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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regulieren der Tropfengröße von kondensierter Flüssigkeit in einem Bypasskanal eines Abgasrückführungssystems.
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Ein Abgasrückführungssystem (AGR-System) wird zur Minderung der Emission von Stickoxiden verwendet, die bei der Verbrennung von Kraftstoff in einer Brennkraftmaschine entstehen. Dazu wird Abgas der Ladeluft zugemischt und durch die Brennkraftmaschine rezirkuliert. Durch die Zumischung von Abgas in die angesaugte Luft sinkt deren Sauerstoffgehalt, und bei einer geringeren Kraftstoffeinspritzung sinkt die Verbrennungstemperatur des Kraftstoff-Luftgemischs. Da die Reaktionsgeschwindigkeit der Stickoxidbildung von der Verbrennungstemperatur abhängt, bilden sich bei niedrigen Verbrennungstemperaturen weniger Stickoxide. Ein Kühlen des rückgeführten Abgases verstärkt diesen Effekt. Dazu kann eine Kühlereinrichtung im AGR angeordnet sein.
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Bei einem Niederdruck- (ND) AGR-System wird Abgas hinter einer Abgasnachbehandlungsanlage dem Abgastrakt entnommen und vor dem Verdichter eines Turboladers der Ladeluft zugeführt. Im Vergleich zu einem Hochdruck (HD)-AGR-System ist das rückgeführte Abgas in einem ND-AGR-System kühler und partikelärmer. Nachteilig ist bei einem ND-AGR-System, dass sich im Abgas enthaltenes Wasser bei Unterschreiten des Taupunkts des Abgases als Kondensat niederschlägt. Dabei kann sich Kondensat sowohl im Gasstrom bilden, wenn warmes Abgas auf kalte Luft trifft, als auch an Wandungen des Abgastrakts oder des AGR-Systems, wenn die Wandungen ein Unterschreiten des Taupunktes des Abgases bedingen. Problematisch ist, dass das Kondensat Tropfen schädigender Größe agglomerieren kann. Tropfen ab einer bestimmten Größe können, wenn sie in den Verdichter gelangen, unter anderem durch Beschädigung eines Verdichterrades großen Schaden verursachen.
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AGR-Systeme weisen häufig einen Bypasskanal auf, mit dem Abgas an der Kühlereinrichtung vorbei geleitet werden kann, um die Temperatur des rückgerührten Abgases durch Zumischen von ungekühltem Abgas zu gekühltem zu regulieren oder das Abgas gar nicht zu kühlen. Der Strom des Abgases durch den Bypasskanal hindurch in Richtung des Ansaugtraktes wird mittels eines Bypassventils geregelt. Der Bypasskanal ist gegenüber den Umwelttemperaturen exponiert, so dass bei kalten Temperaturen der Außenluft eine Kondensatbildung besonders an den Wandungen des Bypasskanals begünstigt wird. Auch wird das Abgas im Bypass bei geschlossenem Bypassventil ständig mit Feuchtigkeit angereichert, die mit dem Abgas vom Abgastrakt her in den Bypasskanal gelangt. Während längerer Phasen, in denen das Bypassventil geschlossen ist, können daher Kondensattröpfchen zu großen Tropfen agglomerieren. Diese können nach längeren geschlossenen Phasen beim Öffnen des Bypassventils stromabwärts aus dem AGR-System in den Verdichter gelangen und dort Schaden verursachen.
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Beispielsweise ist in der
DE 10 2011 109 221 A1 eine Abgasrückführungsleitung zwischen einem Abgasstrang stromab einer Abgasturbine und einem Ansaugtrakt stromauf eines Verdichters angeordnet. In der Rückführungsleitung ist eine Wasserabscheideeinheit angeordnet, in der das im Abgas enthaltene Wasser auskondensieren kann, um über eine Kondensatleitung in den Abgasstrang geleitet zu werden. Zum Spülen der Wasserabscheideeinheit wird heißes Abgas über eine Bypassleitung an dem in der Abgasrückführungsleitung angeordneten Abgaskühler vorbeigeleitet, indem ein einstellbares Bypassventil geöffnet wird. Die Wasserabscheideeinheit erfordert jedoch konstruktiven Aufwand und benötigt Platz.
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Es besteht damit die Aufgabe, der Bildung von Tropfen schädigender Größe im Bypasskanal entgegenzuwirken.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Neben- und Unteransprüchen, den Figuren und den Ausführungsbeispielen.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regulieren einer Tropfengröße von kondensierter Flüssigkeit in einem Bypasskanal eines Abgasrückführungssystems zum Leiten von Abgas aus einem Abgastrakt in einen Ansaugtrakt eines Kraftfahrzeugs, das einen Kühlerkanal, den Bypasskanal, ein Bypassventil zum Regulieren des Stroms des Abgases durch den Bypasskanal und ein stromabwärts des Bypassventils angeordnetes Abgasrückführungsventil aufweist, mit den Schritten:
- - S1) Betreiben einer Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs,
- - S2) Öffnen des Bypassventils,
- - S3) Schließen des Bypassventils,
wobei das Bypassventil in bestimmten zeitlichen Abständen zwischen einer geöffneten und geschlossenen Position wechselt.
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Das Öffnen und Schließen des Bypassventils erfolgt in regelmäßigen zeitlichen Abständen. Mit anderen Worten wird das Bypassventil in einer pulsierenden Art und Weise geöffnet und geschlossen. Dadurch wird die Formation von Kondensat von kleinen zu großen Tropfen vorteilhaft eingeschränkt, d.h. die Tropfen bleiben so klein, dass sie keine zerstörende Wirkung im Verdichter haben.
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Durch ein wechselndes Öffnen und Schließen des Bypassventils in Form eines Pulsierens wird Abgas und damit auch Kondensat, das potentiell im Bypasskanal vorhanden ist, vorteilhaft zum Verdichter transportiert, bevor sich Tropfen schädigender Größe bilden können, die den Verdichter beschädigen könnten. Das Verfahren ist besonders für ein ND-AGR-System geeignet, kann aber auch mit einem HD-AGR-System durchgeführt werden.
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Vorzugsweise wird in dem Verfahren während des Öffnens des Bypassventils das Abgasrückführventil (AGR-Ventil) ebenfalls geöffnet. Dabei wird vorteilhafterweise Feuchtigkeit aus dem Bypasskanal auch durch das AGR-Ventil hindurch in den Ansaugtrakt geleitet, so dass die Feuchtigkeit nicht am geschlossenen AGR-Ventil kondensieren und zu großen Tropfen agglomerieren kann.
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Es ist ebenfalls bevorzugt, wenn in dem Verfahren das Öffnen und Schließen des Bypassventils nach einem Algorithmus erfolgt. Dieser Algorithmus ist vorzugsweise modellbasiert. Dabei wird ein auf Erfahrungswerten und / oder auf Berechnungen zur Dynamik einer Tropfenentwicklung im Bypasskanal basierendes Modell entwickelt, mit dem eine Bildung großer Kondensattropfen vermieden wird.
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Weiterhin ist es bevorzugt, wenn in dem Verfahren das Öffnen des Bypassventils bis zu 10% seines vollständigen Öffnungsbereichs durchgeführt wird. Die Prozentangabe bezieht sich dabei auf die Fläche des Öffnungsbereichs, wobei das Ventil bei 0% vollständig geschlossen und bei 100% vollständig geöffnet ist. Durch das geringe Öffnen werden zwar geringere Abgasvolumenströme als bei größerem Öffnen rückgeführt, gleichzeitig strömt das Abgas jedoch mit höherer Geschwindigkeit, die der Entwicklung großer Tropfen von Kondensat entgegengewirkt. Weiterhin ist dadurch ein Interferieren mit einem Betriebsmodus des entsprechenden Kraftfahrzeugs, in dem kein Abgas rückgeführt wird, möglichst gering.
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Es ist weiterhin bevorzugt, wenn in dem Verfahren das Bypassventil in einem Zyklus von Öffnen und Schließen für einen Zeitraum von unter 5 s geöffnet wird. Noch mehr bevorzugt wird das Bypassventil dabei für einen Zeitraum von unter 3 s, noch mehr bevorzugt unter 2 s und noch mehr bevorzugt von unter 1 s geöffnet.
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Weiterhin ist es bevorzugt, wenn in dem Verfahren das Bypassventil in einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine geöffnet wird, in dem sich die Brennkraftmaschine im Schubbetrieb befindet. Auf diese Weise wird vorteilhaft ermöglicht, dass der Bypasskanal zum großen Teil, idealerweise vollständig, trocknet, und damit der Bildung von Kondensattropfen, besonders großer Tropfen, entgegengewirkt wird. Gleichzeitig wird Wärme des Abgases an die Brennkraftmaschine übertragen, so dass die Brennkraftmaschine im Schubbetrieb nicht zu stark abkühlt. Im Schubbetrieb kann das Bypassventil auch zu mehr als 10% geöffnet werden, und zu mehr als 5 Sekunden, wenn der Schubbetrieb länger dauert.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein System zum Regulieren einer Tropfengröße von Kondensat in einem Bypasskanal eines Abgasrückführungssystems eines Kraftfahrzeugs, wobei das System umfasst:
- einen Ansaugtrakt,
- einen Abgastrakt,
- das Abgasrückführungssystem,
- einen Kühlerkanal,
- den Bypasskanal,
- ein Abgasrückführventil,
- ein Bypassventil, und
- eine Steuereinrichtung, die ausgebildet ist, den zeitlichen Verlauf und
- den Grad des Öffnens und Schließens des Bypassventils zu steuern.
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Die Vorteile des Systems entsprechen denen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Vorzugsweise ist in dem erfindungsgemäßen System die Steuereinrichtung zusätzlich ausgebildet, den zeitlichen Verlauf und den Grad des Öffnens und Schließens des Abgasrückführventils zu steuern.
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Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen System.
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Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems mit geschlossenem Bypassventil.
- 2 das System gemäß 1 mit geöffnetem Bypassventil.
- 3 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In einer erfindungsgemäßen Anordnung 1 gemäß der Darstellung von 1 führt ein Ansaugtrakt 2 zwecks Zuführung von Ladeluft zu einer Brennkraftmaschine (nicht gezeigt). Ein Abgastrakt 3 führt zur Ableitung von Abgas von der Brennkraftmaschine weg. Im Ansaugtrakt 2 ist ein Verdichter 4 eines Turboladers angeordnet. Im Abgastrakt 3 ist eine Turbine 5 des Turboladers angeordnet, die zur übersichtlichen Veranschaulichung in Verbindung mit dem Verdichter 4 dargestellt ist. Im Abgastrakt 3 ist weiterhin eine Abgasnachbehandlungsanlage 6 angeordnet. In der Abgasnachbehandlungsanlage 6 sind Katalysatoren angeordnet, z. B. ein Drei-Wege-Katalysator, ein Oxidationskatalysator und / oder ein Stickoxidspeicherkatalysator. Weiterhin ist im Abgastrakt 3 ein Partikelfilter angeordnet, im Falle einer selbstzündenden Brennkraftmaschine besonders ein Dieselpartikelfilter. Der Partikelfilter kann auch in der Abgasnachbehandlungsanlage 6 angeordnet sein.
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Stromabwärts der Abgasnachbehandlungsanlage 6 zweigt an einem Abzweig 7 ein Niederdruck-Abgasrückführungssystem (ND-AGR-System) 8 vom Abgastrakt 3 ab. Das ND-AGR-System 8 weist einen Einlasskanal 9, einen Kühlerkanal 10 mit einer Kühlereinrichtung (nicht gezeigt), einen Bypasskanal 11 und einen Auslasskanal 12 auf. Am Übergang vom Kühlerkanal 10 und Bypasskanal 11 in den Auslasskanal 12 ist ein Bypassventil 13 angeordnet. Stromabwärts des Bypassventils 13 ist im Auslasskanal 12 ein Abgasrückführungsventil (AGR-Ventil) 14 angeordnet. Das Bypassventil 13 ist besonders als Absperrventil ausgebildet. Es kann aber auch in Form einer kreisförmigen oder halbkreisförmigen Scheibe ausgebildet sein, die durch Drehung eine Öffnung des Bypasskanals bewirkt. In der Darstellung von 1 und 2 wird der Kühlerkanal 10 beim Öffnen des Bypassventils 13 in einem entsprechenden Maße geschlossen. Es ist aber auch möglich, dass sowohl Bypasskanal 11 als auch Kühlerkanal 10 geöffnet oder geschlossen sind.
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Stromabwärts vom AGR-Ventil 14 mündet das ND-AGR-System 8 stromaufwärts vom Verdichter 4 in den Ansaugtrakt 2. An der Mündung des AGR-Systems 8 in den Ansaugtrakt 2 wird rückgeführtes Abgas in die Ansaugluft gemischt. Das AGR-Ventil 14 ist dabei räumlich möglichst nah am Verdichter 4 angeordnet. Das AGR-Ventil 14 ist besonders als Absperrventil ausgebildet, z. B. als Butterflyventil oder als Rückschlagklappe. In einer alternativen Ausführungsform können das Bypassventil 13 und das AGR-Ventil 14 auch miteinander kombiniert sein, um den Abgasstrom wahlweise durch den Kühlerkanal 10, den Bypasskanal 11 oder anteilig durch beide zu steuern. Zum Steuern des Gasstroms der angesaugten Luft ist im Ansaugtrakt 2 weiterhin ein Drosselventil 15 angeordnet.
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Das Bypassventil 13 ist mit einer Steuereinrichtung 16 verbunden. Das Bypassventil 13 ist ausgebildet, auf ein Signal von der Steuereinrichtung 16 zumindest teilweise geöffnet oder geschlossen zu werden. Das AGR-Ventil 14 kann verschiedene Öffnungszustände aufweisen, d.h. sich in einer geöffneten oder geschlossenen Position befinden, oder in einer bis zu einem bestimmten Prozentsatz geöffneten Position, z. B. bis zu 100%, 50%, 20%, 10%, 5% oder darunter.
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Die Steuereinrichtung 16 ist weiterhin mit einer Regeleinrichtung 17 verbunden, die mittels Sensoren u.a. mit der Brennkraftmaschine verbunden ist. Die Regeleinrichtung 17 ist ausgebildet, bestimmte Parameter zu erfassen, bei denen bestimmte Wertebereiche mit einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine assoziiert sind. Dazu gehören beispielsweise, aber nicht abschließend, die Drehzahl der Brennkraftmaschine, die Geschwindigkeit eines Kraftfahrzeugs, in dem die Brennkraftmaschine und das erfindungsgemäße System angeordnet sind, sowie das Maß der Leistungsabfrage und negative Beschleunigungswerte. Weiter ist die Regeleinrichtung 17 ausgebildet, einen den Parametern entsprechenden Betriebszustand der Brennkraftmaschine, z. B. einen Schubbetrieb, einen Niedriglastbetrieb, Teillastbetrieb oder Volllastbetrieb, zu erfassen und entsprechende Signale an die Steuereinrichtung 16 zu senden, das Bypassventil 13 zu einem bestimmten Bereich für eine bestimmte Zeit oder in bestimmten zeitlichen Abständen zu öffnen.
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In der Darstellung von 2 ist das Bypassventil 13 zu 100% geöffnet, so dass Abgas durch den Bypasskanal 11 strömt und nicht durch den Kühlerkanal 10. Alternativ kann das Bypassventil 13 je nach gewünschter Rate der Mischung von gekühltem und nicht gekühltem Abgas zu einem beliebigen Prozentsatz geöffnet werden. Der Kühlerkanal 10 wird dabei entsprechend der gewünschten Rate zu einem bestimmten Prozentsatz geschlossen.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Darstellung von 3 wird das Bypassventil 13 so gesteuert, dass es in vorgegebenen zeitlichen Abständen wiederholt geöffnet und geschlossen wird. Dazu wird in einem ersten Schritt S1 ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Anordnung 1 betrieben, d.h. das Kraftfahrzeug befindet sich in einem aktiven Zustand mit laufender Brennkraftmaschine. Das Kraftfahrzeug befindet sich dabei vorzugsweise in einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine, in der Abgas rückgeführt wird, d. h. in dem das AGR-Ventil 14 geöffnet ist. In einem zweiten Schritt S2 wird das Bypassventil 13 zu 10% seines vollständigen Öffnungsbereichs für eine Zeitdauer von 5 s geöffnet. Alternativ kann das Bypassventil 13 auch für eine Zeitdauer von 20s, 10 s, 3 s, 2 s oder 1 s geöffnet werden. Weiterhin kann das Bypassventil 13 auch bis zu 50%, 25%, 20%, 15% oder 5% seines vollständigen Öffnungsbereichs geöffnet werden. In einem dritten Schritt S3 wird das Bypassventil 13 wieder geschlossen.
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Das Wechseln zwischen einer geöffneten und geschlossenen Position des Bypassventil 13 erfolgt dabei pulsierend in regelmäßigen Zeitabständen. Diese Zeitabstände sind vorzugsweise mit der jeweiligen Zeitdauer identisch, die das Bypassventil 13 geöffnet ist, d. h. das Bypassventil 13 ist jeweils für die gleiche Zeitdauer geöffnet oder geschlossen. Den Befehl zum Öffnen und Schließen erhält das Bypassventil 13 von der Steuereinrichtung 16. Alternativ dazu kann das Bypassventil 13 auch für einen kürzeren oder längeren Zeitraum geöffnet oder geschlossen sein, wobei die entsprechenden Steuerbefehle von der Steuereinrichtung 16 an das Bypassventil 13 gesendet werden. Dabei kann die Art und Weise des Öffnens und Schließens des Bypassventil 13 auch durch einen Algorithmus bestimmt werden, der in der Steuereinrichtung 16 implementiert ist.
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Das Öffnen und Schließen des Bypassventils 13 kann in einer alternativen Ausführungsform auch mit einem Öffnen und Schließen des AGR-Ventils 14 synchronisiert werden. Diese Ausführungsform wird besonders während Betriebszuständen gewählt, in denen kein Abgas durch das AGR-System 8 rückgeführt wird, das AGR-Ventil 14 also geschlossen ist. Dabei ist das AGR-Ventil 14 also nicht ständig geöffnet, sondern wird nur für den Zeitraum geöffnet, in dem das Bypassventil 13 geöffnet wird. Idealerweise erfolgt das Öffnen des AGR-Ventils 14 dabei gleichzeitig mit dem Öffnen des Bypassventils 13. Es ist aber auch möglich, dass das Öffnen und Schließen überlappend erfolgt, d.h. dass das AGR-Ventil 14 zeitlich nach dem Öffnen des Bypassventils 13 erfolgt, aber vor dem darauf folgenden Schließen des Bypassventils 13. Das AGR-Ventil 14 kann zeitlich auch vor dem Öffnen des Bypassventils 13 geöffnet werden. Das Schließen des AGR-Ventils 14 kann dabei ebenfalls vor oder nach dem Schließen des Bypassventils 13 erfolgen. Das AGR-Ventil 14 kann dabei zum selben Prozentsatz seines maximalen Öffnungsbereiches geöffnet werden wie das Bypassventil 13, oder auch zu einem geringeren oder größeren Prozentsatz.
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Die Steuereinrichtung 16 kann das Öffnen und Schließen auch in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine steuern. So wird in einer Ausführungsform des Verfahrens das Bypassventil 13 vollständig geöffnet, d.h. zu 100%, wenn sich die Brennkraftmaschine in einem Schubbetrieb befindet. Dabei bleibt das Bypassventil 13 so lange geöffnet, wie der Schubbetrieb andauert. Im selben Zeitraum wird das AGR-Ventil 14 vollständig geöffnet. Die Ventile werden wieder geschlossen, wenn der Schubbetrieb zu Ende ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- = Anordnung
- 2
- = Ansaugtrakt
- 3
- = Abgastrakt
- 4
- = Verdichter
- 5
- = Turbine
- 6
- = Abgasnachbehandlungsanlage
- 7
- = Abzweig des ND-AGR-Systems
- 8
- = ND-AGR-System
- 9
- = Einlasskanal
- 10
- = Kühlerkanal
- 11
- = Bypasskanal
- 12
- = Auslasskanal
- 13
- = Bypassventil
- 14
- = Abgasrückführventil
- 15
- = Drosselventil
- 16
- = Steuereinrichtung
- 17
- = Regeleinrichtung
