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Stand der Technik
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Für Brennkraftmaschinen ist Abgasrückführung, AGR, über AGR-Ventile bekannt und wird sowohl bei Otto- als auch bei Dieselmotoren zur Reduktion von innermotorisch erzeugten Stickoxiden, NOx, eingesetzt. Die Reduktion von innermotorisch erzeugten Stickoxiden gelingt mit den bekannten Maßnahmen zur Abgasrückführung nicht in allen Lastbereichen zufriedenstellend, in denen die Brennkraftmaschine betrieben wird. Daher ist eine nachhaltige Lösung zur Reduktion des Stickoxidausstoßes, insbesondere moderner Dieselmotoren, insbesondere im höheren Lastbereich, wünschenswert.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 11 gelöst.
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Diesbezüglich umfasst die Brennkraftmaschine einen Einlass für Luft von außerhalb der Brennkraftmaschine in mindestens eine Brennkammer, zur Verbrennung eines Kraftstoff-Luftgemischs in der mindestens einen Brennkammer, und einen Abgasverdichter, zum Fördern von Abgas, das bei der Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemischs in der mindestens einen Brennkammer entsteht, in die mindestens eine Brennkammer. Der Abgasverdichter ist mit mindestens einer Abgaseinlassstelle verbunden, an der vom Abgasverdichter Abgas in vom Einlass einströmende Luft gefördert werden kann. Die Abgaseinlassstelle ist zwischen dem Einlass und der mindestens einen Brennkammer und zwischen einem Ausgang des Abgasverdichters und der mindestens einen Brennkammer angeordnet. Eine Steuereinrichtung, ist zum Ansteuern des Abgasverdichters vorgesehen, durch die eine vom Abgasverdichter geförderte Abgasmenge abhängig von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine einstellbar ist. Dadurch wird eine Abgasrückführmenge aktiv eingeblasen. Der AGR-Einsatzbereich wird dadurch erheblich, bis nahe an den Hochlastbereich hin, ausgedehnt. Dort endet der AGR-Einsatzbereich an einer natürlichen Grenze, die durch das Erfordernis des hohen Sauerstoffbedarfs für große Drehmomente gegeben ist. Besonders für aufgeladene Dieselmotoren ist dies vorteilhaft, weil bei Brennverfahren in Dieselmotoren fast durchweg ungedrosselt gefahren wird und daher unvorteilhafte Bedingungen für die erforderlichen hohen AGR-Mengen herrschen. Diese werden durch den derartig aufgeladenen AGR-Rückführbetrieb überwunden. Dies ermöglicht es, NOx-Speicherkatalysatoren bzw. Katalysatoren für selektive katalytische Reduktion, SCR-Katalysatoren, in ihrer Auslegung, in der Zufuhr von Reduktionsmitten, Beschichtung und Regenerationsphasen deutlich zu reduzieren, ohne dass die Einhaltung der Abgasemissionsgrenzwerte gefährdet wird. Dies wirkt sich insbesondere dadurch positiv aus, dass mit dem Entfall zumindest eines DeNOx-Systems auch das Packaging des Abgassystems erleichtert wird.
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Vorzugsweise ist das vom Abgasverdichter geförderte Abgas über mindestens eine Rückschlagarmatur förderbar, die ein Strömen von Frischgas zum Abgasverdichter bzw. Abgastrakt verhindert. Ein Druck der Luft oder eines Gemischs aus Luft und Abgas an der Abgaseinlassstelle wirkt der Förderung des Abgasverdichters entgegen. Dadurch kann Fluid zum Ausgang des Abgasverdichters zurück bewegt werden. Dies kann insbesondere dann auftreten, wenn der Abgasverdichter nicht oder nicht ausreichend stark fördert. Die Rückschlagarmatur vermeidet einen Rückfluss von Fluid zum Abgasverdichter, was als Leckluftfehler in der Lufterfassung registriert würde. Als Rückschlagarmatur wird insbesondere ein Rückschlagventil verwendet.
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Vorzugsweise umfasst die Brennkraftmaschine eine Kühleinrichtung zum Kühlen von Fluiden, wobei der mindestens einen Brennkammer vom Abgasverdichter gefördertes Abgas über die Kühleinrichtung zuführbar ist. Dies ermöglicht es, die Temperatur des Abgas-Luftgemischs ohne zusätzlichen AGR-Kühler zu senken. Insgesamt wird die Temperatur des Gemischs, das der Verbrennung zugeführt wird, somit besser im Sinne einer NOx Verminderung beeinflussbar.
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Vorzugsweise ist vom Abgasverdichter gefördertes Abgas über ein Mehrwegeventil einer ersten Abgaseinlassstelle und/oder einer zweiten Abgaseinlassstelle und/oder einem Abgasrohr der Brennkraftmaschine zuführbar. Die erste Abgaseinlassstelle ist zwischen der Kühleinrichtung und der mindestens einen Brennkammer angeordnet. Die zweite Abgaseinlassstelle ist zwischen der Kühleinrichtung und dem Einlass angeordnet. Durch das Mehrwegeventil ist eine jeweils zuzuführende Abgasmenge einstellbar. Die Steuereinrichtung ist ausgebildet, die jeweils zuzuführende Abgasmenge abhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine einzustellen. Damit ist vom Abgasverdichter gefördertes Abgas über das Mehrwegeventil stromabwärts der Kühleinrichtung und/oder stromaufwärts der Kühleinrichtung oder dem Abgasrohr zuführbar. Dabei ist durch das Mehrwegeventil eine stromaufwärts und/oder stromabwärts der Kühleinrichtung zuzuführende Abgasmenge einstellbar. Durch die Ansteuerung des Mehrwegeventils wird die insgesamt rückgeführte Abgasmenge in einen zu kühlenden und einen ungekühlt zuzuführenden Anteil aufgeteilt, und/oder zumindest teilweise dem Abgasrohr zugeleitet. Dadurch ist die Temperatur auch abhängig von der jeweils stromaufwärts und/oder stromabwärts der Kühleinrichtung rückgeführten Abgasmenge beeinflussbar. Bei hohen Abgastemperaturen wird vorzugsweise mehr gekühltes Abgas der Verbrennung zugeführt, als ungekühltes Abgas. Dies ermöglicht es, AGR auch im Bereich hoher Last einzusetzen. Bei niedrigen Abgastemperaturen, die beispielsweise beim Kaltstart auftreten, wird vorzugsweise mehr ungekühltes Abgas, d.h. wenig oder kein gekühltes Abgas der Verbrennung zugeführt. Dadurch wird die Wirksamkeit der AGR in diesem Betriebszustand der Brennkraftmaschine verbessert. Wenn die vom Abgasverdichter geförderte Abgasmenge für die Soll-AGR-Menge im Betriebszustand der Brennkraftmaschine zu groß ist, kann eine überschüssige Abgasmenge durch Ansteuerung des Mehrwegeventils direkt zum Abgasrohr zurückgeleitet werden. Dadurch wird insbesondere unabhängig von einer Ansteuerung des Abgasverdichters vermieden, dass der Verbrennung zu viel Abgas zugeführt wird.
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Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung ausgebildet, das Mehrwegeventil zum Einstellen einer einem Ansaugsystem zuzuführenden Sollabgasmenge dynamisch korrigierend abhängig von einem Betriebszustand des Abgasverdichters anzusteuern. Wenn ein insbesondere elektrisch angetriebener Abgasverdichter aufgrund einer Änderung des Betriebszustands angehalten werden soll, um kein weiteres Abgas zur Brennkammer zu fördern, läuft der Abgasverdichter aufgrund seiner Trägheit nach. Dadurch wird weiter Abgas gefördert, auch wenn der Abgasverdichter nicht mehr angetrieben wird. Das Mehrwegeventil ist demgegenüber weniger träge als der Abgasverdichter. Dadurch kann in diesem Fall vom Abgasverdichter ungewollt gefördertes Abgas bei Bedarf sehr schnell, zumindest teilweise, dem Abgasrohr zugeführt werden. Dies erhöht die Reaktionsgeschwindigkeit und verbessert eine Regelung der AGR.
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Vorteilhafterweise ist die Rückschlagarmatur im Mehrwegeventil angeordnet. Dies ist eine besonders einfache Anordnung ohne zusätzliches Bauteil an anderer Stelle des AGR-Systems.
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Optional ist zwischen dem Einlass und der mindestens einen Brennkammer eine Drosselklappe angeordnet, wobei die Abgaseinlassstelle zwischen der mindestens einen Brennkammer und der Drosselklappe angeordnet ist. Dadurch wird das wirksame Druckgefälle beeinflusst, wobei insbesondere die AGR-Rate beim Anlaufen des Abgasverdichters dynamisch besser, d.h. erhöhend, angepasst werden kann, wenn die Drosselklappe transient geschlossen wird.
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Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung ausgebildet, das Mehrwegeventil zum Einstellen einer jeweils zuzuführenden Abgasmenge abhängig von einer SollTemperatur in einem Saugrohr der Brennkraftmaschine anzusteuern. Die Temperatur des Abgas-Luft-Kraftstoff Gemischs in der Brennkammer kann damit besonders gut eingestellt werden.
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Vorteilhafterweise weist die Brennkraftmaschine einen elektrischen Aktor auf, der ausgebildet ist, den Abgasverdichter anzutreiben und/oder den Abgasverdichter zu bremsen. Der Trägheit des Abgasverdichters kann durch einen elektrischen Aktor, beispielsweise einen Elektromotor, gut begegnet werden. Aktives Bremsen im Generatorbetrieb des elektrischen Motors verhindert unnötig langes Nachlaufen des Abgasverdichters und damit zu langes Fördern von Abgas. Das hohe Drehmoment bei geringen Drehzahlen ermöglicht beim Starten des Abgasverdichters im Motorbetrieb des Elektromotors eine rasche Förderung von Abgas. Dies verbessert die AGR-Regelung.
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Vorteilhafterweise ist in der Brennkraftmaschine ein Abgasturbolader angeordnet, wobei eine Abgasentnahmestelle für den Abgasverdichter zwischen einem Eingang des Abgasverdichters und einem Ausgang einer Turbine des Abgasturboladers oder zwischen einem Eingang des Abgasverdichters und einem Eingang einer Turbine des Abgasturboladers angeordnet ist. Die Abgasentnahme für den Abgasverdichter stromab von Turbine und Katalysatoren hat den Vorteil, dass man diesen Komponenten nicht unnötig Abgasenthalpie entzieht und dass man zugleich eine niedrigere Einleittemperatur des entnommenen Abgasstroms in den Abgasverdichter erhält. Mit der unvermeidlichen weiteren Aufheizung bei der Abgas-Verdichtung lässt sich eine obere Grenztemperatur des Abgases an der Mischungsstelle mit der Frischluft im Saugrohr leichter einhalten, wenn die AGR-Einleittemperatur in den Abgasverdichter niedriger liegt.
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Das Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine umfasst zumindest zeitweises Fördern von Abgas, das bei der Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemischs in der mindestens einen Brennkammer entsteht, durch einen Abgasverdichter in die mindestens eine Brennkammer, und zumindest zeitweises Ansteuern des Abgasverdichters zum Einstellen einer durch den Abgasverdichter geförderten Abgasmenge abhängig von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine. Das aktive Einblasen von Abgas abhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine ermöglicht eine bessere Steuerung der eingeblasenen Abgasmenge beispielsweise in Bereichen hoher Last. Dadurch wird die Wirksamkeit der AGR verbessert.
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Vorzugsweise wird zumindest zeitweise Abgas, das vom Abgasverdichter gefördert wird, über die Kühleinrichtung in die mindestens eine Brennkammer eingeleitet. Das Abgas wird durch diese Kühleinrichtung abgekühlt, was die Temperatur des entstandenen Gasgemischs verändert, insbesondere ohne zusätzlichen AGR-Kühler.
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Vorzugsweise wird zumindest zeitweise eine jeweils zuzuführende Abgasmenge abhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine eingestellt und/oder das Mehrwegeventil zumindest zeitweise abhängig von einer Temperatur in dem Saugrohr der Brennkraftmaschine angesteuert. Dies verbessert die Regelung der AGR, da auf die Betriebszustände und/oder auf die Temperaturen im Saugrohr reagiert wird.
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Weitere Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der folgenden Beschreibung und der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt:
- 1 schematisch Teile einer Brennkraftmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform,
- 2 schematisch Teile einer Ansteuereinrichtung für die Brennkraftmaschine gemäß der ersten Ausführungsform,
- 3 schematisch Teile einer Brennkraftmaschine gemäß einer zweiten Ausführungsform,
- 4 schematisch Teile einer Ansteuereinrichtung für die Brennkraftmaschine gemäß der zweiten Ausführungsform,
- 5 schematisch Teile einer Brennkraftmaschine gemäß einer dritten Ausführungsform,
- 6 schematisch Teile einer Ansteuereinrichtung für die Brennkraftmaschine gemäß der dritten Ausführungsform.
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Im Folgenden wird ein System zur Abgasrückführung in einer Brennkraftmaschine beschrieben. Dieses System zur Abgasrückführung erfährt eine nur geringe Verrußung und Versottung und hat gegenüber einem Hochdruck-AGR System und einem Niederdruck-AGR System eine verbesserte Lebensdauer. Dieses System kann ein Hochdruck-AGR System und oder ein Niederdruck-AGR Systeme entweder ersetzen oder mit einem oder beiden dieser Systeme zusammen in der Brennkraftmaschine verwendet werden.
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1 zeigt schematisch Teile einer Brennkraftmaschine 100 nach einer ersten Ausführungsform.
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Die Brennkraftmaschine 100 weist im Beispiel vier Brennkammern 102 auf, diese sind eingangsseitig mit einem Ansaugkrümmer 108 und ausgangsseitig mit einem Abgaskrümmer 106 verbunden. Der Ansaugkrümmer 108 ist ausgangsseitig mit den Brennkammern 102 und eingangsseitig mit einem optionalen Kühler für Fluide 110, insbesondere mit einem Ladeluftkühler in Verbindung. Der Ladeluftkühler ist eingangsseitig über eine optionale Drosselklappe 112 mit einem Ausgang eines ersten Verdichters 114 eines ersten Laders 116, insbesondere eines optionalen Turboladers, verbunden. Eingangsseitig ist der erste Verdichter 114 über ein Luftfilter 118 mit einem Einlass 120 Frischluft außerhalb der Brennkraftmaschine, insbesondere einem Ansaugtrichter 120 verbunden. Der Abgaskrümmer 106 verbindet die Zylinder 102 und einen Eingang einer Abgasturbine 122 des ersten Laders 116. Die Abgasturbine 122 ist ausgangsseitig mit einem optionalen Oxidationskatalysator 123, einem optionalen Partikelfilter 124, einem optionalen NOx-Katalysator 126, einem optionalen Katalysator für selektive katalytische Reduktion, SCR-Katalysator 128 und mit einer optionalen Abgasklappe 130 verbunden. Die Abgasklappe ist im Beispiel in einem Abgasrohr 132 angeordnet, durch das das Abgas aus der Brennkraftmaschine 100 entweichen kann. Diese beispielhafte Anordnung gilt für einen Dieselmotor, wobei auch Variationen zulässig und üblich sind. Bei Ottomotoren kann stattdessen ein Dreiwegekatalysator zur Anwendung kommen.
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Der erste Lader 116 ist ausgebildet, Fluid, insbesondere Frischluft, in das Saugrohr 108 zu fördern. Bei einer Niederdruck-AGR kann das Fluid auch ein Frischluft/Abgas Gemisch sein. Das Fluid strömt vom ersten Verdichter 114 gefördert stromabwärts über die Drosselklappe 112 zum Saugrohr 108. So gelangt Luft vom Einlass 120 über das Saugrohr 108 zur Brennkammer 102. Stromabwärts der Drosselklappe 112 ist zwischen der Drosselklappe 112 und dem Saugrohr 108 eine Abgasrückführeinleitstelle 134 angeordnet. Die Abgasrückführeinleitstelle 134 ist mit dem Ausgang eines zweiten Verdichters 136 eines zweiten Laders 138 verbunden. Der zweite Verdichter 136 wird auch als AGR-Verdichter oder Abgasverdichter bezeichnet. Ein Eingang des zweiten Verdichters 136 ist mit einer Abgasentnahmestelle 142 verbunden. Die Abgasentnahmestelle 142 ist mit dem Abgasrohr 132 verbunden. Der zweite Lader 138 wird vorzugsweise durch einen Elektromotor 140 angetrieben. Der Elektromotor 140 treibt dabei den zweiten Verdichter 136 an. Der zweite Verdichter 136 ist ausgebildet, Abgas aus dem Abgasrohr 132 zur Abgasrückführeinleitstelle 134 über ein Mehrwegeventil 146 mit Rückschlageinrichtung zu fördern. Das Mehrwegeventil 146 ist über eine Rückleitung 147 mit dem Abgasrohr 132 stromabwärts der Abgasentnahmestelle 142 verbunden. Die Rückleitung 147 kann auch stromaufwärts der Abgasentnahmestelle 142 verbunden sein.
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2 zeigt schematisch Teile einer Ansteuereinrichtung 200 für die Brennkraftmaschine 100 gemäß der ersten Ausführungsform.
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Eine Steuereinrichtung 144 ist zum Ansteuern des zweiten Laders 138 vorgesehen. Die Steuereinrichtung 144 ist in 2 schematisch dargestellt. Die Steuereinrichtung 144 ist ausgebildet, eine vom zweiten Verdichter 136 geförderte Abgasmenge abhängig von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine 100 einzustellen. Die Steuereinrichtung 144 ist dazu ausgebildet, den zweiten Lader 138, im Beispiel den Elektromotor 140, und den ersten Lader 116, im Beispiel die Turbine 122 anzusteuern. In diesem Fall ist die Turbine 122 beispielsweise eine Turbine mit verstellbaren Leitschaufeln. Optional kann die Steuereinrichtung 144 ausgebildet sein, die Drosselklappe 112 und/oder die Abgasklappe 130 anzusteuern. Die Steuereinrichtung 144 kann optional ausgebildet sein, ein Harnstoffeinblasventil des SCR-Katalysators 128 anzusteuern. Dazu kann die Steuereinrichtung 144 Steuersignale über entsprechende Leitungen an den Elektromotor 140, die Harnstoffeinblasung zum SCR-Katalysator 128, die Drosselklappe 112 und/oder die Abgasklappe 130 ausgeben. Es kann vorgesehen sein, einen aktuellen Zustand der Drosselklappe 112 oder des SCR-Katalysators 128 in bidirektionaler Kommunikation zu erfassen.
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Vorzugsweise ist am oder im Saugrohr 108 ein Temperaturfühler angeordnet, der die Mischungstemperatur von Frischluft und rückgeführtem Abgas hinter der letzten Abgaseinleitstelle im Saugrohr 108 erfasst. Der Temperaturfühler ist vorzugsweise mit der Steuereinrichtung 144 verbunden und übermittelt eine aktuelle Temperatur. Die Steuereinrichtung 144 ist in diesem Fall vorzugsweise ausgebildet, den zweiten Lader 138, im Beispiel den Elektromotor 140, und ein Mehrwegeventil 146 abhängig von der Temperatur am oder im Saugrohr 108 anzusteuern. Vorzugsweise wird eine für die momentane Solltemperatur und den momentanen Betriebszustand der Brennkraftmaschine geeignete momentan zuzuführende Abgasmenge und ihre Aufteilung auf die beiden Einleitorte bestimmt. Der Elektromotor 140 wird dann so angesteuert, dass der zweite Verdichter 136 diese momentan zuzuführende Abgasmenge fördert. Der Temperaturfühler kann auch benachbart zum Saugrohr 108 angeordnet sein. Die Temperatur kann auch durch Modellbildung ermittelt werden.
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In manchen Legislaturbereichen ist die Überwachung / Diagnose von Abgasbeeinflussenden Komponenten zwingend vorgeschrieben. Dafür ist eine entsprechende Sensorik vorzuhalten. Ein Beispiel zur Überwachung der AGR-Zufuhr ist ein Temperatursensor im Ansaugkrümmer. Noch besser dazu geeignet wäre eine Breitbandlambdasonde, die einen noch direkteren Rückschluss auf die tatsächlich zugeführte Abgasrückführmenge erlaubt.
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Die Drosselklappe 112 ist im Beispiel stromaufwärts des Ladeluftkühlers 110 angeordnet. Die Drosselklappe 112 kann auch stromabwärts des Ladeluftkühlers 110 angeordnet sein. Die Abgasrückführeinleitstelle 134 ist im Beispiel stromaufwärts des Ladeluftkühlers 110 angeordnet. Die Abgasrückführeinleitstelle 134 kann auch stromabwärts des Ladeluftkühlers 110 angeordnet sein. Die Abgasrückführeinleitstelle 134 ist zwischen Einlass 120 und den Brennkammern 102 und einem Ausgang des zweiten Verdichters 136 angeordnet. An der Abgaseinleitstelle wird in Luft, die vom Einlass 120 zugeführt wird, Abgas gefördert.
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In 3 sind schematisch Teile einer Brennkraftmaschine gemäß einer zweiten Ausführungsform dargestellt, in der die Drosselklappe 112 stromabwärts des Luftkühlers 110 und die Abgasrückführeinleitstelle 134 stromabwärts der Drosselklappe 112, zwischen dieser und dem Saugrohr 108 angeordnet ist.
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4 zeigt schematisch Teile einer Ansteuereinrichtung 200 für die Brennkraftmaschine 100 gemäß der der zweiten Ausführungsform.
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In 3 und 4 sind einander entsprechende Teile der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungszeichen mit identischen Bezugszeichen wie in 1 und 2 bezeichnet. Durch die Anordnung der Abgasrückführeinleitstelle 134 stromabwärts des Ladeluftkühlers 110, wird das Abgas dem Saugrohr 108 ungekühlt zugeführt. Die Steuereinrichtung 144 ist ausgebildet, dies und die veränderte Position der Drosselklappe 112 bei der Ausgabe von Ansteuersignalen zu berücksichtigen.
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Der zweite Verdichter 136 ist im Beispiel in der ersten Ausführungsform und in der zweiten Ausführungsform als Kreiselverdichter ausgebildet. Die Drehzahl des zweiten Verdichters 136 bestimmt im Beispiel maßgeblich die je Zeiteinheit geförderte Abgasmenge.
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Die Ansteuerung durch die Steuereinrichtung 144 ist ausgebildet, Emissionsziele einzuhalten. Die Steuereinrichtung 144 ist beispielsweise parametrierbar und kann dadurch in Verbrennungsmotoren eingesetzt werden.
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Durch den Verzicht auf ein Hochdruck-AGR-System und auf ein zusätzliches Niederdruck-AGR-System ist der für diese Bauform verwendete Bau- und Bauraumaufwand mit derartigen Systemen vergleichbar. Durch die Anordnung des zweiten Laders 138 im Bereich niedrigerer Umgebungstemperaturen im Motorraum wird eine thermische Belastung des zweiten Laders 138 reduziert.
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Die Steuereinrichtung 144 ist ausgebildet, die Verbrennung durch die Abgasrückführung, insbesondere die Zufuhr von Abgasanteilen zur Verbrennungsluft, und die Beeinflussung der Kompressionstemperatur zu unterstützen. Dies kann für die Verbrennung sowohl im Diesel- als auch im Ottomotor nutzbringend angewendet werden. Damit wird sowohl der Brennwärmeumsatz verbessert als auch die Bildung von Stickoxiden unterdrückt. Diese Regelung endet erst im Volllastbereich, in dem große Kraftstoffmengen zur Erzeugung großer Drehmomente erforderlich sind. In diesem Bereich kann der Luftsauerstoff nicht mehr verringert werden, da sonst die großen Kraftstoffmengen nicht mehr komplett verbrannt werden könnten. Dies hätte ein Drehmomentdefizit zur Folge.
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Im oberen Teillastbereich entsteht zudem ein Druckgefälle von höherem Druck im Saugrohr 108 zu niedrigerem Druck im Abgasrohr 132, das bei konventionellen Abgasrückführsystemen eine Abgaszufuhr zum Saugrohr nicht mehr erlaubt. Dieses Druckgefälle wird mittels des zweiten Verdichters 136, motorbetriebspunktabhängig überwunden.
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Vorzugsweise wird der zweite Verdichter 136 saugrohrnah angeordnet. Dies reduziert die Totzeit zwischen Ansteuerung des zweiten Verdichters 136 und Eintreffen der Abgasmenge im Saugrohr 108. Dadurch können zeitlich akkurate und auch große AGR-Mengen erforderlichenfalls der aufgeladenen Ansaugseite zugeführt werden. Diese Vorteile erstrecken sich auch in den unteren Lastbereich hinein, wo herkömmliche AGR-Systeme generell ebenfalls Mengenrestriktionen unterworfen sind.
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Dadurch ergibt sich der Hauptvorteil des vorgestellten Verfahrens und der entsprechenden Vorrichtungen, nämlich die erweiterte Ausdehnung des AGR-Zufuhrbereichs in den Motorbetriebsbereich hinein, wo bei konventionellem AGR einerseits die erforderliche treibende Druckdifferenz fehlt, andererseits zugleich sehr hohe innermotorisch erzeugte NOx-Emissionen auftreten. Dieser Doppeleffekt des erweiterten Inertgaszuführbereichs mit weitaus größeren Zuführmengen in den NOx-Hochemissionsbereich ermöglicht insbesondere hier eine drastische Verminderung der Rohemissionen. Damit können Abgasnachbehandlungsmaßnahmen, beispielsweise DeNOx-Kat, SCR-Kat, Harnstoffeinblasung, Fettphasen, deutlich eingeschränkt werden.
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Vorzugsweise wird die Interaktion zwischen Abgas und Ladeluft modelliert und von der Steuereinrichtung 144 beispielsweise auch zur Ansteuerung des ersten Laders 116 entsprechend verwendet.
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Durch die Verwendung des Roots-Kompressors oder des Kreiselverdichters ist die Verrußungs-/ Versottungsneigung deren drehender Teile deutlich geringer als bei herkömmlichen vergleichsweise unzuverlässigeren AGR-Ventilen. Dies reduziert die Gefahr, dass diese Teile blockieren, deutlich. Die Zuverlässigkeit von Strömungsmaschinen im Abgasstrang ist gegenüber konventionellen AGR Ventilen deutlich höher, da viel größere Durchtrittsquerschnitte herrschen. Zudem drehen beispielsweise Laufräder des zweiten Verdichters 136 fast permanent in unidirektionaler Bewegung, da starke Strömungsumlenkung und Rückströmung wegen des implizierten Rückschlagventils im Abgasstrang vermieden werden.
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Die elektrische Ansteuerung des Elektromotors 140 über die Steuereinrichtung 144 beinhaltet sämtliche, beispielsweise auch adaptive, Parameter zur passenden Steuerung/Regelung des Elektromotors 140. Der Elektromotor 140 zeichnet sich nicht nur durch die gute Steuerbarkeit aus, sondern auch durch seinen sehr schnellen Anlauf bzw. Hochlauf. Dadurch wird eine besonders gute Dynamik erreicht. Die mittels Elektromotor 140 erzielbaren Gasdurchsätze sind groß. Zudem ist kein mechanischer Antrieb von der Kurbelwelle erforderlich. Dies bietet Vorteile beim Packaging, d.h. der Anordnung im Motorraum.
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Der Elektromotor 140 kann dazu ausgebildet sein, eine Drehzahl des zweiten Verdichters 136 rasch und stark zu reduzieren. Das Steuergerät 144 ist in diesem Fall ausgebildet, den Elektromotor 140 entsprechend anzusteuern. Dies ermöglicht eine Dynamikunterstützung insbesondere beim Übergang von großen Soll-AGR Mengen zu geringeren Soll-AGR-Mengen.
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Das bedeutet, der Elektromotor 140 ist ein elektrischer Aktor, der ausgebildet ist den zweiten Lader 138 anzutreiben und/oder den zweiten Lader 138 abzubremsen.
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5 zeigt schematisch Teile einer Brennkraftmaschine 100 gemäß einer dritten Ausführungsform. 6 zeigt schematisch Teile einer Ansteuereinrichtung 200 für die Brennkraftmaschine 100 gemäß der dritten Ausführungsform.
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In 5 und 6 sind einander entsprechende Teile der ersten Ausführungsform und der dritten Ausführungszeichen, mit identischen Bezugszeichen wie in 1 und 2 bezeichnet. In der dritten Ausführungsform ist eine erste Abgasrückführeinleitstelle 134A stromaufwärts des Ladeluftkühlers 110 und eine zweite Abgasrückführeinleitstelle 134B stromabwärts des Ladeluftkühlers 110 angeordnet. Dadurch wird Abgas dem Saugrohr 108 gekühlt und ungekühlt zuführbar. Die erste Abgasrückführeinleitstelle 134A ist mit einem ersten Ausgang eines Mehrwegeventils 146 verbunden. Die zweite Abgasrückführeinleitstelle 134B ist mit einem zweiten Ausgang eines Mehrwegeventils 146 verbunden. Ein Eingang des Mehrwegeventils 146 ist mit dem Ausgang des zweiten Verdichters 136 verbunden. Die Steuereinrichtung 144 ist ausgebildet, diese zusätzlichen Verbindungen und das zusätzliche Mehrwegeventil 146 bei der Ausgabe von Ansteuersignalen zu berücksichtigen. Die Steuereinrichtung 144 ist ausgebildet, das Mehrwegeventil 146 anzusteuern. Durch die Ansteuerung wird eine erste Abgasmenge über die erste Abgasrückführeinleitstelle 134A und eine zweite Abgasmenge über die zweite Abgasrückführeinleitstelle 134B in das Saugrohr förderbar. Die Summe der ersten Abgasmenge und der zweiten Abgasmenge entspricht dabei der vom zweiten Verdichter 136 geförderten Abgasmenge.
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In einer zur dritten Ausführungsform alternativen Ausführungsform, kann das Mehrwegeventil 146 zusätzlich einen vierten Ausgang aufweisen, der mit dem Abgasrohr 132 zum Beispiel stromabwärts der Abgasentnahmestelle 142 verbunden ist. In diesem Fall kann die Steuereinrichtung ausgebildet sein, Abgas, das vom zweiten Lader 138 gefördert wird, über eine entsprechende Ansteuerung des Mehrwegeventils 146 zumindest teilweise zum Abgasrohr 132 zu fördern, um ein Aufstauen zu vermeiden.
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Das Mehrwegeventil ist vorzugsweise elektrisch ansteuerbar. Vorzugsweise wird ein Mehrwegeventil vorgesehen, das das Überströmen von Ladeluft in das Abgassystem verhindert. Dazu ist im Mehrwegeventil ein Rückschlagventil angeordnet, das beispielsweise bei Hochlast ohne AGR-Anforderung das Überströmen der Ladeluft verhindert. Das Mehrwegeventil 146 kann auch ausgebildet sein der Trägheit des zweiten Verdichters 136 bei schnell sinkendem AGR-Bedarf entgegen zu wirken. Dazu ist das Mehrwegeventil 146 ausgebildet, schnell zu schließen. Das Rückschlagventil oder das Mehrwegeventil 146 ist ein Beispiel für eine Rückschlagarmatur.
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Vorzugsweise wird das Mehrwegeventil 146 angesteuert, um die insgesamt zugeführte AGR-Menge thermisch passend zu konditionieren. Dies ist beispielsweise zum Schutz gegen Überhitzung des Saugsystems sinnvoll. Entsprechend wird eine übermäßige Gemischaufheizung, die auch mit Füllungsverlusten verbunden ist, dadurch vermieden, dass Abgas über die erste Abgasrückführeinleitstelle 134A dem Ladeluftkühler 110 mehr oder weniger zugeführt wird. Dazu wird der erste Ausgang des Mehrwegeventils 146 mehr oder weniger geöffnet bzw. geschlossen. Zudem kann vorgesehen sein, den zweiten Ausgang des Mehrwegeventils 146 mehr oder weniger zu öffnen bzw. zu schließen, um die AGR-Menge, die stromabwärts dem Ladeluftkühler 110 ungekühlt zugeführt wird, zu beeinflussen.
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Zwischenstellungen erlauben eine thermische und quantitative Feinanpassung. Dadurch wird eine Durchsatzsteuerung verbunden mit einer Temperatursteuerung realisiert. Durch die Doppelnutzung des Ladeluftkühlers sowohl für die vorverdichtete Frischluft als auch für die rückgeführte Abgasmenge werden keine zusätzlichen AGR-Kühler und zugehörige Bypass-Ventile als Zusatzkomponenten benötigt.
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Die AGR-Menge, die über die zweite Abgasrückführeinleitstelle 134B zugeführt wird, führt zu einer weiteren Aufheizung der Zylinderfüllung. Ist dies beispielsweise beim Warmlaufen der Brennkraftmaschine 100 erwünscht, kann das Mehrwegeventil 146 entsprechend angesteuert werden.
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Die erste Abgasrückführeinleitstelle 134A zwischen erstem Verdichter 114 und Ladeluftkühler 110 wird bevorzugt, wenn die dadurch entstehenden Vorteile einer intensiveren Durchmischung und einer stärkeren Gasabkühlung erwünscht sind.
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Die zweite Abgasrückführeinleitstelle 134B wird vorteilhafterweise unmittelbar nach dem Ladeluftkühler 110 vorgesehen werden, wenn die dadurch entstehenden Vorteile bezüglich der dynamischen besseren Zumessung und/ oder der höheren Gastemperatur erwünscht sind.
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Durch die beschriebenen konstruktiven Maßnahmen und die beschriebene Ansteuerung entstehen Vorteile. Die AGR ist in erweiterten Betriebsbereichen sinnvoll oder überhaupt möglich, insbesondere bei hoher Last oder beim Warmlauf des Dieselmotors, denn das verdichtete zurückgeführte Abgas erfährt zugleich eine Temperatursteigerung, die die Selbstentflammung des Dieselkraftstoffs unterstützt. Es sind größere Mengen rückgeführten Abgases insbesondere bei hoher Last erzielbar. Das System kann dynamisch genau angesteuert werden. Das Abgas-/Luftgemisch für die Verbrennung kann passend temperiert werden. Die Stickoxidproduktion kann im Brennraum weiter vermindert werden. Die Abgasnachbehandlungsmaßnahmen und -systeme können reduziert eingesetzt werden. Die Entflammungs- und Gemischbildungsbedingungen im Brennraum können vorteilhaft beeinflusst werden. Andere Reduktionsmittel, beispielsweise CO-Generierung durch Fettphasen (mit erhöhtem Kraftstoffverbrauch) und DeNOx-Kat oder die AdBlue-Zumessung, beispielsweise eine Dosiereinrichtung und ein SCR-Kat, können reduziert oder ganz eingespart werden.
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Die Drosselklappe wird nicht mehr unbedingt benötigt. Das dynamische Schließen bei Lastrücknahme wegen ehemals erforderlicher transienter AGR-Einspeisung kann durch Aktiv-AGR ersetzt werden. Das Anfetten über Androsseln im unteren Lastbereich für die DeNOx-Katregeneration entfällt mit diesem eingesparten Katalysator. Wird zusätzlich die Partikelfilterregeneration über Nacheinspritzung gesteuert, entfällt auch dieser Grund für das Vorhalten der Drosselklappe.
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Das konventionelle Hoch- und Niederdruck-AGR-System kann komplett entfallen, da das Aktiv-AGR-System weitaus leistungsfähiger ist.
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Auf Abgasklappen kann wegen des Entfalls des Niederdruck-AGR-Systems, verzichtet werden.
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Die Verwendung eines AGR-Kompressors, d.h. des zweiten Laders 138 in der beschriebenen Art und Weise ist vorteilhaft, da keine komplexe Abstimmung mehrerer Steuer-/Regelsysteme untereinander erforderlich ist. Diese komplexe Abstimmung war bei bisherigen Hochdruck-AGR mit Kühler und Bypass-Ventil, Niederdruck-AGR mit Kühler und evtl. Bypass-Ventil, Drosselklappensteuerung, Abgasklappensteuerung, DeNOx-Speicherkatalysator mit Nacheinspritzung und Gefahr der Schmierölverdünnung oder mit Harnstoffeinblasevorrichtung vor den SCR-Katalysator erforderlich.
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Die Ansteuerung des zweiten Verdichters 136 erfolgt beispielsweise über eine geeignete pulsweitenmodulierte Ansteuerung des Elektromotors 140. Bei Verwendung des Mehrwegeventils 146 kann eine Positionsbestimmung des Mehrwegeventils 146 durch eine Lagerückmeldung vorgesehen sein, um die Ist-Position zu erfassen. Das Mehrwegeventil 146 wird beispielsweise durch einen Elektromotor mit Stepperansteuerung eingestellt.
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Die Eingangsgrößen für die Steuereinrichtung 144 sind beispielsweise eine vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 100 abhängige Soll-AGR-Menge und eine Solltemperatur der AGR-Einleitung, die mit Sensorgrößen bzw. mit in der Steuereinrichtung 144 abgelegten physikalischen Modellen für Ist-Größen permanent abgeglichen werden.
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Eine Adaption bzw. eine Diagnose der AGR-Zumessung kann über eine Rückführung z.B. der erfassten aktuellen Laufunruhewerte erfolgen. Überschreitet diese einen Betriebspunkt-abhängigen Schwellwert wird ein Verbrennungsaussetzer bzw. eine verschleppte Verbrennung erkannt. Zur Identifikation einer AGR-Menge kann ein abgasseitiger NOx-Sensor bzw. eine Breitbandlambdasonde, die im Ansaugtrakt stromab der AGR-Einleitstelle positioniert ist, herangezogen werden.
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Anstelle des Mehrwegeventils 146 und zweier Einleitstellen 134A, 134B kann auch nur eine Einleitstelle vorgesehen sein, die über ein AGR-Ventil mit dem zweiten Lader 138 verbunden ist. Die Ansteuerung des AGR-Ventils erfolgt in diesem Fall entsprechend, allerdings findet keine Temperaturregelung statt, ohne dass ein zusätzlicher AGR-Kühler mit weiterem Bypassventil benötigt wird.
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Alternativ dazu können zwei Einleitstellen 134A, 13B über je ein AGR-Ventil mit dem zweiten Lader 138 verbunden sein. Die Ansteuerung der AGR-Ventile erfolgt in diesem Fall entsprechend, In diesem Fall ist auch eine einfache Temperaturregelung möglich.
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In beiden Fällen kann ein Abblasventil zwischen dem zweiten Lader 138 und dem jeweiligen AGR-Ventil angeordnet sein. Dieses Abblasventil öffnet beispielsweise bei zu hohem Druck in den Zuleitungen. Alternativ oder zusätzlich kann ein Kurzschlussventil um den zweiten Lader 138 angeordnet sein. Dieses wird beispielsweise als dump valve betrieben und öffnet ebenfalls, um einen Überdruck zu vermeiden.
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Außerdem können Maßnahmen zur aktiven Abbremsung des zweiten Laders 138 vorgesehen werden. Beispielsweise wird der Elektromotor 140 umgepolt oder in einem Rekuperationsmodus betrieben. Es können auch Wirbelstrom- oder Reibbremsen zum Abbremsen des zweiten Laders 138 vorgesehen werden. Dadurch wird bei geschlossenen AGR-Ventilen oder bei einem geschlossenen Mehrwegeventil 146 ein Überdruck vermieden.
