DE102016218883A1 - Internal combustion engine with exhaust gas recirculation and air cooling and method for operating such an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (1) mit – mindestens einem Zylinder, – einem Ansaugsystem (3) zur Versorgung des mindestens einen Zylinders mit Ladeluft, – einem Abgasabführsystem (2) zur Abführung der Abgase, – einer Abgasrückführung (4, 4´), die eine Rückführleitung (4a) umfasst, welche unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes (2a) von dem Abgasabführsystem (2) abzweigt und unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes (3a) in das Ansaugsystem (3) mündet, wobei in der Rückführleitung (4a) ein Absperrelement (4b) angeordnet ist, und – mindestens einem Luftkühler (5, 5´), der stromaufwärts des zweiten Knotenpunktes (3a) im Ansaugsystem (3) angeordnet ist. Es soll eine Brennkraftmaschine (1) der vorstehenden Art bereitgestellt werden, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden und mit der insbesondere der Problematik infolge Kondensatbildung entgegen gewirkt wird. Erreicht wird dies durch eine Brennkraftmaschine (1) der genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Ansaugsystem (3) stromabwärts des mindestens einen Luftkühlers (5, 5´) eine Senke (3b) aufweist, wobei die Rückführleitung (4a) unter Ausbildung des zweiten Knotenpunkt (3a) in diese Senke (3b) mündet.The invention relates to an internal combustion engine (1) having - at least one cylinder, - an intake system (3) for supplying the at least one cylinder with charge air, - an exhaust gas removal system (2) for discharging the exhaust gases, - an exhaust gas recirculation system (4, 4 '), which comprises a return line (4a) which branches off from the exhaust gas removal system (2) to form a second node (3a) and forms a shut-off element in the return line (4a) (4b), and - at least one air cooler (5, 5 ') arranged upstream of the second node (3a) in the intake system (3). It is intended to provide an internal combustion engine (1) of the above type with which the disadvantages known from the prior art are overcome and with which, in particular, the problem due to the formation of condensate is counteracted. This is achieved by an internal combustion engine (1) of the type mentioned, which is characterized in that the intake system (3) downstream of the at least one air cooler (5, 5 ') has a depression (3b), wherein the return line (4a) under training of the second node (3a) opens into this depression (3b).
Description
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit
- – mindestens einem Zylinder,
- – einem Ansaugsystem zur Versorgung des mindestens einen Zylinders mit Ladeluft,
- – einem Abgasabführsystem zur Abführung der Abgase,
- – einer Abgasrückführung, die eine Rückführleitung umfasst, welche unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes von dem Abgasabführsystem abzweigt und unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes in das Ansaugsystem mündet, wobei in der Rückführleitung ein Absperrelement angeordnet ist, und
- – mindestens einem Luftkühler, der stromaufwärts des zweiten Knotenpunktes im Ansaugsystem angeordnet ist.
- At least one cylinder,
- An intake system for supplying the at least one cylinder with charge air,
- An exhaust gas removal system for removing the exhaust gases,
- An exhaust gas recirculation, which comprises a return line, which branches off to form a first node of the Abgasabführsystem and opens to form a second node in the intake system, wherein in the return line, a shut-off is arranged, and
- - At least one air cooler, which is arranged upstream of the second node in the intake system.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.Furthermore, the invention relates to a method for operating such an internal combustion engine.
Eine Brennkraftmaschine der 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.An internal combustion engine of the type mentioned is used as a motor vehicle drive. In the context of the present invention, the term internal combustion engine includes diesel engines and gasoline engines, but also hybrid internal combustion engines that use a hybrid combustion process, as well as hybrid drives, which in addition to the internal combustion engine include an electric motor that can be connected to the engine, which receives power from the internal combustion engine or as switchable auxiliary drive additionally delivers power.
Bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen ist man ständig bemüht, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren. Zudem wird eine Reduzierung der Schadstoffemissionen angestrebt, um zukünftige Grenzwerte für Schadstoffemissionen einhalten zu können.In the development of internal combustion engines, efforts are constantly being made to minimize fuel consumption. In addition, the aim is to reduce pollutant emissions in order to be able to comply with future limit values for pollutant emissions.
Brennkraftmaschinen werden zunehmend häufig mit einer Aufladung ausgestattet, wobei die Aufladung in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung ist, bei dem die für den motorischen Verbrennungsprozess benötigte Ladeluft verdichtet wird, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Ladeluftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden.Internal combustion engines are increasingly equipped with a charge, the charge is primarily a method of increasing performance, in which the charge air required for the engine combustion process is compressed, whereby each cylinder per cycle a larger charge air mass can be supplied. As a result, the fuel mass and thus the medium pressure can be increased.
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 reduziert, lässt sich bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Die Aufladung einer Brennkraftmaschine unterstützt folglich die Bemühungen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.The charge is a suitable means to increase the capacity of an internal combustion engine with unchanged displacement or to reduce the displacement at the same power. In any case, the charging leads to an increase in space performance and a lower power mass. If the cubic capacity is reduced, the load spectrum can be shifted to higher loads at the same vehicle boundary conditions, where the specific fuel consumption is lower. The charging of an internal combustion engine thus supports the efforts to minimize fuel consumption, d. H. to improve the efficiency of the internal combustion engine.
Durch eine geeignete Getriebeauslegung kann zusätzlich ein sogenanntes Downspeeding realisiert werden, wodurch ebenfalls ein geringerer spezifischer Kraftstoffverbrauch erzielt wird. Beim Downspeeding wird der Umstand ausgenutzt, dass der spezifische Kraftstoffverbrauch bei niedrigen Drehzahlen regelmäßig niedriger ist, insbesondere bei höheren Lasten.By means of a suitable transmission design, a so-called downspeeding can additionally be realized, as a result of which a lower specific fuel consumption is likewise achieved. Downspeeding exploits the fact that the specific fuel consumption at low speeds is regularly lower, especially at higher loads.
Die Emissionen an Kohlendioxid, die direkt mit dem Kraftstoffverbrauch korrelieren, nehmen mit sinkendem Kraftstoffverbrauch ohnehin ab. Bei gezielter Auslegung der Aufladung können aber auch Vorteile bei den anderen Abgasemissionen erzielt werden. So können mittels geeigneter Aufladung beispielsweise beim Dieselmotor die Stickoxidemissionen ohne Einbußen beim Wirkungsgrad verringert werden. Gleichzeitig können die Kohlenwasserstoffemissionen günstig beeinflusst werden. The emissions of carbon dioxide, which correlate directly with fuel consumption, decrease anyway with decreasing fuel consumption. With a targeted design of the charge but also advantages in the other exhaust emissions can be achieved. Thus, by means of suitable charging, for example in the diesel engine, the nitrogen oxide emissions can be reduced without sacrificing efficiency. At the same time, the hydrocarbon emissions can be favorably influenced.
Um zukünftige Grenzwerte für Schadstoffemissionen einzuhalten, sind aber weitere Maßnahmen erforderlich. Im Mittelpunkt der Entwicklungsarbeiten steht dabei unter anderem die Reduzierung der Stickoxidemissionen, die insbesondere bei den Dieselmotoren von hoher Relevanz sind. Da die Bildung der Stickoxide nicht nur einen Luftüberschuss, sondern auch hohe Temperaturen erfordert, besteht ein Konzept zur Senkung der Stickoxidemissionen darin, Verbrennungsprozesse mit niedrigeren Verbrennungstemperaturen einzusetzen.However, further measures are needed to meet future emission limits. Among other things, the development work focuses on reducing nitrogen oxide emissions, which are of particular relevance to diesel engines. Since the formation of nitrogen oxides requires not only an excess of air but also high temperatures, one concept for reducing nitrogen oxide emissions is to use combustion processes with lower combustion temperatures.
Dabei ist die Abgasrückführung (AGR), d. h. die Rückführung von Verbrennungsgasen von der Auslassseite auf die Einlassseite, zielführend, bei der mit zunehmender Abgasrückführrate die Stickoxidemissionen deutlich gesenkt werden können. Die Abgasrückführrate xAGR bestimmt sich dabei zu xAGR = mAGR/(mAGR + mFrischluft), wobei mAGR die Masse an zurückgeführtem Abgas und mFrischluft die zugeführte Frischluft bezeichnet. Der via Abgasrückführung bereitgestellte Sauerstoff ist gegebenenfalls zu berücksichtigen.Here, the exhaust gas recirculation (EGR), ie the return of combustion gases from the exhaust side to the inlet side, expedient in which with increasing exhaust gas recirculation rate, the nitrogen oxide emissions can be significantly reduced. In this case, the exhaust gas recirculation rate x AGR is determined as x AGR = m AGR / (m AGR + m fresh air ), where m AGR designates the mass of recirculated exhaust gas and m fresh air the fresh air supplied. The oxygen provided via exhaust gas recirculation may need to be considered.
Um eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen zu erzielen, können hohe Abgasrückführraten erforderlich werden, die in der Größenordnung von xAGR ≈ 60% bis 70% und mehr liegen können. Derart hohe Rückführraten erfordern eine Kühlung des rückzuführenden Abgases, mit der die Temperatur des Abgases gesenkt und die Dichte des Abgases gesteigert wird, so dass eine größere Abgasmasse zurückgeführt werden kann. Folglich wird eine Abgasrückführung regelmäßig mit einem Kühler ausgestattet.In order to achieve a significant reduction in nitrogen oxide emissions, high exhaust gas recirculation rates may be required, which may be on the order of x AGR ≈ 60% to 70% and more. Such high recirculation rates require cooling of the recirculating exhaust gas, with which the temperature of the exhaust gas is lowered and the density of the exhaust gas is increased, so that a larger Exhaust mass can be returned. Consequently, exhaust gas recirculation is regularly equipped with a radiator.
Auch die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, verfügt über eine Abgasrückführung, deren Rückführleitung unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes von dem Abgasabführsystem abzweigt und unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes in das Ansaugsystem mündet. In der Rückführleitung ist ein Absperrelement angeordnet, das als AGR-Ventil fungiert und bei aktivierter Abgasrückführung der Einstellung der Rückführrate, d. h. der Einstellung der rückgeführten Abgasmenge dient. Die Verwendung eines am zweiten Knotenpunkt angeordneten Kombiventils gestattet die Bemessung der rückgeführten Abgasmenge und gleichzeitig die Drosselung der angesaugten Frischluftmenge.The internal combustion engine, which is the subject of the present invention, has an exhaust gas recirculation, the return line of which branches off from the Abgasabführsystem to form a first node and opens into the intake system to form a second node. In the return line a shut-off is arranged, which acts as an EGR valve and with activated exhaust gas recirculation of the setting of the return rate, d. H. the setting of the recirculated exhaust gas quantity is used. The use of a composite valve arranged at the second node allows the design of the recirculated exhaust gas quantity and at the same time the throttling of the intake fresh air quantity.
Probleme können sich beim Einleiten des rückgeführten Abgases in das Ansaugsystem ergeben, wenn die Temperatur des rückgeführten heißen Abgases abnimmt und sich Kondensat bildet.Problems may arise in introducing the recirculated exhaust gas into the intake system as the temperature of the recirculated hot exhaust gas decreases and condensate forms.
Zum einen kann sich Kondensat bilden, wenn das rückgeführte heiße Abgas im Ansaugsystem 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 Temperatur der Verbrennungsluft, liegt unterhalb der Abgastemperatur des rückgeführten Abgases. Im Rahmen der Abkühlung des Abgases können zuvor noch gasförmig im Abgas bzw. in der Verbrennungsluft enthaltene Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, auskondensieren, wenn die Tautemperatur einer Komponente der gasförmigen Verbrennungsluftströmung unterschritten wird. Es kommt zu einer Kondensatbildung in der freien Verbrennungsluftströmung, wobei häufig Verunreinigungen in der Verbrennungsluft den Ausgangspunkt für die Bildung von Kondensattröpfchen bilden.On the one hand, condensate can form when the recirculated hot exhaust gas in the intake system coincides with cool fresh air and is mixed. The exhaust gas cools, whereas the temperature of the fresh air is raised. The temperature of the mixture of fresh air and recirculated exhaust gas, d. H. the temperature of the combustion air is below the exhaust gas temperature of the recirculated exhaust gas. As part of the cooling of the exhaust gas previously contained gaseous in the exhaust gas or in the combustion air, especially water, condense out when the taut temperature of a component of the gaseous combustion air flow is exceeded. It comes to a condensation in the free combustion air flow, often impurities in the combustion air form the starting point for the formation of condensate droplets.
Zum anderen kann sich Kondensat bilden, wenn das rückgeführte heiße Abgas bzw. die Verbrennungsluft auf die Innenwandung des Ansaugsystems trifft, da die Wandtemperatur in der Regel unterhalb der Tautemperatur der relevanten gasförmigen Komponenten liegt.On the other hand, condensate can form when the recirculated hot exhaust gas or the combustion air strikes the inner wall of the intake system, since the wall temperature is generally below the taut temperature of the relevant gaseous components.
Kondensat und Kondensattröpfchen sind unerwünscht und führen zu einer erhöhten Geräuschemission im Ansaugsystem, gegebenenfalls zur Beschädigung der Laufschaufeln eines im Ansaugsystem angeordneten Verdichterlaufrades eines Laders bzw. eines Abgasturboladers. Letzteres ist mit einer Verminderung des Wirkungsgrades des Verdichters und damit der Aufladung verbunden.Condensate and condensate droplets are undesirable and lead to increased noise emission in the intake system, possibly damaging the blades of a compressor arranged in the intake compressor of a supercharger or an exhaust gas turbocharger. The latter is associated with a reduction in the efficiency of the compressor and thus the charge.
Kritisch zu sehen ist die vorstehend beschriebene Kondensatbildung besonders dann, wenn das Abgas stromaufwärts eines Verdichterlaufrades in das Ansaugsystem eingeleitet wird, wie dies beispielsweise bei einer mittels Abgasturboaufladung aufgeladenen Brennkraftmaschine erfolgt, die mit einer Niederdruck-AGR ausgestattet ist, bei der das rückgeführte Abgas stromabwärts der Turbine eines Abgasturboladers aus dem Abgasabführsystem entnommen und stromaufwärts des Verdichters des Abgasturboladers in das Ansaugsystem eingeleitet wird.Critical to note is the condensate formation described above, especially when the exhaust gas is introduced upstream of a compressor impeller in the intake system, as for example in an charged by turbocharging internal combustion engine, which is equipped with a low-pressure EGR, wherein the recirculated exhaust gas downstream of the Turbine of an exhaust gas turbocharger removed from the Abgasabführsystem and is introduced upstream of the compressor of the exhaust gas turbocharger in the intake system.
Das mittels Niederdruck-AGR auf die Einlassseite zurückgeführte Abgas wird stromaufwärts des Verdichters des Abgasturboladers mit Frischluft gemischt. Die auf diese Weise erzeugte Mischung aus Frischluft und rückgeführtem Abgas bildet die Ladeluft, die dem Verdichter zugeführt und verdichtet wird, wobei die komprimierte Ladeluft regelmäßig stromabwärts des Verdichters mittels Ladeluftkühler gekühlt wird, um die Temperatur der Ladeluft vor Eintritt in die Zylinder zu senken und die Zylinderfüllung zu steigern.The exhaust gas recirculated to the intake side by means of low pressure EGR is mixed with fresh air upstream of the compressor of the exhaust gas turbocharger. The mixture of fresh air and recirculated exhaust gas produced in this way forms the charge air which is supplied to the compressor and compressed, the compressed charge air is cooled regularly downstream of the compressor by means of intercooler to lower the temperature of the charge air before entering the cylinder and the Increase cylinder filling.
Selbst wenn die Kondensatbildung stromaufwärts des Verdichters verhindert bzw. minimiert wird, beispielsweise durch Begrenzung der mittels Niederdruck-AGR rückgeführten Abgasmenge, können sich Probleme stromabwärts des Verdichters infolge der Kühlung der komprimierten Ladeluft im Ladeluftkühler ergeben. Im Rahmen der Ladeluftkühlung können zuvor noch gasförmig in der Ladeluft enthaltene Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, auskondensieren, wenn die Tautemperatur einer Komponente der gasförmigen Ladeluftströmung unterschritten wird. Abhängig von der Anordnung des Ladeluftkühlers kann sich ausgeschiedenes Kondensat im Ladeluftkühler und/oder stromabwärts des Ladeluftkühlers im Ansaugsystem sammeln, welches dann unvorhersehbar und in größeren Mengen schlagartig, beispielweise bei einer Querbeschleunigung infolge Kurvenfahrt, einer Steigung oder einem Stoß, in die Zylinder eingebracht wird. Letzteres wird auch als Wasserschlag bezeichnet, der nicht nur zu einer schweren Störung des Betriebs der Brennkraftmaschine, sondern auch zu einer irreversiblen Beschädigung der Brennkraftmaschine führen kann und unbedingt zu verhindern ist.Even if condensate formation upstream of the compressor is prevented or minimized, for example, by limiting the amount of exhaust gas recirculated by low pressure EGR, problems may arise downstream of the compressor due to the cooling of the compressed charge air in the charge air cooler. In the context of charge air cooling, liquids which have previously been gaseous in the charge air, in particular water, can condense out if the dew temperature of a component of the gaseous charge air flow is undershot. Depending on the arrangement of the intercooler, precipitated condensate may collect in the intercooler and / or downstream of the charge air cooler in the intake system, which is then introduced unpredictably and in large quantities abruptly, for example, at a lateral acceleration due to cornering, a slope or a shock in the cylinder. The latter is also referred to as a water hammer, which can not only lead to a serious failure of the operation of the internal combustion engine, but also to irreversible damage to the engine and must be prevented.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden und mit der insbesondere der Problematik infolge Kondensatbildung entgegen gewirkt wird.Against the background of the above, it is an object of the present invention to provide an internal combustion engine according to the preamble of
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.A further sub-task of the present invention is to show a method for operating such an internal combustion engine.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine Brennkraftmaschine mit
- – mindestens einem Zylinder,
- – einem Ansaugsystem zur Versorgung des mindestens einen Zylinders mit Ladeluft,
- – einem Abgasabführsystem zur Abführung der Abgase,
- – einer Abgasrückführung, die eine Rückführleitung umfasst, welche unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes von dem Abgasabführsystem abzweigt und unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes in das Ansaugsystem mündet, wobei in der Rückführleitung ein Absperrelement angeordnet ist, und
- – mindestens einem Luftkühler, der stromaufwärts des zweiten Knotenpunktes im Ansaugsystem angeordnet ist,
- – das Ansaugsystem stromabwärts des mindestens einen Luftkühlers eine Senke aufweist, wobei die Rückführleitung unter Ausbildung des zweiten Knotenpunkt in diese Senke mündet.
- At least one cylinder,
- An intake system for supplying the at least one cylinder with charge air,
- An exhaust gas removal system for removing the exhaust gases,
- An exhaust gas recirculation, which comprises a return line, which branches off to form a first node of the Abgasabführsystem and opens to form a second node in the intake system, wherein in the return line, a shut-off is arranged, and
- At least one air cooler, which is arranged upstream of the second node in the intake system,
- - The intake downstream of the at least one air cooler has a depression, wherein the return line opens to form the second node in this sink.
Die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, verfügt über mindestens eine Abgasrückführung und ist nicht zwingend, aber vorzugsweise eine aufgeladene Brennkraftmaschine.The internal combustion engine, which is the subject of the present invention, has at least one exhaust gas recirculation and is not mandatory, but is preferably a supercharged internal combustion engine.
Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist stromaufwärts des zweiten Knotenpunktes und damit stromaufwärts der Einmündung der Rückführleitung ein Luftkühler im Ansaugsystem angeordnet. Dieses gegenständliche bzw. konstruktive Merkmal der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine hat gleich mehrere vorteilhafte Effekte, zu denen im Folgenden kurz Stellung genommen wird.In the internal combustion engine according to the invention, an air cooler is arranged in the intake system upstream of the second node and thus upstream of the junction of the return line. This objective or constructional feature of the internal combustion engine according to the invention has several advantageous effects, to which a brief statement is made below.
Bei aktivierter Abgasrückführung werden die rückgeführten Abgase nicht durch den erwähnten Luftkühler geführt, sondern stromabwärts des Luftkühlers in das Ansaugsystem eingeleitet, wodurch einer Kondensatbildung durch Einleitung von rückgeführtem Abgas zumindest entgegen gewirkt wird.With activated exhaust gas recirculation, the recirculated exhaust gases are not passed through said air cooler, but introduced downstream of the air cooler in the intake system, whereby a condensate formation by introduction of recirculated exhaust gas is at least counteracted.
Zudem kann die Rückführleitung bei deaktivierter Abgasrückführung, d. h. bei geschlossenem Absperrelement, zum Sammeln von ausgeschiedenem Kondensat dienen. Hierzu liegt der zweite Knotenpunkt, d. h. die Einmündung der Abgasrückführung in das Ansaugsystem in einer Senke, damit im Luftkühler und grundsätzlich stromaufwärts des zweiten Knotenpunktes ausgeschiedenen Kondensat zunächst in diese Senke und von der Senke in die Rückführleitung gelangen kann. Das geschlossene Absperrelement dient als Barriere und verhindert, dass Kondensat aus der Rückführleitung ungewollt in das Abgasabführsystem eintritt.In addition, the return line with deactivated exhaust gas recirculation, d. H. with the shut-off element closed, to collect condensate that has separated out. For this purpose, the second node, d. H. the confluence of the exhaust gas recirculation into the intake system in a sink, so that in the air cooler and basically upstream of the second node condensate excreted can first get into this depression and from the sink into the return line. The closed shut-off serves as a barrier and prevents condensate from the return line unintentionally enters the Abgasabführsystem.
Darüber hinaus kann die Rückführleitung der Abgasrückführung bei geöffnetem AGR-Ventil, d. h. geöffnetem Absperrelement zum Abführen bzw. Entsorgen des Kondensats, insbesondere des zuvor gesammelten Kondensats, dienen. Dabei sind zwei Szenarien grundsätzlich möglich bzw. wirksam.In addition, the return line of the exhaust gas recirculation with the EGR valve open, d. H. opened shut-off for discharging or disposing of the condensate, in particular the previously collected condensate serve. Two scenarios are basically possible or effective.
Bei aktivierter Abgasrückführung kann zuvor gesammeltes Kondensat entgegen der Strömungsrichtung des rückzuführenden Abgases in das Abgasabführsystem gelangen, wobei dieses Kondensat entweder in flüssiger Form in das Abgasabführsystem gelangt und dort zumindest teilweise aufgrund der hohen Temperaturen verdampft oder aber das Kondensat liegt aufgrund der heißen Rückführleitung bereits gasförmig vor und tritt als Dampf in das heiße Abgasabführsystem. Die Rückführleitung dient dann gewissermaßen als Drainage.With activated exhaust gas recirculation condensate previously collected contrary to the flow direction of the recirculated exhaust gas can get into the Abgasabführsystem, this condensate either enters the Abgasabführsystem in liquid form and there at least partially evaporated due to the high temperatures or the condensate is due to the hot return line already in gaseous form and enters the hot exhaust system as steam. The return line then serves as a drainage.
Beim Aktivieren der Abgasrückführung kann zuvor gesammeltes Kondensat aber auch von der Abgasströmung in der Rückführleitung mitgerissen werden und in das Ansaugsystem gelangen. Das Kondensat liegt auch hierbei entweder flüssig oder gasförmig vor und wird im Weiteren via Ansaugsystem in die Zylinder eingebracht. Die heiße Rückführleitung dient auch dabei dem Sammeln, Verdampfen und Abführen des Kondensats.When activating the exhaust gas recirculation condensate previously collected but can also be entrained by the exhaust gas flow in the return line and get into the intake system. The condensate is also present here either liquid or gaseous and is introduced via the intake system into the cylinder. The hot return line also serves to collect, evaporate and remove the condensate.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine verfügt im Abgasabführsystem über eine Senke, d. h. einen Siphon, in welchem Kondensat abgeschieden werden kann und sich sammelt. Eine Senke im Sinne der vorliegenden Erfindung ist jede Senke im Ansaugsystem, die aufgrund ihrer geodätischen Höhe geeignet ist, Kondensat zu sammeln.The internal combustion engine according to the invention has a sink in the exhaust system, d. H. a siphon in which condensate can be separated and collected. A sink in the sense of the present invention is any sink in the intake system which, due to its geodetic height, is suitable for collecting condensate.
Die Senke sollte zu diesem Zweck zumindest einen Bereich aufweisen, der in der Einbauposition der Brennkraftmaschine geodätisch tiefer liegt als die Bereiche, die sich stromabwärts und stromaufwärts an diesen tiefer gelegenen Bereich anschießen.For this purpose, the drain should have at least one region which is geodetically lower in the installation position of the internal combustion engine than the regions which approach this lower region downstream and upstream.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine löst die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, nämlich eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden und mit der insbesondere der Problematik infolge Kondensatbildung entgegen gewirkt wird.The internal combustion engine according to the invention solves the first object underlying the invention, namely to provide an internal combustion engine according to the preamble of
Vorteilhaft können Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen ein Kühler in der Rückführleitung der Abgasrückführung vorgesehen ist.Embodiments of the internal combustion engine may be advantageous in which a cooler is provided in the return line of the exhaust gas recirculation.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Aufladung vorgesehen ist. Es wird Bezug genommen auf die im Zusammenhang mit der Aufladung bereits genannten Vorteile und gemachten Ausführungen.Advantageous embodiments of the internal combustion engine, in which a charge is provided. It is referred to in the In connection with the charging already mentioned advantages and made remarks.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.Further advantageous embodiments of the internal combustion engine are discussed in connection with the subclaims.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Senke in der Einbauposition der Brennkraftmaschine die zwischen dem mindestens einen Luftkühler und dem mindestens einen Zylinder geodätisch am tiefsten gelegene Stelle im Ansaugsystem bildet.Embodiments of the internal combustion engine in which the depression in the installation position of the internal combustion engine forms the geodetically lowest point in the intake system between the at least one air cooler and the at least one cylinder are advantageous.
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen die Senke in der Einbauposition der Brennkraftmaschine lokal eine geodätisch tiefer gelegene Stelle im Ansaugsystem bildet. D. h. zwischen dem mindestens einen Luftkühler und dem mindestens einen Zylinder gibt es im Ansaugsystem mindestens eine geodätisch tiefer als die Senke gelegene Stelle.Embodiments of the internal combustion engine may also be advantageous in which the depression in the installation position of the internal combustion engine locally forms a geodetically deeper point in the intake system. Ie. between the at least one air cooler and the at least one cylinder, there is at least one geodetically deeper than the sink location in the intake system.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein mittels Hilfsantrieb antreibbarer Verdichter im Ansaugsystem angeordnet ist, wobei der Verdichter vorzugsweise stromaufwärts des mindestens einen Luftkühlers angeordnet ist.Embodiments of the internal combustion engine in which at least one compressor drivable by means of an auxiliary drive is arranged in the intake system are advantageous, wherein the compressor is preferably arranged upstream of the at least one air cooler.
Der Vorteil eines mittels Hilfsantrieb antreibbaren Verdichters, d. h. Laders, gegenüber einem Abgasturbolader besteht darin, dass der Lader stets den angeforderten Ladedruck generieren und zur Verfügung stellen kann und zwar unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine. Das gilt insbesondere für einen Lader, der mittels Elektromaschine elektrisch antreibbar und daher unabhängig von der Drehzahl der Kurbelwelle ist.The advantage of a drivable by auxiliary drive compressor, d. H. Laders, compared to an exhaust gas turbocharger is that the loader can always generate and provide the required boost pressure, regardless of the operating condition of the internal combustion engine. This is especially true for a loader that is electrically driven by electric motor and therefore independent of the speed of the crankshaft.
Nach dem Stand der Technik bereitet es nämlich Schwierigkeiten, die Leistung mittels Abgasturboaufladung in allen Drehzahlbereichen zu steigern. Es wird ein stärkerer Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet. Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis bzw. der Turbinenleistung abhängt. Wird die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis bzw. einer kleineren Turbinenleistung. Folglich nimmt das Ladedruckverhältnis zu niedrigeren Drehzahlen hin ebenfalls ab. Dies ist gleichbedeutend mit einem Drehmomentabfall.In fact, according to the state of the art, it is difficult to increase the power by means of turbocharging in all engine speed ranges. It is observed a greater torque drop when falling below a certain speed. This torque drop becomes understandable if it is taken into account that the boost pressure ratio depends on the turbine pressure ratio or the turbine output. If the engine speed is reduced, this leads to a smaller exhaust gas mass flow and thus to a smaller turbine pressure ratio or a smaller turbine power. Consequently, the boost pressure ratio also decreases toward lower speeds. This is synonymous with a torque drop.
Vorteilhaft können dennoch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst, wobei der Verdichter vorzugsweise stromaufwärts des mindestens einen Luftkühlers angeordnet ist. Bei einem Abgasturbolader sind ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet. Der heiße Abgasstrom wird der Turbine zugeführt und entspannt sich unter Energieabgabe in der Turbine, wodurch die Welle in Drehung versetzt. Die vom Abgasstrom 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. Vorteilhafterweise wird ein Ladeluftkühler stromabwärts des Verdichters im Ansaugsystem vorgesehen, mit dem die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in den mindestens einen Zylinder gekühlt wird. Der Kühler senkt die Temperatur und steigert damit die Dichte der Ladeluft, so dass auch der Kühler zu einer besseren Füllung der Zylinder, d. h. zu einer größeren Luftmasse, beiträgt. Es erfolgt gewissermaßen eine Verdichtung durch Kühlung.Nevertheless, embodiments of the internal combustion engine can be advantageous in which at least one exhaust gas turbocharger is provided which comprises a turbine arranged in the exhaust gas removal system and a compressor arranged in the intake system, wherein the compressor is preferably arranged upstream of the at least one air cooler. In an exhaust gas turbocharger, a compressor and a turbine are arranged on the same shaft. The hot exhaust gas flow is supplied to the turbine and relaxes with release of energy in the turbine, causing the shaft to rotate. The output from the exhaust stream to the shaft energy is used to drive the also arranged on the shaft compressor. The compressor conveys and compresses the charge air supplied to it, whereby a charging of the cylinder is achieved. Advantageously, a charge air cooler is provided downstream of the compressor in the intake system, with which the compressed charge air is cooled before entering the at least one cylinder. The radiator lowers the temperature and thus increases the density of the charge air, so that the cooler to a better filling of the cylinder, d. H. contributes to a larger air mass. There is a certain amount of compression by cooling.
Der Vorteil eines Abgasturboladers im Vergleich zu einem – mittels Hilfsantrieb antreibbaren – Lader besteht darin, dass ein Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase nutzt, während ein Lader die für seinen Antrieb erforderliche Energie direkt oder indirekt von der Brennkraftmaschine bezieht und damit, zumindest solange die Antriebsenergie nicht aus einer Energierückgewinnung stammt, den Wirkungsgrad nachteilig beeinflusst, d. h. mindert.The advantage of an exhaust gas turbocharger in comparison to a - drivable by auxiliary drive - loader is that an exhaust gas turbocharger uses the exhaust gas energy of the hot exhaust gases, while a loader requires the energy required for its drive directly or indirectly from the internal combustion engine and thus, at least as long as the drive power does not come from an energy recovery, adversely affects the efficiency, d. H. decreases.
Falls es sich nicht um einen mittels Elektromaschine, d. h. elektrisch antreibbaren Lader handelt, ist regelmäßig eine mechanische bzw. kinematische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen dem Lader und der Brennkraftmaschine erforderlich, die auch das Packaging im Motorraum nachteilig beeinflusst bzw. bestimmt.If it is not an electric machine, d. H. is electrically driven supercharger is regularly a mechanical or kinematic connection for power transmission between the charger and the internal combustion engine is required, which also adversely affects or determines the packaging in the engine compartment.
Um einem Drehmomentabfall bei niedrigen Drehzahlen entgegen wirken zu können, sind besonders Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen mindestens zwei Abgasturbolader vorgesehen sind. Wird die Motorendrehzahl nämlich verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Ladedruckverhältnis.In order to counteract a torque drop at low speeds, particularly embodiments of the internal combustion engine are advantageous in which at least two exhaust gas turbochargers are provided. If the engine speed is reduced, this leads to a smaller exhaust gas mass flow and thus to a lower boost pressure ratio.
Durch Einsatz mehrerer Abgasturbolader, beispielsweise mehrerer in Reihe oder parallel geschalteter Abgasturbolader, kann die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine spürbar verbessert werden.By using a plurality of exhaust gas turbochargers, for example a plurality of exhaust gas turbochargers connected in series or in parallel, the torque characteristic of a supercharged internal combustion engine can be appreciably improved.
Zur Verbesserung der Drehmomentcharakteristik kann neben dem mindestens einen Abgasturbolader auch ein weiterer Verdichter vorgesehen werden und zwar sowohl ein mittels Hilfsantrieb antreibbarer Lader als auch ein Verdichter eines weiteren Abgasturboladers.To improve the torque characteristic, a further compressor may be provided in addition to the at least one exhaust gas turbocharger, both by means of an auxiliary drive drivable loader and a compressor of another exhaust gas turbocharger.
Wird im Ansaugsystem ein Verdichter angeordnet, können Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen die Rückführleitung stromabwärts des Verdichters unter Ausbildung des zweiten Knotenpunktes in das Ansaugsystem mündet, wobei der Verdichter vorzugsweise stromaufwärts des mindestens einen Luftkühlers angeordnet ist.If a compressor is arranged in the intake system, embodiments of the supercharged internal combustion engine may be advantageous in which the return line opens downstream of the compressor to form the second node in the intake system, wherein the compressor is preferably arranged upstream of the at least one air cooler.
Bei einer sogenannten Hochdruck-AGR wird das Abgas stromabwärts des Verdichters in das Ansaugsystem eingebracht. Um das für eine Rückführung erforderliche Druckgefälle zwischen dem Abgasabführsystem und dem Ansaugsystem bereitzustellen bzw. sicherzustellen, wird das Abgas bei einer Abgasturbolaufladung vorzugsweise und regelmäßig stromaufwärts der zugehörigen Turbine aus dem Abgasabführsystem entnommen. Die Hochdruck-AGR hat den Vorteil, dass das Abgas den Verdichter nicht passiert und daher vor der Rückführung keiner Abgasnachbehandlung, beispielsweise in einem Partikelfilter, unterzogen werden muss. Ablagerungen im Verdichter, welche die Geometrie des Verdichters, insbesondere die Strömungsquerschnitte, verändern und auf diese Weise den Wirkungsgrad des Verdichters verschlechtern, sind nicht zu befürchten. Eine Kondensatbildung erfolgt – wenn überhaupt – stromabwärts des Verdichters, der die ihm zugeführte Ladeluft im Rahmen der Kompression erhitzt.In a so-called high pressure EGR, the exhaust gas is introduced downstream of the compressor into the intake system. In order to provide or to ensure the pressure gradient between the exhaust-gas removal system and the intake system required for a return, the exhaust gas is preferably taken from the exhaust-gas removal system upstream of the associated turbine during an exhaust-gas turbocharging. The high-pressure EGR has the advantage that the exhaust gas does not pass through the compressor and therefore no exhaust aftertreatment, for example in a particle filter, has to be subjected before the recirculation. Deposits in the compressor, which change the geometry of the compressor, in particular the flow cross-sections, and thus worsen the efficiency of the compressor, are not to be feared. Condensation takes place, if at all, downstream of the compressor, which heats the charge air supplied to it as part of the compression.
Bei einer Brennkraftmaschine mit Abgasturbolaufladung sind somit aus den vorstehend genannten Gründen Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen die Rückführleitung stromaufwärts der Turbine unter Ausbildung des ersten Knotenpunktes vom Abgasabführsystem abzweigt.In an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger, embodiments are therefore advantageous for the abovementioned reasons, in which the return line branches off from the exhaust gas removal system upstream of the turbine, forming the first node.
Ebenfalls aus den vorstehend genannten Gründen sind bei Einsatz eines Abgasturboladers Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen die Rückführleitung der Abgasrückführung unter Ausbildung des ersten Knotenpunktes stromaufwärts der Turbine vom Abgasabführsystem abzweigt und unter Ausbildung des zweiten Knotenpunktes stromabwärts des Verdichters in das Ansaugsystem mündet, wobei vorzugsweise zwischen dem zweiten Knotenpunkt und dem Verdichter ein Ladeluftkühler im Ansaugsystem angeordnet ist.Also for the reasons mentioned above, embodiments of the supercharged internal combustion engine are advantageous in use of an exhaust gas turbocharger in which the return line of the exhaust gas recirculation branches off from the Abgasabführsystem forming the first node upstream of the turbine and opens to form the second node downstream of the compressor in the intake system, preferably between the second node and the compressor, a charge air cooler is arranged in the intake system.
Beim Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung und gleichzeitiger Verwendung einer Hochdruck-AGR kann sich ein Konflikt ergeben, wenn das rückgeführte Abgas stromaufwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem entnommen wird und zum Antrieb der Turbine nicht mehr zur Verfügung steht. When operating an internal combustion engine with turbocharging and simultaneous use of a high-pressure EGR, a conflict may arise when the recirculated exhaust gas is taken from the Abgasabführsystem upstream of the turbine and is no longer available for driving the turbine.
Bei einer Steigerung der Abgasrückführrate nimmt der in die Turbine eingeleitete Abgasstrom gleichzeitig ab. Der verminderte Abgasmassenstrom durch die Turbine bedingt ein kleineres Turbinendruckverhältnis, wodurch das Ladedruckverhältnis ebenfalls abnimmt, was gleichbedeutend ist mit einem kleineren Verdichtermassenstrom. Neben dem abnehmenden Ladedruck können sich zusätzlich Probleme beim Betrieb des Verdichters hinsichtlich der Pumpgrenze einstellen. Nachteile können sich auch bei den Schadstoffemissionen ergeben, beispielsweise hinsichtlich der Rußbildung bei Dieselmotoren während einer Beschleunigung.With an increase in the exhaust gas recirculation rate, the exhaust gas flow introduced into the turbine simultaneously decreases. The reduced exhaust gas mass flow through the turbine causes a smaller turbine pressure ratio, whereby the charge pressure ratio also decreases, which is equivalent to a smaller compressor mass flow. In addition to the decreasing boost pressure, additional problems with the operation of the compressor with regard to the surge limit can occur. Disadvantages can also arise in the pollutant emissions, for example, with regard to the formation of soot in diesel engines during acceleration.
Aus diesem Grunde sind Konzepte erforderlich, die ausreichend hohe Ladedrücke bei gleichzeitig hohen Abgasrückführraten sicherstellen. Einen Lösungsansatz bietet die sogenannte Niederdruck-AGR, mit der Abgas in das Ansaugsystem zurückgeführt wird, welches die Turbine bereits durchströmt hat. Hierzu umfasst die Niederdruck-AGR eine Rückführleitung, die stromabwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem abzweigt. Die Rückführleitung mündet vorzugsweise stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem, um das für eine Rückführung erforderliche Druckgefälle zwischen dem Abgasabführsystem und dem Ansaugsystem realisieren zu können.For this reason, concepts are required which ensure sufficiently high boost pressures with simultaneously high exhaust gas recirculation rates. One solution is the so-called low-pressure EGR, with which exhaust gas is fed back into the intake system, which has already flowed through the turbine. For this purpose, the low-pressure EGR comprises a return line, which branches off from the exhaust-gas removal system downstream of the turbine. The return line preferably opens into the intake system upstream of the compressor in order to be able to realize the pressure gradient required between the exhaust-gas removal system and the intake system for a return.
Vorteilhaft können daher Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen eine weitere Abgasrückführung vorgesehen ist, die eine Rückführleitung umfasst, welche stromabwärts der Turbine vom Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem mündet.Therefore, embodiments of the internal combustion engine can be advantageous in which a further exhaust gas recirculation is provided, which comprises a return line, which branches off from the Abgasabführsystem downstream of the turbine and opens upstream of the compressor in the intake system.
Zur Generierung des erforderlichen Druckgefälles kann bei einer Niederdruck-AGR ein Absperrelement stromabwärts der Abzweigung der Rückführleitung im Abgasabführsystem vorgesehen werden, um das Abgas zu stauen und den Abgasdruck zu erhöhen, und/oder ein Absperrelement stromaufwärts der Einmündung der Rückführleitung im Ansaugsystem vorgesehen werden, um einlassseitig den Druck stromaufwärts des Verdichters zu senken. Beide Maßnahmen sind energetisch nachteilig. Insbesondere die einlassseitige Drosselung der Ladeluft stromaufwärts des Verdichters muss mit Blick auf die Aufladung der Brennkraftmaschine als kontraproduktiv angesehen werden.In order to generate the required pressure gradient, in a low-pressure EGR, a shut-off element may be provided downstream of the diversion of the return line in the exhaust system to accumulate the exhaust gas and increase the exhaust pressure and / or provide a shut-off element upstream of the return line in the intake system inlet side to lower the pressure upstream of the compressor. Both measures are energetically disadvantageous. In particular, the inlet-side throttling of the charge air upstream of the compressor must be regarded as counterproductive in view of the charging of the internal combustion engine.
Das mittels Niederdruck-AGR rückgeführte 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 verdichtet wird, wobei die komprimierte Ladeluft stromabwärts des Verdichters im Luftkühler bzw. Ladeluftkühler gekühlt wird.The exhaust gas recirculated by means of low-pressure EGR is mixed with fresh air upstream of the compressor. The mixture of fresh air and recirculated exhaust gas thus produced forms the charge air which is supplied to the compressor and compressed, the compressed charge air downstream of the compressor in the air cooler or intercooler is cooled.
Eine Niederdruck-AGR als weitere Abgasrückführung bei einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine vorzusehen, ist besonders vorteilhaft, da eine Niederdruck-AGR besonders kritisch im Hinblick auf die Bildung von Kondensat zu sehen ist, d. h. eine Maßnahme erfordert, mit der der Problematik infolge Kondensatbildung entgegen gewirkt wird. Providing a low-pressure EGR as further exhaust gas recirculation in an internal combustion engine according to the invention is particularly advantageous, since a low-pressure EGR can be seen particularly critically with regard to the formation of condensate, ie requires a measure with which the problem is counteracted due to condensation.
Da bei einer Niederdruck-AGR Abgas durch den Verdichter hindurchgeführt wird, wird das Abgas stromabwärts der Turbine vorzugsweise einer Abgasnachbehandlung unterzogen.Since exhaust gas is passed through the compressor in a low-pressure EGR, the exhaust gas downstream of the turbine is preferably subjected to exhaust gas aftertreatment.
Vorteilhaft sind daher Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen zwischen der Turbine und der Abzweigung der Rückführleitung vom Abgasabführsystem mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem im Abgasabführsystem vorgesehen ist.Therefore, embodiments of the internal combustion engine in which at least one exhaust aftertreatment system is provided in the exhaust gas removal system between the turbine and the branch of the return line from the exhaust gas removal system are advantageous.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen zur Nachbehandlung des Abgases ein Partikelfilter als Abgasnachbehandlungssystem vorgesehen ist.Embodiments of the internal combustion engine in which a particle filter is provided as exhaust gas aftertreatment system for after-treatment of the exhaust gas are advantageous.
Zur Minimierung der Rußemission wird vorliegend ein regenerativer Partikelfilter eingesetzt, der die Rußpartikel aus dem Abgas herausfiltert und speichert, wobei diese Rußpartikel im Rahmen der Regeneration des Filters intermittierend verbrannt werden. Die zur Regeneration des Partikelfilters erforderlichen Temperaturen liegen bei nicht vorhandener katalytischer Unterstützung bei etwa 550°C. Regelmäßig wird daher auf zusätzliche Maßnahmen zurückgegriffen, um eine Regeneration des Filters unter allen Betriebsbedingungen zu gewährleisten.To minimize the emission of soot, a regenerative particle filter is used in the present case, which filters out and stores the soot particles from the exhaust gas, wherein these soot particles are intermittently burned as part of the regeneration of the filter. The temperatures required for the regeneration of the particulate filter are at about 550 ° C with no catalytic support. Therefore, additional measures are regularly used to ensure regeneration of the filter under all operating conditions.
Die Regeneration des Filters trägt Wärme in das Abgas ein und erhöht die Abgastemperatur und damit die Abgasenthalpie. Am Austritt des Filters steht somit ein energiereiches Abgas zur Verfügung, das einlassseitig im Verdichter genutzt werden kann.The regeneration of the filter introduces heat into the exhaust gas and increases the exhaust gas temperature and thus the exhaust gas enthalpy. At the outlet of the filter is thus an energy-rich exhaust gas available, which can be used on the inlet side in the compressor.
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen zur Nachbehandlung des Abgases ein Oxidationskatalysator als Abgasnachbehandlungssystem vorgesehen ist.Embodiments of the internal combustion engine may also be advantageous in which an oxidation catalytic converter is provided as exhaust gas aftertreatment system for the after-treatment of the exhaust gas.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Turbine eines vorgesehenen Abgasturboladers eine variable Turbinengeometrie aufweist, die eine weitergehende Anpassung an den Betrieb der Brennkraftmaschine durch Verstellen der Turbinengeometrie bzw. des wirksamen Turbinenquerschnittes gestattet. Dabei sind im Eintrittsbereich der Turbine verstellbare Leitschaufeln zur Beeinflussung der Strömungsrichtung angeordnet. Im Gegensatz zu den Laufschaufeln des umlaufenden Laufrades rotieren die Leitschaufeln nicht mit der Welle der Turbine.Embodiments of the internal combustion engine in which the turbine of a proposed exhaust-gas turbocharger has a variable turbine geometry which permits a further adaptation to the operation of the internal combustion engine by adjusting the turbine geometry or the effective turbine cross-section are advantageous. In this case, adjustable guide vanes for influencing the flow direction are arranged in the inlet region of the turbine. Unlike the vanes of the rotating impeller, the vanes do not rotate with the shaft of the turbine.
Verfügt die Turbine über eine feste unveränderliche Geometrie, sind die Leitschaufeln nicht nur stationär, sondern zudem völlig unbeweglich im Eintrittsbereich angeordnet, d. h. starr fixiert, falls überhaupt eine Leiteinrichtung vorgesehen ist. Bei einer variablen Geometrie hingegen sind die Leitschaufeln zwar stationär angeordnet, aber nicht völlig unbeweglich, sondern um ihre Achse drehbar, so dass auf die Anströmung der Laufschaufeln Einfluss genommen werden kann.If the turbine has a fixed invariable geometry, the vanes are not only stationary, but also completely immovable in the entry area, i. H. fixed rigidly, if any guide is provided. With a variable geometry, however, the vanes are indeed arranged stationary, but not completely immobile, but rotatable about its axis, so that the flow of the blades can be influenced.
Durch Verstellen der Turbinengeometrie kann Einfluss genommen werden auf den Abgasdruck stromaufwärts der Turbine, damit auf das Druckgefälle zwischen Abgasabführsystem und Ansaugsystem und somit auf die Rückführrate einer Hochdruck-AGR.By adjusting the turbine geometry, it is possible to influence the exhaust gas pressure upstream of the turbine, thereby influencing the pressure gradient between the exhaust gas removal system and the intake system and thus the return rate of a high-pressure EGR.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Bypassleitung zur Umgehung des Luftkühlers vorgesehen ist, die den Kühler überbrückt. Es kann sinnvoll sein, den Kühler zu überbrücken, beispielsweise um zu vermeiden, dass der Luft zusätzlich Wärme entzogen wird.Advantageous embodiments of the internal combustion engine, in which a bypass line is provided for bypassing the air cooler, which bridges the radiator. It may be useful to bridge the radiator, for example, to avoid that the air is additionally deprived of heat.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen zur Ausbildung einer Motorkühlung eine Flüssigkeitskühlung vorgesehen ist.Embodiments of the internal combustion engine in which liquid cooling is provided to form an engine cooling are advantageous.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinderkopf der Brennkraftmaschine zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit mindestens einem im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist.Embodiments of the internal combustion engine in which the at least one cylinder head of the internal combustion engine is equipped to form a liquid cooling system with at least one coolant jacket integrated in the cylinder head are advantageous.
Eine Flüssigkeitskühlung erweist sich insbesondere bei aufgeladenen Motoren als vorteilhaft, da die thermische Belastung aufgeladener Motoren im Vergleich zu herkömmlichen Brennkraftmaschinen deutlich höher ist. Verfügt der Zylinderkopf über einen integrierten Abgaskrümmer ist dieser thermisch höher belastet als ein herkömmlicher Zylinderkopf, der mit einem externen Krümmer ausgestattet ist. Es werden erhöhte Anforderungen an die Kühlung gestellt.A liquid cooling proves to be particularly advantageous in turbocharged engines, since the thermal load of turbocharged engines compared to conventional internal combustion engines is significantly higher. The cylinder head has an integrated exhaust manifold, this is thermally higher load than a conventional cylinder head, which is equipped with an external manifold. There are increased demands on the cooling.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine einer zuvor beschriebenen Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Abgasrückführung mittels Schliessen des Absperrelementes deaktiviert wird und im Ansaugsystem stromaufwärts des zweiten Knotenpunktes ausgeschiedenes Kondensat in der Rückführleitung bei geschlossenem Absperrelement gesammelt wird.The second sub-task on which the invention is based, namely to disclose a method for operating an internal combustion engine of the type described above, is achieved by a method which is characterized in that the exhaust gas recirculation is deactivated by closing the shut-off element and condensate discharged in the intake system upstream of the second node is collected in the return line with closed shut-off.
Das bereits für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren. Unterschiedliche Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine erfordern entsprechend unterschiedliche Verfahrensvarianten, wozu auf die entsprechenden Ausführungen Bezug genommen wird.What has already been said for the internal combustion engine according to the invention also applies to the inventive method. Different embodiments of the internal combustion engine according to the invention require correspondingly different process variants, for which reference is made to the corresponding explanations.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen in der Rückführleitung gesammeltes Kondensat durch Öffnen des Absperrelementes entsorgt wird.Process variants are advantageous in which condensate collected in the return line is disposed of by opening the shut-off element.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Verfahrensvarianten, bei denen in der Rückführleitung gesammeltes Kondensat bei Öffnen des Absperrelementes mit rückzuführendem Abgas in das Ansaugsystem eingeleitet und damit entsorgt wird.Advantageous in this context are process variants in which condensate collected in the return line is introduced into the intake system when the shut-off element is opened with the exhaust gas to be recirculated and disposed of with it.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang ebenfalls Verfahrensvarianten, bei denen in der Rückführleitung gesammeltes Kondensat bei Öffnen des Absperrelementes in das Abgasabführsystem eingeleitet und damit entsorgt wird.Also advantageous in this context are process variants in which condensate collected in the return line is introduced into the exhaust gas removal system when the shut-off element is opened and thus disposed of.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen das Absperrelement der Abgasrückführung in der Warmlaufphase bzw. nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine geschlossen wird.Advantageous are process variants in which the shut-off element of the exhaust gas recirculation is closed in the warm-up phase or after a cold start of the internal combustion engine.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß
Die Brennkraftmaschine
Des Weiteren ist eine Abgasrückführung
Zwischen dem Verdichter
Stromabwärts dieses Ladeluftkühlers
Die Rückführleitung
Bei aktivierter Abgasrückführung
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Brennkraftmaschine Internal combustion engine
- 1a1a
- Zylinderkopf cylinder head
- 22
- Abgasabführsystem Abgasabführsystem
- 2a2a
- erster Knotenpunkt first node
- 33
- Ansaugsystem intake system
- 3a3a
- zweiter Knotenpunkt second node
- 3b3b
- Senke im Ansaugsystem Sink in the intake system
- 3b´3b'
- lokal geodätisch tiefer gelegene Stelle im Ansaugsystem locally geodetic lower location in the intake system
- 44
- Abgasrückführung Exhaust gas recirculation
- 4´4'
- Hochdruck-Abgasrückführung High-pressure exhaust gas recirculation
- 4a4a
- Rückführleitung Return line
- 4b4b
- Absperrelement, AGR-Ventil Shut-off element, EGR valve
- 55
- Luftkühler air cooler
- 5´5 '
- Ladeluftkühler Intercooler
- 66
- Abgasturbolader turbocharger
- 6a6a
- Verdichter des Abgasturboladers Compressor of the exhaust gas turbocharger
- 6b6b
- Turbine der Abgasturboladers Turbine of the exhaust gas turbocharger
- AGRAGR
- Abgasrückführung Exhaust gas recirculation
- mAGR m AGR
- Masse an zurückgeführtem Abgas Mass of recirculated exhaust gas
- mFrischluft Fresh air
- Masse an zugeführter Frischluft bzw. Verbrennungsluft Mass of supplied fresh air or combustion air
- xAGR x AGR
- Abgasrückführrate Exhaust gas recirculation rate
Claims (16)
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-
2016
- 2016-09-29 DE DE102016218883.6A patent/DE102016218883B4/en active Active
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Also Published As
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DE102016218883B4 (en) | 2020-12-17 |
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