DE102016219097A1 - Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine - Google Patents

Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine Download PDF

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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, und – einer Abgasrückführung (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 Kühler (5) vorgesehen ist, der einen Kühlmittel führenden Kühlmittelmantel (5a) aufweist, welcher der Wärmeübertragung zwischen Abgas und Kühlmittel dient, und stromabwärts des Kühlers (5) ein Absperrelement (4b) in der Rückführleitung (4a) angeordnet ist. Es soll eine Brennkraftmaschine (1) der vorstehenden Art bereitgestellt werden, bei der sich die Abgasenergie effektiver nutzen lässt als nach Stand der Technik und die hinsichtlich des Wirkungsgrades weiter verbessert ist. Erreicht wird dies durch eine Brennkraftmaschine (1) der genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass ein dem Abgas zwischen dem ersten Knotenpunkt (2a) und dem Absperrelement (4b) der Abgasrückführung (4) zur Verfügung gestelltes Volumen (7) variabel ist, wobei dieses Volumen (7) zusammenhängend und zum Abgasabführsystem (2) hin offen ausgebildet ist.

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, und
    • – 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 Kühler vorgesehen ist, der einen Kühlmittel führenden Kühlmittelmantel aufweist, welcher der Wärmeübertragung zwischen dem Abgas und dem Kühlmittel dient, und stromabwärts des Kühlers ein Absperrelement in der Rückführleitung angeordnet ist.
  • Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Bei gezielter Auslegung der Aufladung können auch Vorteile bei den 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. Die Emissionen an Kohlendioxid, die direkt mit dem Kraftstoffverbrauch korrelieren, nehmen mit sinkendem Kraftstoffverbrauch ebenfalls ab.
  • 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.
  • 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.
  • 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. Auch die Abgasrückführung der Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, verfügt über einen in der Rückführleitung angeordneten Kühler, d. h. einen AGR-Kühler, der einen Kühlmittel führenden Kühlmittelmantel aufweist, welcher der Wärmeübertragung zwischen Abgas und Kühlmittel dient.
  • Probleme können sich beim Einleiten des rückgeführten Abgases in das Ansaugsystem ergeben, wenn die Temperatur des rückgeführten heißen Abgases abnimmt und sich Kondensat bildet.
  • 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.
  • 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.
  • 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 verbunden.
  • Auch hinsichtlich der Problematik der vorstehend beschriebenen Kondensatbildung kann ein AGR-Kühler zielführend bzw. hilfreich sein. Die Kühlung des rückzuführenden Abgases im Rahmen der Rückführung hat den vorteilhaften Effekt, dass sich das Kondensat nicht erst im Ansaugsystem, sondern bereits beim Rückführen bildet und im Rahmen der Rückführung abgeschieden werden kann.
  • Nachteilig an den AGR-Kühlern nach dem Stand der Technik ist, dass die Abgasenergie, d. h. die dem Abgas im Kühler mittels Kühlmittel entziehbare Wärme, prinzipbedingt nur anfällt und nutzbar ist, wenn Abgas zurückgeführt wird. Ist die Abgasrückführung deaktiviert, so dass kein Abgas zurückgeführt wird, bleibt die Abgasenergie des heißen Abgases nach dem Stand der Technik ungenutzt. Könnte diese Abgasenergie genutzt werden, ließen sich weitere Wirkungsgradvorteile bei der Brennkraftmaschine erzielen.
  • Die Energie des heißen Abgases könnte beispielsweise genutzt werden, um die Reibleistung und damit den Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine zu reduzieren. Hierbei könnte eine zügige Erwärmung des Motoröls mittels Abgaswärme, insbesondere nach einem Kaltstart, zielführend sein. Eine schnelle Erwärmung des Motoröls während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine sorgt für eine entsprechend schnelle Abnahme der Viskosität des Öls und damit für eine Verringerung der Reibung bzw. Reibleistung, insbesondere in den mit Öl versorgten Lagern, beispielsweise den Lagern der Kurbelwelle.
  • Das Öl könnte dabei beispielsweise mittels Heizvorrichtung aktiv erwärmt werden. Ein kühlmittelbetriebener Ölkühler kann dazu in der Warmlaufphase zweckentfremdet und zum Erwärmen des Öls genutzt werden.
  • Grundsätzlich kann einer schnellen Erwärmung des Motoröls zur Reduzierung der Reibleistung auch Vorschub geleistet werden durch eine schnelle Aufheizung der Brennkraftmaschine selbst, die wiederum dadurch unterstützt, d. h. forciert, wird, dass der Brennkraftmaschine während der Warmlaufphase möglichst wenig Wärme entzogen wird.
  • Insofern kann es bei einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine auch zielführend sein, dem Kühlmittel der Motorkühlung Wärme zu zuführen, insbesondere in der Warmlaufphase bzw. nach einem Kaltstart. Zur Erwärmung des Kühlmittels der Motorkühlung könnte die Abgasenergie genutzt werden.
  • Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, bei der sich die Abgasenergie effektiver nutzen lässt als nach Stand der Technik und die hinsichtlich des Wirkungsgrades weiter verbessert ist.
  • Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
  • 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, und
    • – 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 Kühler vorgesehen ist, der einen Kühlmittel führenden Kühlmittelmantel aufweist, welcher der Wärmeübertragung zwischen dem Abgas und dem Kühlmittel dient, und stromabwärts des Kühlers ein Absperrelement in der Rückführleitung angeordnet ist,
    die dadurch gekennzeichnet ist, dass
    • – ein dem Abgas zwischen dem ersten Knotenpunkt und dem Absperrelement der Abgasrückführung zur Verfügung gestelltes Volumen variabel ist, wobei dieses Volumen zusammenhängend und zum Abgasabführsystem hin offen ausgebildet ist.
  • Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden die – insbesondere während des Ladungswechsels – im Abgasabführsystem ablaufenden dynamischen Wellenvorgänge zur Verbesserung der Wärmeübertragung im AGR-Kühler genutzt und zwar insbesondere bei deaktivierter Abgasrückführung, wenn gar kein Abgas zurückgeführt wird.
  • Die Evakuierung der Verbrennungsgase aus einem Zylinder der Brennkraftmaschine im Rahmen des Ladungswechsels beruht im Wesentlichen auf zwei unterschiedlichen Mechanismen. Wenn sich zu Beginn des Ladungswechsels das Auslassventil nahe des unteren Totpunktes öffnet, strömen die Verbrennungsgase aufgrund des gegen Ende der Verbrennung im Zylinder vorherrschenden hohen Druckniveaus und der damit verbundenen hohen Druckdifferenz zwischen Brennraum und Abgasleitung mit hoher Geschwindigkeit durch die Auslassöffnung in das Abgasabführsystem. Dieser druckgetriebene Strömungsvorgang wird durch eine hohe Druckspitze begleitet, die auch als Vorauslassstoß bezeichnet wird und sich entlang des Abgasabführsystems mit Schallgeschwindigkeit fortpflanzt, wobei sich der Druck mit zunehmender Wegstrecke infolge Reibung mehr oder weniger stark abbaut, d. h. verringert. Im weiteren Verlauf des Ladungswechsels gleichen sich die Drücke im Zylinder und im Abgasabführsystem an, so dass die Verbrennungsgase primär nicht mehr druckgetrieben evakuiert, sondern infolge der Hubbewegung des Kolbens ausgeschoben werden.
  • Um die im Abgasabführsystem ablaufenden dynamischen Wellenvorgänge, insbesondere die Druckspitzen, zur Verbesserung des Wärmeübergangs im AGR-Kühler nutzen zu können, ist die erfindungsgemäße Abgasrückführung durch Anordnung des Absperrelements stromabwärts des Kühlers zum Abgasabführsystem hin offen ausgebildet, so dass der Kühler auch bei geschossenem Absperrelement mit heißem Abgas beaufschlagbar ist. Die sich entlang des Abgasabführsystems ausbreitende Druckwelle pflanzt sich dann auch bei geschossenem Absperrelement, d. h. bei deaktivierter Abgasrückführung, in die Rückführleitung bzw. die Abgasrückführung und den Kühler fort.
  • Eine am ersten Knotenpunkt in die Rückführleitung eintretende Druckspitze pflanzt sich in der Rückführleitung bzw. der Abgasrückführung fort und komprimiert das zwischen dem ersten Knotenpunkt und dem geschlossenen Absperrelement befindliche Abgas, wobei heißes Abgas durch den Kühler gefördert wird und infolge Konvektion Wärme an das Kühlmittel abgibt. Die entlang der Rückführleitung laufende Druckwelle wird am geschlossenen Ende der Abgasrückführung reflektiert, wobei sich das zwischen dem geschlossenen Absperrelement und dem ersten Knotenpunkt befindliche Abgas wieder entspannt, wodurch das Abgas ein zweites Mal durch den Kühler gefördert wird und erneut infolge Konvektion Wärme an das Kühlmittel abgibt.
  • Zu beachten ist zudem, dass die Temperatur des Abgases infolge der sich fortpflanzenden Druckspitze lokal und temporär angehoben wird. Die erhöhte Abgastemperatur bzw. die erhöhte Temperaturdifferenz zwischen dem Abgas und dem Kühlmittel, die aus der erhöhten Abgastemperatur resultiert, sorgt für einen erhöhten Wärmeübergang infolge Wärmleitung.
  • Erfindungsgemäß ist das Abgasvolumen zwischen dem ersten Knotenpunkt und dem Absperrelement der Abgasrückführung variabel, d. h. veränderbar bzw. verstellbar. Dieses gegenständliche bzw. konstruktive Merkmal hat den vorteilhaften Effekt, dass das zusammenhängende und zum Abgasabführsystem hin offene Volumen an unterschiedliche Betriebszustände der Brennkraftmaschine angepasst werden kann, in der Weise, dass das Volumen hinsichtlich der im Abgasabführsystem ablaufenden dynamischen Wellenvorgänge optimiert bzw. eingestellt wird, um die Wärmeübertragung im AGR-Kühler zu erhöhen bzw. zu maximieren. Dabei sind sowohl die Fortpflanzung und die Erhaltung als auch die Reflexion der Druckwelle im Volumen von Interesse bzw. Bedeutung.
  • Die Abgasenergie kann beispielsweise in der Warmlaufphase bzw. nach einem Kaltstart genutzt werden, um das Motoröl der Brennkraftmaschine zu erwärmen und damit die Reibleistung der Brennkraftmaschine zu mindern. Bei einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine kann die Abgasenergie genutzt werden, um das Kühlmittel der Motorkühlung zu erwärmen und damit die Aufheizung der Brennkraftmaschine zu beschleunigen. Beide Maßnahmen verbessern bzw. erhöhen den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine.
  • Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang auch, dass nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine gemäß dem Stand der Technik regelmäßig kein Abgas zurückgeführt wird, da sich beim Einleiten des rückgeführten Abgases in das noch kalte Ansaugsystem unvermeidbar und besonders viel Kondensat bilden würde. Folglich kann die Abgasenergie des heißen Abgases insbesondere nach einem Kaltstart nicht genutzt werden, obwohl gerade nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine Bedarf besteht, das Motoröl bzw. die Brennkraftmaschine gezielt zu erwärmen.
  • Im Gegensatz dazu kann die Abgasenergie des heißen Abgases erfindungsgemäß auch bei deaktivierter Abgasrückführung genutzt werden und zwar aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung des Absperrelementes in der Abgasrückführung. Auch bei deaktivierter Abgasrückführung kann Wärme vom Abgas auf das Kühlmittel des Kühlers übertragen werden, wobei das durch den Kühler strömende bzw. zirkulierende Kühlmittel die Wärme aus dem Inneren des Kühlers abführt und einer vorgebbaren Verwendung zuführt, wodurch der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine erhöht wird. Insoweit lässt sich die Abgasenergie, die dem Abgas des Abgasabführsystems immanent ist, nach dem Stand der Technik nicht, aber erfindungsgemäß schon nutzen.
  • Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine löst die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, nämlich eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, bei der sich die Abgasenergie effektiver nutzen lässt als nach Stand der Technik und die hinsichtlich des Wirkungsgrades weiter verbessert ist.
  • Das Absperrelement fungiert als AGR-Ventil und dient bei aktivierter Abgasrückführung der Einstellung der Rückführrate, d. h. der rückgeführten Abgasmenge. Die Verwendung eines am zweiten Knotenpunkt angeordneten Kombiventils gestattet die Bemessung der rückgeführten Abgasmenge und gleichzeitig die Drosselung der angesaugten Frischluftmenge.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen ein dem Abgas zwischen dem Kühler und dem Absperrelement der Abgasrückführung zur Verfügung gestelltes Volumen variabel ist, wobei dieses Volumen zusammenhängend und zum Abgasabführsystem hin offen ausgebildet ist. Bei dieser Ausführungsform ist das Volumen stromabwärts des Kühlers variabel und der Eintrittsbereich der Abgasrückführung stromaufwärts des Kühlers nicht veränderbar.
  • 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.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das dem Abgas zwischen dem ersten Knotenpunkt und dem Absperrelement der Abgasrückführung zur Verfügung gestellte Volumen mindestens ein mit der Rückführleitung verbundenes bzw. verbindbares Behältnis umfasst.
  • Um das dem Abgas zur Verfügung gestellte Volumen variabel zu gestalten, können ein Behältnis oder mehrere Behältnisse bzw. zusätzliche Volumina, die mit der Rückführleitung verbindbar sind, vorgesehen werden. Durch das Verbinden eines Behältnisses mit der Rückführleitung, d. h. mit dem Abgasrückführsystem, wird das dem Abgas zur Verfügung gestellte Volumen vergrößert. Durch das sukzessive Verbinden von Behältnissen mit der Rückführleitung wird das dem Abgas zur Verfügung gestellte Volumen stufenweise bzw. zunehmend vergrößert.
  • Vorteilhaft können in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen das mindestens eine Behältnis selbst im Volumen variabel ist. Durch das Verändern des Volumens des mit der Rückführleitung verbundenen Behältnisses wird das dem Abgas zur Verfügung gestellte Volumen verstellt.
  • Vorteilhaft können Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen die Rückführleitung in der Länge und damit auch im Volumen variabel ist, beispielsweise indem die Rückführleitung teleskopartig verkürzt bzw. verlängert werden kann.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein mittels Hilfsantrieb antreibbarer Verdichter im Ansaugsystem angeordnet ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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. 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Durch Einsatz mehrerer Abgasturbolader, beispielsweise mehrerer in Reihe oder parallel geschalteter Abgasturbolader, kann die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine spürbar verbessert werden.
  • 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.
  • Vorteilhaft können Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen die Rückführleitung stromabwärts des Verdichters unter Ausbildung des zweiten Knotenpunktes in das Ansaugsystem mündet.
  • 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 auch erhitzt und einer Kondensatbildung auf diese Weise vorbeugt bzw. entgegen wirkt.
  • Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen die Rückführleitung stromaufwärts des Verdichters unter Ausbildung des zweiten Knotenpunktes in das Ansaugsystem mündet.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Zur Generierung des erforderlichen Druckgefälles kann auch ein Absperrelement stromabwärts des ersten Knotenpunktes im Abgasabführsystem vorgesehen werden, um das Abgas zu stauen und den Abgasdruck zu erhöhen, und/oder ein Absperrelement stromaufwärts des zweiten Knotenpunktes 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 nachteilig angesehen werden.
  • 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 vorzugsweise stromabwärts des Verdichters in einem Ladeluftkühler gekühlt wird.
  • Da Abgas durch den Verdichter hindurchgeführt wird, wird das Abgas stromabwärts der Turbine vorzugsweise einer Abgasnachbehandlung unterzogen. Die Niederdruck-AGR kann auch mit einer Hochdruck-AGR kombiniert werden.
  • Vorteilhaft können aus den bereits genannten Gründen somit Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen die Rückführleitung stromaufwärts der Turbine unter Ausbildung des ersten Knotenpunktes vom Abgasabführsystem abzweigt.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen 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.
  • 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.
  • 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 der Hochdruck-AGR.
  • Vorteilhaft können ebenfalls aus bereits genannten Gründen Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen die Rückführleitung stromabwärts der Turbine unter Ausbildung des ersten Knotenpunktes vom Abgasabführsystem abzweigt.
  • Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen zwischen der Turbine und dem ersten Knotenpunkt mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem im Abgasabführsystem vorgesehen ist. Da Abgas durch den Verdichter hindurchgeführt wird, wird das Abgas stromabwärts der Turbine vorzugsweise einer Abgasnachbehandlung unterzogen.
  • Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen zur Nachbehandlung des Abgases ein Partikelfilter als Abgasnachbehandlungssystem vorgesehen ist.
  • 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.
  • 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 in der erfindungsgemäßen Weise genutzt werden kann.
  • Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen zur Nachbehandlung des Abgases ein Oxidationskatalysator als Abgasnachbehandlungssystem vorgesehen ist.
  • Zwar findet auch ohne zusätzliche Maßnahmen bei einem ausreichend hohen Temperaturniveau und dem Vorhandensein genügend großer Sauerstoffmengen eine Oxidation der unverbrannten Kohlenwasserstoffe und von Kohlenmonoxid im Abgasabführsystem statt. Diese Reaktionen kommen aber aufgrund der stromabwärts schnell abnehmenden Abgastemperatur und der infolgedessen rapide sinkenden Reaktionsgeschwindigkeit schnell zum Erliegen. Daher kommen katalytische Reaktoren zum Einsatz, die unter Verwendung katalytischer Materialien eine Oxidation auch bei niedrigen Temperaturen sicherstellen. Sollen zusätzlich Stickoxide reduziert werden, kann dies beim Ottomotor durch den Einsatz eines Drei-Wege-Katalysators erreicht werden.
  • Die Oxidation ist eine exotherme Reaktion, wobei die freigesetzte Wärme die Temperatur und damit die Enthalpie des Abgases erhöht. Am Austritt des Oxidationskatalysators steht somit ein energiereicheres Abgas zur Verfügung. Insofern ist das Vorsehen eines Oxidationskatalysators insbesondere auch im Hinblick auf die erfindungsgemäße Nutzung der Abgasenergie sinnvoll und vorteilhaft.
  • Zur Reduzierung der Stickoxide können selektive Katalysatoren eingesetzt werden, bei denen gezielt Reduktionsmittel in das Abgas eingebracht wird, um die Stickoxide selektiv zu vermindern. Als Reduktionsmittel kommen neben Ammoniak und Harnstoff auch unverbrannte Kohlenwasserstoffe zum Einsatz.
  • Die Stickoxidemissionen können auch mit Speicherkatalysatoren reduziert werden. Dabei werden die Stickoxide zunächst während eines mageren Betriebs der Brennkraftmaschine im Katalysator absorbiert, d. h. gesammelt und gespeichert, um dann während einer Regenerationsphase beispielsweise mittels eines unterstöchiometrischen Betriebs der Brennkraftmaschine bei Sauerstoffmangel freigesetzt und reduziert zu werden.
  • Der im Abgas enthaltene Schwefel wird ebenfalls im Speicherkatalysator absorbiert und muss im Rahmen einer sogenannten Entschwefelung regelmäßig entfernt werden. Hierfür sind Temperaturen zwischen 600°C und 700°C erforderlich.
  • Vorteilhaft können daher auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen zur Nachbehandlung des Abgases ein Speicherkatalysator als Abgasnachbehandlungssystem vorgesehen ist.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Bypassleitung zur Umgehung des Kühlers vorgesehen ist, die den AGR-Kühler überbrückt und mit der das via Abgasrückführung rückgeführte Abgas bei Umgehung des Kühlers in das Ansaugsystem eingeleitet werden kann.
  • Es kann sinnvoll sein, den AGR-Kühler zu überbrücken, beispielsweise um zu vermeiden, dass zusätzlich Wärme in die Flüssigkeitskühlung der Brennkraftmaschine eingetragen wird. Eine derartige Vorgehensweise bietet sich an, falls die Flüssigkeitskühlung der Brennkraftmaschine bereits stark beansprucht ist, beispielsweise bei Volllast. Wird die Abgasrückführung im Rahmen einer Motorbremse genutzt, ist es ebenfalls sinnvoll, das heiße Abgas ungekühlt zurückzuführen.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen zur Ausbildung einer Motorkühlung eine Flüssigkeitskühlung vorgesehen ist.
  • 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.
  • 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.
  • Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Flüssigkeitskühlung einen Kühlkreislauf aufweist, der den Kühler umfasst.
  • Ist der AGR-Kühler in den Kühlkreislauf der Motorkühlung eingebunden, müssen viele zur Ausbildung eines Kreislaufs erforderlichen Bauteile und Aggregate grundsätzlich nur in einfacher Ausfertigung vorgesehen werden, da diese sowohl für den Kühlkreislauf des AGR-Kühlers als auch für den der Motorkühlung verwendet werden können, was zu Synergien und Kosteneinsparungen führt, aber auch eine Gewichtsersparnis mit sich bringt.
  • So werden vorzugsweise nur eine Pumpe zur Förderung des Kühlmittels und ein Behältnis zur Bevorratung des Kühlmittels vorgesehen. Die von der Brennkraftmaschine und im AGR-Kühler an das Kühlmittel abgegebene Wärme kann dem Kühlmittel in einem gemeinsamen Wärmetauscher entzogen werden.
  • Die vom Kühlmittel im AGR-Kühler aufgenommene Abgasenergie bzw. Abgaswärme lässt sich auf diese Weise ebenfalls einfacher nutzen, beispielsweise zur Erwärmung der Brennkraftmaschine bzw. des Motoröls.
  • 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 bei mittels Schliessen des Absperrelements deaktivierter Abgasrückführung das dem Abgas zur Verfügung gestellte Volumen in der Art eingestellt wird, dass der Wärmeübertrag vom Abgas in das Kühlmittel des Kühlers optimiert bzw. maximiert wird.
  • 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.
  • Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen bei der Einstellung des Volumens die Drehzahl nmot der Brennkraftmaschine berücksichtigt wird.
  • Die Drehzahl nmot der Brennkraftmaschine hat unmittelbar Einfluss auf die im Abgasabführsystem ablaufenden dynamischen Wellenvorgänge und damit auf den Wärmeübergang im AGR-Kühler.
  • Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen das Absperrelement der Abgasrückführung in der Warmlaufphase bzw. nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine geschlossen wird.
  • Insbesondere nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine besteht Bedarf, das Motoröl bzw. die Brennkraftmaschine gezielt zu erwärmen. Aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung des Absperrelements in der Abgasrückführung kann das heiße Abgas auch bei deaktivierter Abgasrückführung genutzt werden.
  • D. h. trotz deaktivierter Abgasrückführung in der Warmlaufphase kann Wärme vom Abgas auf das Kühlmittel übertragen werden. Das durch den Kühlmittelmantel strömende Kühlmittel führt die Wärme aus dem Inneren des Kühlers ab und einer vorgebbaren Verwendung zu.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
  • 1 schematisch eine erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine mitsamt Abgasrückführung.
  • 1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine 1 mitsamt Abgasrückführung 4.
  • Die Brennkraftmaschine 1 verfügt über ein Ansaugsystem 3 zur Versorgung der Zylinder mit Ladeluft und ein Abgasabführsystem 2 zum Abführen der Abgase aus den Zylindern.
  • Die Brennkraftmaschine 1 ist zwecks Aufladung mit einem Abgasturbolader 6 ausgestattet, der eine im Abgasabführsystem 2 angeordnete Turbine 6b und einen im Ansaugsystem 3 angeordneten Verdichter 6a umfasst.
  • Des Weiteren ist eine Abgasrückführung 4 vorgesehen mit einer Rückführleitung 4a, die stromabwärts der Turbine 6b unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes 2a vom Abgasabführsystem 2 abzweigt und stromaufwärts des Verdichters 6a unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes 3a in das Ansaugsystem 3 mündet. In der Rückführleitung 4a ist ein Kühler 5 angeordnet, der einen Kühlmittel führenden Kühlmittelmantel 5a aufweist, welcher der Wärmeübertragung zwischen dem Abgas und dem Kühlmittel dient. Ein stromabwärts des Kühlers 5 in der Rückführleitung 4a angeordnetes Absperrelement 4b dient der Einstellung der rückgeführten Abgasmenge, d. h. der Rückführrate, und damit auch der Deaktivierung der Abgasrückführung 4.
  • Der Kühler 5 senkt bei aktivierter Abgasrückführung 4 die Temperatur im heißen rückzuführenden Abgas bevor das rückgeführte Abgas im Ansaugsystem 3 mit Frischluft gemischt wird. Stromaufwärts des zweiten Knotenpunktes 3b ist eine Drossel 3b im Ansaugsystem 3 angeordnet, mit der unter anderem auch Einfluss genommen werden kann auf das treibende Druckgefälle zwischen dem Abgasabführsystem 2 und dem Ansaugsystem 3.
  • Die dargestellte Abgasrückführung 4 zeichnet sich dadurch aus, dass das dem Abgas zwischen dem ersten Knotenpunkt 2a bzw. dem Kühler 5 und dem geschlossenen Absperrelement 4b zur Verfügung gestellte Volumen 7, welches zusammenhängend und zum Abgasabführsystem 2 hin offen ausgebildet ist, variabel ist. Vorliegend ist ein mit der Rückführleitung 4a verbindbares Behältnis 7a vorgesehen, welches im Volumen variabel ist.
  • Das auf diese Weise verstellbare Abgasvolumen kann an unterschiedliche Betriebszustände der Brennkraftmaschine 1, insbesondere an unterschiedliche Drehzahlen nmot, angepasst werden, um das für das Abgas zugängliche Volumen der deaktivierten Abgasrückführung 4 an die dynamischen Wellenvorgänge im Abgasabführsystem 2 anzupassen und die Wärmeübertragung im AGR-Kühler zu erhöhen bzw. zu optimieren.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennkraftmaschine
    2
    Abgasabführsystem
    2a
    erster Knotenpunkt
    3
    Ansaugsystem
    3a
    zweiter Knotenpunkt
    3b
    Drossel
    4
    Abgasrückführung
    4a
    Rückführleitung
    4b
    Absperrelement, AGR-Ventil
    5
    Kühler, AGR-Kühler
    5a
    Kühlmittelmantel
    6
    Abgasturbolader
    6a
    Verdichter des Abgasturboladers
    6b
    Turbine der Abgasturboladers
    7
    variables Volumen zwischen dem Kühler und dem Absperrelement
    7a
    separates zusätzliches Volumen, Behältnis
    AGR
    Abgasrückführung
    mAGR
    Masse an zurückgeführtem Abgas
    mFrischluft
    Masse an zugeführter Frischluft bzw. Verbrennungsluft
    nmot
    Drehzahl der Brennkraftmaschine
    xAGR
    Abgasrückführrate

Claims (17)

  1. Brennkraftmaschine (1) mit – mindestens einem Zylinder, – einem Ansaugsystem (3) zur Versorgung des mindestens einen Zylinders mit Ladeluft, – einem Abgasabführsystem (2) zur Abführung der Abgase, und – einer Abgasrückführung (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 Kühler (5) vorgesehen ist, der einen Kühlmittel führenden Kühlmittelmantel (5a) aufweist, welcher der Wärmeübertragung zwischen dem Abgas und dem Kühlmittel dient, und stromabwärts des Kühlers (5) ein Absperrelement (4b) in der Rückführleitung (4a) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – ein dem Abgas zwischen dem ersten Knotenpunkt (2a) und dem Absperrelement (4b) der Abgasrückführung (4) zur Verfügung gestelltes Volumen (7) variabel ist, wobei dieses Volumen (7) zusammenhängend und zum Abgasabführsystem (2) hin offen ausgebildet ist.
  2. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Abgas zwischen dem ersten Knotenpunkt (2a) und dem Absperrelement (4b) der Abgasrückführung (4) zur Verfügung gestellte Volumen (7) mindestens ein mit der Rückführleitung (4a) verbundenes Behältnis (7a) umfasst.
  3. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Behältnis (7a) im Volumen variabel ist.
  4. Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein mittels Hilfsantrieb antreibbarer Verdichter im Ansaugsystem (3) angeordnet ist.
  5. Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Abgasturbolader (6) vorgesehen ist, der eine im Abgasabführsystem (2) angeordnete Turbine (6b) und einen im Ansaugsystem (3) angeordneten Verdichter (6a) umfasst.
  6. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführleitung (4a) stromabwärts des Verdichters (6a) unter Ausbildung des zweiten Knotenpunktes (3a) in das Ansaugsystem (3) mündet.
  7. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführleitung (4a) stromaufwärts des Verdichters (6a) unter Ausbildung des zweiten Knotenpunktes (3a) in das Ansaugsystem (3) mündet.
  8. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführleitung (4a) stromaufwärts der Turbine (6b) unter Ausbildung des ersten Knotenpunktes (2a) vom Abgasabführsystem (2) abzweigt.
  9. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführleitung (4a) stromabwärts der Turbine (6b) unter Ausbildung des ersten Knotenpunktes (2a) vom Abgasabführsystem (2) abzweigt.
  10. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Turbine (6b) und dem ersten Knotenpunkt (2a) mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem im Abgasabführsystem (2) vorgesehen ist.
  11. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Nachbehandlung des Abgases ein Partikelfilter als Abgasnachbehandlungssystem vorgesehen ist.
  12. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Nachbehandlung des Abgases ein Oxidationskatalysator als Abgasnachbehandlungssystem vorgesehen ist.
  13. Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bypassleitung zur Umgehung des Kühlers (5) vorgesehen ist.
  14. Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung einer Motorkühlung eine Flüssigkeitskühlung vorgesehen ist.
  15. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitskühlung einen Kühlkreislauf aufweist, der den Kühler (5) der Abgasrückführung (4) umfasst.
  16. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei mittels Schliessen des Absperrelements (4b) deaktivierter Abgasrückführung (4) das dem Abgas zur Verfügung gestellte Volumen (7) in der Art eingestellt wird, dass der Wärmeübertrag vom Abgas in das Kühlmittel des Kühlers (5) optimiert wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Einstellung des Volumens (7) die Drehzahl nmot der Brennkraftmaschine (1) berücksichtigt wird.
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