14 über zumindest eine von zwei Abgasrückführungen rückgeführt wird.
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Zum einen ist eine über eine Regelklappe 18 regelbare Niederdruck-Abgasrückführung 20 vorhanden, die hinter einem Dieselpartikelfilter 39 der Brennkraftmaschine abzweigt. Der Dieselpartikelfilter 39 selbst liegt hinter einem Oxidationskatalysator 24, der wiederum in Strömungsrichtung des Abgases hinter einer Turbine 22 eines Abgasturboladers, der Brennkraftmaschine angeordnet ist. In die Niederdruck-Abgasrückführung 20 ist zudem ein Abgasrückführungskühler 26 integriert. Die Niederdruck-Abgasrückführung 20 mündet noch vor einem Verdichter 28 des Abgasturboladers in den Frischgasstrang 12.
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Weiterhin ist eine Hochdruck-Abgasrückführung 30 vorgesehen, die direkt hinter dem Verbrennungsmotor 10 und somit noch vor der Turbine 22 aus dem Abgasstrang 14 abzweigt. Die Hochdruck-Abgasrückführung 30 ist über eine Regelklappe 32 regelbar und mündet in einen Bypass 34 des Frischgasstrangs 12, mit dem ein Ladeluftkühler 36 des Frischgasstrangs 12 bei Bedarf umgangen werden kann. Hierzu ist der Bypass 34 ebenfalls mit einer Regelklappe 38 ausgestattet. Der Ladeluftkühler 36 ist insbesondere als Saugrohr integrierter Ladeluftkühler ausgeführt.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, in Abhängigkeit von den verschiedenen Betriebszuständen des Verbrennungsmotors 10, Abgas über die Hochdruck-Abgasrückführung 30 und/oder die Niederdruck-Abgasrückführung 20 in den Frischgasstrang 12 rückzuführen.
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In einer Warmlaufphase nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10, d. h. wenn dieser (bzw. dessen Kühlkreislauf (nicht dargestellt)) noch nicht eine definierten Betriebstemperaturbereich erreicht hat, und (nach dem Erreichen des Betriebstemperaturbereichs) bei einer geringen Lastanforderung des Verbrennungsmotors wird Abgas im Wesentlichen und vorzugsweise ausschließlich über die Hochdruck-Abgasrückführung 30 rückgeführt. Gleichzeitig wird das aus dem Verdichter 28 austretende Frischgas nicht über den Ladeluftkühler 36 sondern im Wesentlichen und vorzugsweise ausschließlich über den Bypass 34 geführt, wo es mit dem rückgeführten Abgas vermischt wird. Dadurch kann erreicht werden, dass sowohl das Frischgas als auch das rückgeführte Abgas so wenig wie möglich abgekühlt werden. Die so in die Brennräume eingebrachte (zusätzliche) Wärmeenergie erhöht in diesen Betriebszuständen des Verbrennungsmotors 10 im Ergebnis die Abgastemperatur, wodurch ein möglichst schnelles Erreichen bzw. ein Halten der Abgastemperatur oberhalb der Light-Off-Temperatur des Oxidationskatalysators 24 sichergestellt werden kann.
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Durch die Integration der Mündung der Hochdruck-Abgasrückführung 30 in den Bypass 34 (möglichst kurz hinter der Regelklappe), verbleibt ein relativ langer Strömungsweg für das Frischgas, in dem eine gute Vermischung des rückgeführten Abgases mit der Umgebungsluft erreicht werden kann. Dies führt zu einer guten Gleichverteilung des rückgeführten Abgases auf die einzelnen Brennräume des Verbrennungsmotors 10.
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In den übrigen Betriebszuständen des Verbrennungsmotors 10 wird Abgas (wenn überhaupt) im Wesentlichen oder ausschließlich über die Niederdruck-Abgasrückführung 20 in den Frischgasstrang 12 rückgeführt. Dieses rückgeführte Abgas, das bereits beim Eintritt in die Niederdruck-Abgasrückfühnung 20 infolge der Entspannung in der Turbine 22 eine deutlich geringere Temperatur (als vor der Turbine 22) aufweist, wird in dem Abgasrückführungskühler 26 weiter abgekühlt, so dass es bereits mit einer Temperatur mit der Umgebungsluft vermischt wird, die so gering ist, dass eine thermische Überbeanspruchung des nachfolgenden Verdichters 28 des Abgasturboladers vermieden wird. Weiterhin ist in diesen Betriebszuständen vorgesehen, das aus dem Verdichter 28 austretende Frischgas zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig über den Ladeluftkühler 36 zu führen, um dieses abzukühlen. Die intensive Kühlung von sowohl der Umgebungsluft als auch des rückgeführten Abgases unterstützt nicht nur eine gute Füllung der Brennräume, sondern – durch das Abführen von Wärmeenergie aus dem Frischgas vor dem Eintritt in die Brennräume – eine Reduzierung der Brennraumtemperaturen, wie dies grundsätzlich ein Ziel einer Abgasrückführung ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbrennungsmotor
- 12
- Frischgasstrang
- 14
- Abgasstrang
- 16
- Luftfilter
- 18
- Regelklappe
- 20
- Niederdruck-Abgasrückführung
- 22
- Turbine
- 24
- Oxidationskatalysator
- 26
- Abgasrückführungskühler
- 28
- Verdichter
- 30
- Hochdruck-Abgasrückführung
- 32
- Regelklappe
- 34
- Bypass
- 36
- Ladeluftkühler
- 38
- Regelklappe
- 39
- Dieselpartikelfilter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0622533 B1 [0005, 0010]
- EP 0780555 B1 [0008]
