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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor, einem Frischgasstrang, über den dem Verbrennungsmotor Frischgas zugeführt wird, einem Abgasstrang, über den Abgas von dem Verbrennungsmotor abgeführt wird, und einer Kondensatabführung, über die in dem Frischgasstrang anfallendes Kondensat in den Abgasstrang eingeleitet wird.
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Bei Brennkraftmaschinen, insbesondere bei solchen mit aufgeladenen Verbrennungsmotoren kann sich im tiefsten Punkt der Ladeluftstrecke Kondensat aus der Luftfeuchtigkeit, Verbrennungsrückständen oder rückgeführtem Abgas sammeln. Dieses Kondensat kann zu einem Wasserschlag in dem Verbrennungsmotor führen, wenn dieses schlagartig aufgrund mitreißender Ladeluft, Schwappbewegungen oder einer Änderung der Motorlage bei Bergauf- oder Bergabfahrt in Richtung Saugrohr oder Einlasstrakt des Verbrennungsmotors strömt. Ferner kann bei einer Vereisung des Kondensats aufgrund sehr niedriger Außentemperaturen die Ladeluftstrecke blockiert werden. Bei einem Lösen der Vereisung können Eisbrocken den Verbrennungsmotor beschädigen.
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Aus der
DE 102 38 839 A1 ist daher bekannt, das insbesondere in einem Ladeluftkühler der aufgeladenen Brennkraftmaschine anfallende Kondensat über eine Auslassöffnung und eine Kondensatleitung vor den Verdichter in den Frischgasstrang zurückzuführen, wo es infolge der Verdichtung verdampfen soll. Alternativ soll auch möglich sein, die Kondensatleitung stromab in einen Abgasstrang der Brennkraftmaschine münden zu lassen und das Kondensat somit mit dem Abgas abzuführen. Hierbei müsse jedoch sichergestellt sein, dass in dem Abgasstrang ein niedrigerer Druck als in dem Frischgasstrang an der Stelle der Kondensatabführung herrsche, was nicht bei allen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine gegeben sei.
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Eine entsprechende, gattungsgemäße Brennkraftmaschine ist auch aus der
DE 198 04 950 C1 bekannt, wobei dort zusätzlich vorgesehen ist, in die Auslassöffnung eine Blendenanordnung zu integrieren, durch die die Menge der abgeblasenen Ladeluft vernachlässigbar klein gehalten werden könne. Offenbart ist in der
DE 198 04 950 C1 zudem, dass durch die Einspeisung des Kondensats in den Abgasstrom bei jeder Laststufe des Verbrennungsmotors eine effektive Verdampfung entstehe, da nur bei höheren Ladedrücken Kondensat anfalle, wobei dann auch der Abgasmassenstrom und die Abgastemperatur entsprechend groß sei, wodurch sich ein idealer Selbstregeleffekt ergäbe.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine insbesondere hinsichtlich ihres Betriebsverhaltens weiter zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Brennkraftmaschine gemäß dem unabhängigen Patentanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüchen und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass selbst die in der
DE 198 04 950 C1 beschriebene, gattungsgemäße Brennkraftmaschine, bei der die Menge der abgeblasenen Ladeluft durch die Blendenanordnung auf ein Minimum reduziert sei und die sich zudem durch eine vermeintlich ideale Selbstregelung auszeichne, einen negativen Einfluss auf den Betrieb des Verbrennungsmotors haben kann, da unabhängig von der Kondensatbelegung ein permanenter Ladeluftstrom in die Abgasanlage geführt wird, was die Brennraumfüllung des Verbrennungsmotors verschlechtert. Damit kann ein Anstieg des spezifischen Kraftstoffverbrauchs und der entsprechenden Emissionen sowie eine Verringerung der Leistungsabgabe verbunden sein. Da der permanente Ladeluftstrom zudem von der Druckdifferenz zwischen dem Frischgasstrang und dem Abgasstrang abhängig ist, ist keine exakte Korrelation zwischen dem vom Verdichter erzeugten Ladedruck und dem Lambdawert des Abgases möglich. Verstärkt wird diese Problematik dadurch, dass die Auslassöffnung für eine funktionierende Kondensatabfuhr relativ groß ausgeführt sein muss, da das Kondensat regelmäßig nicht nur Wasser sondern auch klebrige Substanzen wie Öl, Ruß und andere Verbrennungsrückstände umfasst.
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Der Erfindung liegt daher unter anderem der Gedanke zugrunde, einen größeren konstruktiven und regelungstechnischen Aufwand in Kauf zu nehmen und von der im Stand der Technik bekannten, permanent offenen Auslegung der Kondensatabfuhr mit der als ideal angesehenen Selbstregulierung abzuweichen und die Kondensatabfuhr vielmehr bedarfsgerecht zu steuern.
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Dieser grundlegende Gedanke der Erfindung wird bei einer gattungsgemäßen Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor, einem Frischgasstrang, über den dem Verbrennungsmotor Frischgas zugeführt wird, einem Abgasstrang, über den Abgas von dem Verbrennungsmotor abgeführt wird, und einer Kondensatabführung, über die an einer Stelle des Frischgasstrangs anfallendes Kondensat in den Abgasstrang eingeleitet wird, dadurch umgesetzt, dass ein die Kondensatabführung verschließendes Sperrventil vorgesehen ist, das durch die Ansteuerung einer Steuereinrichtung geöffnet werden kann.
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Die Kondensatabführung ist demnach standardmäßig geschlossen und das Öffnen, d. h. das tatsächliche Abführen des Kondensats mitsamt eines nicht zu vermeidenden Abblasens von Ladeluft, erfolgt, wenn es erforderlich oder sinnvoll ist. Eine Beeinflussung des Betriebs des Verbrennungsmotors infolge abgeblasener Ladeluft und auch einer Verringerung des Ladedrucks kann dadurch vermieden oder auf ein Minimum reduziert werden.
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Vorzugsweise kann hierfür vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung im Betrieb des Verbrennungsmotors das Sperrventil nur öffnet, wenn der Ladedruck unterhalb eines Grenzwerts liegt, um die durch das Öffnen bedingte Leckage an Frischgas gering zu halten. Anders gesagt, vorzugsweise ist die Steuereinrichtung derart ausgeführt, dass das Sperrventil nur unterhalb eines Grenzwertes für den Ladedruck geöffnet wird. Insbesondere kann die Steuereinrichtung eine Recheneinrichtung mit einem Speicher aufweisen, in welchem ein Programm abgelegt ist, bei dessen wenigstens teilweise Ausführung das Sperrventil geöffnet wird, insbesondere wenn der Grenzwert für den Ladedruck überschritten ist. Dabei liegt der Grenzwert vorzugsweise bei maximal ca. 1800 mbar, besonders bevorzugt bei maximal ca. 1500 mbar Absolutdruck. Alternativ kann auch ein von dem betriebspunktabhängigen Maximalladedruck abhängiger Grenzwert vorgesehen sein, der dann vorzugsweise maximal ca. 30% beträgt.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann zusätzlich eine Diagnoseeinrichtung zur Überwachung des Ist-Ladedrucks in Abhängigkeit von einem Soll-Ladedruck vorsehen, wie sie regelmäßig bei Brennkraftmaschinen in ein System zur Eigenüberwachung, der sogenannten OBD („On-Board-Diagnose”), integriert ist. Erfindungsgemäß kann diese Diagnoseeinrichtung dann dahingehend erweitert werden, dass diese eine Abweichung des Ist-Ladedrucks von dem Soll-Ladedruck bei einem Öffnen des Sperrventils während des Betriebs des Verbrennungsmotors ignoriert, beispielsweise indem diese während des Öffnens des Sperrventils deaktiviert wird. Fehlermeldungen (wie sie OBDs regelmäßig in ein computerauslesbares Fehlerprotokoll schreiben), die auf eine Undichtigkeit des Frischgasstrangs schließen, können dadurch vermieden werden.
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In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann zudem vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung nach Beendigung eines Betriebs des Verbrennungsmotors das Sperrventil öffnet. Dies erfolgt besonders bevorzugt direkt oder kurz nach dem Stillstand des Verbrennungsmotors, um insbesondere bei sehr niedrigen Außentemperaturen ein Gefrieren des Kondensats in der Kondensatabfuhr und insbesondere in dem Sperrventil durch Nutzung der Restwärme der Brennkraftmaschine zu vermeiden.
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Unter bestimmten Betriebsbedingungen, insbesondere im dauerhaften Kurzstreckenbetrieb („Rangierbetrieb”), bei dem der Verbrennungsmotor regelmäßig nicht seine Betriebstemperatur erreicht, und/oder insbesondere in Verbindung mit sehr niedrigen Außentemperaturen kann vorgesehen sein, das Sperrventil trotz angefallenem Kondensat nach der Beendigung des Betriebs des Verbrennungsmotors nicht zu öffnen, da die nur geringe Abwärme der Bauteile ggf. nicht sicherstellen kann, dass nach dem Abführen des Kondensats die Bauteile der Kondensatabfuhr und insbesondere das Sperrventil wieder ausreichend trocknen. Andernfalls könnte, infolge eines Einfrierens im geöffneten Zustand, das Sperrventil beschädigt werden und/oder es zu einer Fehlermeldung in der Diagnoseeinrichtung führen. Regelmäßig fällt unter solchen Betriebsbedingungen jedoch nur vergleichsweise wenig Kondensat an, so dass das fehlende Abführen regelmäßig keine wesentlichen negativen Auswirkungen auf die Verbrennungspozesse in dem Verbrennungsmotor hat.
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Weiterhin bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung das Sperrventil über einen definierten Zeitraum öffnet. Dieser Zeitraum ist vorzugsweise so bemessen, dass die vorliegende Menge an Kondensat gerade abgeführt wird. Insbesondere sollte somit nicht vorgesehen sein, dass das Sperrventil immer geöffnet ist, solange der Ladedruck unterhalb des vorgenannten Grenzwerts liegt und/oder solange der Verbrennungsmotor nicht im Betrieb ist.
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Als weitere Maßnahme zur Reduzierung der Zeit, in der die Kondensatabführung durch Öffnung des Sperrventils aktiviert ist, kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung das Sperrventil nur öffnet, wenn diese anhand von Parametern des vorausgegangenen Betriebs des Verbrennungsmotors auf das Vorliegen von Kondensat und insbesondere eine bestimmte Menge an Kondensat schließt.
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Anhand der Parameter des vorausgegangenen Betriebs des Verbrennungsmotors kann zudem vorgesehen sein, dass der definierte Zeitraum, in dem die Steuereinrichtung das Sperrventil öffnet, angepasst wird, um ein möglichst kurzes Öffnen in Abhängigkeit von der angenommenen Menge an Kondensat zu erreichen.
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Anstelle einer Abschätzung der Kondensatmenge anhand der Parameter des vorausgegangenen Betriebs des Verbrennungsmotors kann (alternativ oder zusätzlich) auch vorgesehen sein, die Menge bzw. das Vorliegen von Kondensat quantitativ und/oder qualitativ mittels geeigneter Sensoren zu messen.
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Kondensat fällt insbesondere bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen an, die somit (mindestens) einen in den Frischgasstrang integrierten Verdichter aufweisen. Demnach können gerade solche Brennkraftmaschine erfindungsgemäß weitergebildet werden.
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Vorzugsweise kann die Brennkraftmaschine dabei von einem Abgasturbolader aufgeladen sein, d. h. diese umfasst (mindestens) eine in den Abgasstrang integrierte Turbine, über die der oder einer der Verdichter mechanisch angetrieben wird. Vorteilhafterweise kann bei einer solchen Brennkraftmaschine vorgesehen sein, dass die Kondensatabführung stromab der (letzten) Turbine (und weiter bevorzugt auch stromab eines letzten Elements einer Abgasnachbehandlungseinrichtung) in den Abgasstrang mündet, um eine Belastung der Turbine(n) (und ggf. der Elemente der Abgasnachbehandlung) durch das Kondensat zu vermeiden.
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Aufgeladene Brennkraftmaschinen weisen regelmäßig einen Ladeluftkühler auf, um einen Füllungsverlust durch eine mit der Aufladung verbundene Erwärmung der Ladeluft durch Rückkühlung der Ladeluft zu vermeiden. Regelmäßig fällt in einem Ladeluftkühler infolge der Abkühlung der Ladeluft vergleichsweise viel Kondensat an, so dass vorzugsweise vorgesehen sein kann, die Kondensatabführung im Bereich des oder (kurz) hinter dem Ladeluftkühler aus dem Frischgasstrang abzweigen zu lassen. Insbesondere bei wassergekühlten Ladeluftkühlern kann jedoch ein Abzweig an einer beliebigen anderen Stelle des Frischgasstrangs hinter dem Verdichter – sofern vorgesehen – sein.
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Grundsätzlich sollte die Abzweigung an der (bezogen auf die Richtung der Schwerkraft bei waagerecht stehender Brennkraftmaschine) tiefsten Stelle des Frischgasstrangs oder konkret des Ladeluftkühlers, zumindest jedoch in einem Bereich, der gegenüber dem umgebenen Bereich tiefer ausgebildet ist, erfolgen. Die Ausgestaltung der Komponenten des Frischgasstrangs kann hierzu auch so vorgesehen sein, dass ein Auffangbecken für das Kondensat bereit gehalten bzw. ausgebildet wird.
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Das Sperrventil kann insbesondere elektrisch oder pneumatisch (insbesondere durch Unterdruck) ansteuerbar sein, wobei auch andere Steuerungsarten vorgesehen sein können.
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Die Erfindung eignet sich u. a. zur Verbesserung von Diesel- und Ottomotoren.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:
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1: eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einer ersten perspektivischen Ansicht;
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2: die Brennkraftmaschine gemäß 1 in einer zweiten perspektivischen Ansicht; und
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3: in einer schematischen Darstellung die Verbindung zwischen dem Ladeluftkühler und dem Abgasstrang mittels der Kondensatabführung der Brennkraftmaschine gemäß den 1 und 2.
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Die 1 und 2 zeigen eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Diesel-Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor sowie der Motorperipherie. Die Motorperipherie umfasst einen Frischgasstrang, über den dem Verbrennungsmotor Frischgas zugeführt wird. Das Frischgas wird von dem Verdichter 10 eines Abgasturboladers verdichtet und dann über einen wassergekühlten Ladeluftkühler 12 geführt, um die durch die Verdichtung erfolgte Erwärmung des Frischgases zumindest teilweise rückgängig zu machen.
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Die Motorperipherie umfasst weiterhin einen Abgasstrang, über den das von dem Verbrennungsmotor ausgestoßene Abgas abgeführt wird. In den Abgasstrang ist eine Turbine 14 des Abgasturboladers integriert, die mit dem Verdichter 10 über eine Welle verbunden ist.
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Die 1 und 2 zeigen die Brennkraftmaschine ungefähr in ihrer waagerechten Ausrichtung, d. h. so, wie diese stationär installiert oder in ein auf waagerechtem Untergrund stehendes Kraft- oder sonstiges Fahrzeug integriert wäre. An der tiefsten Stelle (bezogen auf die Richtung der Schwerkraft) ist in dem Frischgasstrang eine Auslassöffnung einer Kondensatabführung vorgesehen, die fluidleitend mit einer Kondensatleitung 16 verbunden ist. Diese Kondensatleitung 16 führt zu dem Abgasstrang, in den diese stromab der Turbine 14 und auch stromab eines Oxidationskatalysators 18 und eines Partikelfilters 20 mündet.
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Die tiefste Stelle und damit die Auslassöffnung befindet sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel direkt hinter dem Austritt des Ladeluftkühlers 12. Durch eine leicht abgeknickte Ausgestaltung des Frischgasstrangs in diesem Abschnitt ist zudem ein Sammelbereich ausgebildet, indem sich Kondensat ansammeln kann (in der 3 schematisch anhand eines „Kondensat-Sees” 24 dargestellt), solange die Kondensatabführung mittels eines in die Kondensatleitung 16 integrierten und von einer Steuereinrichtung, im vorliegenden Fall der allgemeinen Motorsteuerung (nicht dargestellt) der Brennkraftmaschine angesteuerten Sperrventil 22 verschlossen ist.
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Die Steuereinrichtung öffnet das Sperrventil 22 nur dann, wenn der Verbrennungsmotor in einem Arbeitspunkt mit relativ geringer Ladedruckanforderung arbeitet sowie nach der Beendigung des Betriebs, d. h. nach dem Ausschalten des Verbrennungsmotors. Zudem ist ein Öffnen im Rahmen dieser Bedingungen nur vorgesehen, wenn durch eine Auswertung der Parameter des vorausgegangenen Betriebs des Verbrennungsmotors durch die Steuereinrichtung auf das Vorliegen einer relevanten Menge an Kondensat geschlossen wird. Weiterhin erfolgt ein Öffnen nur für einen relativ kurzen Zeitraum, vorzugsweise gerade solange, dass das vorliegende Kondensat abgeführt werden kann. Sofern im Betrieb des Verbrennungsmotors bei geöffnetem Sperrventil 22 die Ladedruckanforderung erhöht wird oder der Verbrennungsmotor bei geöffnetem Sperrventil erneut gestartet wird, kann auch vorgesehen sein, den Zeitraum weiter zu verkürzen, so dass ggf. nicht das gesamte vorliegende Kondensat in einem Durchgangs abgeführt wird.
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Wie sich insbesondere aus der 2 ergibt, liegt die Stelle, an der die Kondensatleitung 16 in den Abgasstrang mündet, tiefer als die Stelle, an der diese aus dem Frischgasstrang abgezweigt wird. Dadurch kann das Kondensat bei geöffnetem Sperrventil 22 schwerkraftbedingt abfließen. Dies ist insbesondere bei der Öffnung des Sperrventils 22 nach der Beendigung des Betriebs des Verbrennungsmotors relevant. Im Betrieb des Verbrennungsmotors wird die Abfuhr zudem noch durch den in dem Frischgasstrang herrschenden Überdruck im Vergleich zu dem Abgasstrang (jeweils bezogen auf den Mündungsbereich der Kondensatleitung 16) unterstützt. Das Vorliegen eines solchen Überdrucks kann ebenfalls eine Voraussetzung dafür sein, dass das Sperrventil 22 von der Steuereinrichtung geöffnet wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verdichter
- 12
- Ladeluftkühler
- 14
- Turbine
- 16
- Kondensatleitung
- 18
- Oxidationskatalysator
- 20
- Partikelfilter
- 22
- Sperrventil
- 22
- Kondensat-See
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10238839 A1 [0003]
- DE 19804950 C1 [0004, 0004, 0007]
