DE102016215308B4 - Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

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, wobei von der Frischgasleitung (4) in Strömungsrichtung der Frischluft vor dem Verdichter (3) eine weitere Leitung (9) abzweigt, dadurch gekennzeichnet, dass in die weitere Leitung (9) eine Pumpe (10) angeordnet ist, wobei die Leitung (9) nach der Pumpe (10) brennkraftmaschinennah wieder in die Frischgasleitung (4) mündet, wobei die weitere Leitung (9) über ein erstes Rail (19) in einen Luftsammler (18) mündet und dass zwischen der Pumpe (10) und dem ersten Rail (19) ein Umschaltventil (11) angeordnet ist und die weitere Leitung (9) über ein zweites Rail (20) brennkraftmaschinennah in die Abgasleitung (6) mündet.

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.
  • Niederdruckabgasführung (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 dem 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, somit 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 sie 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 in der Praxis jedoch 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 Verfahren zum Steuern der Verbrennung in einem Zylinder einer leistungsgesteigerten Brennkraftmaschine vorgeschlagen, wobei die Einlassluft stromaufwärts des Zylinders zurückgehalten wird, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    • – Senken einer internen AGR-Rate im Zylinder bei sprunghaftem Schließen der Drosselklappe, wenn die Temperatur der Einlassluft über einem Schwellenwert liegt und
    • – Erhöhen der internen AGR-Rate indem Zylinder bei sprunghaftem Schließen der Drosselklappe, wenn die Temperatur der Einlassluft dem Schwellenwert liegt.
  • Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass die Temperatur der Einlassluft ständig gemessen und ausgewertet werden muss.
  • Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2011 002 461 A1 , von der die vorliegende Erfindung ausgeht, ist eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, dessen Verdichter in einer Frischgasleitung zur Zuführung von Frischluft zur Brennkraftmaschine bekannt 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 vor dem Verdichter eine weitere Leitung abzweigt.
  • 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 7 gelöst.
  • Bei einem Tip-Out schließt erfindungsgemäß das konventionelle erste Drosselelement, üblicherweise eine Drosselklappe, und die Pumpe wird in Betrieb genommen und fördert Frischluft, welche nicht durch AGR verdünnt ist, zu den Zylindern der Brennkraftmaschine. Das heißt die Brennkraftmaschine wird sofort mit unverdünnter Frischluft d. h. ohne rückgeführtes Abgas, versorgt, bzw. kann durch eine geeignete Regelstrategie mit einer lastspezifischen AGR-Rate beaufschlagt werden. Das Dynamikproblem der Abgasrückführung kann durch die weitere Leitung in Verbindung mit der Pumpe in vorteilhafter Weise gelöst werden, ohne die maximal im stationären Betrieb möglichen AGR-Raten zu reduzieren und kann somit das höchste Wirkungsgradpotential ausnutzen. Weiter gestattet die Einleitung der Frischluft in einzelne Saugrohre eines Luftsammlers, wodurch eine fast perfekte Gleichverteilung der Frischluft erzielt wird. In vorteilhafter Weise kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch zum Einbringen von Frischluft in den Abgasstrang verwendet werden, um beispielsweise einen Katalysator durch Nachoxidation zu heizen, d. h. ihn besonders schnell auf seine Betriebstemperatur (light-off Temperatur) zu bringen.
  • Die Ausgestaltungen gemäß den Patentansprüchen 2 bis 6 sind besonders bevorzugte und bewährte Ausführungsvarianten.
  • Mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 7 wird in vorteilhafter Weise das Fördern der mit Abgas verdünnten 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 den Aufbau einer erfindungsgemäßen 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. Die Abgasleitung 6 ist in Strömungsrichtung des Abgases nach der Turbine 5 mit der Frischgasleitung 4 in Strömungsrichtung der Frischluft vor dem Verdichter 3 über eine Abgasrückführleitung 7 Abgas führend verbunden. Zwischen dem Verdichter 3 und der Brennkraftmaschine 1 ist in der Frischgasleitung 4 ein erstes Drosselelement 8 angeordnet.
  • Erfindungsgemäß zweigt von der Frischgasleitung 4 in Strömungsrichtung der Frischluft vor dem Verdichter 3 eine weitere Leitung 9 ab, in die eine Pumpe 10 angeordnet ist, wobei die Leitung 9 nach der Pumpe 10 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 der Brennkraftmaschine 1 darstellen, mit folgenden Verfahrensschritten:
    • – Schließen des ersten Drosselelements 8,
    • – Öffnen des Ventils 11 und
    • – Pumpen von Frischluft mit der Pumpe 10 brennkraftmaschinennah in die Frischgasleitung 4,
    • – Lastensteuerung der Brennkraftmaschine 1 mit der Pumpe 10.
  • Eine Steuerung oder Regelung der Pumpe 10 kann beispielsweise mit einem nicht dargestellten Steuergerät der Brennkraftmaschine 1 erfolgen.
  • Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird vermieden, dass nach einer spontanen Wegnahme der Lastanforderung (Tip-Out) die Brennkraftmaschine 1 mit Abgas verdünnte Frischluft in die Brennräume der Brennkraftmaschine bekommt, was zu Zündaussetzern bzw. unruhigen Lauf der Brennkraftmaschine 1 führen kann.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung mündet die weitere Leitung 9 über ein erstes Rail 19 in einen Luftsammler 18, womit eine zylinderselektive Frischgaszuführung möglich ist. Dies führt zu einer bestmöglichen Gleichverteilung der Frischluft Ober die einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine 1.
  • In einer weiteren Weiterbildung der Erfindung ist zwischen der Pumpe 10 und dem ersten Rail 19 ein Umschaltventil 11 angeordnet, wobei die weitere Leitung 9 über ein zweites Rail 20 brennkraftmaschinennah in die Abgasleitung 6 mündet. Mit dieser Ausgestaltung ist beispielsweise ein Katalysatorheizen möglich, damit der Katalysator nach einem Kaltstart schnellstmöglich seine Betriebstemperatur (light-off Temperatur) erreicht.
  • 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.
  • Besonders bevorzugt ist in die Frischgasleitung 4 ein Luftmassensensor 12, insbesondere ein Heißfilmluftmassenmesser, integriert. Somit ist eine ständige Überwachung der Frischluftmenge möglich.
  • Bevorzugt ist in der Abgasrückführleitung 7 ein zweites Drosselelement 14 angeordnet, um den rückgeführten Abgasmassenstrom steuern bzw. regeln zu können.
  • Darüber hinaus ist in der Abgasrückführleitung 7 ein Abgasrückführkühler 15 angeordnet, um die rückzuführenden Abgase kühlen zu können.
  • 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
    Pumpe
    11
    Umschaltventil
    12
    Luftmassenmesser (HFM)
    13
    Ladeluftkühler (LLK)
    14
    zweites Drosselelement
    15
    Abgasrückführkühler (AGR-Kühler)
    16
    Ansauggeräuschdämpfer (AGD)
    17
    Endschalldämpfer (ESD)
    18
    Luftsammler
    19
    erstes Rail
    20
    zweites Rail

Claims (7)

  1. 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, wobei von der Frischgasleitung (4) in Strömungsrichtung der Frischluft vor dem Verdichter (3) eine weitere Leitung (9) abzweigt, dadurch gekennzeichnet, dass in die weitere Leitung (9) eine Pumpe (10) angeordnet ist, wobei die Leitung (9) nach der Pumpe (10) brennkraftmaschinennah wieder in die Frischgasleitung (4) mündet, wobei die weitere Leitung (9) über ein erstes Rail (19) in einen Luftsammler (18) mündet und dass zwischen der Pumpe (10) und dem ersten Rail (19) ein Umschaltventil (11) angeordnet ist und die weitere Leitung (9) über ein zweites Rail (20) brennkraftmaschinennah in die Abgasleitung (6) mündet.
  2. Brennkraftmaschine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Verdichter (3) und dem ersten Drosselelement (8) in der Frischgasleitung (4) ein Ladeluftkühler (13) angeordnet ist.
  3. Brennkraftmaschine nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Frischgesleitung (4) ein Luftmassensensor (12), insbesondere ein Heißfilmluftmassenmesser, vorgesehen ist.
  4. Brennkraftmaschine nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasrückführleitung (7) ein zweites Drosselelement (14) angeordnet ist.
  5. Brennkraftmaschine nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasrückführleitung (7) ein Abgasrückführkühler (15) angeordnet ist.
  6. Brennkraftmaschine nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, 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.
  7. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, nach einer spontanen Rücknahme einer Lastanforderung an die Brennkraftmaschine (1), gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Schließen des ersten Drosselelementes (8), – Öffnen des Ventils (11) und – Pumpen von Frischluft mit der Pumpe (10) brennkraftmaschinennah in die Frischgasleitung (4), – Laststeuerung der Brennkraftmaschine (1) mit der Pumpe (10).
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