DE102015200706B4 - Verfahren zum Vermindern der Klopfneigung eines fremd gezündeten aufgeladenen Verbrennungsmotors und Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zum Vermindern der Klopfneigung eines fremd gezündeten aufgeladenen Verbrennungsmotors und Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Vermindern der Klopfneigung eines fremdgezündeten, aufgeladenen Verbrennungsmotors (1) mit einer Niederdruck-Abgasrückführungseinrichtung (11) aufweisend zumindest die Schritte:a) Kondensieren zumindest eines Teils von im Abgas, welches die Niederdruck-Abgasrückführungseinrichtung (11) durchströmt, enthaltenem gasförmigem Wasser;b) Zwischenspeichern des entstandenen Kondensates in einem Zwischenspeicher (15) undc) Zuführen des Kondensats aus dem Zwischenspeicher (15) in einen Frischgastrakt (2) oder Einspritzen des Kondensats in einen Brennraum (23) des Verbrennungsmotors (1), wobei das Zuführen des Kondensats in den Frischgastrakt (2) oder das Einspritzen des Kondensats in den Brennraum (23) des Verbrennungsmotors (1) nur in einem Betriebszustand des Verbrennungsmotors (1) erfolgt, bei dem die Abgas-Rückführung inaktiv oder gedrosselt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vermindern der Klopfneigung eines fremdgezündeten, aufgeladenen Verbrennungsmotors und eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.
  • Fremdgezündete, aufgeladene Verbrennungsmotoren sind üblicherweise in einen Betriebszustand hoher Last oder Volllast wegen der stark verdichteten Ansaugluft hinsichtlich ihrer Klopfgrenze begrenzt. Dieser Erscheinung wird üblicherweise mit einer Verlegung des Zündzeitpunktes in Richtung „spät“ begegnet, was allerdings einen Verlust an Effizienz des Motors bedeutet. Weiterhin wird zur Erhöhung der Klopfgrenze bei fremdgezündeten, aufgeladenen Motoren das Verdichtungsverhältnis reduziert, was ebenfalls einen Effizienzverlust bewirkt.
  • Aus der DE 10 2006 054 227 A1 ist ein Verfahren zur Verringerung des Schadstoffausstoßes einer Brennkraftmaschine sowie eine Vorrichtung hierfür bekannt geworden, bei dem Kondensat eines Ladeluftkühlers und Kondensat eines Verdampfers einer Klimaanlage einem Speicherbehälter zugeführt wird. Dieses Kondensat wird mittels einer Dosierpumpe in einer Kraftstoffeinspritzpumpe mit dem Kraftstoff vermengt, sodass eine Emulsion entsteht, die dem Brennraum eines Dieselmotors zugeführt wird.
  • Aus der DE 10 2010 048 466 A1 , die als nächstliegender Stand der Technik angesehen wird, ist eine Abgasrückführungsvorrichtung (AGR-Vorrichtung) bekannt geworden, die als Niederdruckabgas-Rückführungsvorrichtung ausgebildet ist und einen Abgasrückführungskühler aufweist, wobei eine Kondensat-Abführvorrichtung zur Abführung von Kondensat aus dem Abgasrückführungs-Pfad vorgesehen ist. Es wird vorgeschlagen, das entstehende Kondensat mittels einer Kondensatrückleitung wieder dem Abgasstrom zuzuführen oder in die Umwelt abzuführen.
  • Aus der US 2011/0168128 A1 ist es bekannt, einem Hauptabgasstrom Wasser zu entziehen und einer Speichereinrichtung zuzuführen. Es wird vorgeschlagen, das entstehende Wasser zur Klopfunterdrückung zu verwenden.
  • Aus der EP 2 161 438 A2 ist eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Hochdruck-Abgasrückführungseinrichtung bekannt geworden, bei der aus einem abgezweigten Abgas des Hochdruckteils des Abgassystems Kondensat abgeschieden wird. Dieses Kondensat wird zumindest teilweise über eine Entsorgungsleitung in den Niederdruckteil des Abgassystems eingeleitet, wobei zusätzlich oder alternativ das Kondensat mittels einer Dosiereinheit in zumindest einen Zufuhrlufteinlasskanal eines Verbrennungszylinders einbringbar ist.
  • Aus der US 2009 / 0 205 326 A1 ist ein Verfahren zum Vermindern der Klopfneigung eines fremdgezündeten, aufgeladenen Verbrennungsmotors mit einer Niederdruck-Abgasrückführungseinrichtung bekannt. Hierbei wird zumindest ein Teil von im Abgas enthaltenen gasförmigen Wasser kondensiert welches die Niederdruck-Abgasrückführungseinrichtung durchströmt, das entstandene Kondensat in einem Zwischenspeicher zwischengespeichert, und das Zuführen des Kondensats in den Frischgastrakt des Verbrennungsmotors in einem Betriebszustand des Verbrennungsmotors erfolgt, bei dem die Abgas-Rückführung inaktiv oder gedrosselt ist, insbesondere in einem hohen Teillast- oder Volllastbetriebszustand
  • Aus der DE 10 2013 212 596 A1 ist ein Verfahren zum Vermindern der Klopfneigung eines fremdgezündeten, aufgeladenen Verbrennungsmotors mit einer Niederdruck-Abgasrückführungseinrichtung bekannt. Hierbei wird zumindest ein Teil von im Abgas enthaltenen gasförmigen Wasser kondensiert welches die Niederdruck-Abgasrückführungseinrichtung durchströmt, das entstandene Kondensat in einem Zwischenspeicher zwischengespeichert, und das Einspritzen des Kondensats in den Brennraum des Verbrennungsmotors in einem Betriebszustand des Verbrennungsmotors erfolgt, bei dem die Abgas-Rückführung inaktiv oder gedrosselt ist, insbesondere in einem hohen Teillast-oder Volllastbetriebszustand.
  • Aus der FR 2 940 366 A1 ist es bekannt, dass das Kondensat dem Frischgastrakt in Strömungsrichtung eines Frischgases nach einem Ladeluftkühler, insbesondere nach einer Drosselklappe, zugeführt wird oder direkt in den Brennraum des Verbrennungsmotors eingespritzt wird. Dabei ist die Abgasrückführung in einem Betriebszustand oberhalb von 75 %, insbesondere oberhalb von 85 % des Vollastbetriebszustandes des Verbrennungsmotors, inaktiv oder wird gedrosselt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Vermindern der Klopfneigung eines fremdgezündeten, aufgeladenen Verbrennungsmotors sowie eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens anzugeben, mit welchem ein Betrieb des Verbrennungsmotors mit höherer Effizienz möglich ist. Insbesondere soll das Verfahren ermöglichen, die Klopfneigung des Verbrennungsmotors zu vermindern, sodass eine stärkere Frühzündung des fremdgezündeten Motors ermöglicht ist. Insbesondere soll ein optimierter MB50-Zeitpunkt erreicht werden.
  • Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen 2 bis 9 und 11 bis 15 angegeben.
  • Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass bei einem fremdgezündeten, aufgeladenen Verbrennungsmotor, der eine Niederdruck-Abgasrückführungseinrichtung aufweist, die Aufgabe dadurch gelöst werden kann, dass zumindest die nachfolgenden Schritte ausgeführt werden:
    1. a) Kondensieren zumindest eines Teils von im Abgas, welches die Niederdruck-Abgasrückführungseinrichtung durchströmt, enthaltenem gasförmigem Wasser;
    2. b) Zwischenspeichern des entstandenen Kondensates in einem Zwischenspeicher und
    3. c) Zuführen des Kondensats aus dem Zwischenspeicher in einen Frischgastrakt oder Einspritzen des Kondensats in einen Brennraum des Verbrennungsmotors,
    wobei das Zuführen des Kondensats in den Frischgastrakt oder das Einspritzen des Kondensats in den Brennraum des Verbrennungsmotors nur in einem Betriebszustand des Verbrennungsmotors, bei dem die Abgasrückführung inaktiv oder gedrosselt ist, erfolgt.
  • Dabei macht sich die Erfindung zunutze, dass bei einem fremdgezündeten, aufgeladenen Verbrennungsmotor, insbesondere einem Ottomotor das Vorsehen einer Niederdruck-Abgasrückführungseinrichtung und das Kondensieren einer in der Niederdruck-Abgasrückführungseinrichtung strömenden Menge des Abgases eine erhebliche Menge an Kondensat zur Verfügung stellen kann während der Motor in einem Teillastbereich betrieben wird. Dies liegt daran, dass das Abgas einen hohen Anteil an gasförmigem Wasser in sich trägt. Der Kerngedanke der Erfindung ist dabei, das Kondensat aus dem die Niederdruck-Abgasrückführungseinrichtung durchströmenden Abgas zu extrahieren und in einem separaten Zwischenspeicher zu speichern. Das im Zwischenspeicher gespeicherte Kondensat wird einem Frischgastrakt des Verbrennungsmotors zugeführt oder direkt in einen Brennraum des Motors, im Wege einer direkten Wassereinspritzung eingespritzt. Durch eine derartige Kondensatzuführung oder Kondensat-einspritzung kann die Klopfgrenze hin zu einem effizienteren Motorenbetrieb verlagert werden. Wenn die Menge des eingespritzten Wassers erhöht wird, kann dies zu einer Verbesserung, insbesondere zu einer Vorverlegung des sogenannten MB50-Zeitpunkts beitragen. Der MB50-Zeitpunkt gibt dabei denjenigen Zeitpunkt an, an dem 50 % des im Brennraum befindlichen Kraftstoffes durch Verbrennung desselben umgesetzt sind. Dieser MB50-Zeitpunkt liegt idealer Weise 6° bis 8° nach dem oberen Totpunkt (OT) eines Kolbens des Verbrennungsmotors. Ohne dem erfindungsgemäßen Verfahren muss - wie oben einleitend beschrieben - beispielsweise ein Zündzeitpunkt derart weit nach „spät“ verlagert werden, um Klopfen zu vermeiden, dass der MB50-Zeitpunkt nicht mehr innerhalb des Idealfensters von 6° bis 8° nach dem oberen Totpunkt (OT) gehalten werden kann, sondern ebenfalls in unerwünschter Weise Richtung „spät“ verschoben würde. Der Begriff MB50-Zeitpunkt ist eine Abkürzung für den englischen Fachbegriff „mass fraction burns 50“, was den Zeitpunkt angibt, zu welchem 50 % der Masse des Brenngases oder des Brenngas-Luft-Gemisches chemisch umgesetzt sind.
  • Durch die unter d) angegebene Maßnahme wird in einem niedrigen oder mittleren Teillastbereich die Abgasrückführungseinrichtung aktiviert und in diesen Betriebszuständen Kondensat aus dem Abgas extrahiert. In diesen Betriebszuständen findet allerdings keine Einspritzung oder Zuführung des Kondensats in den Brennraum oder in den Frischgastrakt statt. Das hierbei entstehende Kondensat wird in dem Zwischenspeicher zwischengespeichert und für einen nachfolgenden Betrieb des Verbrennungsmotors in hohem Teillast- oder Volllastbetriebszustand bereitgestellt. In hohem Teillast- oder Volllastbetriebszustand ist erfindungsgemäß die Abgasrückführung inaktiv oder gedrosselt, sodass kein weiteres Kondensat anfällt oder Kondensat nur in verringertem Maß anfällt.
  • Ein aufgeladener, fremdgezündeter Verbrennungsmotor weist üblicherweise eine Ladeluftkühlung der durch einen Lader komprimierten Frischluft oder des komprimierten Frischgases auf. Im Wege dieser Ladeluftkühlung kann Ladeluftkondensat anfallen, insbesondere dann, wenn die angesaugte Frischluft besonders feucht ist, das heißt besonders viel gasförmiges Wasser aufweist. Während der Ladeluftkühlung, die über den gesamten Betriebsbereich, also vom Leerlaufzustand bis zum Volllastbetriebszustand des Verbrennungsmotors stattfindet, fällt beispielsweise in einem Ladeluftkühler ständig Ladeluftkondensat an, welches vorteilhafterweise ebenfalls dem Zwischenspeicher zugeführt wird. Dies hat den Vorteil, dass der Zwischenspeicher auch dann mit Kondensat versorgt wird, wenn die Abgasrückführung inaktiv ist und somit stets genug Kondensat enthält um auch für sehr lang andauernde hohe Teillast- oder Volllastbetriebszustände des Verbrennungsmotors ausreichend Kondensat zur Verfügung zu stellen.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Kondensat dem Frischgastrakt in Strömungsrichtung des Frischgases nach einem Ladeluftkühler, insbesondere nach einer Drosselklappe zugeführt, oder im Wege einer Direkteinspritzung direkt in den Brennraum des Verbrennungsmotors eingespritzt. Dabei kann das Kondensat über Kondensatinjektoreinrichtungen dem Frischgastrakt oder dem Brennraum zugeführt werden, wobei die Kondensatinjektoreinrichtungen zusätzliche Injektoren zu den Kraftstoffinjektoren sind. In einer Abwandlung kann das Kondensat auch von einem gemeinsamen Injektor für Kraftstoff und Kondensat insbesondere vermischt werden und mittels des Kraftstoffinjektors ein Kraftstoff/Kondensatgemisch dem Frischgastrakt zugeführt oder in den Brennraum eingespritzt werden.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform wird das Kondensat aus dem Zwischenspeicher einer Kondensateinspritzeinrichtung zugeführt, wobei dies insbesondere mit einer Fördereinrichtung, insbesondere Förderpumpe oder einer Dosierpumpe erfolgt.
  • Zweckmäßigerweise wird das Abgas, welches zur Druchströmung der Niederdruck-Abgasrückführungseirichtung und damit zur Extraktion von Kondensat vorgesehen ist, in Strömungsrichtung eines Hauptabgasstranges nach einer Antriebseinrichtung eines abgasangetriebenen Laders, z. B. eines Turboladers vom Hauptabgasstrom abgezweigt. Dies hat den Vorteil, dass für den Antrieb des abgasangetriebenen Laders der gesamte Massenstrom an Abgas des Hauptabgasstroms zur Verfügung steht.
  • Insbesondere ist es dabei sinnvoll, dass das Abgas, welches zur Durchströmung der Niederdruck-Abgasrückführungseinrichtung vorgesehen ist, in Strömungsrichtung des Hauptabgasstranges nach einer Abgasreinigungseinrichtung z. B. einem Katalysator oder einem Partikelfilter, abgezweigt wird.
  • In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung, erfolgt das Zuführen des Kondensats in den Frischgastrakt oder die Einspritzung des Kondensats in den Brennraum bei einem Betriebszustand des Verbrennungsmotors, welcher mehr als 75 % des Volllastbetriebszustandes, insbesondere mehr als 85 % des Volllastbetriebszustandes beträgt. Bei derartigen Betriebszuständen des Verbrennungsmotors (mehr als 75 %, insbesondere mehr als 85 % des Volllastbetriebszustandes) ist in besonderes bevorzugter Weise die Abgasrückführung innerhalb der Niederdruck-Abgasrückführungseinrichtung inaktiv oder zumindest gedrosselt, sodass in diesen Betriebszuständen kein oder weniger Kondensat aus der Abgasrückführungseinrichtung anfällt.
  • Um dauerhaft eine ausreichende Menge an Kondensat im Zwischenspeicher vorrätig halten zu können, wird vorteilhafterweise zumindest ein weiteres Kondensat aus einer anderen Kondensatquelle als der Niederdruck-Abgasrückführungseinrichtung dem Zwischenspeicher zugeführt. Eine derartige andere Kondensatquelle kann beispielsweise der Kondensator der Klimaanlage oder ein Ladeluftkühler oder andere kondensatbildende Einrichtungen eines Kraftfahrzeuges sein. Denkbar ist auch, in einem separaten Tank eine gewisse Menge an Wasser zur Verfügung zu halten, welches dem Zwischenspeicher zugeführt werden kann, wenn die Gefahr besteht, dass bei überlangem Betrieb des Verbrennungsmotors im Volllast- oder hohem Teillastbereich gegebenenfalls ein Mangel an Kondensat im Zwischenspeicher auftritt.
  • Eine erfindungsgemäße Vorrichtung weist zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe einen fremdgezündeten, aufgeladenen Verbrennungsmotor mit einer Niederdruck-Abgasrückführungseinrichtung auf, wobei die Niederdruck-Abgasrückführungseinrichtung zumindest einen Kondensator, z. B. einen Ladeluftkühler, der z. B. eine Kondensatabscheidereinrichtung besitzt zum Kondensieren zumindest eines Teils von im Abgas, welches die Niederdruck-Abgasrückführungseinrichtung durchströmt, enthaltenem gasförmigem Wasser aufweist und einen Zwischenspeicher zur Aufnahme des entstandenen Kondensats besitzt, welcher fluidisch mit dem Kondensator verbunden ist. Die Vorrichtung ist dadurch weiter gebildet, dass sie eine Kondensatzuführungseinrichtung zum Zuführen des Kondensats in einen Frischgastrakt oder zum direkten Einspritzen des Kondensats in einen Brennraum des Verbrennungsmotors hat, wobei eine Steuereinrichtung vorhanden ist, mittels der die Kondensatzuführeinrichtung in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors und/oder einer Stellung eines Abgasrückführungsventils betreibbar ist, wobei die Kondensatzuführeinrichtung aktivierbar ist, wenn sich das Abgasrückführungsventil in einer Drosselstellung befindet oder geschlossen ist.
  • Mit einer derartigen Vorrichtung kann das erfindungsgemäße Verfahren unter Erreichung der gewünschten Vorteile durchgeführt werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Ladeluftkühler vorhanden, welcher fluidisch mit dem Zwischenspeicher in Verbindung steht, sodass im Wege einer Ladeluftkühlung anfallendes Ladeluftkondensat dem Zwischenspeicher zuführbar ist.
  • Die Kondensatzuführeinrichtung weist bevorzugt zumindest eine Dosiereinrichtung auf, mit welcher in Strömungsrichtung des Frischgastraktes nach einem Ladeluftkühler, insbesondere nach einer Drosselklappe und vor einem Brennraum des Verbrennungsmotors das Kondensat aus dem Zwischenspeicher dem Frischgas zudosierbar ist oder das Kondensat direkt in einen Brennraum des Verbrennungsmotor einspritzbar ist. Hierdurch gelingt es, einen aufgeladenen, fremdgezündeten Verbrennungsmotor mit einer direkten oder indirekten Wassereinspritzung auszurüsten.
  • Weiterhin ist zweckmäßigerweise eine Fördereinrichtung, z. B. eine Dosierpumpe oder Förderpumpe vorhanden, mittels der das Kondensat aus dem Zwischenspeicher der Wasserzuführeinrichtung zuführbar ist.
  • Bevorzugt ist eine Abzweigstelle der Niederdruck-Abgasrückführungseinrichtung in Strömungsrichtung eines Abgases in einem Hauptabgasstrang einer Antriebseinrichtung eines abgasangetriebenen Laders und/oder einem Katalysator und/oder einem Partikelfilter nachgeordnet angeordnet.
  • In bevorzugter Art und Weise sind ein oder mehrere weitere, im Betrieb eines Kraftfahrzeugs entstehende Kondensate, dem Zwischenspeicher zuführbar.
  • Zweckmäßig ist es, dass eine Steuereinrichtung vorhanden ist, mittels der die Kondensatzuführeinrichtung in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors und/oder eine Stellung eines Abgasrückführungsventils betreibbar ist, wobei die Kondensatzuführeinrichtung aktivierbar ist, wenn sich das Abgasfückführungsventil in einer Drosselstellung befindet oder geschlossen ist.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnung angegeben.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Die einzige 1 zeigt, schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist.
  • Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens weist einen Verbrennungsmotor 1 mit einem einlassseitig vorhandenen Frischgastrakt 2 und einem auslassseitig vorhandenen Hauptabgasstrang 3 auf. Im Frischgastrakt 2 strömt Frischgas in einer ersten Strömungsrichtung 4. Im Hauptabgasstrang 3 strömt Abgas in einer zweiten Strömungsrichtung 5. Im Hauptabgasstrang 3 ist vom Verbrennungsmotor 1 aus gesehen, stromabwärts, zunächst eine Antriebseinrichtung 6 eines abgasgetriebenen Laders 7, insbesondere eines Turboladers angeordnet. Die Antriebseinrichtung 6 des Laders 7 steht mechanisch mit einer Ladereinrichtung 8 zum Verdichten von Frischgas in Verbindung. Die Ladereinrichtung 8 ist als Verdichter, die Antriebseinrichtung 6 bevorzugt als Turbine, ausgebildet.
  • Weiter stromabwärts ist im Hauptabgasstrang 3 eine Abgasreinigungseinrichtung 9, wie zum Beispiel ein Katalysator und/oder ein Partikelfilter angeordnet. Weiter stromabwärts in der zweiten Strömungsrichtung 5 der Abgasreinigungseinrichtung 9 nachgelagert, ist eine Abzweigstelle 10 vorhanden, an der zumindest ein Teil des im Hauptabgasstrang 3 strömenden Abgases einer Niederdruck-Abgasrückführungseinrichtung 11 (im Folgenden ND-AGR genannt) zuführbar ist. Die ND-AGR 11 bildet einen Nebenabgasstrang. Stromabwärts hinter der Abzweigstelle 10 ist das verbleibende Abgas weiteren Bestandteilen (nicht gezeigt) einer Abgasanlage zuführbar. Diese weiteren Bestandteile können beispielsweise Schalldämpfer sein. Die ND-AGR 11 weist in einer dritten Strömungsrichtung 12 nacheinander zumindest einen Kondensator 13, z. B. einen Abgaskühler auf, mit Hilfe dessen das durch die ND-AGR strömende Abgas kühlbar ist und in diesem Abgas enthaltene Bestandteile in einen flüssigen Zustand überführbar, das heißt kondensierbar sind, in Kondensat umgewandelt werden können. Ein zu kondensierender Bestandteil des Abgases ist insbesondere gasförmiges Wasser, welches im Abgas enthalten ist und durch Kondensierung in flüssiges Wasser übergeführt wird. Das so im Abgaskühler 13 entstehende Kondensat ist über eine erste Kondensatleitung 14 einem Zwischenspeicher 15 zum Zwischenspeichern von Kondensat zuführbar.
  • In Richtung der dritten Strömungsrichtung 12 ist dem Abgaskühler 13 ein Abgasrückführungsventil 16 nachgeordnet, mittels dem ein Abgasstrom durch die ND-AGR 11 freigebbar, drosselbar und/oder sperrbar ist. In Richtung der dritten Strömungsrichtung 12 gesehen, mündet die ND-AGR 11 an einer Mündungsstelle 17 in den Frischgastrakt 2, so dass das Abgas, welches die ND-AGR 11 durchströmt, dem Frischgas zuführbar ist. Im Frischgastrakt 2 sitzt, von der Mündungsstelle 17 aus gesehen stromaufwärts, entgegen der ersten Strömungsrichtung 4 des Frischgases ein Luftfilter 18 zum Reinigen von angesaugter Frischluft. In Strömungsrichtung 4 von der Mündungsstelle 17 stromabwärts, also der Mündungsstelle 17 nachgeordnet, gelangt das Frischgas, welches gegebenenfalls mit Abgas aus der ND-AGR 11 versetzt ist, in die Ladeeinrichtung 8 des Laders 7 und wird verdichtet. Nach der Ladeeinrichtung 8 ist im Frischgastrakt 2 ein Ladeluftkühler 19 angeordnet, mit dem verdichtetes Frischgas kühlbar ist. Hierbei fällt unter bestimmten Betriebsbedingungen ein zweites Kondensat an, welches über eine zweite Kondensatleitung 20 dem Zwischenspeicher 15 zuführbar ist. Dieses zweite Kondensat ist größtenteils Wasser und wird im folgenden Ladeluftkondensat genannt. Dem Ladeluftkühler 19 in Strömungsrichtung 4 nachgeordnet sitzt eine Drosselklappeneinrichtung 21 mittels der der Frischgasvolumenstrom im Frischgastrakt 2 freigebbar und/oder drosselbar ist.
  • Nach der Drosselklappeneinrichtung 21 gelangt das Frischgas über Einlasskanäle 22 in Brennräume 23 des Verbrennungsmotors 1.
  • Vom Zwischenspeicher 15 aus ist dort zwischengespeichertes Kondensat 24, welches zumindest Kondensat enthält, welches vom Abgaskühler 13 stammt, zwischengespeichert.
  • Über eine dritte Kondensatleitung 25 ist das Kondensat 24 aus dem Zwischenspeicher 15 mittels einer Fördereinrichtung 26 für das Kondensat 24, insbesondere einer Förderpumpe oder einer Dosierpumpe einer Kondensatzuführeinrichtung 27 zuführbar. Die Kondensatzuführeinrichtung 27 besitzt Injektoren 28, mittels denen Kondensat dosiert und insbesondere abhängig von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors zuführbar ist. Die Zufuhr erfolgt über eine Steuerungseinrichtung 29 gesteuert und/oder geregelt in die Einlasskanäle 22 oder direkt in die Brennräume 23. Bei einer derartigen Kondensatzuführeinrichtung handelt es sich um eine sogenannte Wassereinspritzeinrichtung, bei der das Wasser vor den Brennräumen dem Frischgas zugemengt wird. Selbstverständlich ist es alternativ auch möglich, die Kondensatzuführeinrichtung 27 als direkt einspritzende Wassereinspritzung auszubilden, bei der die Injektoren 28 direkt in die Brennräume 23 des Verbrennungsmotors 1 münden und somit das den Injektoren zugeführte Kondensat 23 direkt, das heißt ohne Zwischenschaltung von Einlasskanälen 22, in die Brennräume einspritzbar ist.
  • Solange die ND-AGR 11 von Abgas durchströmt wird, fällt im Abgaskühler 13 Kondensat an, welches dem Zwischenspeicher 15 zugeführt wird.
  • Im Leerlauf-, niedrigem Teillast- und mittleren Teillastbestrieb des Verbrennungsmotors 1 ist das Abgasrückführungsventil 16 zumindest teilweise geöffnet, sodass ein Teilabgasstrom die ND-AGR 11 durchströmt und den Massenstrom an Frischgas nach der Mündungsstelle 17 erhöht. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, dass eine Zuführung oder Einspritzung von Kondensat mittels der Kondensatzuführungseinrichtung 27 in die Brennräume 23 oder in die Einlasskanäle 22 dann erfolgt, wenn der Verbrennungsmotor 1 sich in einen Betriebszustand im Bereich hoher Teillast oder Volllast befindet. In solchen Betriebszuständen ist bevorzugt, das Abgasrückführungsventil 16 in einer Drosselstellung oder in einer Schließstellung, sodass nur eine verminderte oder gar keine Abgasmenge durch die ND-AGR 11 strömt. Somit entsteht in diesem Betriebszustand am Abgaskühler 13 kein Kondensat. Um ein unzulässig, niedriges Niveau an Kondensat 24 im Zwischenspeicher 15 zu vermeiden, ist es vorteilhaft ein zweites Kondensat aus einer zweiten Kondensatquelle, beispielsweise dem Ladeluftkühler 19, dem Zwischenspeicher 15 zuzuführen. Dies hat den Vorteil, dass im Rahmen der Ladeluftkühlung unabhängig vom Lastzustand des Verbrennungsmotors über den gesamten Lastbereich Ladeluftkondensat entsteht, wobei dies insbesondere im hohem Teillast- oder Volllastbetrieb des Verbrennungsmotors in größerer Menge anfällt. Die Grenze zwischen mittlerem Teillast- und hohem Teillastbereich liegt im Bereich zwischen 75 % und 85 % des Volllastbetriebs des Verbrennungsmotors. Innerhalb dieses Bereiches kann ein Umschaltpunkt gewählt werden, bei dem das Abgasrückführungsventil 16 schließt und die Zuführung von Kondensat mittels der Kondensatzuführeinrichtung 27 beginnt. Ein solcher Umschaltpunkt kann durch Prüfstandläufe eines individuellen Verbrennungsmotors oder eines individuellen Verbrennungsmotortyps mit den angrenzenden Aggregaten ermittelt werden.
  • Alternativ ist es auch möglich, insbesondere innerhalb der Grenzen von 75 % bis 85 % des Volllastbetriebs bei einer Laststeigerung den Abgasstrom durch die ND-AGR 11 kontinuierlich oder stufenförmig zu reduzieren bis kein Abgas mehr durch die ND-AGR 11 strömt. Lastversetzt oder synchron zum Schließen des Abgasrückführungsventils 16 kann die Kondensatzuführungseinrichtung 27 mit steigender Last kontinuierlich höhere Wassermengen (Kondensatmengen) einspritzen, sodass ein Überlappungsbereich, in dem sowohl noch Abgas durch die ND-AGR 11 strömt, als auch bereits eine Zuführung vom Kondensat zum Frischgas oder in den Brennraum stattfindet. Bevorzugt ist allerdings, dass die Wassereinspritzung/ Kondensateinspritzung dann erfolgt, wenn die ND-AGR 11 inaktiv ist. Dies bedeutet, dass zunächst in einem Übergangsbereich zwischen mittlerer Teillast und hoher Teillast der Abgasstrom durch die ND-AGR 11 verringert wird und bis zu einem vorbestimmten Betriebspunkt auf null reduziert wird, das heißt, dass das AGR-Ventil 16 geschlossen wird. Erst nachdem das AGR-Ventil 16 vollständig geschlossen ist, beginnt mit weiter steigender Motorlast die Kondensatzuführung, zum Beispiel mittels der Wassereinspritzeinrichtung. Die Erhöhung der eingespritzten Wassermenge mit steigender Last kann dabei kontinuierlich oder stufenförmig erfolgen, wobei bei Volllast bevorzugt eine maximale Wassermenge pro Arbeitszyklus des Verbrennungsmotors 1 eingespritzt oder zugeführt wird.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bewusst eine ND-AGR 11 zur Bildung von Kondensat aus durch die ND-AGR 11 geführtem Abgas gewählt. Als ND-AGR 11 ist erfindungsgemäß eine Abgasrückführungseinrichtung zu verstehen, bei der die Abzweigstelle 10 zumindest nach einer Antriebseinrichtung 6 eines Laders 7 angeordnet ist, sodass an der Abzweigstelle 10 nach dem Durchströmen der Antriebseinrichtung 6 bereits ein teilentspanntes und teilabgekühltes Abgas, verglichen mit dem Abgas im Zustand vor dem Eintritt in die Antriebseinrichtung 6 des Laders, vorliegt. Hierdurch gelingt es mittels einer geringeren Abkühlung, das heißt einem geringeren Wärmeentzug des durch den Abgaskühler 13 strömenden Abgases, bereits Kondensat in ausreichender Menge zu erhalten. Würde Abgas im Wege einer Hochdruckabgasrückführung, also in Strömungsrichtung 5 gesehen, vor der Antriebseinrichtung 6 abgezweigt werden, so ist das Abgas für die Hochdruckabgasrückführungseinrichtung wesentlich heißer und muss bis zum Erreichen eines Taupunktes einer Komponente im Abgas wesentlich stärker abgekühlt werden, sodass ein höherer Kühlungsbedarf besteht. Weiterhin hat das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass durch das Vorsehen einer ND-AGR 11 der gesamte Abgasvolumenstrom zum Antrieb der Antriebseinrichtung 6 zur Verfügung steht, da vor der Antriebseinrichtung 6 kein Abgasvolumenstrom abgezweigt wird.
  • Des Weiteren ist es bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung und beim erfindungsgemäßen Verfahren von Vorteil, dass weitere Kondensatquellen im Betrieb eines Kraftfahrzeugs genutzt werden, mit denen sichergestellt werden kann, dass auch bei einem langandauernden Betrieb des Verbrennungsmotors 1 im hohen Teillast- oder Volllastbetrieb, während dessen die ND-AGR 11 inaktiv oder zumindest gedrosselt ist, immer genug Kondensat 24 im Zwischenspeicher 15 vorrätig ist um auch bei langartigen derartigen Betriebszuständen genügend Kondensat für die Kondensatzuführungseinrichtung 27 zur Verfügung steht. Damit der Beginn der Kondensateinspritzung und die Menge des eingespritzten Kondensats mit steigender Last in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Abgasrückführungsventils 16 ermittelt werden kann, ist beispielsweise eine Signalleitung 30 vorhanden, welche eine aktuelle Stellung des Abgasrückführungsventils 16 der Steuereinrichtung 29 zur Verfügung stellt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Verbrennungsmotor
    2
    Frischgastrakt
    3
    Hauptabgasstrang
    4
    1. Strömungsrichtung
    5
    2. Strömungsrichtung
    6
    Antriebseinrichtung
    7
    Lader
    8
    Ladereinrichtung
    9
    Abgasreinigungseinrichtung
    10
    Abzweigstelle
    11
    Niederdruck-Abgasrückführungseinrichtung (ND-AGR)
    12
    3. Strömungsrichtung
    13
    Kondensator
    14
    1. Kondensatleitung
    15
    Zwischenspeicher
    16
    Abgasrückführungsventil
    17
    Mündungsstelle
    18
    Luftfilter
    19
    Ladeluftkühler
    20
    2. Kondensatleitung
    21
    Drosselklappeneinrichtung
    22
    Einlasskanäle
    23
    Brennräume
    24
    Kondensat
    25
    3. Kondensatleitung
    26
    Fördereinrichtung
    27
    Kondensatzuführeinrichtung
    28
    Injektoren
    29
    Steuerungseinrichtung
    30
    Signalleitung

Claims (15)

  1. Verfahren zum Vermindern der Klopfneigung eines fremdgezündeten, aufgeladenen Verbrennungsmotors (1) mit einer Niederdruck-Abgasrückführungseinrichtung (11) aufweisend zumindest die Schritte: a) Kondensieren zumindest eines Teils von im Abgas, welches die Niederdruck-Abgasrückführungseinrichtung (11) durchströmt, enthaltenem gasförmigem Wasser; b) Zwischenspeichern des entstandenen Kondensates in einem Zwischenspeicher (15) und c) Zuführen des Kondensats aus dem Zwischenspeicher (15) in einen Frischgastrakt (2) oder Einspritzen des Kondensats in einen Brennraum (23) des Verbrennungsmotors (1), wobei das Zuführen des Kondensats in den Frischgastrakt (2) oder das Einspritzen des Kondensats in den Brennraum (23) des Verbrennungsmotors (1) nur in einem Betriebszustand des Verbrennungsmotors (1) erfolgt, bei dem die Abgas-Rückführung inaktiv oder gedrosselt ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein im Wege einer Ladeluftkühlung anfallendes Ladeluftkondensat dem Zwischenspeicher (15) zugeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kondensat dem Frischgastrakt (2) in Strömungsrichtung eines Frischgases nach einem Ladeluftkühler (19), insbesondere nach einer Drosselklappe (21) zugeführt wird oder direkt in den Brennraum (23) des Verbrennungsmotors (1) eingespritzt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Kondensat aus dem Zwischenspeicher (15), mittels einer Fördereinrichtung (26) oder einer Dosierpumpe einer Kondensatzuführeinrichtung (27) zugeführt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas, welches zur Durchströmung der Niederdruck-Abgasrückführungseinrichtung (11) vorgesehen ist, in Strömungsrichtung eines Hauptabgasstranges (3) nach einer Antriebseinrichtung (6) eines abgasangetriebenen Laders (7) vom Hauptabgasstrom abgezweigt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Abgas, welches zur Durchströmung der Niederdruck-Abgasrückführungseinrichtung (11) vorgesehen ist, in Strömungsrichtung des Hauptabgasstranges (3) nach einer Abgasreinigungseinrichtung (9) abgezweigt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zuführen des Kondensats in den Frischgastrakt (2) oder die Einspritzung des Kondensats in den Brennraum (23) bei einem Betriebszustand des Verbrennungsmotors (1), welcher mehr als 75 % des Volllastbetriebszustandes, insbesondere mehr als 85 % des Volllastbetriebszustandes beträgt, erfolgt.
  8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Zwischenspeicher (15) zumindest ein weiteres Kondensat aus einer anderen Kondensatquelle als der Niederdruck-Abgasrückführungseinrichtung (11) zugeführt wird, welches auch dann anffällt, wenn die Niederdruck-Abgasrückführung inaktiv oder gedrosselt ist.
  9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführung in einem Betriebszustand oberhalb von 75 %, insbesondere oberhalb von 85 % des Vollastbetriebszustandes des Verbrennungsmotors (1) inaktiv ist oder gedrosselt wird.
  10. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweisend einen fremdgezündeten, aufgeladenen Verbrennungsmotor (1) mit einer Niederdruck-Abgasrückführungseinrichtung (11), wobei die Niederdruck-Abgasrückführungseinrichtung (11) zumindest einen Kondensator (13) zum Kondensieren zumindest eines Teils von im Abgas, welches die Niederdruck-Abgasrückführungseinrichtung durchströmt, enthaltenem gasförmigem Wasser aufweist und einen Zwischenspeicher (15) zur Aufnahme des entstandenen Kondensates, welcher fluidisch mit dem Kondensator (13) verbunden ist, hat, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Kondensatzuführeinrichtung (27) zum Zuführen des Kondensats in einen Frischgastrakt (2) oder zum Einspritzen des Kondensats in einem Brennraum (23) des Verbrennungsmotors (1) besitzt, wobei eine Steuereinrichtung (29) vorhanden ist, mittels der die Kondensatzuführeinrichtung (27) in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors (1) und/oder einer Stellung eines Abgasrückführungsventils (16) betreibbar ist, wobei die Kondensatzuführeinrichtung (27) aktivierbar ist, wenn sich das Abgasrückführungsventil (16) in einer Drosselstellung befindet oder geschlossen ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ladeluftkühler (19) vorhanden ist, welcher fluidisch mit dem Zwischenspeicher (15) in Verbindung steht, sodass im Wege einer Ladeluftkühlung anfallendes Ladeluftkondensat dem Zwischenspeicher (15) zuführbar ist.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatzuführeinrichtung (27) zumindest einen Injektor (28) aufweist, mit welchem in Strömungsrichtung des Frischgastraktes (2) nach dem Ladeluftkühler (19), insbesondere nach einer Drosselklappe (21) und vor einem Brennraum (23) des Verbrennungsmotors (1) das Kondensat aus dem Zwischenspeicher (15) dem Frischgas zudosierbar ist oder das Kondensat direkt in einen Brennraum (23) des Verbrennungsmotors (1) einspritzbar ist.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fördereinrichtung (26) vorhanden ist, mittels der Kondensat aus dem Zwischenspeicher (15) der Kondensatzuführeinrichtung (27) zuführbar ist.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abzweigstelle (10) der Niederdruck-Abgasrückführungseinrichtung (11) in Strömungsrichtung eines Abgases in einem Hauptabgasstrang (3) einer Antriebseinrichtung (6) eines abgasangetriebenen Laders (7) und/oder einer Abgasreinigungseinrichtung (9) nachgeordnet ist.
  15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass weitere, im Betrieb eines Kraftfahrzeugs entstehende Kondensate dem Zwischenspeicher (15) zuführbar sind.
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