DE102015206551B4

DE102015206551B4 - Verbrennungsmotor mit Niederdruck-Abgasrückführung sowie Betriebsverfahren hierfür

Info

Publication number: DE102015206551B4
Application number: DE102015206551.0A
Authority: DE
Inventors: Andreas Kuske; Daniel Roettger; Christian Winge Vigild
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-04-13
Filing date: 2015-04-13
Publication date: 2019-01-17
Anticipated expiration: 2035-04-14
Also published as: DE102015206551A1

Abstract

Turbogeladener Mehrzylinder-Verbrennungsmotor (1) mit Niederdruck-Abgasrückführung von einer Abgasnachbehandlungseinrichtung (4) über einen Abgasrückführungskühler (11) und einen Kompressor (8) in einen Einlasskrümmer (10) des Verbrennungsmotors (1), dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (1) für Zylinderabschaltung eingerichtet ist, bei der die Kraftstoffzufuhr zu einer Zylindergruppe, die aus einem oder mehreren, jedoch nicht allen, Zylindern bestehen kann, unterbrochen wird, indem mindestens ein Zylindereinlass des Verbrennungsmotors (1) statt mit einer Ladeluftleitung (14) mit einem Ausgang des genannten Abgasrückführungskühlers (11) verbindbar ist, wobei der Abgasrückführungskühler (11) derart dimensioniert ist, dass er die Temperatur des Rückführungsabgases nach oben begrenzt, wenn alle Zylinder gefeuert sind, und dass er die Temperatur des Rückführungsabgases nach oben und nach unten begrenzt, wenn ein oder mehrere Zylinder abgeschaltet sind und deren Zylindereinlässe statt mit der Ladeluftleitung (14) direkt mit dem Ausgang des genannten Abgasrückführungskühlers (11) verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen turbogeladenen Mehrzylinder-Verbrennungsmotor mit Niederdruck-Abgasrückführung sowie ein Verfahren zum Betreiben desselben, gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
Moderne Dieselmotoren und Otto-Motoren verfügen in der Regel über eine Abgasrückführung (EGR = Exhaust Gas Recirculation), wobei Abgase zurück zum Ansaugkrümmer geführt werden, um unter anderem die Temperaturspitzen im Zylinder (infolge der Einstellung einer geringeren Sauerstoffkonzentration im Gemisch) zu reduzieren. Hierdurch kann wiederum eine Verringerung bzw. Begrenzung der Emissionen von Stickoxiden erzielt werden, die notwendig ist, um die z. B. in der Abgasnorm EURO 6 vorgeschriebenen Grenzwerte einzuhalten.
Bei Verbrennungsmotoren mit Abgasturbolader unterscheidet man zwischen Niederdruck-Abgasrückführung und Hochdruck-Abgasrückführung, welche auch beide vorgesehen sein können. Niederdruck-Abgasrückführung speist einen stromabwärts einer Abgasnachbehandlungseinrichtung abgezweigten Abgasmassenstrom an einer Stelle stromaufwärts des Kompressors des Turboladers in die Frischluft ein. Hochdruck-Abgasrückführung speist einen am Abgaskrümmer abgezweigten Abgasmassenstrom an einer Stelle stromabwärts des Kompressors des Turboladers in die Frischluft ein. Je nach den aktuellen Betriebsbedingungen wird eine der beiden Arten von Abgasrückführung gewählt. Dabei wird normalerweise die kühlere und partikelärmere Niederdruck-Abgasrückführung bevorzugt, auch weil die Ansaugluft nicht durch sehr heißes Abgas erwärmt wird, was bei Hochdruck-Abgasrückführung den Füllungsgrad vermindert, und weil der Abgasmassenstrom vor der Turbine des Turboladers nicht reduziert wird, wie es bei Hochdruck-Abgasrückführung der Fall ist.
Zylinderabschaltung ermöglicht eine Senkung des Kraftstoffverbrauchs von Mehrzylinder-Verbrennungsmotoren. Dazu wird bei geringer Leistungsanforderung, d. h. in einem Teillastbetrieb, die Kraftstoffzufuhr zu einer Zylindergruppe unterbrochen, die aus einem oder mehreren Zylindern bestehen kann. Zusätzlich kann die Luftzufuhr z. B. durch Deaktivieren der Ventile der abgeschalteten Zylinder unterbrochen werden, um Gaswechselverluste zu vermeiden, doch gibt es hierfür auch andere Lösungen.
Bei Verbrennungsmotoren mit Zylinderabschaltung gibt es für die abschaltbaren Zylinder und die im Zylinderabschaltbetrieb noch gefeuerten Zylinder in der Regel je einen eigenen Abgasstrang mit Abgasnachbehandlungseinrichtung und im Falle von Abgasrückführung auch zwei getrennte Abgasrückführungskühler.
Aus der WO 2013/186464 A1 ist ein turbogeladener Mehrzylinderverbrennungsmotor mit Niederdruck-Abgasrückführung bekannt, bei dem alle Zylindereinlässe gemeinsam statt mit der Ladeluftleitung auch mit dem Ausgang eines Abgasrückführungskühlers verbindbar sind. Eine selektive Deaktivierung nur einer Teilmenge von Zylindern ist nicht vorgesehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen gattungsbildenden Verbrennungsmotor bzw. dessen Betrieb dahingehend weiterzuentwickeln, dass mit nur einem Abgasrückführungskühler ein besonders vorteilhafter Zylinderabschaltbetrieb möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch einen Verbrennungsmotor und ein Betriebsverfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß sind der Verbrennungsmotor und insbesondere sein Einlasskrümmer, ein Hohlbauteil zum Verteilen der Ladeluft auf die einzelnen Zylindereinlässe, für Zylinderabschaltung eingerichtet, indem mindestens ein Zylindereinlass des Verbrennungsmotors statt mit einer Ladeluftleitung mit einem Ausgang des einen Abgasrückführungskühlers verbindbar ist.
Ein derartiger Verbrennungsmotor ist für ein Betriebsverfahren konzipiert, in einem Zylinderabschaltbetrieb mindestens einem Zylinder des Verbrennungsmotors statt Ladeluft, die entweder Frischluft oder ein Gemisch aus Frischluft und Rückführungsabgas ist, reines Rückführungsabgas zuzuführen, das den genannten Abgasrückführungskühler durchströmt hat, aber nicht den Kompressor.
Die Erfinder haben erkannt, dass es im Rahmen des vorgenannten Konzeptes möglich ist, einen einzigen Abgasrückführungskühler für die erfindungsgemäße Doppelfunktion auszulegen und zu verwenden, erstens die Temperatur des Rückführungsabgases nach oben zu begrenzen, wenn alle Zylinder gefeuert sind, um die Temperaturen vor und hinter dem Kompressor zu begrenzen, und zweitens die Temperatur des Rückführungsabgases nach oben und nach unten zu begrenzen, wenn ein oder mehrere Zylinder abgeschaltet sind und deren Zylindereinlässe statt mit der Ladeluftleitung direkt mit dem Ausgang des genannten Abgasrückführungskühlers verbunden sind. Diese letztere Temperaturbegrenzung nach oben und nach unten bewirkt, dass die nicht gefeuerten Zylinder nicht zu heiß werden, aber im Wesentlichen betriebswarm bleiben oder zumindest nicht sehr abkühlen.
Damit wirkt der Abgasrückführungskühler in einem Motorbetrieb, in dem alle Zylinder gefeuert sind, wie ein konventioneller Niederdruck-Abgasrückführungskühler, und in einem Zylinderabschaltbetrieb kühlt er das Rückführungsabgas gerade so weit, dass die davon durchströmten abgeschalteten Zylinder nicht unter eine betriebsgünstige Mindesttemperatur abkühlen, wie es ansonsten im Falle von Ventildeaktivierung vorkommen kann. Wenn die abgeschalteten Zylinder unter eine Mindesttemperatur abkühlen, kann dies beim Wiedereinschalten zu erhöhten Schadstoffemissionen führen.
Im Zylinderabschaltbetrieb sorgt das Zuführen des Rückführungsabgases außerdem dafür, dass in den abgeschalteten Zylindern ein gewisser Druck aufrechterhalten bleibt. Damit bleibt die Ölbalance gewahrt, d. h., übermäßiger Ölverlust über die Kol-benringe und Ventilschäfte in die Brennkammern der abgeschalteten Zylinder wird verhindert.
Da für die Erfindung nur ein Abgasrückführungskühler nötig ist, werden Gewicht, Kosten, Bauraum, Verrohrung, Kühlmittel und Lüfter für zwei Kühlsysteme eingespart.
Das für die Erfindung genutzte Konzept eines umschaltbaren Einlasskrümmers wird insbesondere dadurch realisiert, dass der Einlasskrümmer mehrere Teilräume enthält, die jeweils mit einem oder mehreren Zylindereinlässen in Strömungsverbindung stehen, wobei mindestens ein Teilraum permanent mit einer Ladeluftleitung verbunden ist und wobei mindestens ein Teilraum einen Einlass für Rückführungsabgas und ein Dreiwegeventil aufweist, das diesen Teilraum wahlweise entweder für die Ladeluft öffnet und für das Rückführungsabgas abschließt oder von der Ladeluft abschließt und für das Rückführungsabgas öffnet.
Derartige Dreiwegeventile können auf einfache Weise als Klappenventile hergestellt werden, die leicht einen großen Öffnungsquerschnitt haben können. Sie müssen auch nicht besonders druckfest sein, wenn man ein zusätzliches Absperrventil zwischen dem Ausgang des Abgasrückführungskühlers und den umschaltbaren Teilräumen vorsieht.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind der Ausgang des Abgasrückführungskühlers, ein Frischlufteinlass und der Einlass des Kompressors über ein anderes Dreiwegeventil, nämlich ein Niederdruck-Abgasrückführungs-Kombiventil, miteinander verbunden. In einem Motorbetrieb, in dem alle Zylinder gefeuert sind, arbeitet dieses Ventil als Dosierventil zum Dosieren des Verhältnisses von Frischluft und Abgas, und in einem Zylinderabschaltbetrieb schließt es den Lufteinlasstrakt, insbesondere dessen von einem Luftfilter zum Kompressor führende Leitung, von dem Rückführungsabgas ab.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in einem Zylinderabschaltbetrieb mindestens einem Zylinder des Verbrennungsmotors statt Ladeluft Rückführungsabgas zugeführt, das den genannten Abgasrückführungskühler durchströmt hat. Dieses Rückführungsabgas wird hier als unkomprimiert bezeichnet, da es nicht vom Kompressor komprimiert wird, doch steht es natürlich unter einem gewissen Druck, weil es stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung und stromaufwärts eines Schalldämpfers in den Abgasrückführungskühler abgezweigt wird.
Bei der Erfindung arbeiten die Ventile von abgeschalteten Zylindern weiter, weshalb der Zylinderabschaltbetrieb ohne aufwändige Ventildeaktivierung durchgeführt werden kann. Die Erfindung eignet sich daher besonders für Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren.
Es folgt eine Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Darin zeigen:

1 eine Prinzipskizze eines turbogeladenen Mehrzylinder-Verbrennungsmotors mit verschiedenen Komponenten seiner Ein- und Auslasstrakte in einer Betriebsart mit Zylinderabschaltung und Abgasrückführung in deaktivierte Zylinder; und
2 eine Prinzipskizze des Verbrennungsmotors von 1 in einer Betriebsart, in der alle Zylinder gefeuert sind und Abgasrückführung in den Lufteinlasstrakt stattfindet.

In 1 und 2 sind Rohrleitungen zwischen den Komponenten mit dickeren Linien eingezeichnet, und wenn diese Rohrleitungen in der jeweiligen Betriebsart gasdurchströmt sind, sind die Gasströme außerdem mit Pfeilen an den Enden der Linie angezeigt.
Abgas vom Verbrennungsmotor 1 gelangt über einen Abgassammler 2, eine Turbine 3 eines Abgasturboladers und eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 4 in einen Schalldämpfer 5.
Frischluft 6 gelangt über ein Ventil (V1) 7, einen Kompressor 8 des Abgasturboladers und einen Zwischenkühler 9 in einen Einlasskrümmer 10 und dann in einzelne Zylinder des Verbrennungsmotors 1.
Zwischen der Abgasnachbehandlungseinrichtung 4 und dem Schalldämpfer 5 abgezweigtes Abgas kann über einen Abgasrückführungskühler (EGR-Kühler) 11 und das Ventil V1 (7) der Einlassluft zugemischt werden.
Das Ventil (V1) 7 ist in diesem Beispiel ein Dreiwege-Niederdruck-Abgasrückführungs-Kombiventil, das eine Einstellung der Abgasrückführungsrate erlaubt, doch könnte es z. B. auch durch zwei Zweiwegeventile gebildet werden.
Zwischen dem Abgasrückführungskühler 11 und dem Ventil (V1) 7 befindet sich noch ein Abzweig, der zu einem Ventil (V2) 12 führt.
Der Einlasskrümmer 10 ist ein sog. umschaltbarer Einlasskrümmer, der mehrere Teilräume 101, 102, 103 enthält, die mit einem oder mehreren Zylindereinlässen und in Strömungsverbindung stehen. In diesem Beispiel, in dem der Verbrennungsmotor ein Vierzylindermotor ist, steht der Teilraum 101 mit zwei benachbarten Zylindern in Verbindung, und die Teilräume 102 und 103 stehen jeweils mit einem anderen Zylinder in Verbindung. Alternativ könnte jedem Zylinder genau ein Teilraum zugeordnet sein, oder die Teilräume 102 und 103 könnten durch einen einzigen Teilraum gebildet werden.
Der Teilraum 101 steht mit einer Ladeluftleitung 14 vom Zwischenkühler 9 in permanenter Strömungsverbindung, und die Teilräume 102 und 103 besitzen einen Einlass für Rückführungsabgas von dem Ventil (V2) 12 und enthalten jeweils ein Dreiwegeventil in Form einer Klappe 13, die den jeweiligen Teilraum 102, 103 wahlweise entweder für die Ladeluft öffnet und für das Rückführungsabgas abschließt oder von der in den Teilraum 101 strömenden Ladeluft abschließt und für das Rückführungsabgas öffnet, wie in den Figuren schematisch dargestellt.
Das Ventil (V2) 12 könnte auch entfallen, wenn seine Funktion von den zwei Klappen 13 übernommen werden kann.
In einer Betriebsart mit Zylinderabschaltung und Abgasrückführung in zwei deaktivierte Zylinder, wie durch die Strömungspfeile in 1 veranschaulicht, ist das Ventil V1 7 zum Abgasrückführungskühler 11 hin geschlossen, das Ventil (V2) 12 ist offen, und die Klappen 13 befinden sich in Stellungen, in denen keine Frischluft, sondern nur Rückführungsabgas vom Abgasrückführungskühler 11 in die Teilräume 102 und 103 und somit in die entsprechenden Zylinder gelangt, deren Ventile während der Zylinderabschaltung weiterarbeiten.
In einer Betriebsart, in der alle Zylinder gefeuert sind und Abgasrückführung in den Lufteinlasstrakt stattfindet, wie durch die Strömungspfeile in 2 veranschaulicht, ist das Ventil (V1) 7 zum Abgasrückführungskühler 11 hin offen, das Ventil (V2) 12 ist geschlossen, und die Klappen 13 sind in Stellungen, in denen über den Teilraum 101 ein komprimiertes Gemisch aus Frischluft und Rückführungsabgas in den Teilraum 102 und in der Folge in den Teilraum 103 und somit in alle Zylinder gelangt.
In einer nicht gezeigten Betriebsart, in der nur ein Zylinder deaktiviert wäre, wäre die Klappe 13 des Teilraums 102 in ihrer in 2 gezeigten Stellung, und die Klappe 13 des Teilraums 103 wäre in ihrer in 1 gezeigten Stellung.

Claims

Turbogeladener Mehrzylinder-Verbrennungsmotor (1) mit Niederdruck-Abgasrückführung von einer Abgasnachbehandlungseinrichtung (4) über einen Abgasrückführungskühler (11) und einen Kompressor (8) in einen Einlasskrümmer (10) des Verbrennungsmotors (1), dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (1) für Zylinderabschaltung eingerichtet ist, bei der die Kraftstoffzufuhr zu einer Zylindergruppe, die aus einem oder mehreren, jedoch nicht allen, Zylindern bestehen kann, unterbrochen wird, indem mindestens ein Zylindereinlass des Verbrennungsmotors (1) statt mit einer Ladeluftleitung (14) mit einem Ausgang des genannten Abgasrückführungskühlers (11) verbindbar ist, wobei der Abgasrückführungskühler (11) derart dimensioniert ist, dass er die Temperatur des Rückführungsabgases nach oben begrenzt, wenn alle Zylinder gefeuert sind, und dass er die Temperatur des Rückführungsabgases nach oben und nach unten begrenzt, wenn ein oder mehrere Zylinder abgeschaltet sind und deren Zylindereinlässe statt mit der Ladeluftleitung (14) direkt mit dem Ausgang des genannten Abgasrückführungskühlers (11) verbunden sind.
Verbrennungsmotor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlasskrümmer (10) mehrere Teilräume (101, 102, 103) enthält, die jeweils mit einem oder mehreren Zylindereinlässen in Strömungsverbindung stehen, wobei mindestens ein Teilraum (101) permanent mit der Ladeluftleitung (14) verbunden ist und wobei mindestens ein Teilraum (102, 103) einen Einlass für Rückführungsabgas und ein Dreiwegeventil (13) aufweist, das diesen Teilraum wahlweise entweder für die Ladeluft öffnet und für das Rückführungsabgas abschließt oder von der Ladeluft abschließt und für das Rückführungsabgas öffnet.
Verbrennungsmotor (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das oder jedes Dreiwegeventil ein Klappenventil (13) ist.
Verbrennungsmotor (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Abgasrückführungskühlers (11) über ein Absperrventil (12) mit den Teilräumen (102, 103) verbunden ist, die nicht permanent mit der Ladeluftleitung (14) verbunden sind.
Verbrennungsmotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Abgasrückführungskühlers (11), ein Frischlufteinlass (6) und der Einlass des Kompressors (8) über ein anderes Dreiwegeventil (7) miteinander verbunden sind, welches Dreiwegeventil (7) in einem Motorbetrieb, in dem alle Zylinder gefeuert sind, als Dosierventil zum Dosieren des Verhältnisses von Frischluft und Abgas arbeitet und welches in einem Zylinderabschaltbetrieb den Lufteinlasstrakt von dem Rückführungsabgas abschließt.
Verfahren zum Betreiben eines turbogeladenen Mehrzylinder-Verbrennungsmotors (1) mit Niederdruck-Abgasrückführung von einer Abgasnachbehandlungseinrichtung (4) über einen Abgasrückführungskühler (11) und einen Kompressor in einen Einlasskrümmer (10) des Verbrennungsmotors (1), dadurch gekennzeichnet, dass in einem Zylinderabschaltbetrieb mindestens einem Zylinder des Verbrennungsmotors (1), aber nicht allen Zylindern, statt Ladeluft unkomprimiertes Rückführungsabgas zugeführt wird, das den genannten Abgasrückführungskühler (11) durchströmt hat, wobei der Abgasrückführungskühler (11) die Temperatur des Rückführungsabgases nach oben begrenzt, wenn alle Zylinder gefeuert sind, und die Temperatur des Rückführungsabgases nach oben und nach unten begrenzt, wenn ein oder mehrere Zylinder abgeschaltet sind und deren Zylindereinlässe statt mit der Ladeluftleitung (14) direkt mit dem Ausgang des genannten Abgasrückführungskühlers (11) verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile von abgeschalteten Zylindern im Zylinderabschaltbetrieb weiterarbeiten.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5 ausgebildet ist und insbesondere ein Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotor ist.