DE102015219625A1

DE102015219625A1 - Aufgeladene Brennkraftmaschine mit Niederdruck-Abgasrückführung und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102015219625A1
Application number: DE102015219625.9A
Authority: DE
Inventors: Helmut Kindl; Andreas Kuske; Jörg Kemmerling; Vanco Smiljanovski; Franz Arnd Sommerhoff; Christian Winge Vigild; Hanno Friederichs
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-10-09
Filing date: 2015-10-09
Publication date: 2017-04-13
Anticipated expiration: 2035-10-10
Also published as: DE102015219625B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit – einem Ansaugsystem (1) zum Zuführen von Ladeluft, – einem Abgasabführsystem (2) zum Abführen von Abgas, – mindestens einem Abgasturbolader (3), der eine im Abgasabführsystem (2) angeordnete Turbine (3b) und einen im Ansaugsystem (1) angeordneten Verdichter (3a) umfasst, – einer Niederdruck-Abgasrückführung (4) umfassend eine Rückführleitung (4a), die stromabwärts der Turbine (3b) des mindestens einen Abgasturboladers (3) vom Abgasabführsystem (2) abzweigt und stromaufwärts des Verdichters (3a) des mindestens einen Abgasturboladers (3) in das Ansaugsystem (1) mündet, und – einer Hochdruck-Abgasrückführung umfassend eine Leitung, die stromaufwärts der Turbine (3b) des mindestens einen Abgasturboladers (3) aus dem Abgasabführsystem (2) abzweigt und stromabwärts des Verdichters (3a) des mindestens einen Abgasturboladers (3) wieder in das Ansaugsystem (1) mündet. Es soll eine Brennkraftmaschine der genannten Art bereitgestellt werden, die hinsichtlich der Kondensatbildung in der Niederdruck-AGR (4) verbessert ist. Erreicht wird dies durch eine Brennkraftmaschine der genannten Art, bei der die Niederdruck-Abgasrückführung (4) mit mindestens einem abgasseitigen Absperrelement (4d, 5c) ausgestattet ist, das stromabwärts des ersten Knotenpunktes (5a) und stromaufwärts des zweiten Knotenpunktes (5b) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit

– einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft,
– einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas,
– mindestens einem Abgasturbolader, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst,
– einer Niederdruck-Abgasrückführung umfassend eine Rückführleitung, die stromabwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers vom Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des Verdichters des mindestens einen Abgasturboladers in das Ansaugsystem mündet, wobei in der Rückführleitung ein Kühler und stromabwärts des Kühlers ein Steuerelement angeordnet sind, und eine Bypassleitung zur Umgehung des Kühlers, die unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes stromaufwärts des Kühlers von der Rückführleitung abzweigt und unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes zwischen dem Kühler und dem Steuerelement in die Rückführleitung mündet, wobei am zweiten Knotenpunkt eine ansaugseitige Umschaltvorrichtung angeordnet ist, die in einer ersten Schaltposition die Rückführleitung freigibt und die Bypassleitung versperrt und in einer zweiten Schaltposition die Bypassleitung freigibt und die Rückführleitung versperrt, und
– einer Hochdruck-Abgasrückführung umfassend eine Leitung, die stromaufwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers aus dem Abgasabführsystem abzweigt und stromabwärts des Verdichters des mindestens einen Abgasturboladers wieder in das Ansaugsystem mündet.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.
Eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, sowie Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
In den letzten Jahren hat sich eine Entwicklung hin zu kleinen, hochaufgeladenen Motoren vollzogen, wobei die Aufladung in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung ist, bei dem die für den motorischen Verbrennungsprozess benötigte Luft verdichtet wird. Die wirtschaftliche Bedeutung dieser Motoren für die Automobilbauindustrie nimmt weiter ständig zu.
Häufig wird für die Aufladung ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind. Der heiße Abgasstrom wird der Turbine zugeführt und entspannt sich unter Energieabgabe in der Turbine, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird. Regelmäßig wird ein Ladeluftkühler stromabwärts des Verdichters im Ansaugsystem vorgesehen, mit dem die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in den mindestens einen Zylinder gekühlt wird. Der Ladeluftkühler senkt die Temperatur und steigert damit die Dichte der Ladeluft, so dass auch der Ladeluftkühler zu einer besseren Füllung der Zylinder, d. h. zu einer größeren Luftmasse, beiträgt. Es erfolgt eine Verdichtung durch Kühlung.
Der Vorteil eines Abgasturboladers im Vergleich zu einem mechanischen Lader besteht darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine besteht bzw. erforderlich ist. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie vollständig von der Brennkraftmaschine bezieht und somit die bereitgestellte Leistung mindert und auf diese Weise den Wirkungsgrad nachteilig beeinflusst, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase.
Die Aufladung dient – wie bereits erwähnt – der Leistungssteigerung. Die für den Verbrennungsprozess benötigte Luft wird verdichtet, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden.
Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Wird der Hubraum verringert, lässt sich das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist.
Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Brennkraftmaschinen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.
Ein weiteres grundsätzliches Ziel ist es, die Schadstoffemissionen zu reduzieren. Bei der Lösung dieser Aufgabe kann die Aufladung ebenfalls hilfreich sein. Bei gezielter Auslegung der Aufladung können nämlich Vorteile im Wirkungsgrad und bei den Abgasemissionen erzielt werden. Um zukünftige Grenzwerte für Schadstoffemissionen einzuhalten sind aber neben der Aufladung weitere innermotorische Maßnahmen erforderlich.
So dient die Abgasrückführung zur Reduzierung der Stickoxidrohemissionen. Die Rückführrate x_AGR bestimmt sich dabei zu x_AGR = m_AGR/(m_AGR + m_Frischluft), wobei m_AGR die Masse an zurückgeführtem Abgas und m_Frischluft die zugeführte Frischluft bezeichnet. Gegebenenfalls muss noch via Rückführleitung rückgeführter Sauerstoff mitberücksichtigt werden, d. h. der unverbrannte Anteil der den Zylinder zuvor zugeführten Frischladung.
Die erfindungsgemäße mittels Abgasturbolader aufgeladene Brennkraftmaschine ist mit einer Abgasrückführung (AGR) ausgestattet und zwar mit einer Niederdruck-AGR. Im Gegensatz zu einer Hochdruck-AGR, die stromaufwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem entnommenes Abgas in das Ansaugsystem stromabwärts des Verdichters einleitet, wird bei einer Niederdruck-AGR Abgas auf die Einlassseite zurückgeführt, welches die Turbine bereits durchströmt hat. Hierzu umfasst die Niederdruck-AGR eine Rückführleitung, die stromabwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem mündet. Erfindungsgemäß ist in der Rückführleitung ein Kühler vorgesehen, um das heiße Abgas im Rahmen der Rückführung zu kühlen, wobei stromabwärts des Kühlers, d. h. ansaugseitig, ein Steuerelement zur Einstellung der Rückführrate angeordnet ist. Eine Bypassleitung dient der Umgehung des Kühlers, beispielsweise nach einem Kaltstart.
Der wesentliche Vorteil der Niederdruck-AGR gegenüber der Hochdruck-AGR ist, dass der in die Turbine eingeleitete Abgasstrom im Falle einer Abgasrückführung nicht um die rückgeführte Abgasmenge vermindert wird. Es steht immer der gesamte Abgasstrom an der Turbine zur Generierung eines ausreichend hohen Ladedrucks zur Verfügung.
Das mittels Niederdruck-AGR auf die Einlassseite zurückgeführte und vorzugsweise gekühlte Abgas wird stromaufwärts des Verdichters mit Frischluft gemischt. Die auf diese Weise erzeugte Mischung aus Frischluft und rückgeführtem Abgas bildet die Ladeluft, die dem Verdichter zugeführt und komprimiert wird.
Dabei ist es unschädlich, dass im Rahmen der Niederdruck-AGR Abgas durch den Verdichter hindurchgeführt wird, da Abgas rückgeführt wird, welches stromabwärts der Turbine einer Abgasnachbehandlung, insbesondere in einem Partikelfilter, unterzogen wurde. Ablagerungen im Verdichter, welche die Geometrie des Verdichters, insbesondere die Strömungsquerschnitte, verändern und auf diese Weise den Wirkungsgrad des Verdichters verschlechtern, sind daher nicht zu befürchten.
Probleme können sich hingegen stromaufwärts des Verdichters ergeben, wenn die Temperatur des rückgeführten heißen Abgases abnimmt und sich Kondensat bildet. Dabei sind zwei Szenarien zu unterscheiden.
Zum einen kann sich Kondensat bilden, wenn das rückgeführte heiße Abgas mit kühler Frischluft zusammentrifft und gemischt wird. Das Abgas kühlt sich ab, wohingegen die Temperatur der Frischluft angehoben wird. Die Temperatur der Mischung aus Frischluft und rückgeführtem Abgas, d. h. die Ladelufttemperatur, liegt unterhalb der Abgastemperatur des rückgeführten Abgases. Im Rahmen der Abkühlung des Abgases können zuvor noch gasförmig im Abgas bzw. in der Ladeluft enthaltene Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, auskondensieren, wenn die Tautemperatur einer Komponente der gasförmigen Ladeluftströmung unterschritten wird.
Es kommt zu einer Kondensatbildung in der freien Ladeluftströmung, wobei häufig Verunreinigungen in der Ladeluft den Ausgangspunkt für die Bildung von Kondensattröpfchen bilden.
Zum anderen kann sich Kondensat bilden, wenn das rückgeführte heiße Abgas bzw. die Ladeluft auf die Innenwandung des Ansaugsystems bzw. auf die Innenwandung des Verdichtergehäuses trifft, da die Wandtemperatur in der Regel unterhalb der Tautemperatur der relevanten gasförmigen Komponenten liegt.
Kondensat und Kondensattröpfchen sind unerwünscht und führen zu einer erhöhten Geräuschemission im Ansaugsystem, gegebenenfalls zur Beschädigung der Schaufeln des mindestens einen Verdichterlaufrades. Letzteres ist mit einer Verminderung des Wirkungsgrades des Verdichters verbunden.
Die vorstehend beschriebene Problematik verschärft sich mit zunehmender Rückführrate, da mit der Zunahme der rückgeführten Abgasmenge die Anteile der einzelnen Abgaskomponenten in der Ladeluft zwangsläufig zunehmen, insbesondere der Anteil des im Abgas enthaltenen Wassers. Nach dem Stand der Technik wird daher die mittels Niederdruck-AGR rückgeführte Abgasmenge häufig begrenzt, um das Auskondensieren zu unterbinden bzw. zu vermindern. Die notwendige Begrenzung der Niederdruck-AGR einerseits und die für eine deutliche Absenkung der Stickoxidemissionen erforderlichen hohen Abgasrückführraten andererseits führen zu unterschiedlichen Zielsetzungen bei der Bemessung der rückgeführten Abgasmenge. Nach dem Stand der Technik wird daher neben der Niederdruck-AGR regelmäßig eine Hochdruck-AGR eingesetzt.
Die Problematik der Kondensatbildung betrifft nicht nur das Ansaugsystem. Auch die Niederdruck-AGR als solche, d. h. die Rückführleitung, der Kühler und die Bypassleitung sind anfällig und geeignet für die Bildung von Kondensat und dies – im Gegensatz zum Ansaugsystem – nicht nur während der Abgasrückführung, sondern auch dann, wenn gar kein Abgas zurückgeführt wird, d. h. das ansaugseitige AGR-Ventil geschlossen ist. Nach dem Stand der Technik sind nämlich sowohl die Rückführleitung als auch die Bypassleitung auf der heißen Seite der Niederdruck-AGR, d. h. abgasseitig, zum Abgasabführsystem hin dauerhaft offen.
Auf der kalten Seite der Niederdruck-AGR, d. h. ansaugseitig, ist neben dem AGR-Ventil, das zur Deaktivierung der Abgasrückführung geschlossen wird, auch eine Umschaltvorrichtung vorgesehen, die in einer ersten Schaltposition die Rückführleitung freigibt und die Bypassleitung versperrt und in einer zweiten Schaltposition die Bypassleitung freigibt und die Rückführleitung versperrt.
Ist die Abgasrückführung deaktiviert, kann sich infolgedessen im Kühler und in der Rückführ- sowie der Bypassleitung zumindest bis hin zur Umschaltvorrichtung Kondensat bilden und sammeln. Wird die Abgasrückführung dann durch Öffnen des AGR-Ventils aktiviert, kann das in der Niederdruck-AGR gebildete Kondensat schlagartig und in größeren Mengen freigesetzt und in das Ansaugsystem eingebracht werden. Letzteres kann nicht nur zu einer schweren Störung des Betriebs der Brennkraftmaschine, sondern auch zu einer irreversiblen Beschädigung des Verdichters führen.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich der Kondensatbildung in der Niederdruck-AGR verbessert ist.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit

– einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft,
– einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas,
– mindestens einem Abgasturbolader, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst,
– einer Niederdruck-Abgasrückführung umfassend eine Rückführleitung, die stromabwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers vom Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des Verdichters des mindestens einen Abgasturboladers in das Ansaugsystem mündet, wobei in der Rückführleitung ein Kühler und stromabwärts des Kühlers ein Steuerelement angeordnet sind, und eine Bypassleitung zur Umgehung des Kühlers, die unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes stromaufwärts des Kühlers von der Rückführleitung abzweigt und unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes zwischen dem Kühler und dem Steuerelement in die Rückführleitung mündet, wobei am zweiten Knotenpunkt eine ansaugseitige Umschaltvorrichtung angeordnet ist, die in einer ersten Schaltposition die Rückführleitung freigibt und die Bypassleitung versperrt und in einer zweiten Schaltposition die Bypassleitung freigibt und die Rückführleitung versperrt, und
– einer Hochdruck-Abgasrückführung umfassend eine Leitung, die stromaufwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers aus dem Abgasabführsystem abzweigt und stromabwärts des Verdichters des mindestens einen Abgasturboladers wieder in das Ansaugsystem mündet,

– die Niederdruck-Abgasrückführung mit mindestens einem abgasseitigen Absperrelement ausgestattet ist, das stromabwärts des ersten Knotenpunktes und stromaufwärts des zweiten Knotenpunktes angeordnet ist.

Die Niederdruck-Abgasrückführung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist abgasseitig, d. h. auf der heißen Seite, mit mindestens einem Absperrelement ausgestattet, das in der Schließstellung die Rückführleitung, den Kühler und/oder die Bypassleitung vom Abgasabführsystem abtrennt. Eine Kondensatbildung in der Rückführleitung, dem Kühler und/oder der Bypassleitung kann auf diese Weise verhindert bzw. vermindert werden.
Bei Aktivierung der Abgasrückführung durch Öffnen des AGR-Ventils werden keine größeren Mengen Kondensat freigesetzt bzw. in das Ansaugsystem eingebracht. Eine schwere Störung des Betriebs der Brennkraftmaschine sowie eine irreversible Beschädigung des Verdichters sind nicht zu befürchten. Der Wirkungsgrad des Verdichters bleibt somit von der Abgasrückführung mittels Niederdruck-AGR unbeeinflusst. Mit dem Kondensat entfällt auch die erhöhte Geräuschemission infolge des Kondensats.
Dadurch wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine aufgeladene Brennkraftmaschine bereitgestellt, die hinsichtlich der Kondensatbildung in der Niederdruck-AGR verbessert ist.
Um eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen zu erzielen, sind hohe Abgasrückführraten erforderlich. Erfindungsgemäß ist daher eine zusätzliche Abgasrückführung vorgesehen, welche eine Leitung umfasst, die stromaufwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers aus dem Abgasabführsystem abzweigt und stromabwärts des Verdichters des mindestens einen Abgasturboladers wieder in das Ansaugsystem mündet.
Im Gegensatz zu der bereits erwähnten Niederdruck-AGR wird bei einer Hochdruck-AGR stromaufwärts der Turbine Abgas aus dem Abgasabführsystem entnommen und stromabwärts des Verdichters in das Ansaugsystem eingeleitet, d. h. Abgas rückgeführt, welches die Turbine noch nicht durchströmt hat. Ein Vorteil der Hochdruck-AGR ist, dass ein ausreichend hohes Druckgefälle zur Förderung des Abgases vorliegt und das Abgas keiner Abgasnachbehandlung unterzogen werden muss.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen in der Bypassleitung ein abgasseitiges Absperrelement angeordnet ist.
Vorliegend ist die Niederdruck-Abgasrückführung auf der heißen Seite mit einem abgasseitigen Absperrelement ausgestattet, das in der Schließstellung die Bypassleitung vom Abgasabführsystem trennt, wohingegen die Rückführleitung und der Kühler abgasseitig offen bleiben bzw. ausgeführt sind. Eine Kondensatbildung in der Rückführleitung bzw. dem Kühler wird auf diese Weise nicht verhindert.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das abgasseitige Absperrelement nahe des ersten Knotenpunktes angeordnet ist. Eine möglichst nahe Anordnung des Absperrelements am Knotenpunkt stellt sicher, dass die Bypassleitung möglichst umfänglich vor einer Kondensatbildung bewahrt wird, indem ein möglichst langer Abschnitt der Bypassleitung vom übrigen Abgasabführsystem getrennt wird.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen in der Rückführleitung stromabwärts des ersten Knotenpunktes und stromaufwärts des Kühlers ein abgasseitiges Absperrelement angeordnet ist.
Vorliegend ist die Niederdruck-Abgasrückführung auf der heißen Seite mit einem abgasseitigen Absperrelement ausgestattet, das in der Schließstellung die Rückführleitung und den Kühler vom Abgasabführsystem trennt, wohingegen die Bypassleitung abgasseitig offen bleibt bzw. ausgeführt ist. Eine Kondensatbildung in der Bypassleitung wird auf diese Weise nicht verhindert.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang wieder Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das abgasseitige Absperrelement nahe des ersten Knotenpunktes angeordnet ist. Durch die möglichst nahe Anordnung des Absperrelements am Knotenpunkt sollen die Rückführleitung sowie der Kühler möglichst umfänglich vor einer Kondensatbildung geschützt werden.
Vorteilhaft können zudem Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen in der Bypassleitung ein erstes abgasseitiges Absperrelement angeordnet ist und in der Rückführleitung stromabwärts des ersten Knotenpunktes und stromaufwärts des Kühlers ein zweites abgasseitiges Absperrelement angeordnet ist. Gemäß dieser Ausführungsform wird sowohl die Bypassleitung als auch die Rückführleitung mitsamt dem Kühler durch eine möglichst nahe Anordnung der Absperrelemente am Knotenpunkt weitestgehend vor einer Kondensatbildung geschützt.
Vorteilhaft sind auch in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die abgasseitigen Absperrelemente nahe des ersten Knotenpunktes angeordnet sind.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen stromabwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers ein Absperrelement im Abgasabführsystem angeordnet ist, wobei die Rückführleitung zwischen der Turbine und dem Absperrelement von dem Abgasabführsystem abzweigt. Das Absperrelement kann dazu verwendet werden, den Abgasdruck stromaufwärts im Abgasabführsystem zu steigern, und damit zu einer Erhöhung des Druckgefälles zwischen dem Abgasabführsystem und dem Ansaugsystem beitragen bzw. genutzt werden. Dies bietet insbesondere Vorteile bei hohen Rückführraten, die ein größeres Druckgefälle erfordern.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen stromaufwärts des Verdichters des mindestens einen Abgasturboladers ein Absperrelement im Ansaugsystem angeordnet ist, wobei die Rückführleitung zwischen dem Verdichter und dem Absperrelement in das Ansaugsystem mündet. Das Absperrelement dient einlassseitig zur Reduzierung des Drucks im Ansaugsystem und kann damit – wie das zuvor behandelte Absperrelement – zu einer Erhöhung des Druckgefälles zwischen dem Abgasabführsystem und dem Ansaugsystem beitragen. Beide Absperrelemente können als verschwenkbare Klappen ausgebildet sein bzw. werden, wie beispielsweise auch die Umschaltvorrichtung.
Vorteilhaft sind nämlich auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Umschaltvorrichtung eine verschwenkbare Klappe ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen stromabwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem im Abgasabführsystem angeordnet ist, wobei die Rückführleitung zwischen der Turbine und dem mindestens einen Abgasnachbehandlungssystem von dem Abgasabführsystem abzweigt.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das mindestens eine Abgasnachbehandlungssystem einen Partikelfilter umfasst.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Ansaugsystem mit einer Heizeinrichtung ausgestattet ist. Mittels Heizeinrichtung kann die Temperatur der Innenwandung des Ansaugsystems erhöht werden, wobei die Wandtemperatur über die Tautemperatur der gasförmigen Komponenten des Abgases bzw. der Ladeluft hinaus angehoben werden kann. Eine Kondensatbildung an der Innenwandung des Ansaugsystems bzw. an der Innenwandung des Verdichtergehäuses kann auf diese Weise vermieden bzw. vermindert werden.
Vorteilhaft sind dabei grundsätzlich Ausführungsformen, bei denen die Heizeinrichtung außen am Ansaugsystem angeordnet ist, so dass eine Einflussnahme auf die Ladeluftströmung im Ansaugsystem unterbleibt. Vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, die Heizeinrichtung in einer Wandung des Ansaugsystems zu integrieren.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen die Heizeinrichtung eine elektrische Heizeinrichtung ist. Eine elektrische Heizeinrichtung kann im Bedarfsfall jederzeit eingesetzt werden und unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine zur Erwärmung der Innenwandung des Ansaugsystems aktiviert werden. Eine Versorgung der elektrischen Heizeinrichtung mit Energie kann beispielsweise mittels der Bordbatterie eines Fahrzeuges erfolgen.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Rückführleitung mit einer Heizeinrichtung ausgestattet ist, wobei die Heizeinrichtung stromabwärts des Steuerelementes angeordnet ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers ein Radialverdichter ist. Diese Ausführungsform gestattet ein dichtes Packaging des Abgasturboladers und damit der Aufladung insgesamt. Das Verdichtergehäuse kann als Spiral- oder Schneckengehäuse ausgeführt werden, wobei die Umlenkung der Ladeluftströmung im Verdichter des Abgasturboladers in vorteilhafter Weise dazu genutzt werden kann, die komprimierte Ladeluft auf kürzestem Weg von der Auslassseite, auf der die Turbine des Abgasturboladers regelmäßig angeordnet ist, auf die Einlassseite zu führen.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Turbine des mindestens einen Abgasturboladers eine Radialturbine ist. Diese Ausführungsform gestattet ebenfalls ein dichtes Packaging des Abgasturboladers und damit der Aufladung insgesamt.
Anders als bei den Turbinen werden Verdichter über ihre Abströmung definiert. Ein Radialverdichter ist somit ein Verdichter, dessen Abströmung aus den Laufschaufeln im Wesentlichen radial erfolgt. Im Wesentlichen radial bedeutet im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass die Geschwindigkeitskomponente in radialer Richtung größer ist als die axiale Geschwindigkeitskomponente.
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers ein Axialverdichter ist. Die Abströmung aus den Laufradschaufeln eines Axialverdichters erfolgt im Wesentlichen axial.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers einen Eintrittsbereich aufweist, der koaxial zur Welle des Verdichters verläuft und ausgebildet ist, so dass die Anströmung der Ladeluft zu dem Verdichter im Wesentlichen axial erfolgt.
Bei einer axialen Anströmung des Verdichters entfällt häufig eine Umlenkung bzw. Richtungsänderung der Ladeluftströmung im Ansaugsystem stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades, wodurch unnötige Druckverluste in der Ladeluftströmung infolge Strömungsumlenkung vermieden werden und der Druck der Ladeluft am Eintritt in den Verdichter des Abgasturboladers erhöht wird. Die fehlende Richtungsänderung vermindert auch den Kontakt des Abgases bzw. der Ladeluft mit der Innenwandung des Ansaugsystems bzw. mit der Innenwandung des Verdichtergehäuses und reduziert damit den Wärmeübergang und die Kondensatbildung.
Vorteilhaft können Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen das Steuerelement, welches der Einstellung der rückgeführten Abgasmenge dient, an der Stelle angeordnet ist, an der die Rückführleitung in das Ansaugsystem mündet. Dann kann das Steuerelement auch als kombiniertes Ventil ausgeführt sein, mit dem sich sowohl die Menge rückgeführten Abgases als auch die Frischluftmenge einstellen lässt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens zwei Abgasturbolader vorgesehen sind.
Häufig bereitet die Auslegung der Abgasturboaufladung Schwierigkeiten, wobei grundsätzlich eine spürbare Leistungssteigerung in allen Drehzahlbereichen angestrebt wird. Es wird aber häufig ein starker Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet.
Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem geringeren Abgasstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis. Folglich nimmt das Ladedruckverhältnis zu niedrigeren Drehzahlen hin ebenfalls ab. Dies ist gleichbedeutend mit einem Ladedruckabfall bzw. Drehmomentabfall.
Wird ein kleinerer Abgasturbolader, d. h. ein Abgasturbolader mit einem kleineren Turbinenquerschnitt, eingesetzt, kann dadurch das Turbinendruckverhältnis erhöht werden. Überschreitet der Abgasstrom eine kritische Größe wird ein Teil des Abgasstromes im Rahmen der sogenannten Abgasabblasung mittels einer Bypassleitung an der Turbine vorbei geführt. Eine derartige Turbine wird auch als Waste-Gate-Turbine bezeichnet. Diese Variante hat aber den Nachteil, dass das Aufladeverhalten bei höheren Drehzahlen unzureichend ist und der Drehmomentabfall lediglich hin zu niedrigen Drehzahlen verschoben wird. Zudem sind dieser Vorgehensweise, d. h. der Verkleinerung des Turbinenquerschnittes, Grenzen gesetzt, da die gewünschte Aufladung und Leistungssteigerung auch bei hohen Drehzahlen uneingeschränkt und in dem gewünschten Maße möglich sein soll.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann des Weiteren durch mehrere parallel angeordnete Turbolader, d. h. durch mehrere parallel angeordnete Turbinen von kleinerem Turbinenquerschnitt verbessert werden, wobei mit steigender Abgasmenge sukzessive Turbinen zugeschaltet werden.
Die Drehmomentcharakteristik kann auch mittels mehrerer in Reihe geschalteter Abgasturbolader vorteilhaft beeinflusst werden. Durch das in Reihe Schalten von zwei Abgasturboladern, von denen ein Abgasturbolader als Hochdruckstufe und ein Abgasturbolader als Niederdruckstufe dient, kann das Verdichterkennfeld in vorteilhafter Weise aufgeweitet werden und zwar sowohl hin zu kleineren Verdichterströmen als auch hin zu größeren Verdichterströmen.
Insbesondere ist bei dem als Hochdruckstufe dienenden Abgasturbolader ein Verschieben der Pumpgrenze hin zu kleineren Verdichterströmen möglich, wodurch auch bei kleinen Verdichterströmen hohe Ladedruckverhältnisse erzielt werden können, was im unteren Drehzahlbereich die Drehmomentcharakteristik deutlich verbessert. Erreicht wird dies durch eine Auslegung der Hochdruckturbine auf kleine Abgasmassenströme und Vorsehen einer Bypassleitung, mit der bei zunehmendem Abgasmassenstrom zunehmend Abgas an der Hochdruckturbine vorbeigeführt wird. Die Bypassleitung zweigt hierzu stromaufwärts der Hochdruckturbine vom Abgasabführsystem ab und mündet stromaufwärts der Niederdruckturbine wieder in das Abgasabführsystem. In der Bypassleitung ist ein Absperrelement angeordnet, um den an der Hochdruckturbine vorbeigeführten Abgasstrom zu steuern.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine einer vorstehend beschriebenen Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem in der Bypassleitung angeordnetem abgasseitigen Absperrelement, bei dem dieses abgasseitige Absperrelement während einer Warmlaufphase der Brennkraftmaschine geöffnet wird, um die Bypassleitung freizugeben.
Das bereits für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren, weshalb an dieser Stelle im Allgemeinen Bezug genommen wird auf die vorstehend hinsichtlich der aufgeladenen Brennkraftmaschine gemachten Ausführungen. Die verschiedenen Brennkraftmaschinen erfordern teils unterschiedliche Verfahrensvarianten.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen gemäß den 1 und 2 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1 schematisch den im Ansaugsystem angeordneten Verdichter und die im Abgasabführsystem angeordnet Turbine einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine mitsamt Niederdruck-Abgasrückführung, und
2 schematisch den im Ansaugsystem angeordneten Verdichter und die im Abgasabführsystem angeordnet Turbine einer zweiten Ausführungsform der Brennkraftmaschine mitsamt Niederdruck-Abgasrückführung.
1 zeigt schematisch den im Ansaugsystem 1 auf der Ansaugseite 1 angeordneten Verdichter 3a und die im Abgasabführsystem 2 auf der Abgasseite 2 angeordnete Turbine 3b einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine mitsamt Niederdruck-Abgasrückführung 4.
Zum Zuführen der Ladeluft zu den Zylindern verfügt die Brennkraftmaschine über ein Ansaugsystem 1 und zum Abführen der Abgase aus den Zylindern ist ein Abgasabführsystem 2 vorgesehen.
Zwecks Aufladung der Zylinder ist die Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader 3 ausgestattet, der eine im Abgasabführsystem 2 angeordnete Turbine 3b und einen im Ansaugsystem 1 angeordneten Verdichter 3a umfasst.
Die Brennkraftmaschine ist des Weiteren mit einer Niederdruck-Abgasrückführung 4 ausgestattet, welche eine Rückführleitung 4a umfasst, die stromabwärts der Turbine 3b vom Abgasabführsystem 2 abzweigt und stromaufwärts des Verdichters 3a in das Ansaugsystem 1 mündet. In der Rückführleitung 4a sind ein Kühler 4c und stromabwärts des Kühlers 4c ein Steuerelement 4b zur Einstellung der rückgeführten Abgasmenge angeordnet.
Eine Bypassleitung 5, die unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes 5a stromaufwärts des Kühlers 4c von der Rückführleitung 4a abzweigt und unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes 5b zwischen dem Kühler 4c und dem Steuerelement 4b wieder in die Rückführleitung 4a mündet, dient der Umgehung des Kühlers 4c. Am zweiten Knotenpunkt 5b ist eine verschwenkbare Klappe 6a angeordnet, die als ansaugseitige Umschaltvorrichtung 6 dient, welche in einer ersten Schaltposition die Rückführleitung 4a freigibt und die Bypassleitung 5 versperrt und in einer zweiten Schaltposition die Bypassleitung 5 freigibt und die Rückführleitung 4a versperrt.
Vorliegend ist die Niederdruck-Abgasrückführung 4 auf der heißen Seite mit einem abgasseitigen Absperrelement 4d ausgestattet, das in der Schließstellung die Rückführleitung 4a und den Kühler 4c vom Abgasabführsystem 2 trennt, wohingegen die Bypassleitung 5 abgasseitig offen bleibt bzw. ausgeführt ist. Auf diese Weise wird eine Kondensatbildung in der Rückführleitung 4a und dem Kühler 4c insbesondere bei deaktivierter Abgasrückführung 4 verhindert. Das abgasseitige Absperrelement 4d ist nahe des ersten Knotenpunktes 5a angeordnet, wodurch die Rückführleitung 4a sowie der Kühler 4c umfänglich vor einer Kondensatbildung geschützt werden.
2 zeigt schematisch den im Ansaugsystem 1 auf der Ansaugseite 1 angeordneten Verdichter 3a und die im Abgasabführsystem 2 auf der Abgasseite 2 angeordnete Turbine 3b einer zweiten Ausführungsform der Brennkraftmaschine mitsamt Niederdruck-Abgasrückführung 4. Es sollen nur die Unterschiede zu der in 1 dargestellten Ausführungsform erörtert werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf 1. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
Im Unterschied zu der in 1 dargestellten Ausführungsform ist bei der in 2 dargestellten Brennkraftmaschine 1 ein abgasseitiges Absperrelement 5c in der Bypassleitung 5 angeordnet.
Dieses auf der heißen Seite der AGR 4 vorgesehene abgasseitige Absperrelement 5c trennt in der Schließstellung die Bypassleitung 5 vom Abgasabführsystem 2, wohingegen die Rückführleitung 4a und der Kühler 4c abgasseitig offen bleiben bzw. ausgeführt sind. Eine Kondensatbildung in der Bypassleitung 5 wird auf diese Weise insbesondere bei deaktivierter Abgasrückführung 4 verhindert. Das abgasseitige Absperrelement 5c ist nahe des ersten Knotenpunktes 5a angeordnet, um die Bypassleitung 5 umfänglich vor einer Kondensatbildung zu bewahren.
Bezugszeichenliste

1: Ansaugsystem, Ansaugseite
2: Abgasabführsystem, Abgasseite
3: Abgasturbolader
3a: Verdichter des Abgasturboladers
3b: Turbine des Abgasturboladers
4: Niederdruck-Abgasrückführung
4a: Rückführleitung
4b: Steuerelement der Abgasrückführung, AGR-Ventil
4c: Kühler, AGR-Kühler
4d: abgasseitiges Absperrelement, kühlerzugehöriges Absperrelement
5: Bypassleitung
5a: erster Knotenpunkt
5b: zweiter Knotenpunkt
5c: abgasseitiges Absperrelement, der Bypassleitung zugehöriges Absperrelement
6: ansaugseitige Umschaltvorrichtung
6a: verschwenkbare Klappe
7: Abgasnachbehandlungssystem
7a: Partikelfilter
AGR: Abgasrückführung
m_AGR: Masse an zurückgeführtem Abgas
m_Frischluft: Masse an zugeführter Frischluft bzw. Ladeluft
x_AGR: Abgasrückführrate

Claims

Aufgeladene Brennkraftmaschine mit – einem Ansaugsystem (1) zum Zuführen von Ladeluft, – einem Abgasabführsystem (2) zum Abführen von Abgas, – mindestens einem Abgasturbolader (3), der eine im Abgasabführsystem (2) angeordnete Turbine (3b) und einen im Ansaugsystem (1) angeordneten Verdichter (3a) umfasst, – einer Niederdruck-Abgasrückführung (4) umfassend eine Rückführleitung (4a), die stromabwärts der Turbine (3b) des mindestens einen Abgasturboladers (3) vom Abgasabführsystem (2) abzweigt und stromaufwärts des Verdichters (3a) des mindestens einen Abgasturboladers (3) in das Ansaugsystem (1) mündet, wobei in der Rückführleitung (4a) ein Kühler (4c) und stromabwärts des Kühlers (4c) ein Steuerelement (4b) angeordnet sind, und eine Bypassleitung (5) zur Umgehung des Kühlers (4c), die unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes (5a) stromaufwärts des Kühlers (4c) von der Rückführleitung (4a) abzweigt und unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes (5b) zwischen dem Kühler (4c) und dem Steuerelement (4b) in die Rückführleitung (4a) mündet, wobei am zweiten Knotenpunkt (5b) eine ansaugseitige Umschaltvorrichtung (6) angeordnet ist, die in einer ersten Schaltposition die Rückführleitung (4a) freigibt und die Bypassleitung (5) versperrt und in einer zweiten Schaltposition die Bypassleitung (5) freigibt und die Rückführleitung (4a) versperrt, und – einer Hochdruck-Abgasrückführung umfassend eine Leitung, die stromaufwärts der Turbine (3b) des mindestens einen Abgasturboladers (3) aus dem Abgasabführsystem (2) abzweigt und stromabwärts des Verdichters (3a) des mindestens einen Abgasturboladers (3) wieder in das Ansaugsystem (1) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass – die Niederdruck-Abgasrückführung (4) mit mindestens einem abgasseitigen Absperrelement (4d, 5c) ausgestattet ist, das stromabwärts des ersten Knotenpunktes (5a) und stromaufwärts des zweiten Knotenpunktes (5b) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Bypassleitung (5) ein abgasseitiges Absperrelement (5c) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das abgasseitige Absperrelement (5c) nahe des ersten Knotenpunktes (5a) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rückführleitung (4a) stromabwärts des ersten Knotenpunktes (5a) und stromaufwärts des Kühlers (4c) ein abgasseitiges Absperrelement (4d) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das abgasseitige Absperrelement (4d) nahe des ersten Knotenpunktes (5a) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Bypassleitung (5) ein erstes abgasseitiges Absperrelement (5c) angeordnet ist und in der Rückführleitung (4a) stromabwärts des ersten Knotenpunktes (5a) und stromaufwärts des Kühlers (4c) ein zweites abgasseitiges Absperrelement (4d) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die abgasseitigen Absperrelemente (4d, 5c) nahe des ersten Knotenpunktes (5a) angeordnet sind.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts der Turbine (3b) des mindestens einen Abgasturboladers (3) ein Absperrelement im Abgasabführsystem (2) angeordnet ist, wobei die Rückführleitung (4a) zwischen der Turbine (3b) und dem Absperrelement von dem Abgasabführsystem (2) abzweigt.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts des Verdichters (3a) des mindestens einen Abgasturboladers (3) ein Absperrelement im Ansaugsystem (1) angeordnet ist, wobei die Rückführleitung (4a) zwischen dem Verdichter (3a) und dem Absperrelement in das Ansaugsystem (1) mündet.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltvorrichtung (6) eine verschwenkbare Klappe (6a) ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts der Turbine (3b) des mindestens einen Abgasturboladers (3) mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem (7) im Abgasabführsystem (2) angeordnet ist, wobei die Rückführleitung (4a) zwischen der Turbine (3b) und dem mindestens einen Abgasnachbehandlungssystem (7) von dem Abgasabführsystem (2) abzweigt.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Abgasnachbehandlungssystem (7) einen Partikelfilter (7a) umfasst.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansaugsystem (1) mit einer Heizeinrichtung ausgestattet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführleitung (4a) mit einer Heizeinrichtung ausgestattet ist, wobei die Heizeinrichtung stromabwärts des Steuerelementes (4b) angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der in der Bypassleitung (5) ein abgasseitiges Absperrelement (5c) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das abgasseitige Absperrelement (5c) während einer Warmlaufphase der Brennkraftmaschine geöffnet wird, um die Bypassleitung (5) freizugeben.