-
Technisches Gebiet
-
Die Erfindung betrifft aufgeladene Verbrennungsmotoren mit elektrisch betreibbaren Verdichtern. Weiterhin betrifft die Erfindung Maßnahmen zum Aufheizen einer Abgasnachbehandlungseinrichtung auf eine Betriebstemperatur.
-
Technischer Hintergrund
-
Im Zuge des Downsizings von Verbrennungsmotoren mit abgasgetriebenen Aufladeeinrichtungen verstärkt sich der Effekt der dynamischen Anlaufverzögerung von Aufladeeinrichtungen bei einer Momentenanforderung, dem so genannten Turboloch. Daher besteht eine mögliche Maßnahme darin, anstelle von abgasgetriebenen Aufladeeinrichtungen elektrisch betreibbare Verdichter zu verwenden oder abgasgetriebene Aufladeeinrichtungen mit elektrischen Unterstützungsantrieben zu versehen. Durch die üblicherweise schnelle Ansprechzeit der elektrisch betreibbaren Verdichter kann der Ladedruckaufbau deutlich schneller vorgenommen werden als dies bei rein abgasgetriebenen Aufladeeinrichtungen der Fall ist. Die Verwendung eines elektrisch betreibbaren Verdichters erlaubt eine leistungsorientierte Auslegung des Aufladebetriebs, so dass eine deutliche Steigerung der spezifischen Leistung zu erreichen ist.
-
Der elektrisch betreibbare Verdichter kann stromabwärts des Ladeluftkühlers in die Ladeluftstrecke integriert sein, so dass das zu verdichtende Volumen nach dem elektrisch betreibbaren Verdichter möglichst gering ist.
-
Bei abgasgetriebenen Aufladeeinrichtungen mit integrierter elektrischer Unterstützung, den so genannten Cross-Chargern, kann der elektrisch betreibbare Verdichter durch einen an der mechanischen Kopplung zwischen einer Abgasturbine und Verdichter vorgesehenen elektrischen Unterstützungsantrieb realisiert sein, so dass zusätzlich oder alternativ zu der in mechanische Energie umgesetzten Abgasenthalpie auch elektrische Energie zum Antreiben des Verdichters bereitgestellt werden kann.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Betreiben eines Motorsystems mit einem aufgeladenen Verbrennungsmotor und einer Abgasnachbehandlungseinrichtung nach Anspruch 1 sowie die Vorrichtung und das Motorsystem gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.
-
Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Motorsystems mit einem aufgeladenen Verbrennungsmotor und einer Abgasnachbehandlungseinrichtung in einer Aufheizbetriebsart zum Aufheizen der Abgasnachbehandlungseinrichtung auf eine Betriebstemperatur vorgesehen. Der Betrieb in der Aufheizbetriebsart umfasst folgende Schritte:
- – Betreiben des Verbrennungsmotors, so dass unverbrannter Kraftstoff in ein Abgassystem des Verbrennungsmotor gelangt;
- – Bereitstellen eines gegenüber einem Druck im Abgassystem des Verbrennungsmotors erhöhten Druck im Saugrohrabschnitt eines Luftzuführungssystems des Verbrennungsmotors, so dass Frischluft durch eine Abgasrückführungsleitung in das Abgassystem strömt;
wobei der erhöhte Druck im Saugrohrabschnitt mithilfe eines elektrisch betreibbaren Verdichters bereitgestellt wird.
-
Moderne Verbrennungsmotoren weisen im Abgassystem üblicherweise eine Abgasnachbehandlungseinrichtung, z.B. in Form eines Katalysators, auf, um den Schadstoffgehalt der Verbrennungsabgase zu reduzieren. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung muss nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors in der Regel zunächst eine Betriebstemperatur erreichen, um effizient den Anteil von Schadstoffen im Verbrennungsabgas zu reduzieren. Im Betrieb wird durch das Hindurchströmen von Verbrennungsabgasen eine Abgasnachbehandlungseinrichtung eines Motorsystems mit einem Verbrennungsmotor zwar erwärmt, jedoch gelangt während der Zeitdauer bis zum Erreichen der Betriebstemperatur eine größere Menge an Schadstoffen in die Umgebung. Nach dem Starten des Verbrennungsmotors im Kaltstart wird daher versucht, diese Zeitdauer zu reduzieren und die Temperatur in der Abgasnachbehandlungseinrichtung schnellstmöglich auf die Betriebstemperatur zu erhöhen.
-
Üblicherweise wird die Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors erhöht, indem eine Nachverbrennung von aus den Zylindern des Verbrennungsmotors ausgestoßenen unverbrannten Kraftstoffbestandteilen im Abgassystem und insbesondere in der Abgasnachbehandlungseinrichtung bewirkt wird. Dazu wird der Verbrennungsmotor mit einem fetten Kraftstoff-Luft-Gemisch, d.h. einem Kraftstoff-Luft-Gemisch mit Kraftstoffüberschuss über dem stöchiometrischen Gleichgewicht, betrieben und über eine Sekundärluftpumpe Frischluft in das Abgassystem zugeführt, so dass sich dort bezüglich des Kraftstoffs eine stöchiometrisch bis magere Gemischzusammensetzung ergibt. Je nach Menge des unverbrannten Kraftstoffs im Abgassystem kann das Gasgemisch bereits im Abgassystem zwischen den Auslassventilen und der Abgasnachbehandlungseinrichtung exotherm reagieren und den durch das Verbrennungsabgas getragene Wärmestrom in die Abgasnachbehandlungseinrichtung erhöhen. Weiterhin kann das Gasgemisch von unverbranntem Kraftstoff und zugeführter Frischluft in der Abgasnachbehandlungseinrichtung reagieren und diesen somit durch die exotherme Reaktion direkt aufheizen.
-
In der Praxis erfolgt eine Aufheizung der Abgasnachbehandlungseinrichtung sowohl indirekt durch Zuführung von zusätzlich erwärmtem Verbrennungsabgas in die Abgasnachbehandlungseinrichtung als auch durch Nachverbrennung unmittelbar in der Abgasnachbehandlungseinrichtung. In der Regel erfolgt die Zuführung von Frischluft unmittelbar aus der Umgebung in das Abgassystem mit Hilfe einer Sekundärluftpumpe, die während des Aufheizbetriebs aktiviert wird. Um ein Rückströmen von Abgas in die Sekundärluftleitung bzw. in die Sekundärluftpumpe zu verhindern, ist ein Sekundärluftventil vorgesehen, das bei ausgeschalteter Sekundärluftpumpe geschlossen ist.
-
Eine Idee des obigen Verfahrens besteht darin, ein Motorsystem mit einem elektrisch betreibbaren Verdichter so zu betreiben, dass zum Aufheizen einer Abgasnachbehandlungseinheit auf eine Betriebstemperatur Frischluft über einen Saugrohrabschnitt durch eine Abgasrückführungsleitung in das Abgassystem eingebracht wird. Grundsätzlich ist im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors der Abgasdruck im Abgassystem größer als der Saugrohrdruck im Saugrohr des Luftzuführungssystems. Dieses Druckgefälle wird normalerweise für die Abgasrückführung von der Auslassseite des Verbrennungsmotors zu dessen Einlassseite genutzt. In der Abgasrückführungsleitung ist eine Abgasrückführungsklappe bzw. -ventil vorgesehen, die zur Einstellung der Abgasrückführungsraten im Normalbetrieb dient.
-
Zum Aufheizen des Katalysators nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors wird der Verbrennungsmotor in einem Katalysatorheizbetrieb betrieben. Hierbei wird der mechanische Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors reduziert, z.B. durch eine Zündwinkelspätverstellung, und somit ein erhöhter Eintrag von unverbranntem Kraftstoff in das Abgassystem bewirkt. Gleichzeitig wird dadurch auch ein erhöhter Gasvolumenstrom durch die Zylinder des Verbrennungsmotors benötigt, um das geforderte Antriebsmoment noch erzeugen zu können. Durch den erhöhten Gasvolumenstrom durch den Verbrennungsmotor wird der Verbrennungsmotor nahezu entdrosselt betrieben, so dass nur geringe Druckdifferenzen zwischen einem Saugrohrabschnitt und dem Abgassystem vorliegen. Um nun Frischluft über die Abgasrückführungsleitung in das Abgassystem einzubringen, ist somit nur eine geringe Steigerung des Ladedrucks mit Hilfe des elektrisch betreibbaren Verdichters notwendig, so dass zum Einbringen von Frischluft in das Abgassystem nur eine geringe zusätzliche Leistung notwendig ist.
-
Dazu wird ein elektrisch betreibbare Verdichter einer Aufladeeinrichtung so angesteuert, dass ein Ladedruck bereitgestellt wird, der unter etwaiger Berücksichtigung einer Stellung einer Drosselklappe im Luftzuführungssystem zu einem Saugrohrdruck führt, der höher ist als der Druck im Abgassystem zwischen den Auslassventilen und der Abgasnachbehandlungseinheit, insbesondere im Bereich der Einmündung der Abgasrückführungsleitung. Bei geöffneter Abgasrückführungsleitung strömt nun Frischluft in das Abgassystem und ermöglicht dadurch den Aufheizbetrieb der Abgasnachbehandlungseinheit in der oben beschriebenen Weise.
-
Wie bei der oben beschriebenen Sekundärluftzuführung kann dadurch ein reaktionsfähiges Gasgemisch aus dem unverbrannten Kraftstoff im Abgassystem erzeugt werden, um dort eine exotherme Reaktion zusätzliche Wärme zu erzeugen, durch die die Abgasnachbehandlungseinheit aufgeheizt werden kann.
-
Weiterhin kann der Verbrennungsmotor betrieben werden, so dass unverbrannter Kraftstoff in ein Abgassystem des Verbrennungsmotors gelangt, indem ein Zündwinkel nach spät verstellt wird, so dass die Verbrennung in Zylindern des Verbrennungsmotors unvollständig erfolgt.
-
Insbesondere können der Luftmassenstrom in den Verbrennungsmotor erhöht und eine Kraftstoffzufuhr in die Brennräume der Zylinder erhöht werden, um eine durch die Zündwinkelspätverstellung reduzierte Antriebsleistung zu kompensieren.
-
Es kann vorgesehen sein, dass der Luftmassenstrom in den Verbrennungsmotor durch Öffnen einer Drosselklappe im Luftzuführungssystem erhöht wird.
-
Gemäß einer Ausführungsform können Einlassventile an Zylindern des Verbrennungsmotors variabel angesteuert werden, so dass durch eine Verstellung des Ventiltriebs der betreffenden Einlassventile durch Reduzierung von den Zylindern zugeführter Frischluft das Anfetten des Kraftstoff-Luft-Gemischs erreicht werden kann, um unverbrannten Kraftstoff im Abgassystem zur Verfügung zu stellen.
-
Es kann vorgesehen sein, dass ein Abgasrückführungsventil in der Abgasrückführungsleitung geöffnet wird.
-
Weiterhin kann die Aufheizbetriebsart nur eingenommen werden, wenn eine Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung unter einer vorgegebenen Betriebstemperatur liegt.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Betreiben eines Motorsystems mit einem aufgeladenen Verbrennungsmotor und einer Abgasnachbehandlungseinrichtung in einer Aufheizbetriebsart zum Aufheizen der Abgasnachbehandlungseinrichtung auf eine Betriebstemperatur vorgesehen, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um:
- – den Verbrennungsmotor in der Aufheizbetriebsart zu betreiben, so dass unverbrannter Kraftstoff in ein Abgassystem des Verbrennungsmotor gelangt;
- – einen gegenüber einem Druck im Abgassystem des Verbrennungsmotors erhöhten Druck im Saugrohrabschnitt eines Luftzuführungssystems des Verbrennungsmotors bereitzustellen, so dass Frischluft durch eine Abgasrückführungsleitung in das Abgassystem strömt, wobei der erhöhte Druck im Saugrohrabschnitt mithilfe eines elektrisch betreibbaren Verdichters bereitgestellt wird.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Motorsystem vorgesehen, umfassend einen Verbrennungsmotor, eine Abgasnachbehandlungseinrichtung, und die obige Vorrichtung.
-
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Motorsystems mit einer abgasgetriebenen Aufladeeinrichtung und einem zusätzlichen rein elektromotorisch betreibbaren Verdichter;
-
2 eine schematische Darstellung eines weiteren Motorsystems mit einer abgasgetriebenen Aufladeeinrichtung mit einem elektromotorisch betreibbaren Verdichter; und
-
3 eine schematische Darstellung eines Flussdiagramms zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Betreiben eines Motorsystems mit einem aufgeladenen Verbrennungsmotor.
-
Beschreibung von Ausführungsformen
-
1 zeigt ein Motorsystem 1 mit einem Verbrennungsmotor 2, der eine Anzahl von (im vorliegenden Beispiel vier) Zylindern 3 aufweist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind ohne Einschränkung der Allgemeinheit vier Zylinder 3 bereitgestellt. Der Verbrennungsmotor 2 kann als Diesel- oder Ottomotor ausgebildet sein.
-
Dem Verbrennungsmotor 2 wird in an sich bekannter Weise Umgebungsluft über ein Luftzuführungssystem 4 zugeführt und Verbrennungsabgas aus den Zylindern 3 über ein Abgassystem 5 abgeführt. Das Luftzuführungssystem 4 steht über Einlassventile (nicht gezeigt) mit den Zylindern 3 des Verbrennungsmotors 2 in an sich bekannter Weise in Verbindung. Verbrennungsabgas wird über entsprechende Auslassventile (nicht gezeigt) in das Abgassystem 5 in an sich bekannter Weise ausgestoßen.
-
Es kann eine Aufladeeinrichtung 6 vorgesehen sein, die eine Abgasturbine 61 im Abgassystem 5 aufweist und einen Verdichter 62 im Luftzuführungssystem 4 aufweist. Die Turbine 61 ist mit dem Verdichter 62 mechanisch gekoppelt, so dass Abgasenthalpie, die in der Turbine 61 in mechanische Energie umgesetzt wird, zur Verdichtung von aus der Umgebung entnommener Umgebungsluft in dem Verdichter 62 verwendet wird. Die Menge bzw. der Anteil an in mechanische Energie umgesetzte Abgasenthalpie kann durch einen an oder in der Turbine 61 angeordneter Ladersteller 63 variabel eingestellt werden.
-
Stromabwärts des Verdichters 62 kann ein Ladeluftkühler 7 vorgesehen sein. Stromabwärts des Ladeluftkühlers 7 kann ein zusätzlicher, rein elektrisch betreibbarer Verdichter 8 vorgesehen sein, um in einem Saugrohrabschnitt 41 des Luftzuführungssystems 4 Ladeluft unter einem Ladedruck zur Verfügung zu stellen. Der Ladedruck im Ladeluftabschnitt 41 ergibt sich aus den Verdichtungsleistungen des Verdichters 62 und des zusätzlichen rein elektrisch betriebenen Verdichters 8.
-
Der Ladeluftabschnitt 41 wird durch eine Drosselklappe 9 stromabwärts begrenzt. Zwischen der Drosselklappe 9 und Einlassventilen (nicht gezeigt) der Zylinder 3 des Verbrennungsmotors 2 befindet sich ein Saugrohrabschnitt 42 des Luftzuführungssystems 4.
-
Weiterhin kann im Abgassystem eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 12 angeordnet sein, die stromabwärts d.h. ausgangsseitig der Turbine 61 angeordnet ist. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung 12 kann als Katalysator insbesondere als ein Drei-Wege-Katalysator ausgebildet sein.
-
Zwischen einem Abschnitt des Abgassystems 5, der sich zwischen Auslassventilen (nicht gezeigt) der Zylinder 3 des Verbrennungsmotors 2 und der Turbine 61 befindet, führt eine Abgasrückführungsleitung 10 in den Saugrohrabschnitt 42. In der Abgasrückführungsleitung 10 kann ein Abgasrückführungsventil 11 angeordnet sein, um die Höhe des rückgeführten Abgasmassenstroms einstellen zu können. In der Abgasrückführungsleitung 10 kann weiterhin ein (nicht gezeigter) Abgaskühler angeordnet sein, um die Temperatur des rückgeführten Abgases zu reduzieren. Grundsätzlich ist im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors 2 der Abgasdruck im Abgassystem 5 größer als der Saugrohrdruck im Saugrohrabschnitt 42 des Luftzuführungssystems 4. Dieses Druckgefälle wird normalerweise für die Abgasrückführung von der Auslassseite des Verbrennungsmotors 2 zu dessen Einlassseite genutzt.
-
Es ist eine Steuereinheit 15 vorgesehen, die den Verbrennungsmotor 2 in an sich bekannter Weise durch Stellen der Stellgeber, wie beispielsweise der Drosselklappe 9, des Laderstellers 63, des Abgasrückführungsventils 11, von Kraftstoffeinspritzventilen zur Vorgabe der Menge an eingespritztem Kraftstoff (nicht gezeigt) und dergleichen entsprechend eines momentanen Betriebszustand des Verbrennungsmotors 2 und entsprechend einer Vorgabe, beispielsweise einem Fahrerwunschmoment, betreibt.
-
In 2 ist ein alternatives Motorsystem 1' dargestellt. Identische Komponenten bzw. Komponenten identischer Funktion sind darin mit gleichen Bezugszeichen versehen. Im Unterschied zu dem Motorsystem 1 ist in dem Motorsystem 1' kein zusätzlicher rein elektrisch betreibbarer Verdichter 8 vorgesehen. Der elektrisch betreibbarer Verdichter ist stattdessen mithilfe eines Unterstützungsantriebs 8' in der Aufladeeinrichtung 6 vorgesehen, der zusätzliche mechanische Energie über die mechanische Kopplung zwischen der Turbine 61 und dem Verdichter 62 einbringen kann, so dass der Verdichter 62 auch unabhängig von von der Turbine bereitgestellten mechanischer Energie betrieben werden kann. In der Ausführungsform der 2 ist der elektrisch betreibbare Verdichter aus dem Unterstützungsantrieb 8' und dem Verdichter 62 gebildet.
-
In einer alternativen Ausführungsform weist das Motorsystem keine abgasgetriebene Aufladeeinrichtung auf sondern nur einen elektrisch betreibbaren Verdichter.
-
In 3 ist ein Betriebsverfahren zum Betreiben eines Motorsystems mit einem aufgeladenen Verbrennungsmotor mit Abgasrückführung, wie beispielhaft in den 1 und 2 dargestellt sind, beschrieben.
-
In Schritt S1 wird zunächst überprüft, ob eine Aufheizbetriebsart zum Aufheizen der Abgasnachbehandlungseinrichtung 12 eingenommen werden soll. Dazu wird überprüft, ob die Temperatur der Abgasnachbehandlungseinheit 12 eine Betriebstemperatur erreicht oder überschritten hat. Bei herkömmlichen Abgasnachbehandlungseinrichtungen 12 in Form von Katalysatoren kann die Betriebstemperatur bei etwa 300°C oder darüber liegen, und es wird daher überprüft, ob die Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung 12 eine vorgegebene Betriebstemperatur erreicht hat. Ist dies der Fall, so wird zu Schritt S1 zurückgesprungen (Alternative: Ja), anderenfalls (Alternative: Nein) wird das Verfahren im Schritt S2 fortgesetzt.
-
Mit dem Übergang zu Schritt S2 wird das Motorsystem 1, 1‘ in der Aufheizbetriebsart betrieben. Dazu wird im Schritt S2 zunächst der mechanische Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors z.B. durch eine Zündwinkelspätverstellung verschlechtert. Dies bewirkt einen Eintrag von unverbranntem Kraftstoff in das Abgassystem 5, so dass dort durch eine Reaktion mit zugeführtem Sauerstoff durch die resultierende exotherme Reaktion Wärme erzeugt werden kann. Auch andere Maßnahmen zur Verschlechterung des mechanischen Wirkungsgrads sind möglich, um einen Eintrag von unverbranntem Kraftstoff aus den Zylindern 3 in das Abgassystem 5 zu bewirken. So kann bei einem Dieselmotor als Verbrennungsmotor 2 ein Einspritzzeitpunkt zur Einspritzung von Kraftstoff verzögert werden.
-
Es kann vorgesehen sein, dass die Einlassventile an den Zylindern 3 des Verbrennungsmotors 2 variabel ansteuerbar sind, so das anstelle oder zusätzlich zur Zündwinkelspätverstellung auch durch eine Verstellung des Ventiltriebs der betreffenden Einlassventile durch Reduzierung von den Zylindern 3 zugeführter Frischluft das Anfetten des Kraftstoff-Luft-Gemischs erreicht werden kann, um einen Anteil an unverbranntem Kraftstoff im Abgassystem 5 zur Verfügung zu stellen.
-
In Schritt S3 wird nun zur Beibehaltung des vom Verbrennungsmotor bereitgestellten Antriebsmoments sowohl der Frischluftstrom als auch die Kraftstoffzufuhr erhöht, um den durch die Zündwinkelspätverstellung reduzierte Wirkungsgrad auszugleichen und um das geforderte Antriebsmoment noch erzeugen zu können.
-
Durch den erhöhten Gasvolumenstrom durch den Verbrennungsmotor 2 wird der Verbrennungsmotor 2 nahezu entdrosselt betrieben, d.h. die Drosselklappe 9 wird nahezu vollständig geöffnet, so dass nur geringe Druckdifferenzen zwischen dem Saugrohrabschnitt 42 und dem Abgassystem 5 vorliegen. Um nun Frischluft über die Abgasrückführungsleitung 10 in das Abgassystem 5 einzubringen, ist somit nur eine geringe Steigerung des Drucks im Saugrohrabschnitt 42 mit Hilfe des elektrisch betreibbaren Verdichters 8, 8‘ notwendig, so dass zum Einbringen von Frischluft in das Abgassystem 5 nur eine geringe zusätzliche Leistung notwendig ist.
-
Zum Einbringen von Frischluft in das Abgassystem 5 wird nun in Schritt S4 mit Hilfe des elektrisch betreibbaren Verdichters 8, 8‘ der Saugrohrdruck weiter erhöht, so dass sich eine positive Druckdifferenz zwischen dem Saugrohrabschnitt 42 und dem Abgassystem 5 einstellt.
-
Durch Öffnen des Abgasrückführungsventils 11 in der Abgasrückführungsleitung 10 in Schritt S5 kann nun Frischluft von dem Saugrohrabschnitt 42 in das Abgassystem 5 eingebracht werden.
-
Nun kann durch eine exotherme Reaktion des reaktionsfähigen Gasgemisches, die bereits durch niedrigere Abgastemperaturen initiiert wird, ein zusätzlicher Wärmeeintrag in das Abgassystem 5 erfolgen.
