DE102013214948A1

DE102013214948A1 - Verfahren zur Erhöhung der Abgastemperatur einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102013214948A1
Application number: DE102013214948.4A
Authority: DE
Inventors: Franz Sorg; Bernhard Fessler; Jürgen Blaser; Vladimir Mühlbach
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2013-07-31
Filing date: 2013-07-31
Publication date: 2015-02-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Abgastemperatur einer Brennkraftmaschine (1) eines Kraftfahrzeuges, welches einen Retarder (3) aufweist. Es wird vorgeschlagen, dass die Brennkraftmaschine (1) durch Zuschalten des Retarders (3) zusätzlich belastet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Abgastemperatur einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges mit Retarder sowie eine Verwendung eines Retarders.
Retarder sind hydrodynamische oder elektrodynamische Bremsen, welche insbesondere für Nutzfahrzeuge wie Busse und LKW als Dauerbremsen eingesetzt werden. Hydrodynamische Retarder beruhen auf dem Prinzip, dass kinetische und potentielle Energie des Fahrzeuges durch Verwirbelung einer viskosen Flüssigkeit, insbesondere eines Hydrauliköls, aber auch Wasser in Wärmeenergie umgewandelt wird. Die Wärme wird durch geeignete Kühlungsmaßnahmen abgeleitet. Der Retarder umfasst einen Rotor, welcher das Öl mitnimmt, und einen Stator, an welchem sich das Öl abstützt und somit eine Bremswirkung auf den Rotor erzeugt. Der Füllungsgrad des Retarders mit Öl bestimmt das Rotorbremsmoment. Man unterscheidet Primärretarder und Sekundärretarder, welche motorseitig bzw. getriebeseitig im Triebstrang angeordnet sind. Bekannt sind auch Retarder, so genannte Intarder, welche in das Getriebe des Kraftfahrzeuges integriert und an dessen Öl- und Kühlkreislauf angeschlossen sind. Elektrodynamische Retarder werden auch als Wirbelstrombremsen bezeichnet.
Durch die DE 10 2007 025 676 A1 der Anmelderin wurde ein hydrodynamischer Retarder bekannt.
Heutige Nutzfahrzeuge, insbesondere mit dieselmotorischem Antrieb, sind mit einer Abgasfilteranlage ausgestattet, welche insbesondere Partikel- oder Rußfilter aufweist. Partikelfilter verstopfen mit der Zeit und müssen daher gelegentlich gereinigt, d.h. freigebrannt werden. Dabei wird die Abgastemperatur der Brennkraftmaschine auf eine Zündtemperatur von beispielsweise etwa 600° Celsius gebracht, um den im Partikelfilter abgelagerten Ruß zu entzünden und zu verbrennen. Derartig hohe Abgastemperaturen werden beim Betrieb des Nutzfahrzeuges im Teillastbereich, also beispielsweise bei Stadt- oder Autobahnfahrten ohne Steigung nicht erreicht. Man hat daher Verfahren vorgeschlagen, bei denen die Abgastemperatur „künstlich“ erhöht wird.
Durch die EP 0 405 310 A2 wurde ein Verfahren zur Regeneration von Rußfiltern an Dieselmotoren bekannt. Bei diesem Verfahren ist vorgesehen, dass in Strömungsrichtung vor dem Partikelfilter Brennstoff in den Abgasstrang eingespritzt, eine Aufheizung des Abgases auf ca. 600° Celsius bewirkt und damit ein Abbrand des Rußes erreicht wird.
Durch die DE 10 2011 109 761 A1 wurde ein Verfahren zur Abgasreinigung und zur Regeneration eines Partikelfilters bekannt. Bei einer ersten Option wird in der bekannten Abgasreinigungsanlage zunächst NO zu NO₂ umgewandt, und anschießend wird im nachfolgenden Partikelfilter abgeschiedener Ruß durch NO₂ kontinuierlich abgebrannt – man nennt dies den so genannten CRT-Effekt. Die Rußfilterregeneration nach dem CRT-Effekt erfolgt also kontinuierlich, sodass kein periodischer thermischer Filterabbrand erforderlich ist. Sollte dies dennoch notwendig sein, so ist nach einer zweiten Option vorgesehen, Kraftstoff vor dem Rußfilter einzuspritzen, womit die erforderlichen Abgastemperaturen vor dem Partikelfilter von ca. 600° Celsius erreicht werden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Erhöhung der Abgastemperatur vorzuschlagen, welches möglichst ohne zusätzliche Apparaturen im Abgasstrang auskommt.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1 und 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nach einem ersten Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine, im Folgenden auch kurz Motor genannt, durch Zuschalten eines Retarders zusätzlich und temporär belastet wird. Unter dem Begriff Retarder sollen hier sowohl hydrodynamische als auch elektrodynamische Bremsen verstanden werden. Durch das Zuschalten des Retarders, der vorzugsweise in das Getriebe des Kraftfahrzeuges integriert ist, wird ein Bremsmoment auf die Kurbelwelle des Motors ausgeübt, was zu einer höheren Belastung des Motors und damit zu einem Anstieg der Abgastemperatur führt. Der Retarder, welcher permanent mit einer Getriebewelle mechanisch verbunden ist, wird durch Befüllung mit einem Hydrauliköl aktiviert, was durch einfache Betätigung eines Ventils erfolgen kann. Es sind somit keine zusätzlichen Maßnahmen oder Apparaturen erforderlich, da der Retarder sich bereits als Originalausstattung an Bord des Kraftfahrzeuges befindet. Der Retarder wird somit „zweckentfremdet“ eingesetzt, d.h. nicht nur für das Abbremsen des Fahrzeuges bei Talfahrt, sondern als zusätzliche Belastung oder Bremse im Teillastbetrieb, wo nur relativ niedrige Abgastemperaturen erreicht werden.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform kann der Belastungsgrad, d.h. das Belastungsmoment für den Motor stufenlos eingestellt werden, was über den Füllungsgrad des hydrodynamischen Retarders erfolgt. Das Hydrauliköl kann dem Retarder dosiert über eine Ventilsteuerung zugeführt werden – je größer der Füllungsgrad, desto größer das Bremsmoment. Damit kann die gewünschte Abgastemperatur problemlos eingestellt werden. Eine stufenlose Einstellung ist ebenso mit einer Wirbelstrombremse möglich.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Brennkraftmaschine während der Fahrt des Kraftfahrzeuges im Zugbetrieb (im Gegensatz zum Schubbetrieb) oder im Stand belastet werden. Damit ist es möglich, die Abgastemperatur während einer Fahrt oder auch im Stand zu erhöhen.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Abgas mit erhöhter Temperatur einer Abgasfilteranlage und bevorzugt einem Partikelfilter oder Rußfilter zugeführt. Die Abgastemperatur ist dabei auf die Zündtemperatur der Partikel bzw. des Rußes, d.h. auf beispielsweise ca. 600° Celsius erhöht, sodass eine Zündung und ein anschließendes Freibrennen des Rußes im Filter erfolgen. Die Beaufschlagung des Partikelfilters mit Abgas erhöhter Temperatur erfolgt so lange, bis sämtliche Partikel verbrannt und der Filter vollständig regeneriert ist. Wie bereits zuvor erwähnt, kann diese Filterregeneration während der Fahrt oder im Stand erfolgen. Somit geht für das Nutzfahrzeug keine Betriebszeit verloren.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können weitere, im Fahrzeug installierte Funktionen, welche den Widerstand des Fahrzeuges in Fahrt oder im Stand reduzieren, deaktiviert werden. Dadurch ergibt sich ebenfalls eine erhöhte Belastung für die Brennkraftmaschine, was wiederum zu einer Erhöhung der Abgastemperatur führt. Beispielsweise kann eine Wandlerüberbrückungskupplung, welche den Wandler eines Automatgetriebes bei Fahrten zwischen den Schaltphasen überbrückt, offen gehalten werden. Dadurch ergeben sich hydraulische Verluste (Schlupf) zwischen Pumpen- und Turbinenrad des Wandlers, wodurch der Motor stärker belastet wird.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung eines im Kraftfahrzeug installierten Retarders als zusätzliche temporäre Belastung der Brennkraftmaschine, mit dem Zweck, die Temperatur der Abgase zu erhöhen. Die Erhöhung der Abgastemperatur erfolgt dann, wenn die Abgastemperatur wegen Teillastbetrieb zu niedrig ist und ein Partikelfilter freigebrannt, d.h. regeneriert werden soll. Der Retarder kann leicht aktiviert und bezüglich seiner Bremswirkung stufenlos eingestellt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungemäße Verwendung werden im Folgenden anhand der Zeichnung erläutert.
Die einzige Figur zeigt in schematischer Darstellung eine Brennkraftmaschine 1, ausgebildet als Dieselmotor, ein Automatgetriebe 2 mit einem integrierten Retarder 3 sowie eine Abgasfilteranlage 4 mit einem nicht dargestellten Partikelfilter. Das Getriebe 2 ist über eine Getriebeeingangswelle 5 mit dem Dieselmotor 1 und über eine Getriebeausgangswelle 6 mit einer Antriebsachse 7 des Fahrzeuges verbunden. Die Abgasfilteranlage 4 ist über eine Abgasleitung 8 mit der Abgasseite des Dieselmotors 1 verbunden. Der nicht dargestellte Partikelfilter dient der Zurückhaltung von Partikeln, insbesondere von Ruß im Abgas des Dieselmotors 1. Derartige Partikelfilter sind bekannt und handelsüblich. Wenn die Aufnahmefähigkeit des Filters erschöpft ist, d.h. der Partikelfilter zu verstopfen droht, muss er regeneriert werden, d.h. der abgelagerte Ruß wird freigebrannt. Für die Entzündung des Rußes wird in der Regel eine hohe Abgastemperatur von beispielsweise ca. 600° Celsius benötigt.
Eine solch hohe Abgastemperatur wird bei „normalem“ Fahrbetrieb, d.h. im Teillastbetrieb des Motors nicht erreicht. Dies ist u.a. auf die Auslegung der Motoren für Nutzfahrzeuge zurückzuführen, welche die Höchstleistung bei Bergfahrten benötigen und bei Fahrten in der Ebene im Teillastbereich, d.h. mit relativ niedriger Abgastemperatur fahren.
Der Retarder 3 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel in das Automatgetriebe 2 integriert und eingangsseitig permanent mit einer Getriebewelle verbunden, d.h. die Rotorseite des Retarders 3 wird ständig angetrieben. Der Retarder 3 ist bevorzugt als hydrodynamische Bremse ausgebildet. Zur Aktivierung wird der Retarder 3 mit einem Hydrauliköl, welches dem Ölkreislauf des Automatgetriebes 2 entnommen werden kann, befüllt. Die Befüllung erfolgt über ein nicht dargestelltes Steuerventil, wodurch eine kontinuierliche Befüllung mit unterschiedlichem Füllungsgrad möglich ist. Je höher der Füllungsgrad des Retarders 3 ist, desto höher ist das auf die Getriebewelle 5 ausgeübte Bremsmoment. Es liegt jedoch auch im Rahmen der Erfindung, den hydrodynamischen Retarder 3 durch einen elektrodynamischen Retarder, eine so genannte Wirbelstrombremse zu ersetzen, welche ebenfalls stufenlos in ihrem Bremsmoment regelbar ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren läuft folgendermaßen ab: Die Abgasfilteranlage, d.h. der mit Ruß beladene Partikelfilter sendet ein Signal „Filterregeneration“, dieses Signal wird durch eine nicht dargestellte Steuereinrichtung als Befehl zur Aktivierung des Retarders 3 weitergegeben. Der Retarder 3 wird also mit Hydrauliköl befüllt und übt somit ein zusätzliches Belastungsmoment auf die Getriebeeingangswelle 5 respektive die Motorausgangswelle (Kurbelwelle) aus. Um die vorgegebene Fahrleistung des Kraftfahrzeuges beizubehalten, muss der Motor 1 jetzt das Bremsmoment des Retarders 3 durch höhere Leistung kompensieren. Durch die höhere Motorleistung ergibt sich eine höhere Abgastemperatur, d.h. durch die Abgasleitung 8 strömt Abgas mit erhöhter Temperatur zum Partikelfilter 4. Dies führt zur Zündung und zum Abbrennen des Rußes. Wenn der Filter freigebrannt, d.h. vollständig regeneriert ist, kann der Retarder 3 deaktiviert und die Motorleistung wieder heruntergefahren werden.
Die beschriebene Regeneration des Partikelfilters kann also während der Fahrt des Kraftfahrzeuges durchgeführt werden; es ist jedoch auch möglich, die Regeneration des Partikelfilters im Stand des Fahrzeuges bei laufendem Motor durchzuführen.
Das Automatgetriebe 2 weist in der Regel einen nicht dargestellten Wandler mit einer Wandlerüberbrückungskupplung auf, welche zur Reduzierung von Strömungsverlusten durch Schlupf während der Fahrt geschlossen ist. Zur weiteren Erhöhung der Belastung des Motors 1 kann die Wandlerüberbrückungskupplung während der Fahrt offen gehalten werden – dadurch erhöhten sich die Durchtriebsverluste von der Getriebeeingangswelle 5 zur Getriebeausgangswelle 6.
Bezugszeichenliste

1: Brennkraftmaschine
2: Automatgetriebe
3: Retarder
4: Abgasfilteranlage
5: Getriebeeingangswelle
6: Getriebeausgangswelle
7: Antriebsachse
8: Abgasleitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102007025676 A1 [0003]
EP 0405310 A2 [0005]
DE 102011109761 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur Erhöhung der Abgastemperatur einer Brennkraftmaschine (1) eines Kraftfahrzeuges, welches einen Retarder (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) durch Zuschalten des Retarders (3) zusätzlich belastet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Belastungsgrad der Brennkraftmaschine (1) durch Regelung des Retarders (3) stufenlos eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) während der Fahrt des Kraftfahrzeuges im Zugbetrieb oder im Stand belastet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas mit erhöhter Temperatur einer Abgasfilteranlage (4) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas mindestens einem Partikelfilter zugeführt wird und ein Freibrennen der Partikel bewirkt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Kraftfahrzeug installierte Funktionen, welche den Widerstand des Fahrzeuges in Fahrt oder im Stand reduzieren, deaktiviert werden.
Verwendung eines Retarders (3) in einem Kraftfahrzeug zur zusätzlichen Belastung der Brennkraftmaschine (1) zum Zwecke der Erhöhung der Abgastemperatur.
Verwendung eines Retarders (3) nach Anspruch 7 zur Regeneration eines Partikelfilters.