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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Dieselmotor oder einen Ottomotor. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine.
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Die
DE 10 2008 043 802 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Rückführung von Abgas in einer Brennkraftmaschine, umfassend eine Abgas-Rückführungsleitung und einen Befeuchter, der in der Abgas-Rückführungsleitung angeordnet ist, um das der Brennkraftmaschine zuzuführende Abgas zu kühlen und gleichzeitig zu befeuchten.
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DE 10 2006 054 227 A1 offenbart ein Verfahren zur Verringerung des Schadstoffausstoßes einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, eines Kraftfahrzeugs unter Verwendung von fahrzeugintern gewonnenem Wasser. Dieses Wasser wird der Brennkraftmaschine mittelbar über mindestens einen Stoffstrom zugeführt. Gemäß dem Verfahren wird Wasser durch Abkühlung und durch Kondensation von Umgebungsluft gewonnen und innerhalb des Kraftfahrzeugs zwischengespeichert.
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Die
DE 10 2008 056 337 A1 betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Dieselmotor oder einen Ottomotor, mit einer Frischluftanlage und einer Abgasanlage. In der Frischluftanlage ist dabei ein Ladeluftkühler angeordnet, und in der Abgasanlage ist mindestens ein Abgasturbolader angeordnet. Der Abgasturbolader weist einen in der Frischluftanlage stromab des Ladeluftkühlers angeordneten Verdichter und eine in der Abgasanlage angeordnete Turbine auf. Eine Hochdruck-Abgasrückführungsleitung zweigt stromauf der Turbine des Abgasturboladers von der Abgasanlage ab, umfasst ein Hochdruck-Abgasrückführungsventil und mündet stromab des Ladeluftkühlers in die Frischluftanlage. Eine Niederdruck-Abgasrückführungsleitung zweigt stromab der Turbine des Abgasturboladers von der Abgasanlage ab, weist ein Niederdruck-Abgasrückführungsventil auf und mündet stromauf des Verdichters des Abgasturboladers in die Frischluftanlage. Die bekannte Brennkraftmaschine weist eine Abgas-Aufstauklappe auf, welche in der Abgasanlage stromab der Abzweigung der Niederdruck-Abgasrückführungsleitung angeordnet ist. Ferner ist in der Frischluftanlage der Brennkraftmaschine ein den Ladeluftkühler umgehender Ladeluft-Kühlerbypass angeordnet.
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Die
JP 2010-025034 beschreibt eine Abgasrückführungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, welche einen Abschnitt zwischen einer Abgasanlage und einer Frischluftanlage der Brennkraftmaschine mittels einer Abgasleitung, welche einen Abgaskühler und ein Abgasventil umfasst, verbindet. Die Abgasvorrichtung weist einen Sammelbehälter zum Sammeln von kondensiertem Wasser auf. Die Abgasvorrichtung umfasst ferner eine Kondensationswasser-Zuführvorrichtung, welche Kondensationswasser, das in dem Sammelbehälter gespeichert wird, stromab des Abgasrückführungsventils der Frischluftanlage zuführt.
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US 2011/0094219 A1 beschreibt ein Verfahren für einen mit einer Brennkraftmaschine gekoppelten Ladeluftkühler, wobei gemäß dem Verfahren in einer Kondensat-Sammelvorrichtung Kondensat gesammelt wird. In einem ersten Betriebszustand der Brennkraftmaschine wird das Kondensat temporär in der Kondensat-Sammeleinrichtung gespeichert und in einem zweiten Betriebszustand in einer Abführungsleitung abgeführt. Der erste Betriebszustand kann dabei insbesondere ein Volllastbetrieb der Brennkraftmaschine sein, wobei das Kondensat nach dem temporären Speichern freigesetzt wird. Der zweite Betriebszustand kann demgegenüber ein Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine sein.
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In herkömmlichen Brennkraftmaschinen, insbesondere in Dieselmotoren oder in Ottomotoren, ist es bekannt, mittels einer Abgasrückführung (AGR) die Emission von Abgasen der Brennkraftmaschine, den Verbrauch der Brennkraftmaschine und auch die thermische Belastung der Brennkraftmaschine zu reduzieren. Eine in einem sogenannten Volllastbetrieb arbeitende Abgasrückführung kann dabei eine Temperatur des Abgases deutlich reduzieren, was zum einen die Notwendigkeit einer separaten Kühlung, beispielsweise über Anfettung, zumindest verringert, und des Weiteren die Möglichkeit eröffnet, durch Verwendung kostengünstiger Materialien, insbesondere in einem Turboladersystem für die Brennkraftmaschine, die Kosten für deren Herstellung zu reduzieren. Im Vollast-Betrieb muss dabei die Abgasrückführung gekühlt werden, um eine Klopfneigung der Brennkraftmaschine zu senken. Im sogenannten Teillastbetrieb kann es dagegen sinnvoll sein, die mittels der Abgasrückführung in die Brennkraftmaschine rückgeführten Abgase ungekühlt einzuleiten, da sich auf diese Weise die Brennkraftmaschine entdrosseln lässt und eine Verbrennungsgeschwindigkeit bei der Verbrennung eines Kraftstoff-Luftgemisches in der Brennkraftmaschine erhöht wird, was sich günstig auf den Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine auswirken kann.
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Bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen mit herkömmlicher Abgasrückführung erfolgt eine sogenannte gekühlte Abgasrückführung üblicherweise auf der sogenannten Niederdruckseite der Abgasrückführung, d. h. das durch die Brennkraftmaschine erzeugte Abgas wird stromab einer Turbine eines Abgasturboladers der Abgasleitung entnommen und vor dem Verdichter des Abgasturboladers der Frischluftleitung zugeführt. Auf diese Weise kann eine Temperatur im Ansaugrohr der Brennkraftmaschine trotz der Abgasrückführung relativ niedrig gehalten werden, da die Abgasrückführung sowohl durch einen Abgasrückführungs-Kühler als auch durch einen Ladeluft-Kühler gekühlt werden kann.
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Unter bestimmten Umgebungsbedingungen kann jedoch zu Wasser kondensierter Wasserdampf aus dem der Brennkraftmaschine mittels einer Frischluftanlage zuzuführendem Frischgas ausfallen. In analoger Weise kann Wasser auch aus dem der Brennkraftmaschine mittels der Abgasrückführung rückzuführendem Abgas ausfallen.
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Bevorzugt findet ein solcher Kondensationsvorgang dabei im Ladeluft-Kühler der Brennkraftmaschine statt. Im Praxisbetrieb der Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug besteht insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen die Gefahr einer derartigen Kondensation von Wasserdampf in Abgasen.
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Durch das kondensierte Wasser im Abgas kann es zur Versottung und Korrosion verschiedener Bauelemente des Ladeluft-Kühlers kommen. Derartige unerwünschte Effekte können aufgrund des Vorhandenseins von Schwefel-Anteilen in dem der Brennkraftmaschine zuzuführenden Kraftstoff verstärkt auftreten. Im Praxisbetrieb der Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug kann bei besonders niedrigen Umgebungstemperaturen auch noch ein zusätzlich unerwünschter Effekt, nämlich das Ausgefrieren des Kondensats zu Eis, hinzukommen, was zu einer fluidischen Blockade von Teilen des Abgasrückführungssystems führen kann.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführungsform für eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine bereitzustellen, bei der oben genannte Nachteile beseitigt oder zumindest reduziert sind.
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Die oben genannte Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine weist eine Frischluftanlage auf, in der ein Ladeluftkühler zum Zuführen von Frischluft in die Brennkraftmaschine angeordnet ist. Des Weiteren weist die Brennkraftmaschine eine Abgasanlage zum Abführen von Abgas von der Brennkraftmaschine sowie zumindest einen Abgasturbolader auf, welcher einen in der Frischluftanlage stromauf des Ladeluftkühlers angeordneten Verdichter und eine in der Abgasanlage angeordnete Turbine aufweist.
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Erfindungsgemäß umfasst die Brennkraftmaschine weiterhin eine Hochdruck-Abgasrückführungsleitung zum wenigstens teilweisen Rückführen von Abgas aus der Abgasanlage in die Frischluftanlage, wobei die Hochdruck-Abgasrückführungsleitung stromauf der Turbine des Abgasturboladers von der Abgasanlage abzweigt, ein Hochdruck-Abgasrückführungsventil aufweist und stromab des Ladeluftkühlers in die Frischluftanlage mündet. Ebenso weist die Brennkraftmaschine erfindungsgemäß eine Niederdruck-Abgasrückführungsleitung mit einem Abgasrückführungs-Kühler zum wenigstens teilweisen Rückführen von Abgas aus der Abgasanlage in die Frischluftanlage auf, wobei die Niederdruck-Abgasrückführungsleitung stromab der Turbine des Abgasturboladers von der Abgasanlage abzweigt, ein Niederdruck-Abgasrückführungsventil aufweist und stromauf des Verdichters des Abgasturboladers in einem Mündungspunkt in die Frischluftanlage mündet. Schließlich weist die Brennkraftmaschine erfindungsgemäß eine Kondensat-Sammeleinrichtung zur Aufnahme eines Kondensats auf, wobei die Kondensat-Sammeleinrichtung in dem Mündungspunkt oder stromab des Mündungspunkts angeordnet ist.
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Mittels der Kondensat-Sammeleinrichtung ist es erfindungsgemäß möglich, im Zusammenhang mit der Abgasrückführung ausgefallenes Wasser gezielt in einer dafür vorgesehenen Sammeleinrichtung, nämlich der erfindungsgemäßen Kondensat-Sammeleinrichtung, zu sammeln. Auf diese Weise wird zunächst verhindert, dass aus Abgas bzw. aus Frischluft zu Wasser kondensierter Wasserdampf sich unerwünschterweise in anderen Teilen der Abgas-Rückführung der Brennkraftmaschine ausbildet und dort zu Fehlfunktionen in der Brennkraftmaschine oder sogar zu einer Beschädigung der Brennkraftmaschine führen kann. Eine unerwünschte Korrosion oder Versottung des Ladeluftkühlers durch als Kondensat ausgefallenes Wasser kann auf diese Weise ebenfalls weitgehend verhindert oder zumindest stark reduziert werden.
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Entsprechendes gilt für eine unerwünschte Vereisung, wenn ausgefallenes Wasser aufgrund von niedrigen Umgebungstemperaturen zu Eis ausgefriert. Dies gilt auch für andere Komponenten der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, insbesondere im Bereich der Frischluftanlage der Brennkraftmaschine.
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In einer technisch besonders einfach zu realisierenden Ausführungsform kann die Kondensat-Sammeleinrichtung als Sammelbehälter ausgebildet sein. Auf diese Weise können die Herstellungskosten der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine reduziert werden.
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Um zu verhindern, dass eine Menge an in der Kondensat-Sammeleinrichtung kondensiertem Gas einen Maximalwert überschreitet, kann in einer weiterbildenden Ausführungsform daran gedacht sein, dass die Kondensat-Sammeleinrichtung so in den Mündungspunkt oder in die Frischluftanlage eingebunden ist, dass in der Kondensat-Sammeleinrichtung gesammeltes Kondensat mittels des durch die Niederdruck- oder Hochdruck-Abgasrückführungsleitung rückgeführten Abgases wenigstens teilweise verdampfbar ist. Dies bedeutet, dass in der Kondensat-Sammeleinrichtung als Kondensat ausgefallener Wasserdampf mittels der thermischen Energie der durch die Niederdruck- oder Hochdruck-Abgasrückführungsleitung rückgeführten Abgase wenigstens teilweise wieder verdampft werden kann.
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In einer weiterbildenden Ausführungsform ist zum Einstellen eines Verdampfungsgrads des in der Kondensat-Sammeleinrichtung kondensierten Wasserdampfs eine Menge an Abgas, welche mittels der Hochdruck-Abgasrückführungsleitung rückgeführt wird, variierbar. Folglich kann durch eine Variation einer über die Niederdruck- oder Hochdruck-Abgasrückführungsleitung rückgeführten Menge an Abgas gezielt ein Wiederverdampfungsvorgang für das in der Kondensat-Sammeleinrichtung als Wasser ausgefallenen Wasserdampfs gesteuert werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann die Brennkraftmaschine eine Steuerungseinrichtung aufweisen zum Einstellen einer ersten oder/und zweiten Menge an Abgasen. Dabei entspricht die erste Menge an Abgas derjenigen Menge, welche mittels der Hochdruck-Abgasrückführungsleitung rückgeführt wird. Entsprechend ist die zweite Menge diejenige Menge, welche mittels der Niederdruck-Abgas-Rückführungsleitung rückgeführt wird. Die erste und zweite Menge an Abgas ist vorzugsweise mittels des Hochdruck-Abgasrückführungsventils bzw. mittels des Niederdruck-Abgasrückführungsventils einstellbar. Mittels der Steuerungseinrichtung kann also reguliert werden, welche Menge an Abgas über die Hochdruck-Abgasrückführungsleitung bzw. über die Niederdruck-Abgasrückführungsleitung rückgeführt wird. Da ein über die Hochdruck-Abgasrückführungsleitung rückgeführtes Abgas eine deutlich höhere Temperatur aufweist als ein über die Niederdruck-Abgasrückführungsleitung rückgeführtes Abgas, lässt sich auf diese Weise die Temperatur und damit auch die thermische Energie des durch die Kondensat-Sammeleinrichtung strömenden Abgases einstellen. Da der Verdampfungsgrad beim Verdampfen von Wasser in dem Kondensat-Sammelbehälter wesentlich von der Temperatur des Abgases abhängt, lässt sich durch eine einstellbare Aufteilung von Abgas auf die Niederdruck- bzw. Hochdruck-Abgasrückführungsleitung auf elegante Weise regulieren, inwieweit ein in der Kondensat-Sammeleinrichtung ausgefallenes Kondensat durch thermische Wechselwirkung mit dem die Kondensat-Sammeleinrichtung durchströmenden Abgas wieder verdampft werden soll.
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Für den Fall, dass trotz der Bereitstellung einer erfindungsgemäßen Kondensat-Sammeleinrichtung dennoch Kondensat, insbesondere Wasser, in dem Niederdruck- oder/und Hochdruck-Abgasrückführungsventil ausfallen sollte, welches im ungünstigsten Falle in dem Niederdruck- oder/und Hochdruck-Abgasrückführungsventil ausgefrieren und dieses somit fluidisch blockieren kann, wird im Folgenden eine spezielle Ausführungsform für ein Niederdruck- oder/und Hochdruck-Abgasrückführungsventil (im Folgenden als ”Ventilvorrichtung” bezeichnet) beschrieben, welche bereits als solche selbständig schutzfähig ist, und bei der die Gefahr einer fluidischen Blockade durch zu Eis ausgefrorenes Wasser weitgehend beseitigt ist.
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Eine derartig ausgebildete Ventilvorrichtung basiert auf dem allgemeinen Gedanken, dass in der Ventilvorrichtung neben einem Hauptströmungskanal zusätzlich ein Nebenströmungskanal bereitgestellt wird, welcher im Falle einer Vereisung des Hauptströmungskanals und einer damit verbundenen fluidischen Blockade des Hauptströmungskanals als eine Art ”Bypass”-Kanal verwendet werden kann. Entsprechend weist eine solche Ventilvorrichtung einen Hauptströmungskanal auf, der vorzugswese im Wesentlichen rohrförmig ausgebildet ist und ferner eine erste Fluid-Zuführungsöffnung mit einer ersten Querschnittsfläche zum Zuführen eines Fluids in den ersten Strömungskanal aufweist. Ferner umfasst die erfindungsgemäße Ventilvorrichtung einen innerhalb des Hauptströmungskanals angeordneten Nebenströmungskanal, welcher vorzugsweise ebenfalls im Wesentlichen rohrförmig ausgebildet ist. Der Hauptströmungskanal weist nun eine erste Fluid-Zuführungsöffnung zum Zuführen eines Fluids in den Hauptströmungskanal mit einer ersten Querschnittsfläche auf, und entsprechend weist der Nebenströmungskanal eine zweite Fluid-Zuführungsöffnung mit einer zweiten Querschnittsfläche zum Zuführen des Fluids in den Nebenströmungskanal auf.
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In einem normalen Betriebszustand der Ventilvorrichtung strömt Fluid durch den Hauptströmungskanal der Ventilvorrichtung, nicht aber durch den Nebenströmungskanal. Um demnach ein Durchströmen des Nebenströmungskanals mit einem Fluid in dem normalen Betriebszustand zu verhindern, weist die Ventilvorrichtung einen Steuerkörper auf, mittels welchem sowohl die erste als auch die zweite Fluid-Zuführungsöffnung wahlweise verschlossen oder wenigstens teilweise geöffnet werden kann. In dem normalen Betriebszustand ist die zweite Fluid-Zuführungsöffnung des Nebenströmungskanals mittels des Steuerkörpers verschlossen, während die erste Fluid-Zuführungsöffnung in dem normalen Betriebszustand zwischen einem geöffneten und einem geschlossenen Zustand verstellt werden kann. In dem normalen Betriebszustand wirkt also die Ventilvorrichtung als herkömmliches Ventil, indem die erste Fluid-Zuführungsöffnung mittels des Steuerkörpers verschlossen oder geöffnet wird. Auch Zwischenzustände zwischen dem geöffneten und dem geschlossenen Zustand sind vorstellbar.
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In einem von dem normalen Betriebszustand abweichenden sog. ”Vereisungsmodus” ist es nun möglich, mittels des Steuerkörpers auch die zweite Fluid-Zuführungsöffnung des Nebenströmungskanals zu öffnen. Dies wird erforderlich, wenn sich in einem Einlassbereich der ersten Fluid-Zuführungsöffnung zu Wasser kondensierter Wasserdampf angesammelt hat und zu Eis ausgefroren ist, was in einem Praxisbetrieb der Ventilvorrichtung in der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine der Fall sein kann. Eine derartige Eisbildung, insbesondere im Bereich der Hauptströmungskanals, kann in dem normalen Betriebszustand der Ventilvorrichtung zu einer vollständigen fluidischen Blockade des Hauptströmungskanals führen. Durch ein Öffnen des innerhalb des Hauptströmungskanals angeordneten Nebenströmungskanals mittels des Steuerkörpers kann ein fluidischer Ersatzkanal bereitgestellt werden, durch welchen das Abgas die Ventilvorrichtung durchströmen kann, solange der Hauptströmungskanal wegen Vereisung blockiert ist.
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Für den Fall, dass die Ventilvorrichtung von Abgasen durchströmt wird, kann das in dem Hauptströmungskanal ausgebildete Eis mittels der nun durch den Nebenströmungskanal strömenden Abgase erwärmt und im Idealfall vollständig zum Schmelzen gebracht werden. Sobald durch das Schmelzen des in dem Hauptströmungskanal gebildeten Eises der Hauptströmungskanal wieder fluidisch freigegeben ist, kann der Steuerkörper den Nebenströmungskanal wieder verschließen, was einem Umschalten der Ventilvorrichtung von dem ”Vereisungsmodus” in den normalen Betriebszustand entspricht.
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Nun wieder bezugnehmend auf die Kondensat-Sammeleinrichtung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, kann, um auf einfache Art und Weise bestimmen zu können, welche Menge an kondensiertem Gas in der Kondensat-Sammeleinrichtung angefallen ist, die Brennkraftmaschine in einer weiterbildenden Ausführungsform eine Kondensat-Messeinrichtung zum Bestimmen einer Menge an Kondensat in der Kondensat-Sammeleinrichtung aufweisen. Grundsätzlich kann es sich bei einer solchen Messeinrichtung um einen herkömmlichen Flüssigkeitssensor handeln.
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In einer weiterbildenden Ausführungsform kann eine erste und/oder zweite Menge an Abgas mittels der Steuerungseinrichtung nun in Abhängigkeit von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine einstellbar sein. Alternativ oder zusätzlich kann gemäß der weiterbildenden Ausführungsform die erste oder/und zweite Menge an Abgas mittels der Steuerungseinrichtung in Abhängigkeit von der mittels der Kondensat-Messeinrichtung bestimmten Menge an Kondensat in der Kondensat-Sammeleinrichtung einstellbar sein. In ersterem Fall erfolgt in einem ersten Betriebszustand der Brennkraftmaschine das Rückführen des Abgases im Wesentlichen über die Niederdruck-Abgasrückführungsleitung. Der erste Betriebszustand kann dabei insbesondere ein Volllast-Betriebszustand der Brennkraftmaschine sein, in welchem durch Rückführung von Abgas über die Niederdruck-Abgasrückführungsleitung eine Klopfneigung der Brennkraftmaschine weitgehend vermieden und die Temperatur des rückgeführten Abgases mittels des Abgasrückführungs-Kühlers relativ niedrig gehalten werden kann. In einem zweiten Betriebszustand der Brennkraftmaschine, der insbesondere ein Teillast-Betriebszustand der Brennkraftmaschine sein kann, erfolgt die Rückführung des Abgases dann im Wesentlichen über die Hochdruck-Abgasrückführungsleitung, so dass die Brennkraftmaschine mittels der ungekühlten Abgase aus der Hochdruck-Abgasrückführungsleitung entdrosselt werden kann.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann die Brennkraftmaschine, insbesondere temporär, in den zweiten Betriebszustand umgeschaltet werden, wenn mittels der Kondensat-Messeinrichtung bestimmt wird, dass eine in der Kondensat-Sammeleinrichtung bestimmte Menge an Kondensat einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet. Durch das Umschalten in den zweiten Betriebszustand, in welchem das Rückführen des Abgases im Wesentlichen über die Hochdruck-Abgasrückführungsleitung erfolgt (Volllast-Betriebszustand der Brennkraftmaschine), kann erreicht werden, dass das die Kondensat-Sammeleinrichtung durchströmende Abgas eine besonders hohe Abgas-Temperatur aufweist, was einen Verdampfungsprozess des in der Kondensat-Sammeleinrichtung angefallenen Kondensats unterstützt, so dass auf diese Weise die Menge an in der Kondensat-Sammeleinrichtung angefallenem Kondensat reduziert werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Brennkraftmaschine, insbesondere temporär, in den zweiten Betriebszustand umgeschaltet, wenn mittels der Kondensat-Messeinrichtung bestimmt wird, dass eine in der Kondensat-Sammeleinrichtung bestimmten Menge an Kondensat einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben der vorangehend erläuterten Brennkraftmaschine, gemäß welchem in einem ersten Betriebszustand der Brennkraftmaschine das Rückführen des Abgases im Wesentlichen nur über die Niederdruck-Abgasrückführungsleitung erfolgt, und gemäß welchem in einem zweiten Betriebszustand der Brennkraftmaschine das Rückführen des Abgases im Wesentlichen nur über die Hochdruck-Abgasrückführungsleitung erfolgt.
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In einer weiterbildenden Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist die Steuerungseinrichtung der Brennkraftmaschine zur Ausführung des oben erläuterten Betriebsverfahren ausgebildet oder/und programmiert.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch:
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1 Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine,
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2 Eine Detaildarstellung eines Hochdruck- bzw. Niederdruck-Abgasrückführungsventils der Brennkraftmaschine der 1.
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In der 1 ist eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit 1 bezeichnet. Die Brennkraftmaschine 1 umfasst eine Frischluftanlage 2, in der ein Ladeluftkühler 3 angeordnet ist. Mittels der Frischluftanlage 2 kann der Brennkraftmaschine 1 Frischluft zugeführt werden. Die Brennkraftmaschine 1 umfasst ferner eine Abgasanlage 4 zum Abführen von Abgas aus der Brennkraftmaschine 1 sowie einen Abgasturbolader 5, welcher einen in der Frischluftanlage 2 stromauf des Ladeluftkühlers 3 angeordneten Verdichter 6 und eine in der Abgasanlage 4 angeordnete Turbine 7 aufweist. Die Brennkraftmaschine 1 weist ferner eine Hochdruck-Abgasrückführungsleitung 8 zum wenigstens teilweisen Rückführen von Abgas aus der Abgasanlage 4 in die Frischluftanlage 2 auf. Die Hochdruck-Abgasrückführungsleitung 8 zweigt stromauf der Turbine 7 des Abgasturboladers 5 von der Abgasanlage 4 ab. Die Hochdruck-Abgasrückführungsleitung 8 weist ferner ein Hochdruck-Abgasrückführungsventil 9 auf und mündet stromab des Ladeluftkühlers 3 in die Frischluftanlage 2. Zusätzlich zu der Hochdruck-Abgasrückführungsleitung 9 umfasst die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 des Weiteren eine Niederdruck-Abgasrückführungsleitung 10 mit einem Abgasrückführungs-Kühler 11 zum wenigstens teilweisen Rückführen von Abgas aus der Abgasanlage 4 in die Frischluftanlage 2. Die Niederdruck-Abgasrückführungsleitung 10 weist ein Niederdruck-Abgasrückführungsventil 12 auf und mündet stromauf des Verdichters 6 des Abgasturboladers 5 in einem Mündungspunkt 13 in die Frischluftanlage 2.
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Des Weiteren weist die Brennkraftmaschine 1 erfindungsgemäß eine Kondensat-Sammeleinrichtung 14 zur Aufnahme eines Kondensats auf. Ein solches Kondensat kann zu Wasser kondensierter Wasserdampf aus dem aus der Brennkraftmaschine 1 abgeführten Abgas oder/und aus der der Brennkraftmaschine 1 zuzuführenden Frischluft sein. Ein solches Kondensat kann dabei auch bei der Rückführung von Abgas über die Hochdruck-Abgasrückführungsleitung 8 oder über die Niederdruck-Abgasrückführungsleitung 10 ausfallen, in letzterem Fall insbesondere beim Durchströmen des Abgas-Rückführungskühler 11 oder des Ladeluft-Kühlers 3.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist die Kondensat-Sammeleinrichtung 14 in dem Mündungspunkt 13 angeordnet. Auf diese Weise ist insbesondere sichergestellt, dass sowohl in der Hochdruck-Abgasrückführungsleitung 8 als auch in der Niederdruck-Abgasrückführungsleitung 10 ausgefallenes Wasser von der Kondensat-Sammeleinrichtung aufgenommen werden und dort gesammelt werden kann.
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In einer zum ersten Ausführungsbeispiel alternativen Variante kann die Kondensat-Sammeleinrichtung 14' auch stromab des Mündungspunkts 13 angeordnet sein, was in der Darstellung gemäß der 1 mittels gestrichelter Linien zum Ausdruck gebracht ist. Auch in diesem alternativen Ausführungsbeispiel ist sichergestellt, dass sowohl in der Hochdruck-Abgasrückführungsleitung 8 als auch in der Niederdruck-Abgasrückführungsleitung 10 ausgefallenes Wasser von der Kondensat-Sammeleinrichtung 14' aufgenommen und in dieser gesammelt werden kann. Die Kondensat-Sammeleinrichtung 14, 14' kann vorzugsweise als Sammelbehälter ausgebildet sein.
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Die Kondensat-Sammeleinrichtung 14, 14' ist nun so in den Mündungspunkt 13 oder in die Frischluftanlage 2 eingebunden, dass das in der Kondensat-Sammeleinrichtung 14, 14' ausgefallene Wasser wieder verdampft werden kann, und zwar durch thermische Wechselwirkung mit dem die Kondensat-Sammeleinrichtung 14, 14' durchströmenden Abgas bzw. mit der die Kondensat-Sammeleinrichtung 14, 14' durchströmenden Frischluft.
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Vorzugsweise ist dabei zum Einstellen eines Verdampfungsgrads des in der Kondensat-Sammeleinrichtung 14, 14' gesammelten Kondensats (vorzugweise Wasser) eine Menge an Abgas, welche mittels der Hochdruck-Abgasrückführungsleitung 8 oder der Niederdruck-Abgasrückführungsleitung 10 rückgeführt wird, variierbar. Diese Menge lässt sich wiederum mittels des Hochdruck-Abgasrückführungsventils 9 und des Niederdruck-Abgasrückführungsventils 12 einstellen.
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Im Extremfall eines vollständig geschlossenen Hochdruck-Abgasrückführungsventils 9 wird aus der Brennkammer 25 abgeführtes Abgas nur mittels der Niederdruck-Abgasrückführungsleitung 10 in die Brennkraftmaschine 1 zurückgeführt. Da mittels der Hochdruck-Abgasrückführungsleitung 8 in die Brennkraftmaschine 1 rückgeführtes Abgas im Vergleich zu einem über die Niederdruck-Abgasrückführungsleitung 10 rückgeführten Abgas eine relative hohe Temperatur aufweist, ist das derart rückgeführte Abgas besonders gut dazu geeignet, in der Kondensat-Sammeleinrichtung 14, 14' gesammeltes Wasser durch thermische Wechselwirkung wieder zu verdampfen. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Mündung 13 durchströmt das über die Hochdruck-Abgasrückführungsleitung 8 rückgeführte Abgas vor dem Eintritt in die Brennkammer 25 vollständig die Kondensat-Sammeleinrichtung 14, 14', in welcher das zu verdampfende Kondensat angesammelt ist.
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Die Brennkraftmaschine 1 kann nun ferner eine Steuerungseinrichtung 15 aufweisen zum Einstellen einer ersten Menge an Abgas, welche mittels der Hochdruck-Abgasrückführungsleitung 8 rückgeführt wird, und zum Einstellen einer zweiten Menge an Abgas, welche mittels der Niederdruck-Abgasrückführungsleitung 10 rückgeführt wird. Hierzu steht die Steuerungseinrichtung 15 mit dem Hochdruck-Abgasrückführungsventil 9 und dem Niederdruck-Abgasrückführungsventil 12 in Wirkverbindung, was in der Darstellung der 1 schematisch durch die gestrichelten Linien 16, 17 angedeutet ist. Mittels der Steuerungseinrichtung 15 kann dabei ein Öffnungsgrad sowohl des Hochdruck-Abgasrückführungsventils 9 als auch des Niederdruck-Abgasrückführungsventils 12 eingestellt werden.
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In einer Variante kann die Brennkraftmaschine 1 eine Kondensat-Messeinrichtung 18 aufweisen, mittels welcher eine Menge an in der Kondensat-Sammeleinrichtung 14, 14' angesammeltem Kondensat bestimmt werden kann. Die Kondensat-Messeinrichtung 18 kann mit der Steuerungseinrichtung 15 in Kommunikationsverbindung (vgl. gestrichelte Linie 19 in der 1) stehen, so dass die mittels der Kondensat-Messeinrichtung 18 bestimmte Menge an Kondensat der Steuerungseinrichtung 15 übermittelt werden kann. Es ist klar, dass in einer Variante des Ausführungsbeispiels die Steuerungseinrichtung 15 auch die Kondensat-Messeinrichtung 18 umfassen kann. Die Kondensat-Messeinrichtung kann insbesondere in der Art eines herkömmlichen Flüssigkeitssensors ausgebildet sein.
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Mittels der Steuerungseinrichtung 15 kann nun die erste und zweite Menge an Abgas in Abhängigkeit von einem momentanen Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 eingestellt werden. Das bedeutet, dass mittels der Steuerungseinrichtung 15, welche eine Ansteuerung sowohl des Hochdruck-Abgasrückführungsventils 8 als auch des Niederdruck-Abgasrückführungsventils 12 ermöglicht, jeweils die Menge an durch die Hochdruck-Abgasrückführung 8 bzw. die Niederdruck-Abgasrückführung 10 rückgeführte Menge an Abgas eingestellt werden kann. Ein erster Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 kann dabei ein sogenannter Volllast-Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 sein, in welchem das rückzuführende Abgas aufgrund seiner sehr hohen Temperatur gekühlt werden muss, um eine Klopfneigung der Brennkraftmaschine zu reduzieren. Daher erfolgt in dem ersten Betriebszustand die Rückführung des Abgases im Wesentlichen über die Niederdruck-Abgasrückführungsleitung 10, in welcher der Abgasrückführungskühler 11 zur Kühlung des Abgases angeordnet ist. Im ersten Betriebszustand wird mittels der Steuerungseinrichtung 15 also das Niederdruck-Abgasrückführungsventil 12 weitgehend geöffnet und das Hochdruck-Abgasrückführungsventil 9 weitgehend geschlossen.
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Entsprechend erfolgt in einem zweiten Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 das Rückführen des Abgases im Wesentlichen über die Hochdruck-Abgasrückführungsleitung 8. Der zweite Betriebszustand kann dabei insbesondere ein Teillast-Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 sein, in welchem eine Temperatur des aus der Brennkammer 25 austretenden Abgases relativ gering ist, so dass eine zusätzliche Kühlung des Abgases mittels des Abgasrückführungskühlers 11 nicht unbedingt erforderlich ist. Folglich kann eine Rückführung des Abgases im Wesentlichen über die Hochdruck-Abgasrückführungsleitung 8 erfolgen. Entsprechend wird mittels der Steuerungseinrichtung 15 in dem zweiten Betriebszustand das Hochdruck-Abgasrückführungsventil 9 weitgehend geöffnet und das Niederdruck-Abgasrückführungsventil 12 weitgehend geschlossen. In dem zweiten Betriebszustand wird eine Verdampfung von in der Kondensat-Sammeleinrichtung 14, 14' angesammeltem Kondensat, insbesondere von Wasser, besonders stark unterstützt, da das die Sammeleinrichtung 14, 14' durchströmende Abgas eine besonders hohe Temperatur aufweist, da es ja im Wesentlichen über die Hochdruck-Abgasrückführungsleitung 8 rückgeführt wird.
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Nun kann in einer Variante des Ausführungsbeispiels daran gedacht sein, dass mittels der Steuerungseinrichtung 15 in Abhängigkeit von der mittels der Kondensat-Messeinrichtung 18 bestimmten Menge an Kondensat die oben definierte erste und zweite Menge an Abgas gezielt eingestellt werden kann. Auf diese Weise kann in der Kondensat-Sammeleinrichtung 14, 14' angesammeltes Wasser bei Bedarf gezielt verdampft werden, beispielsweise wenn die Kondensat-Sammeleinrichtung 14, 14' bereits vollständig mit Kondensat gefüllt ist und daher kein weiteres Kondensat mehr aufnehmen kann. Um in diesem Fall eine effektive und schnelle Verdampfung des Kondensats bewirken zu können, wird die erste Menge an Abgas, welche mittels der Hochdruck-Abgasrückführungsleitung 8 rückgeführt wird, entsprechend groß gewählt, was durch eine weitgehende Öffnung des Hochdruck-Abgasrückführungsventils 9 und eine dazu komplementäre weitgehende Schließung des Niederdruck-Abgasrückführungsventils 12 erreicht werden kann.
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In einer weiterbildenden Variante des Ausführungsbeispiels kann die Brennkraftmaschine 1 dabei derart ausgebildet sein, dass sie temporär in den zweiten Betriebszustand umgeschaltet wird, wenn mittels der Kondensat-Messeinrichtung 18 bestimmt wird, dass eine in der Kondensat-Sammeleinrichtung 14, 14' bestimmte Menge an Kondensat einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet. Durch das Umschalten in den zweiten Betriebszustand wird, wie oben erläutert, eine Verdampfung von Kondensat in der Kondensat-Sammeleinrichtung dann gezielt gefördert, so dass das in der Kondensat-Sammeleinrichtung 14, 14' befindliche Kondensat relativ schnell wieder verdampft werden kann. Auf diese Weise wird eine unerwünschte Überschreitung des vorbestimmten Schwellwerts vermieden.
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In einer Variante der Brennkraftmaschine 1 kann stromab des Verdichters 6 eine Drosselklappe angeordnet sein.
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In der Darstellung der 2a ist nun eine weiterbildende Variante des erfindungsgemäßen Niederdruck- bzw. Hochdruck-Abgasrückführungsventils 12, 9 (im Folgenden als ”Ventilvorrichtung” mit dem Bezugszeichen 100 bezeichnet) erläutert, mittels welchem durch Bereitstellung eines sogenannten ”Enteisungsmodus” weitgehend ausgeschlossen werden kann, dass die Ventilvorrichtung durch Vereisung vollständig fluidisch blockiert wird.
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Für den Fall, dass die Ventilvorrichtung 100 beispielsweise im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz gebracht wird, kann beim Auftreten von relativ niedrigen Umgebungstemperaturen trotz der Verwendung der Kondensat-Sammeleinrichtung 14, 14' zum gezielten Sammeln von aus Abgasen ausgefallenem Kondensat unter Umständen Wasser auch in dem erfindungsgemäßen Niederdruck- bzw. Hochdruck-Abgasrückführungsventil 12, 9 ausfallen und – bei hinreichend tiefen Umgebungstemperaturen – sogar zu Eis ausgefrieren, was zu einer unerwünschten fluidischen Blockade der Ventile führen kann.
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Um eine solche unerwünschte fluidische Blockade zu verhindern, kann die vorgeschlagene Ventilvorrichtung 100 einen, vorzugsweise rohrförmig ausgebildeten, Hauptströmungskanal 102 umfassen. Der Hauptströmungskanal 102 weist dabei eine Fluid-Zuführungsöffnung 103 mit einer ersten Querschnittsfläche auf, welche in der Darstellung der 1 durch die Linie mit dem Bezugszeichen 104 gekennzeichnet ist. Über die erste Fluid-Zuführungsöffnung 103 kann Abgas aus der Brennkraftmaschine 1 dem Hauptströmungskanal 102 zugeführt werden.
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Innerhalb des Hauptströmungskanals 102 ist ein ebenfalls rohrförmig ausgebildeter Nebenströmungskanal 105 angeordnet. Der Nebenströmungskanal 105 weist dabei eine zweite Fluid-Zuführungsöffnung 106 mit einer zweiten Querschnittsfläche auf, die in der 2a durch die Linie mit dem Bezugszeichen 107 angedeutet ist. Über die zweite Fluid-Zuführungsöffnung 106 kann das Abgas dem Nebenströmungskanal 105 zugeführt werden. Aus der Darstellung der 2a folgt unmittelbar, dass die erste Fluid-Zuführungsöffnung 103 die zweite Fluid-Zuführungsöffnung 106 ringförmig umgibt. Es ist aber klar, dass in Varianten des Ausführungsbeispiels zahlreiche Varianten hinsichtlich der Geometrie von Haupt- und Nebenströmungskanal möglich sind, die insbesondere auch von dem in der 2a dargestellten rohrförmigen Aufbau abweichen können.
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Die Ventilvorrichtung 100 der 2a umfasst nun ferner einen Steuerkörper 117, mittels welchem sowohl die erste als auch die zweite Fluid-Zuführungsöffnung 103, 106 des Hauptströmungs- bzw. Nebenströmungskanals 102, 105 verschlossen oder wenigstens teilweise geöffnet werden kann.
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Hierzu ist der Steuerkörper 117 in eine Axialrichtung A (vgl. Pfeil in der 1) zwischen drei verschiedenen Positionen bewegbar. In der in der 2a gezeigten Position ist sowohl die erste als auch die zweite Fluid-Zuführungsöffnung 103, 106 von Haupt- und Nebenströmungskanal 102, 105 fluidisch verschlossen, so dass über einen Einlassbereich 111 der Ventilvorrichtung 100, in der sowohl mit dem Haupt- als auch mit dem Nebenströmungskanal 102, 105 in Fluidverbindung steht, weder dem Haupt- noch dem Nebenströmungskanal 102, 105 Abgas zugeführt werden kann.
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Zum Verschließen der ersten und zweiten Fluid-Zuführungsöffnung 103, 106 weist der Steuerkörper 117 einen zylindrisch ausgebildeten Grundkörper 108 mit einem ersten und einem zweiten Endabschnitt 109, 110 auf. In der in der 2a gezeigten ersten Position ist der zylindrische Grundkörper 108 nahezu vollständig in dem Nebenströmungskanal 105 angeordnet. An dem ersten Endabschnitt 109 des Grundkörpers 108 ist ein erstes Verschlusselement 112 angebracht, welches wie in der 2a gezeigt scheibenartig ausgebildet sein kann. In der in 1 gezeigten Position des Steuerkörpers 117 wird die erste Fluid-Zuführungsöffnung 103 durch das erste Verschlusselement 112 vollständig fluidisch verschlossen. Wie aus der Darstellung der 2a unmittelbar ersichtlich, verschließt das erste Verschlusselement 112 in dieser Position automatisch auch die zweite Fluid-Zuführungsöffnung 106 fluiddicht. Des Weiteren ist an dem zweiten Endabschnitt 110 des Grundkörpers 108 auch ein zweites Verschlusselement 113 angebracht, welches in der in 2a gezeigten Position den Nebenströmungskanal 105 zusätzlich zu dem ersten Verschlusselement 112 fluiddicht verschließt.
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In der Darstellung der 2b ist die Ventilvorrichtung 100 nun in einer zweiten Position gezeigt, welche ebenfalls in dem normalen Betriebszustand der Ventilvorrichtung 100 eingestellt werden kann, und in welcher (im Gegensatz zur ersten Position) die erste Fluid-Zuführungsöffnung 103 geöffnet ist, so dass Fluid aus dem Einlassbereich 111 in den Hauptströmungskanal 102 eindringen kann, was in der 2b durch Strömungspfeile mit dem Bezugszeichen 114 angedeutet ist. Das Abgas kann nach dem Durchströmen des Hauptströmungskanals 102 die Ventilvorrichtung 100 in einem Auslassbereich 122 wieder verlassen. In der in 2b gezeigten zweiten Position ist der Nebenströmungskanal 105 immer noch mittels des zweiten Verschlusselements 113 (ebenso wie in der in der 1 gezeigten) ersten Position fluiddicht verschlossen, so dass Abgas ausschließlich dem Hauptströmungskanal 102, nicht jedoch dem Nebenströmungskanal 105 zugeführt werden kann.
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Die in den 2a bzw. 2b gezeigte erste bzw. zweite Position entspricht, wie bereits erläutert, einem normalen Betriebszustand der Ventilvorrichtung. Durch ein Bewegen des Steuerkörpers 117 zwischen der ersten und der zweiten Position kann dabei der Hauptströmungskanal 102 zum Durchströmen mit dem Abgas geöffnet bzw. bei Bedarf wieder verschlossen werden. Ein Öffnungsgrad der ersten Fluid-Zuführungsöffnung 103 kann dabei durch eine Bewegung des Steuerkörpers 117 ausgehend von der in der 2b gezeigten zweiten Position in Richtung des Pfeils 117 weiter vergrößert werden. Denn ein solches Bewegen des ersten Verschlusselements 112 in die Axialrichtung A führt zu einer Vergrößerung eines Öffnungsbereichs 121 der Ventilvorrichtung 117. Die Bewegung des Steuerkörper 117 kann dabei bis zu einer Position des Steuerkörpers 117 fortgesetzt werden, in welcher das zweite Verschlusselement 113 den Nebenströmungskanal 105 gerade noch verschließt (in der 2b nicht gezeigt).
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Beim Auftreten von relativ niedrigen Umgebungstemperaturen des die Ventilvorrichtung 100 durchströmendes Abgases einer kann nun Wasser aus dem Abgas ausfallen, im Bereich 119 der ersten Fluid-Zuführungsöffnung 103 des Hauptströmungskanals 102 ausgefrieren und im ungünstigsten Fall auf diese Weise den gesamten Hauptströmungskanal 102 fluidisch blockieren, so dass kein Abgas mehr durch den Hauptströmungskanal 102 fließen kann.
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Diese Situation ist schematisch nun in der 2c gezeigt, in welcher der Hauptströmungskanal 102 durch Eis 118 fluidisch blockiert ist. Um ein unerwünschtes Anstauen von Abgasen im Einlassbereich 111 der Ventilvorrichtung zu verhindern, so dass in die Ventilvorrichtung 100 eintretendes Fluid, beispielsweise Abgas, diese auch bei Vereisung noch durchströmen kann, wird nun der Steuerkörper 117 in die in der 2c gezeigte dritte Position bewegt, in welcher die zweite Fluid-Zuführungsöffnung 106 nicht mehr durch das zweite Verschlusselement 113 des Steuerkörpers 117 fluidisch geschlossen ist, sondern zum Durchströmen mit dem Fluid (Pfeil 114) freigegeben ist.
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Beim Einsatz der Ventilvorrichtung 100 als Hochdruck-Abgasrückführungsventil 9 oder Niederdruck-Abgasrückführungsventil 12 in der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 1 kann aufgrund der hohen Temperatur des nun durch den Nebenströmungskanal 105 fließenden Abgases das im Hauptströmungskanal 102 gebildete Eis 118 wieder geschmolzen werden, so dass nach kurzer Zeit auch der Hauptströmungskanal 102 wieder zum Durchströmen mit dem Abgas freigegeben werden kann. Dann kann die Ventilvorrichtung 100 wieder in den normalen Betriebszustand (Steuerkörper befindet sich in erster oder zweiter Position oder in einer Zwischenposition zwischen erster und zweiter Position) umgeschaltet werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann nun der Nebenströmungskanal 105 wie in den 2a bis 2c gezeigt in der Art eines Steigrohrs ausgebildet sein. In diesem Fall, in welchem das Steigrohr in einem in die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine eingebauten Zustand in Schwerkraft-Richtung ausgerichtet ist (d. h. die axiale Richtung A weist in Richtung der Schwerkraft), fällt das in der 2c gezeigte Eis 118 zunächst in dem Bodenbereich 119 als Wasser aus, sammelt sich dort, und gefriert in diesem Bereich dann zu Eis aus. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass sich ein eventuell in der Ventilvorrichtung 100 ausbildendes Kondensat in einem definierten Bereich, nämlich dem Bodenbereich 119 der Ventilvorrichtung 100, ansammelt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008043802 A1 [0002]
- DE 102006054227 A1 [0003]
- DE 102008056337 A1 [0004]
- JP 2010-025034 [0005]
- US 2011/0094219 A1 [0006]
