-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung wenigstens eines Bauteils einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Steuerungseinheit einer Brennkraftmaschine und eine Brennkraftmaschine.
-
Beim Betrieb einer Brennkraftmaschine können die in ihren Brennkammern und in ihrer Abgasanlage herrschenden Temperaturen erheblich sein. Ein besonderes Beispiel ist in diesem Zusammenhang die Regeneration eines Dieselpartikelfilters in einer Abgasanlage mittels Pyrolyse, bei welcher sogar gezielt die Temperatur am Dieselpartikelfilter signifikant im Vergleich zum regulären Lastbetrieb erhöht wird. Während bei laufender Brennkraftmaschine die Wärme mit dem Abgasmassenstrom ausgetragen wird, findet nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine kein Transport eines Massenstroms durch die Abgasanlage statt. Infolgedessen besteht nach langem Laufen der Brennkraftmaschine die Gefahr eines Wärmestaus, durch welchen thermisch empfindliche Bauteile, die in, an oder in der Nähe der Abgasanlage angeordnet sind, beschädigen werden können. Derartige Bauteile sind beispielsweise Dichtungen, Sensoren, Kabel oder Stecker.
-
In diesem Zusammenhang ist es allgemein bekannt, bei einer abgestellten Brennkraftmaschine in Kraftfahrzeugen eine Zwangsbelüftung durch den Lüfter der Motorwasserkühlung vorzunehmen (Nachlauf). Der Lüfterbetrieb im Nachlauf bewirkt idealerweise eine Luftzirkulation der die Abgasanlage umgebenden Luft, so dass Stauluft vermieden wird. Nachteilig ist dabei unter anderem, dass der Luftstrom nicht gerichtet auf die thermisch empfindlichen Bauteile geleitet wird. Um dennoch die erforderliche Mindestkühlleistung zu erreichen, wird der Lüfter typischerweise mit einer hohen Leistung betrieben. Das dabei entstehende Lüftergeräusch ist sehr stark wahrnehmbar, wenn die Brennkraftmaschine nicht in Betrieb ist, und wird verbreitet als störend empfunden. Darüber hinaus ist im Nachlauf der Energieverbrauch, welcher von der Batterie getragen werden muss, hoch. Von dieser Lösung ausgehend stellt sich die Frage, wie die geschilderten Nachteile des Nachlaufs vermieden werden können.
-
Es ist des Weiteren bekannt, Bauteile einer Abgasanlage zu erwärmen, indem gezielt eine Verbrennung von Kraftstoff in der Abgasanlage bewirkt wird. Beispielsweise ist im Dokument
DE 10 2012 112 693 A1 ein Sekundärluft-Einspritzsystem für eine Brennkraftmaschine beschrieben, in welchem durch einen elektrischen Verdichter Sekundärluft zur Nachverbrennung bislang unverbrannten Kraftstoffs dem Abgaskrümmer der Brennkraftmaschine zugeführt wird. Des Weiteren ist im Dokument
DE 102 17 589 A1 beschrieben, wie durch Mischen von Frischluft mit Abgasen hoher Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxid-Konzentration ein Katalysator in einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine schnell auf seine Betriebstemperatur gebracht werden kann. Ansaugluft wird durch die Brennkammer bei geöffneten Ventilen in den Abgastrakt gefördert, wobei der Druck im Ansaugrohr mittels eines elektrischen Verdichters aufgebaut werden kann.
-
Die
DE 10 2010 063 095 A1 offenbart ein Verfahren zur Nullpunktadaption einer Lambdasonde in einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, im Rahmen dessen Frischgas aus einem Frischgasstrang der Brennkraftmaschine über eine Verbindungsleitung in die Abgasanlage geführt wird.
-
Die
DE 102 35 194 A1 offenbart ein Verfahren zur Kühlung wenigstens eines Bauteils in einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, bei dem nach einem Abstellen eines Verbrennungsmotors 1 der Brennkraftmaschine Frischgas durch gleichzeitig offen gehaltene Einlass- und Auslassventile des Verbrennungsmotors von einem Frischgasstrang in die Abgasanlage gefördert wird. Für die Förderung des Frischgases wird ein elektrisch angetriebener Verdichter genutzt.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es vor diesem Hintergrund, eine vorteilhafte Kühlung eines Bauteils einer Brennkraftmaschine ohne geräuschvollen Betrieb eines Lüfters zu erreichen.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Kühlung wenigstens eines Bauteils einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen charakterisiert.
-
Im erfindungsgemäßen Verfahren zur Kühlung (beziehungsweise zum Kühlen) wenigstens eines Bauteils einer Brennkraftmaschine mit einem Frischgasstrang und einer Abgasanlage wird ein Kühlfluid zur Aufnahme von Wärmeenergie des wenigstens einen Bauteils in Kontakt mit dem wenigstens einen Bauteil gebracht. Es wird wenigstens eine Fluidverbindung zwischen dem Frischgasstrang und der Abgasanlage genutzt, um das Kühlfluid dem Bauteil zuzuführen. Dabei wird Frischgas als Kühlfluid durch die genutzte Fluidverbindung zum wenigstens einen Bauteil geführt, insbesondere aktiv geführt, und durch die Abgasanlage abgeführt, wobei das Frischgas mittels eines elektrisch unterstützten Abgasturboladers gepumpt wird.
-
Insbesondere wird das erfindungsgemäße Verfahren bei abgeschalteter oder stehender Brennkraftmaschine durchführt. Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt ohne Drehung einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und/oder ohne Bewegung eines oder mehrerer Kolben der Brennkraftmaschine durchgeführt. Anders ausgedrückt, im erfindungsgemäßen Verfahren kann die Brennkraftmaschine zunächst abgeschaltet werden, bevor das Frischgas dem Bauteil zugeführt wird. Genauer gesagt, es wird kein Kraftstoff den Brennräumen und/oder dem Frischgas zugeführt und es findet keine Verbrennung in den Brennräumen der Brennkraftmaschine statt.
-
Das Kühlfluid ist bevorzugt gasförmig. Das Kühlfluid Frischgas kann im Zusammenhang der Erfindung auch einen Anteil, bevorzugt einen möglichst geringen Anteil Abgas aufweisen. Das Kühlfluid ist insbesondere kraftstofffrei oder kraftstofflos. Mit anderen Worten, das Kühlfluid wird dem Bauteil unter Vermeidung von exothermen Reaktionen in der Abgasanlage oder in den Brennkammern der Brennkraftmaschine zugeführt. Die aktive Führung erfolgt mittels des elektrisch unterstützten Abgasturboladers durch die genutzte Fluidverbindung. Anders gesagt, es wird eine Strömung des Kühlfluids durch die genutzte Fluidverbindung erzeugt.
-
Konkret gesagt kann die Nutzung der wenigstens einen Fluidverbindung zwischen dem Frischgasstrang und der Abgasanlage umfassen, dass die Fluidverbindung geöffnet wird, insbesondere indem wenigstens eine die Fluidverbindung sperrende Steuerungsvorrichtung, konkreter Strömungssteuerungsvorrichtung, geöffnet wird. Die genutzte Fluidverbindung kann insbesondere eine geöffnete oder offene Fluidverbindung sein. Die genutzte Fluidverbindung ist bevorzugt eine Fluidverbindung, welche Frischgas an dem oder den Brennräumen der Brennkraftmaschine vorbei führt. Anders gesagt, es wird bevorzugt eine Fluidverbindung genutzt, welche den oder die Brennräume der Brennkraftmaschine umgeht.
-
Das erfindungsgemäß gekühlte Bauteil kann insbesondere ein thermisch sensitives Bauteil sein. Das Bauteil kann insbesondere ein im, (direkt oder indirekt) am oder in der Nähe des Brennraums, des Motorblocks oder der Abgasanlage angeordnetes Bauteil sein. Das Bauteil kann auch die gesamte Abgasanlage, der Brennraum oder der Motorblock selbst sein.
-
Mit dem erfindungsgemäßen Vorgehen wird ein akustisch unauffälliges, effizientes Verfahren geschaffen, um einen Nachlauf im Frischgasstrang und in der Abgasanlage darzustellen. Dadurch lässt sich eine Kühlung von Bauteilen der Brennkraftmaschine, deren Frischgasstrang und deren Abgasanlage realisieren, wie sie bei abgestellter Brennkraftmaschine bisher nicht oder nur eingeschränkt möglich war. Es erfolgt eine effiziente Kühlung durch Abführung der Wärme von innen. In vorteilhafter Weise wird wenig Energie für die Zwangskühlung im Nachlauf benötigt.
-
In einer praktischen Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kühlung wird als die wenigstens eine Fluidverbindung eine Hochdruckabgasrückführungsstrecke genutzt. Genauer gesagt, die Hochdruckabgasrückführungsstrecke wird geöffnet und in zum Abgasrückführungsbetrieb entgegengesetzter Richtung mit Frischgas durchströmt.
-
Des Weiteren oder alternativ dazu kann in einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Kühlung wenigstens eines Bauteils einer Brennkraftmaschine, die wenigstens einen Brennraum mit wenigstens einem Einlassventil und wenigstens einem Auslassventil aufweist, folgendermaßen vorgegangen werden: Zur Bereitstellung der wenigstens einen Fluidverbindung wird die Brennkraftmaschine in einen Zustand gebracht und in diesem für eine Zeitdauer gehalten, in welchem das wenigstens eine Einlassventil und das wenigstens eine Auslassventil des wenigstens einen Brennraums geöffnet sind. Insbesondere wird die Brennkraftmaschine abgeschaltet (und bleibt für die Zeitdauer der Zufuhr von Frischgas zum Bauteil für dessen erfindungsgemäße Kühlung auch abgeschaltet), wobei das wenigstens eine Einlassventil und das wenigstens eine Auslassventil des wenigstens einen Brennraums geöffnet sind.
-
Verbreitet weisen Brennkraftmaschinen eine Vielzahl von Vorrichtungen zur Steuerung der Strömung beziehungsweise des Volumenstroms durch den Frischgasstrang beziehungsweise durch die Abgasanlage auf. Zur Bereitstellung der Fluidverbindung kann daher im erfindungsgemäßen Verfahren zur Kühlung vorgesehen sein, dass wenigstens eine Steuerungsvorrichtung, insbesondere eine Steuerungsklappe oder ein Steuerungsventil, im Frischgasstrang und/oder wenigstens eine Steuerungsvorrichtung, insbesondere eine Steuerungsklappe oder ein Steuerungsventil, in der Abgasanlage geöffnet werden. Die Steuerungsvorrichtung kann eine Strömungssteuerungsvorrichtung, auch als Volumenstromsteuerungsvorrichtung zu bezeichnen, sein.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kühlung kann insbesondere dahingehend weiterentwickelt sein, dass es gesteuert oder geregelt vorgenommen wird: In einer Gruppe von Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für wenigstens eine Zeitdauer gesteuert das Kühlfluid zum wenigstens einen Bauteil geführt und durch die Abgasanlage abgeführt. In einer anderen Gruppe von Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Führen des Kühlfluids zum wenigstens einen Bauteil und das Abführen des Kühlfluids durch die Abgasanlage geregelt.
-
In einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kühlung wird wenigstens ein Ist-Wert eines Maßes für die Temperatur des wenigstens einen Bauteils bestimmt. Aus dem Ist-Wert oder den Ist-Werten (zum Beispiel durch Mittelwertbildung) kann ein Ist-Ergebnis bestimmt werden. Das bestimmte Ist-Ergebnis des Maßes wird mit einem Soll-Wert des Maßes verglichen. In Funktion eines Resultats des Vergleichs wird das Kühlfluid zum wenigstens einen Bauteil solange geführt und durch die Abgasanlage solange abgeführt, bis das bestimmte Ist-Ergebnis mit dem Soll-Wert innerhalb eines vorgegebenen Präzisionsintervalls im Wesentlichen übereinstimmt oder den Soll-Wert um einen vorgegebenen Abstandswert unterschreitet.
-
Im Zusammenhang des erfinderischen Gedankens steht auch eine Steuerungseinheit einer Brennkraftmaschine, wobei die Steuerungseinheit wenigstens einen Rechner und ein (vom Rechner lesbares) Speicherelement umfasst. Im Speicherelement der erfindungsgemäßen Steuerungseinheit ist erfindungsgemäß ein Programm abgelegt, welches bei wenigstens teilweiser Ausführung im Rechner die Schritte des Verfahrens zur Kühlung wenigstens eines Bauteils der Brennkraftmaschine mit den Merkmalen oder einer Kombination der Merkmale gemäß dieser Darstellung ausführt.
-
Des Weiteren steht im Zusammenhang des erfinderischen Gedankens auch eine Brennkraftmaschine, bevorzugt für ein Fahrzeug, insbesondere ein gleisloses Landfahrzeug, wie ein Personenkraftwagen oder ein Nutzfahrzeug. Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine weist wenigstens eine Steuerungseinheit mit den Merkmalen oder einer Kombination der Merkmale gemäß dieser Darstellung auf. Die Brennkraftmaschine kann eine fremdgezündete oder eine selbstzündende Brennkraftmaschine sein. Sie ist bevorzugt aufladbar. Die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist besonders wirkungsvoll in Brennkraftmaschinen mit einer hohen auf den Hubraum bezogenen Leistung (spezifische Leistung in kW/I).
-
Die in dieser Beschreibung dargestellten Merkmale können einzeln oder in Kombination, seien es sämtliche Merkmale oder nur eine Teilmenge der Menge aller Merkmale, in einem erfindungsgemäßen Verfahren und/oder einer erfindungsgemäßen Steuerungseinheit und/oder einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine verwirklicht sein.
-
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren dargestellt. Es zeigt im Einzelnen:
- 1 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kühlung wenigstens eines Bauteils,
- 2 eine Topologie einer Ausführungsform einer Brennkraftmaschine mit Frischgasstrang und Abgasanlage, in welcher ein Verfahren gemäß der 1 durchgeführt werden kann, und
- 3 eine Topologie einer weiteren Ausführungsform einer Brennkraftmaschine mit Frischgasstrang und Abgasanlage, in welcher ein erfindungsgemäßes Verfahren gemäß der 1 durchgeführt werden kann.
-
In der 1 ist ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kühlung wenigstens eines Bauteils einer Brennkraftmaschine mit einem Frischgasstrang und einer Abgasanlage gezeigt. In Schritt 10 wird wenigstens eine Fluidverbindung zwischen dem Frischgasstrang und der Abgasanlage genutzt und Frischgas aus Kühlfluid durch die genutzte Fluidverbindung zum wenigstens einen Bauteil geführt. Das Frischgas wird in Schritt 12 zur Aufnahme von Wärmeenergie des wenigstens einen Bauteils in Kontakt mit dem wenigstens einen Bauteil gebracht. Danach wird in Schritt 14 das Frischgas durch die Abgasanlage vom wenigstens einen Bauteil abgeführt.
-
Die 2 zeigt eine Topologie einer Ausführungsform einer Brennkraftmaschine 16, bevorzugt eine selbstzündende Brennkraftmaschine 16, mit Frischgasstrang 18 und Abgasanlage 20, in welcher ein Verfahren, wie es oben beschrieben wurde, bei stehender Brennkraftmaschine 16 durchgeführt werden kann. Über den Frischgasstrang 18 wird der Brennkraftmaschine 16 Frischgas 22 zugeführt, Abgas 24 wird über die Abgasanlage 20 abgeführt. Ein Brennraum 26 der Brennkraftmaschine 16 ist schematisch als ein Hubkolben in einem Zylinder dargestellt. Es handelt sich um eine aufladbare Brennkraftmaschine 16:
- Die Brennkraftmaschine 16 umfasst einen Abgasturbolader 28, in dieser Ausführungsform mit einer variablen Turbinengeometrie, welche in der Regel aus Werkstoffen gefertigt sind, die empfindlich gegen hohe Temperaturen sind. Darüber hinaus weist der Frischgasstrang 18 einen elektrisch angetriebenen Verdichter (elektrischer Verdichter) 30 auf, um welchen Frischgas 22 über eine Bypassleitung mit Bypassventil 40 umgehend vorbeigeleitet werden kann. Die Brennkraftmaschine weist des Weiteren eine Hochdruckabgasrückführung 32 (HD-EGR) und eine Niederdruckabgasrückführung 34 (ND-EGR) als geläufige Maßnahme zur Beeinflussung des Emissionsverhaltens der Brennkraftmaschine 16 auf. Die Menge des durch die Hochdruckabgasrückführung 32 rückgeführten Abgases 24 ist mittels einer HD-EGR-Klappe 36 steuerbar. Das Frischgas 22 tritt in den Frischgasstrang 18 über einen Luftfilter 38 ein. Im Frischgasstrang 18 passiert das Frischgas 22 stromab des elektrischen Verdichters 30 eine Drosselklappe 42 und einen Ladeluftkühler 44, bevor es in die Brennkammer 26 gelangt. In der Abgasanlage 20 ist stromab der Abzweigung der Hochdruckabgasrückführung 32 ein Temperatursensor (T3-Sensor 46) angeordnet. Der Turbine des Abgasturboladers 28 nachgeordnet befindet sich ein kombinierter Temperatur- und Abgassensor (T4/Lambdasensor 48) stromauf einer Abgasreinigungseinrichtung. Diese weist einen NOx-Speicherkatalysator 52, einen Dieselpartikelfilter 54 und einen kombinierten Temperatur- und Drucksensor (T5/P5-Sensor 50) auf. Stromab davon zweigt die Niederdruckabgasrückführung 34 ab. Die Menge des austretenden Abgases ist mittels einer Abgasklappe 56 steuerbar. Stromab der Abgasklappe 56 ist noch ein weiterer kombinierter Temperatur- und Drucksensor (T6/P6-Sensor 58) angeordnet. In der Niederdruckabgasrückführung 34 befinden sich ein EGR-Filter 60, ein EGR-Kühler 62 und eine ND-EGR-Klappe 64.
-
Wie in der 2 dargestellt, kann bei stehender Brennkraftmaschine 16 eine Frischgasansaugung und Luftführung von der Frischgasseite zur Abgasseite für das Verfahren zur Kühlung erzielt werden. Das Frischgas 22 gelangt über den mit der in der 2 gestrichelten Linie angedeuteten Weg 66 beim Nachlauf zum zu kühlenden Bauteil, indem eine Verbindung vom Frischgasstrang 18 zur Abgasanlage genutzt, genauer geschaffen wird: Die HD-EGR-Klappe 36 wird geöffnet, so dass die Hochdruckabgasrückführung 32 in verglichen zum Betrieb der Brennkraftmaschine 16 entgegengesetzter Richtung von Frischgas 22 durchströmt wird. Der elektrische Verdichter 30 saugt das Frischgas 22 an und pumpt es über die Hochdruckabgasrückführung 32 in die Abgasanlage 20. Dabei sind die Drosselklappe 42 und die Abgasklappe 56 geöffnet, während das Bypassventil 40 und die ND-EGR-Klappe 64 geschlossen sind. Anders gesagt, der Frischluftstrang 18 und die Abgasanlage 20 werden durch die verbauten Aktoren so beschaltet, dass das angesaugte Frischgas 22 geeignet in die Abgasanlage 20 geführt wird, so dass die angestrebte Kühlung der zu schützenden Bauteile erreicht werden kann.
-
Ein thermisch sensitives Bauteil in der Abgasanlage 20 ist zum Beispiel die Turbine mit variabler Turbinengeometrie des Abgasturboladers 28. Erfindungsgemäß Mittels des elektrischen Verdichters 30 wird dem thermisch sensitiven Bauteil Frischgas 22 zur Kühlung zugeführt und über die Abgasanlage abgeführt. Die Kühlung erfolgt geregelt, indem wenigstens ein Signal eines Temperatursensors in der Abgasanlage 20 der Steuerungseinheit 68 zugeführt wird, so dass eine geregelte Ansteuerung des elektrischen Verdichters 30 in Funktion der gemessenen Temperatur erfolgt. Auf diese Weise lässt sich ein effizienter und akustisch unauffälliger Nachlauf realisieren.
-
Die Luftführung im Nachlauf erfolgt innerhalb der Brennkraftmaschine 16, also direkt durch den Frischgasstrang 18 und die Abgasanlage 20. Das Verfahren zur Kühlung besticht sowohl durch seine Wirksamkeit, als auch durch seine Effizienz, gerade im Vergleich zum konventionellen Nachlauf bei Nutzung eines Lüfters. Ein weiterer Vorteil besteht in der unauffälligen Akustik.
-
In der 3 ist eine Topologie einer Ausführungsform einer Brennkraftmaschine 16 mit Frischgasstrang 18 und Abgasanlage 20, in welcher das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann, gezeigt. In der Zeichnung der 3 sind die bereits unter Bezugnahme auf die 2 beschriebenen Bauteile mit denselben Bezugszeichen versehen. Im Unterschied zur in der 2 gezeigten Ausführungsform ist die in der 3 gezeigte Ausführungsform eine mit einem elektrisch unterstützten Abgasturbolader 70 (euATL) aufgeladene Brennkraftmaschine 16. Die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kühlung erfolgt in Analogie zur bezugnehmend auf die 2 beschriebenen Vorgehensweise. Das Frischgas 22 wird in dieser Ausführungsform anstatt mit einem elektrischen Verdichter mittels des elektrisch antreibbaren Verdichters des elektrisch unterstützten Abgasturboladers 70 bewirkt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Schritt des Nutzes einer Fluidverbindung zum Zuführen von Frischgas
- 12
- Schritt des Kontaktierens des Bauteils mit Frischgas zur Kühlung
- 14
- Schritt des Abführens des Frischgas vom Bauteil
- 16
- Brennkraftmaschine
- 18
- Frischgasstrang
- 20
- Abgasanlage
- 22
- Frischgas
- 24
- Abgas
- 26
- Brennraum
- 28
- Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie
- 30
- elektrischer Verdichter
- 32
- Hochdruckabgasrückführung (HD-EGR)
- 34
- Niederdruckabgasrückführung (ND-EGR)
- 36
- HD-EGR-Klappe
- 38
- Luftfilter
- 40
- Bypassventil
- 42
- Drosselklappe
- 44
- Ladeluftkühler
- 46
- T3-Sensor
- 48
- T4/Lambda-Sensor
- 50
- T5/P5-Sensor
- 52
- NOx-Speicherkatalysator
- 54
- Dieselpartikelfilter
- 56
- Abgasklappe
- 58
- T6/P6-Sensor
- 60
- EGR-Filter
- 62
- EGR-Kühler
- 64
- ND-EGR-Klappe
- 66
- Weg des Frischgases bei Nachlauf
- 68
- Steuerungseinheit
- 70
- elektrisch unterstützter Abgasturbolader (euATL)
