DE102016210243A1

DE102016210243A1 - Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102016210243A1
Application number: DE102016210243.5A
Authority: DE
Inventors: Daniel Haas; Hannes Orlick
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2016-06-09
Filing date: 2016-06-09
Publication date: 2017-12-14
Anticipated expiration: 2036-06-10
Also published as: DE102016210243B4

Abstract

Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, dessen Verdichter in einer Frischgasleitung zur Zuführung von Frischluft zur Brennkraftmaschine und dessen Turbine in einer Abgasleitung zur Abfuhr eines Abgases der Brennkraftmaschine angeordnet ist, wobei die Abgasleitung in Strömungsrichtung des Abgases nach der Turbine und die Frischgasleitung in Strömungsrichtung der Frischluft vor dem Verdichter über eine Abgasrückführleitung Abgas führend verbunden sind und wobei zwischen dem Verdichter und der Brennkraftmaschine in der Frischgasleitung ein erstes Drosselelement angeordnet ist, wobei von der Frischgasleitung in Strömungsrichtung der Frischluft nach dem Verdichter eine weitere Leitung über eine Abzweigung abzweigt, die über ein zweites Drosselelement brennkraftmaschinennah wieder in die Frischgasleitung mündet.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Brennkraftmaschine und dem erfindungsgemäßen Verfahren, wird nach einem Tip-Out vermieden, dass die Frischluft zu sehr mit rückgeführtem Abgas verdünnt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Patentanspruch 9.
Niederdruckabgasrückführung (ND-AGR) wird bei Ottomotoren unter anderem aufgrund von den Entdrosselungseffekten wirksam zur Verbrauchssenkung eingesetzt. Dabei wird das Abgas der aufgeladenen Brennkraftmaschine nach der Turbine des Abgasturboladers über einen Abgasrückführkühler (AGR-Kühler) mit Regelventilen wieder vor den Verdichter des Abgasturboladers in den Frischluftpfad eingeleitet.
Generell steigt die AGR-Verträglichkeit (Anteil des extern zurückgeführten Abgases) bei Brennkraftmaschinen über die Last an. Bei einer schlagartigen Lastsenkung (Tip-Out) muss die mit hoher AGR-Rate verdünnte Luftstrecke zwischen dem Verdichter und der Brennkraftmaschine erst angesaugt werden, bevor die Brennkraftmaschine mit reiner Frischluft, abgasfrei, versorgt wird. Dies kann aufgrund der spontan geringen vorliegenden Last der Brennkraftmaschine zu Zündaussetzern, bzw. zu einem unruhigen Lauf der Brennkraftmaschine führen.
Um dieses Problem zu vermeiden wird in der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2011 006 056 A1 ein Verfahren vorgeschlagen, zur Steuerung der Verbrennung in einer Brennkammer einer turboaufgeladenen Brennkraftmaschine, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:

– Einlassen einer ersten Abgasmenge von einem Einlasskrümmer der Brennkraftmaschine in die Brennkammer vor der Zündung, wobei sich die erste Menge als Reaktion auf sich verändernde Last der Brennkraftmaschine mit einer ersten Rate ändert und
– Zurückhalten einer zweiten Menge des Abgases in der Brennkammer vor der Zündung, wobei sich die zweite Menge als Reaktion auf die sich ändernde Last der Brennkraftmaschine mit einer zweiten Rate, die größer ist als die erste Rate, ändert.

Dieses bekannte Verfahren ist jedoch in der Praxis relativ schwierig umzusetzen.
Um das oben genannte Problem zu lösen, wird weiter in der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2012 203 085 A1 , von der die vorliegende Erfindung ausgeht, ein weiteres Verfahren zum Steuern der Verbrennung mit einem Zylinder einer leistungsgesteigerten Brennkraftmaschine vorgeschlagen, wobei die Einlassluft stromaufwärts des Zylinders zurückgehalten wird, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:

– Sinken einer internen AGR-Rate in dem Zylinder bei sprunghaftem Schließen der Drosselklappe, wenn die Temperatur der Einlassluft über einem Schwellenwert liegt und
– Erhöhen der internen AGR-Rate in dem Zylinder bei sprunghaftem Schließen der Drosselklappe, wenn die Temperatur der Einlassluft unter dem Schwellenwert liegt.

Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass die Temperatur der Einlassluft ständig gemessen und ausgewertet werden muss.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Maßnahme zur Vermeidung des oben genannten Problems aufzuzeigen, welches einfach und robust arbeitet.
Diese Aufgabe wird vorrichtungsmäßig durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 und verfahrensmäßig von den Merkmalen im Patentanspruch 9 gelöst.
Bei einem Tip-Out schließt erfindungsgemäß das konventionelle erste Drosselelement, üblicherweise eine Drosselklappe, und das zweite Drosselelement öffnet den über das zweite Drosselelement regelbaren Bypasspfad, die weitere Leitung, und die Brennkraftmaschine wird sofort mit unverdünnter Frischluft, d. h. ohne zurückgeführtes Abgas, versorgt, bzw. kann durch geeignete Regelstrategie mit einer lastspezifischen AGR-Rate beaufschlagt werden. Das Dynamikproblem der Abgasrückführung kann durch den regelbaren Bypasspfad in vorteilhafter Weise gelöst werden, ohne die maximal im stationären Betrieb möglichen AGR-Raten zu reduzieren und kann somit das höchste Wirkungsgradpotenzial ausnutzen.
Mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 kann der Frischgasdurchsatz in vorteilhafter Weise in der weiteren Leitung geregelt werden.
Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 3 ist eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante, mit der das ohnehin vorhandene Schubumluftventil des Verdichters als das Ventil in der weiteren Leitung verwendet wird.
Die Ausgestaltungen gemäß den Patentansprüchen 4 bis 8 sind besonders bevorzugte und bewährte Ausführungsvarianten.
Mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 9 wird in vorteilhafter Weise das Fördern der mit abgasverdünnten Frischluft nach dem Verdichter bis kurz vor dem Gaswechseleinlassventil der Brennkraftmaschine vermieden. Nach einem Tip-Out erhält die Brennkraftmaschine umgehend Frischluft und Zündaussetzer oder unruhiger Lauf der Brennkraftmaschine werden sicher vermieden.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in einer einzigen Figur näher erläutert.
1 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, mit der das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Patentanspruch 9 darstellbar ist.
1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 mit einem Abgasturbolader 2, dessen Verdichter 3 in einer Frischgasleitung 4 zur Zuführung von Frischluft zu der Brennkraftmaschine 1 und dessen Turbine 5 in einer Abgasleitung 6 zur Abfuhr eines Abgases der Brennkraftmaschine 1 angeordnet ist, wobei die Abgasleitung 6 in Strömungsrichtung des Abgases nach der Turbine 5 und die Frischgasleitung 4 in Strömungsrichtung der Frischluft vor dem Verdichter 3 über eine Abgasrückführleitung 7 abgasführend verbunden sind. Strömungsrichtungen der Gase sind mit Pfeilen dargestellt. Weiter ist zwischen dem Verdichter 3 und der Brennkraftmaschine 1 in der Frischgasleitung 4 ein erstes Drosselelement 8, eine Drosselklappe, angeordnet.
Erfindungsgemäß zweigt von der Frischgasleitung 4 in Strömungsrichtung der Frischluft nach dem Verdichter 3 eine weitere Leitung 9 über eine Abzweigung 10 ab, wobei die Leitung 9 die über ein zweites Drosselelement 11 brennkraftmaschinennah wieder in die Frischgasleitung 4 mündet. Bevorzugt mündet die weitere Leitung 9 höchstens den 15-fachen Durchmesser der Frischgasleitung 4 von der Brennkraftmaschine entfernt wieder in die Frischgasleitung 4.
Mit dieser Grundkonfiguration der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 1 lässt sich nun ein Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine 1 nach einer spontanen Rücknahme einer Lastanforderung (Tip-Out) an die Brennkraftmaschine 1 darstellen, mit folgenden Verfahrensschritten:

– Schließen des ersten Drosselelements 8 und des dritten Drosselelementes 14 und
– Öffnen des zweiten Drosselelements 11 und des Ventils 12
– Lastensteuerung der Brennkraftmaschine 1 mit dem zweiten Drosselelement 11.

Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird vermieden, dass nach einer spontanen Wegnahme der Lastanforderungen (Tip-Out) an die Brennkraftmaschine 1 mit Abgas verdünnte Frischluft in die Brennräume der Brennkraftmaschine gelangt, was zu Zündaussetzern bzw. unruhigen Lauf der Brennkraftmaschine 1 führen kann.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist im Bereich der Abzweigung 10 in der weiteren Leitung 9 ein weiteres Ventil 12 angeordnet. Mit dieser Ausgestaltung lässt sich der Frischluftmassenstrom durch die weitere Leitung 9 regeln. Das Ventil 12 verhindert im geschlossenen Zustand, dass sich die weitere Leitung 9 im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine 1 (zweites Drosselelement 11 geschlossen) mit Abgas-Frischluft-Gemisch füllt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante ist das Ventil 12 ein ohnehin vorhandenes Schubumluftventil des Verdichters 3, welches somit ohne Mehrkosten eine Doppelfunktion übernehmen kann.
Um den Füllgrad der Brennkraftmaschine 1 zu verbessern, ist zwischen dem Verdichter 3 und dem ersten Drosselelement 8 in der Frischgasleitung 4 ein Ladeluftkühler 13 angeordnet.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform sind das erste und das zweite Drosselelement 8, 11 eine Doppeldrosselklappe, wie sie beispielsweise aus dem BMW-Serienmotor mit der internen Bezeichnung M44 bekannt ist.
Um einen Massenstrom des zurückgeführten Abgases zu regulieren, ist bevorzugt in der Abgasrückführleitung 7 ein drittes Drosselelement 14 angeordnet.
Um die Ansaugluft für die Brennkraftmaschine 1 nicht unnötig aufzuheizen, ist in der Abgasrückführleitung 7 ein Abgasrückführkühler 15 angeordnet.
Des Weiteren sind in 1 auch ein Ansauggeräuschdämpfer 16 in der Frischgasleitung 4 und ein Endschalldämpfer 17 in der Abgasleitung 6 angeordnet.
Bei einem Tip-Out wird das erste Drosselelement 8 geschlossen, und das zweite Drosselelement 11 geöffnet, zur Lastensteuerung der Brennkraftmaschine 1. Dabei wird kein zurückgeführtes Abgas angesaugt, sondern reine Frischluft, bzw. eine spezifische Abgasrückführrate kann mittels Regelung des ersten und des zweiten Drosselelement 8, 11 realisiert werden. Somit kann die Brennkraftmaschine 1 im oberen Lastbereich mit hohen Abgasrückführraten betrieben werden, gleichzeitig ist ein laufruhiger Betrieb nach einem Tip-Out aufgrund reiner Luftansaugung möglich.
Bezugszeichenliste

1: Brennkraftmaschine (Motor)
2: Abgasturbolader
3: Verdichter (V)
4: Frischgasleitung
5: Turbine (T)
6: Abgasleitung
7: Abgasrückführleitung
8: erstes Drosselelement
9: weitere Leitung
10: Abzweigung
11: zweites Drosselelement
12: Ventil
13: Ladeluftkühler (LLK)
14: drittes Drosselelement
15: Abgasrückführkühler (AGR-Kühler)
16: Ansauggeräuschdämpfer (AGD)
17: Endschalldämpfer (ESD)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102011006056 A1 [0004]
DE 102012203085 A1 [0006]

Claims

Brennkraftmaschine (1) mit einem Abgasturbolader (2), dessen Verdichter (3) in einer Frischgasleitung (4) zur Zuführung von Frischluft zur Brennkraftmaschine (1) und dessen Turbine (5) in einer Abgasleitung (6) zur Abfuhr eines Abgases der Brennkraftmaschine (1) angeordnet ist, wobei die Abgasleitung (6) in Strömungsrichtung des Abgases nach der Turbine (5) und die Frischgasleitung (4) in Strömungsrichtung der Frischluft vor dem Verdichter (3) über eine Abgasrückführleitung (7) Abgas führend verbunden sind und wobei zwischen dem Verdichter (3) und der Brennkraftmaschine (1) in der Frischgasleitung (4) ein erstes Drosselelement (8) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass von der Frischgasleitung (4) in Strömungsrichtung der Frischluft nach dem Verdichter (3) eine weitere Leitung (9) über eine Abzweigung (10) abzweigt, die über ein zweites Drosselelement (11) brennkraftmaschinennah wieder in die Frischgasleitung (4) mündet.
Brennkraftmaschine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Abzweigung (10) in der weiteren Leitung (9) ein Ventil (12) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (12) ein Schubumluftventil des Verdichters (3) ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Verdichter (3) und dem ersten Drosselelement (8) in der Frischgasleitung (4) ein Ladeluftkühler (13) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Drosselelement (8, 11) eine Doppeldrosselklappe ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasrückführleitung (7) ein drittes Drosselelement (14) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasrückführleitung (7) ein Abgasrückführkühler (15) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Leitung (9) höchstens den 15-fachen Durchmesser der Frischgasleitung (4) von der Brennkraftmaschine entfernt wieder in die Frischgasleitung (4) mündet.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, nach einer spontanen Rücknahme einer Lastanforderung an die Brennkraftmaschine (1), gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Schließen des ersten Drosselelementes (8) und des dritten Drosselelementes (14) und – Öffnen des zweiten Drosselelementes (11) und des Ventils (12) – Laststeuerung der Brennkraftmaschine (1) mit dem zweiten Drosselelement (11).