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Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertragungsvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine, mit wenigstens einem Ladeluft-Wärmeübertrager, zum Konditionieren von Ladeluft, welche beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine zumindest einem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine zuführbar ist, und mit zumindest einer Abgas-Wärmeübertrager-Anordnung, zum Konditionieren von Abgas, welches beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine durch Abgasrückführung in den zumindest einen Brennraum einleitbar ist. Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmeübertragungsvorrichtung.
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Um zukünftige, durch den Gesetzgeber bestimmte Abgasgrenzwerte für Kraftwagen, welche durch eine Verbrennungskraftmaschine angetrieben werden, einhalten zu können, gilt es auch Vorgaben, also mit anderen Worten Grenzwerte, für sogenannte „Emissionen im praktischen Fahrbetrieb“, welche auch als RDE (real driving emissions) bezeichnet werden, zu erfüllen. Dabei ist es insbesondere von Bedeutung auch Grenzwerte für Rohemissionen in Betriebszuständen einzuhalten, in denen eine Betriebstemperatur eines Abgasnachbehandlungssystems der Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise eine sogenannte Light-off-Temperatur eines Abgaskatalysators, noch nicht erreicht sind.
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Aus der
DE 10 2005 004 778 A1 ist eine Anordnung zur Kühlung von rückgeführtem Abgas und Ladeluft bei einem Kraftfahrzeug mit einem Turbolader mit mindestens je einem Wärmetauscher für den Abgasstrom und einem Wärmetauscher für den Ladeluftstrom, bekannt. Mindestens jeweils ein Wärmetauscher für den Abgasstrom und ein Wärmetauscher für den Ladeluftstrom sind dabei Teil eines gemeinsamen Niedertemperaturkühlmittel-Kreislaufs.
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Die
DE 10 2006 033 314 A1 beschreibt ein Wärmetauschersystem, insbesondere für Abgaswärmetauscher und/oder Ladeluftkühler, mit einem über einen Motorkühlkreislauf gekühlten Verbrennungsmotor, dem rückgeführtes Abgas und/oder Ladeluft zugeführt werden kann. Das Wärmetauschersystem weist mindestens einen Wärmetauscher, insbesondere einen Abgaswärmetauscher und/oder Ladeluftkühler, zur Kühlung von rückgeführtem Abgas und/oder Ladeluft auf.
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Aus der
DE 10 2015 016 394 A1 ist eine Kühlanordnung für einen Ladeluftkühler einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs bekannt, welche einen Niedertemperatur-Kühlkreis aufweist, in dem ein Kühlmittel durch einen Niedertemperatur-Kühler und durch den Ladeluftkühler zirkuliert. Der Niedertemperatur-Kühler liegt in einem von einem Lüfter zumindest unterstützten Luftstrom. Zudem ist ein Kältekreis vorgesehen, welcher einen Kondensator, zumindest ein Expansionsventil, einen Verdampfer und einen Kompressor sowie dem Verdampfer im Kältekreis parallel geschaltet ein weiteres Expansionsventil und einen weiteren Verdampfer umfasst.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Wärmeübertragungsvorrichtung sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, durch welche Emissionen im praktischen Fahrbetrieb eines Kraftwagens wirksam verringert werden können.
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Diese Aufgabe wird durch eine Wärmeübertragungsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Wärmeübertragungsvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftwagens, mit wenigstens einem Ladeluft-Wärmeübertrager, zum Konditionieren von Ladeluft, welche beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine zumindest einem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine zuführbar ist, und mit zumindest einer Abgas-Wärmeübertrager-Anordnung, zum Konditionieren von Abgas, welches beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine durch Abgasrückführung in den zumindest einen Brennraum einleitbar ist. Unter dem Ausdruck „Konditionieren“ ist im Rahmen der Erfindung eine bedarfsgerechte Temperierung, also ein Kühlen oder Erwärmen der Ladeluft bzw. des Abgases zu verstehen.
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Gemäß der Erfindung sind der wenigstens eine Ladeluft-Wärmeübertrager über einen ersten Medienkreislauf der Wärmeübertragungsvorrichtung und die zumindest eine Abgas-Wärmeübertrager-Anordnung über einen, von dem ersten Medienkreislauf getrennten, zweiten Medienkreislauf mit zumindest einem Medium versorgbar, wobei der erste Medienkreislauf und zusätzlich oder alternativ der zweite Medienkreislauf von einem Kühlwasser-Kreislauf der Verbrennungskraftmaschine getrennt ist bzw. sind. Dies ist von Vorteil, da hierdurch die Ladeluft und das durch Abgasrückführung in den zumindest einen Brennraum rückführbare Abgas unabhängig voneinander konditionierbar sind. Durch den ersten Medienkreislauf und den zweiten Medienkreislauf ist es beispielsweise möglich eine Ladeluft-Austrittstemperatur, welche die Ladeluft bei deren Austritt aus dem Ladeluft-Wärmeübertrager aufweisen kann, unabhängig von einer Abgas-Austrittstemperatur, welche das Abgas bei dessen Austritt aus der Abgas-Wärmeübertrager-Anordnung aufweisen kann, einzustellen. Dies ermöglicht eine besonders genaue, bedarfsgerechte Einstellung der jeweiligen Austrittstemperaturen (Ladeluft-Austrittstemperatur, Abgas-Austrittstemperatur) unabhängig voneinander, wodurch jeweilige Sollwerte dieser Austrittstemperaturen entsprechend bedarfsgerecht eingeregelt werden können. Unter dem Kühlwasser-Kreislauf der Verbrennungskraftmaschine ist vorliegend ein Kreislauf zu verstehen, über welchen ein Kurbelgehäuse und damit ein Kühlmantel der Verbrennungskraftmaschine mit Kühlwasser durchströmbar sind.
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So ist es beispielsweise möglich die Ladeluft über den ersten Medienkreislauf derart zu konditionieren, dass dadurch eine gewünschte Abscheidung von Kondensat aus der Ladeluft erfolgt und die Ladeluft mit einem besonders niedrigen Temperaturwert der Ladeluft-Austrittstemperatur aus dem Ladeluft-Wärmeübertrager austritt und in den zumindest einen Brennraum oder mehrere Brennräume der Verbrennungskraftmaschine eintritt. Dadurch kann bewirkt werden, dass eine besonders geringe Brennraumtemperatur innerhalb des Brennraums zu Beginn einer Kraftstoffverbrennung herrscht, wodurch eine wirksame Verringerung von Stickoxid-Rohemissionen insbesondere dann bewirkt werden kann, wenn eine Light-off-Temperatur eines Abgaskatalysators der Verbrennungskraftmaschine noch nicht erreicht ist und dementsprechend eine weniger wirksame Abgasnachbehandlung erfolgt. Gleichzeitig ist es beispielsweise möglich, das (durch Abgasrückführung in den zumindest einen Brennraum rückführbare) Abgas über den zweiten Medienkreislauf derart zu konditionieren, dass beispielsweise eine Abscheidung von Kondensat möglichst vermieden wird, um eine etwaige, sogenannte „Versottung“ der Abgas-Wärmeübertrager-Anordnung zu verringern, wenngleich diese nicht vollständig vermieden werden kann. Durch die Verringerung der Versottung, welche auch als „fouling“ bezeichnet werden kann, kann über eine besonders lange Betriebsdauer ein besonders hoher Wärmeübertragungswirkungsgrad der Abgas-Wärmeübertrager-Anordnung aufrechterhalten werden. Dadurch können insgesamt die Emissionen der Verbrennungskraftmaschine auch im praktischen Fahrbetrieb des Kraftwagens wirksam verringert werden, selbst wenn ein, den Abgaskatalysator umfassendes Abgasnachbehandlungssystem der Verbrennungskraftmaschine beispielsweise nach deren Kaltstart noch nicht betriebswarm ist, also eine optimale Betriebstemperatur des Abgasnachbehandlungssystems noch nicht erreicht ist.
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Bei dem Medium kann es sich um Kühlwasser, also ein Wasser-Glykol-Gemisch handeln, wodurch ein Einfrieren des Mediums bei Umgebungstemperaturen unterhalb des Gefrierpunktes wirksam unterbunden werden kann.
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Vorzugsweise kann der erste Medienkreislauf auch ein erstes Medium und der zweite Medienkreislauf ein, von dem ersten Medium verschiedenes, zweites Medium enthalten, wodurch ein besonders bedarfsgerechtes Konditionieren ermöglicht ist.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind der erste Medienkreislauf und/oder der zweite Medienkreislauf wärmeübertragend mit einem Klimaanlagen-Kreislauf der Wärmeübertragungsvorrichtung gekoppelt. Dies ist von Vorteil, da hierdurch ein besonders flexibles Konditionieren ermöglicht ist. So kann beispielsweise eine Tieftemperaturkonditionierung, also ein Konditionieren auf besonders niedrige, jeweilige Temperaturwerte der Ladeluft-Austrittstemperatur und/oder der Abgas-Austrittstemperatur erfolgen.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der erste Medienkreislauf und/oder der zweite Medienkreislauf einen Bypass auf, mittels welchem der Ladeluft-Wärmeübertrager und/oder die Abgas-Wärmeübertrager-Anordnung überbrückbar sind. Dies ist von Vorteil, da durch den Bypass beispielsweise ein schnellerer Warmlauf der Verbrennungskraftmaschine unmittelbar nach deren Kaltstart bewirkt werden kann, indem die Abgas-Wärmeübertrager-Anordnung und zusätzlich oder alternativ der Ladeluft-Wärmeübertrager bypassbedingt überbrückt wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die zumindest eine Abgas-Wärmeübertrager-Anordnung wenigstens eine Hochdruck-Abgasrückführungsstrecke und/oder wenigstens eine Niederdruck-Abgasrückführungsstrecke. Dies ist von Vorteil, da anhand der Hochdruck-Abgasrückführungsstrecke eine Hochdruck-Abgasrückführung und anhand der Niederdruck-Abgasrückführungsstrecke eine Niederdruck-Abgasrückführung erfolgen kann. Bei der Hochdruck-Abgasrückführung können in vorteilhafter Weise besonders hohe Abgasrückführungsraten (AGR-Raten) erreicht werden, wobei ein Hochdruck-Wärmeübertrager zum Konditionieren, insbesondere Kühlen, des Abgases eingesetzt werden kann. Bei der Niederdruck-Abgasrückführung kann das Abgas mit einem besonders geringen Partikelgehalt in einen entsprechenden Niederdruck-Wärmeübertrager zum Konditionieren, insbesondere Kühlen, des Abgases eingeleitet werden. Durch den geringen Partikelgehalt, welcher beispielsweise durch einen dem Niederdruck-Wärmeübertrager vorgeschalteten Partikelfilter erreicht werden kann, verschmutzt (versottet) der Niederdruck-Wärmeübertrager weniger schnell.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Wärmeübertragungsvorrichtung zumindest eine Abscheidevorrichtung zum Abscheiden von durch Konditionieren der Ladeluft aus dieser abgeschiedenem Kondensat und/oder zum Abscheiden von durch Konditionieren des Abgases aus diesem abgeschiedenem Kondensat. Dies ist von Vorteil, da durch die Abscheidevorrichtung Kondensat aus der Ladeluft bzw. dem Abgas entfernt werden kann, wodurch beispielsweise vermieden werden kann, dass größere Mengen des Kondensats in den Brennraum gelangen und dadurch Schäden verursacht werden.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Gemäß der Erfindung werden die Ladeluft und das Abgas beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine unabhängig voneinander konditioniert. Dadurch können Emissionen im praktischen Fahrbetrieb eines Kraftwagens wirksam verringert werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung(en). Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Wärmeübertragungsvorrichtung und einer Verbrennungskraftmaschine, wobei ein Ladeluft-Wärmeübertrager der Wärmeübertragungsvorrichtung in einen ersten Medienkreislauf integriert ist;
- 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Variante der Wärmeübertragungsvorrichtung und der Verbrennungskraftmaschine, wobei der erste Medienkreislauf wärmeübertragend mit einem Klimaanlagen-Kreislauf der Wärmeübertragungsvorrichtung gekoppelt ist;
- 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Variante der Wärmeübertragungsvorrichtung der Verbrennungskraftmaschine, wobei eine Hochdruck-Abgasrückführungsstrecke einer Abgas-Wärmeübertrager-Anordnung wärmeübertragend mit dem Klimaanlagen-Kreislauf gekoppelt ist; und
- 4 eine schematische Darstellung einer weiteren Variante der Wärmeübertragungsvorrichtung der Verbrennungskraftmaschine, wobei eine Niederdruck-Abgasrückführungsstrecke der Abgas-Wärmeübertrager-Anordnung mit dem Klimaanlagen-Kreislauf wärmeübertragend gekoppelt ist.
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Nachfolgend sind gleiche und funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine 100 eines hier nicht weiter dargestellten Kraftwagens. Die Verbrennungskraftmaschine 100, welche vorliegend als Dieselmotor ausgebildet ist, umfasst eine Mehrzahl an Brennräumen 102. Über einen Ansaugtrakt 110 der Verbrennungskraftmaschine 100 kann den Brennräumen 102 beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 100 Ladeluft 22 zugeführt werden. Die Ladeluft 22 dient dazu, Kraftstoff während jeweiliger Arbeitstakte innerhalb der Brennräume 102 zu verbrennen und dadurch eine hier nicht weiter gezeigte Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine 100 anzutreiben.
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Die Ladeluft gelangt aus einer Umgebung des Kraftwagens bzw. der Verbrennungskraftmaschine 100 durch einen Luftfilter 112 und vorbei an einem Luftmassenmesser 114 zu einem Verdichter eines Abgasturboladers ATL der Verbrennungskraftmaschine 100. Die Ladeluft 22 weist nach dem Luftfilter 112 und vor Eintritt in den Verdichter des Abgasturboladers ATL eine Ansaugtemperatur T_1 auf, welche sensorisch, also mit anderen Worten mittels eines Temperatursensors, gemessen werden kann. Nach Austritt aus dem Verdichter strömt die Ladeluft 22 durch einen Ladeluft-Wärmeübertrager 20, welcher als Ladeluftkühler betrieben werden kann. Nach Austritt aus dem Ladeluft-Wärmeübertrager 20 und vor Eintritt in die jeweiligen Brennräume 102 weist die Ladeluft 22 oder - sofern eine Abgasrückführung erfolgt - ein Gemisch aus der Ladeluft 22 und Abgas 42 eine Ladeluft-Austrittstemperatur T_2 auf, welche sensorisch gemessen werden kann. Darüber hinaus stellt sich beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 100 nach dem Ladeluft-Wärmeübertrager 20 und vor den Brennräumen 102 im Ansaugtrakt 110 ein Ansaugdruck p_2 der Ladeluft 22 oder - sofern die Abgasrückführung erfolgt - der Ansaugdruck p_2 des Gemisches aus der Ladeluft 22 und dem Abgas 42 ein.
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Bei der Verbrennung des Kraftstoffs in den jeweiligen Brennräumen 102 unter Verwendung der Ladeluft 22, welche bei deren Eintritt in die jeweiligen Brennräume 102 zumindest im Wesentlichen die Ladeluft-Austrittstemperatur T_2 aufweist, produziert die Verbrennungskraftmaschine 100 das Abgas 42, welche über einen Abgaskrümmer eines Abgastraktes 120 der Verbrennungskraftmaschine 100 aus den Brennräumen 102 ausgeleitet und in Richtung einer Turbine des Abgasturboladers ATL geführt wird. Die Turbine ist mechanisch mit dem Verdichter des Abgasturboladers ATL gekoppelt. Nach Austritt aus den Brennräumen 102 und vor Eintritt in die Turbine weist das Abgas 42 eine Abgastemperatur T_3 auf, welche sensorisch gemessen werden kann. Das Abgas 42 treibt die Turbine des Abgasturboladers ATL an, wodurch der Verdichter angetrieben und dadurch die im Ansaugtrakt 110 geführte Ladeluft 22 verdichtet werden kann. Nach Austritt aus der Turbine weist das Abgas 42 eine Abgastemperatur T_4 auf, welche sensorisch gemessen werden kann. Mit der Abgastemperatur T_4 gelangt das Abgas 42 in eine Katalysatorvorrichtung, welche vorliegend einen Oxidationskatalysator Oxi-Kat und einen Dieselpartikelfilter DPF aufweist. Im Bereich zwischen dem Oxidationskatalysator Oxi-Kat und den Dieselpartikelfilter DPF weist das Abgas 42 eine Abgastemperatur T_v_DPF auf, welche sensorisch gemessen werden kann. Bei einer Ausgestaltung der Verbrennungskraftmaschine 100 als Ottomotor kann die Katalysatorvorrichtung anstatt des Oxidationskatalysators Oxi-Kat einen 3-Wege-Katalysator aufweisen, was vorliegend nicht weiter gezeigt ist.
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Nach Austritt aus dem Dieselpartikelfilter DPF weist das Abgas 42 eine Abgastemperatur T_n_DPF auf, welche sensorisch gemessen werden kann. Um eine selektive katalytische Reduktion von in dem Abgas 42 enthaltenen Stickoxiden zu bewirken, kann aus einem Additivtank Add beispielsweise Flüssigkeit in Form einer wässrigen Harnstofflösung mittels eines geeigneten Injektors in den Abgastrakt 120 eingeleitet und mit dem Abgas 42 vermischt werden. Vor dem Einleiten der Flüssigkeit anhand des Injektors weist das Abgas 42 eine Abgastemperatur T_v_l auf, welche sensorisch gemessen werden kann.
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Ein durch Einleiten der Flüssigkeit entstehendes Gemisch aus dem Abgas 42 und der Flüssigkeit (Harnstofflösung) gelangt zur Durchführung der selektiven katalytischen Reduktion in einen Katalysator Kat, welcher vorliegend als SCR-Katalysator oder als NOx-Trap ausgebildet ist und zur Abgasentstickung dient. Nach Austritt aus dem Katalysator Kat weist das Abgas 42 eine Abgastemperatur T_6 auf, welche sensorisch gemessen werden kann. Mittels eines Stickoxidsensors Nox kann sensorisch gemessen und dadurch überprüft werden, ob gesetzliche Grenzwerte für jeweilige Anteile an Stickoxiden im Abgas 42 eingehalten werden.
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Die Verbrennungskraftmaschine 100 umfasst eine Wärmeübertragungsvorrichtung 10, welche den Ladeluft-Wärmeübertrager 20 umfasst. Der Ladeluft-Wärmeübertrager 20 dient zum Konditionieren der Ladeluft 22, welche den jeweiligen Brennräumen 102 beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 100 zuführbar ist. Darüber hinaus umfasst die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 eine Abgas-Wärmeübertrager-Anordnung 40, zum Konditionieren des Abgases 42, welches beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 100 durch die Abgasrückführung in die jeweiligen Brennräume 102 einleitbar ist.
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Der Ladeluft-Wärmeübertrager 20 ist vorliegend in einen, in 1 und 2 gezeigten, ersten Medienkreislauf 12 der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 integriert. Die Abgas-Wärmeübertrager-Anordnung 40 ist vorliegend in einen, von dem ersten Medienkreislauf 12 getrennten, zweiten Medienkreislauf 14 integriert, wobei der zweite Medienkreislauf 14 in 3 und 4 gezeigt ist. Der erste Medienkreislauf 12 und der zweite Medienkreislauf 14 sind mit einem Medium 18 durchströmbar. Das Medium 18 kann beispielsweise als Wasser-Glykol-Mischung ausgebildet sein. Der erste Medienkreislauf 12 und der zweite Medienkreislauf 14 sind von einem vorliegend nicht weiter dargestellten Kühlwasser-Kreislauf der Verbrennungskraftmaschine 100 getrennt, wodurch eine besonders große Flexibilität beim Konditionieren der Ladeluft 22 bzw. des Abgases 42 gegeben ist, zumal das Konditionieren der Ladeluft 22 bzw. des Abgases 42 unabhängig von dem Kühlwasser-Kreislauf erfolgen kann.
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Der erste Medienkreislauf 12 weist einen ersten Bypass 13 auf, mittels welchem der Ladeluft-Wärmeübertrager 20 überbrückbar ist. Anhand des ersten Bypasses 13 kann die Ladeluft 22 an dem Ladeluft-Wärmeübertrager 20 vorbeigeführt werden, wodurch das Konditionieren der Ladeluft 22 unterbunden werden kann. Der erste Bypass 13 weist ein Bypassventil 34 auf, durch dessen Betätigung der Ladeluft-Wärmeübertrager 20 überbrückt werden kann. In den ersten Medienkreislauf 12 ist ein erster Wärmeübertrager 28 integriert, wobei das in dem ersten Medienkreislauf 12 enthaltene Medium 18 mittels einer Pumpe 32 durch den ersten Wärmeübertrager 28 und den Ladeluft-Wärmeübertrager 20 geführt werden kann, um die Ladeluft 22 bedarfsgerecht zu Konditionieren. Der erste Wärmeübertrager 28 ermöglicht ein bedarfsgerechtes Konditionieren des in dem ersten Medienkreislauf 12 enthaltenen Mediums 18.
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Der zweite Medienkreislauf 14 ist in der in 3 gezeigten Variante wärmeübertragend mit einer Hochdruck-Abgasrückführungsstrecke 60 und in der, in 4 gezeigten Variante wärmeübertragend mit einer Niederdruck-Abgasrückführungsstrecke 70 gekoppelt. Der zweite Medienkreislauf 14 weist einen zweiten Bypass 15 auf, mittels welchem ein der Hochdruck-Abgasrückführungsstrecke 60 zugeordneter Hochdruck-Wärmeübertrager 62 (siehe 3) bzw. ein der Niederdruck-Abgasrückführungsstrecke 70 zugeordneter Niederdruck-Wärmeübertrager 72 (siehe 4) überbrückbar ist. Der zweite Bypass 15 kann ein hier nicht weiter gezeigtes, weiteres Bypassventil, aufweisen, durch dessen Betätigung der Hochdruck-Wärmeübertrager 62 bzw. der Niederdruck-Wärmeübertrager 72 bedarfsgerecht überbrückt werden kann. Der Hochdruck-Wärmeübertrager 62 und der Niederdruck-Wärmeübertrager 72 können auch als jeweilige AGR-Wärmetauscher oder als jeweilige AGR-Kühler bezeichnet werden.
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Das Abgas 42 kann durch den Hochdruck-Wärmeübertrager 62 bzw. durch den Niederdruck-Wärmeübertrager 72 konditioniert, insbesondere gekühlt, werden, wobei das Abgas 42 nach dessen Austritt aus dem Hochdruck-Wärmeübertrager 62 bzw. aus dem Niederdruck-Wärmeübertrager 72 eine Abgas-Austrittstemperatur T_AGR aufweist, welche sensorisch gemessen werden kann. Der Hochdruck-Abgasrückführungsstrecke 60 ist ein verstellbares Ventil 104 und der Niederdruck-Abgasrückführungsstrecke 70 ein weiteres verstellbares Ventil 106 zugeordnet. Die jeweiligen verstellbaren Ventile 104, 106 sind dabei als jeweilige AGR-Ventile ausgestaltet. Durch Betätigung der Ventile 104, 106 kann eine Massenstrom des Abgases 42 geregelt in den Ansaugtrakt 110 eingeleitet und mit der Ladeluft 22 vermischt werden, um ein entsprechendes Gemisch aus der Ladeluft 22 und dem Abgas 42 zu erzeugen. Dieses Gemisch aus der Ladeluft 22 und dem Abgas 42 dient als innermotorische Maßnahme zur Verringerung der Rohemissionen an Stickoxiden.
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In den zweiten Medienkreislauf 14 ist ein zweiter Wärmeübertrager 30 integriert, wobei das in dem zweiten Medienkreislauf 14 enthaltene Medium 18 mittels einer Pumpe 38 durch den zweiten Wärmeübertrager 30 und den Hochdruck-Wärmeübertrager 62 (3) bzw. den Niederdruck-Wärmeübertrager 72 (4) geführt werden kann, um das Abgas 42 bedarfsgerecht zu konditionieren. Der zweite Wärmeübertrager 30 ermöglicht ein bedarfsgerechtes Konditionieren des in dem zweiten Medienkreislauf 14 enthaltenen Mediums 18.
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2, 3 und 4 zeigen, dass der erste Medienkreislauf 12 sowie der zweite Medienkreislauf 14 mit einem Klimaanlagen-Kreislauf 16 der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 gekoppelt sein können, um beispielsweise eine Tieftemperaturkonditionierung des in dem ersten Medienkreislauf 12 bzw. dem zweiten Medienkreislauf 14 enthaltenen Mediums 18 bewirken zu können. Der Klimaanlagen-Kreislauf 16 weist einen Klimakompressor 24 und einen Klimaanlagen-Wärmeübertrager 26 auf. Über den Klimaanlagen-Wärmeübertrager 26 ist ein Konditionieren eines in dem Klimaanlagen-Kreislauf 16 enthaltenen Kältemittels ermöglicht, welches anhand des Klimakompressors 24 verdichtet und durch den Klimaanlagen-Kreislauf 16 geführt werden kann.
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Der erste Medienkreislauf 12 wird vorliegend als Kühlkreislauf zur Steuerung der Kühlmitteltemperatur des in den Medienkreislauf 12 geführten Mediums 18 verwendet. Die Pumpe 32 zum Fördern des Mediums 18 kann vorzugsweise als elektrische Wasserpumpe ausgebildet sein. Bei dem ersten Wärmeübertrager 28 kann es sich bevorzugt um einen Niedertemperaturkühler zum Konditionieren der Ladeluft 22 handeln. Durch den ersten Medienkreislauf 12 kann das Konditionieren der Ladeluft 22 unabhängig von einem Kühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine 100 erfolgen. Dies ermöglicht eine maximale Absenkung der Ladeluft-Austrittstemperatur T_2 zur wirksamen Verringerung von Stickoxidemissionen.
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Der zweite Medienkreislauf 14 wird vorliegend ebenfalls als Kühlkreislauf zur Steuerung der Kühlmitteltemperatur des in dem Medienkreislauf 12 geführten Mediums 18 verwendet. Die Pumpe 38 zum Fördern des Mediums 18 kann vorzugsweise als elektrische Wasserpumpe ausgebildet sein. Bei dem zweiten Wärmeübertrager 30 kann es sich bevorzugt um einen Niedertemperaturkühler zum Konditionieren des Abgases 42 handeln. Durch den zweiten Medienkreislauf 14 kann eine Steuerung der Kühlmitteltemperatur des Mediums 18 für den Hochdruck-Wärmeübertrager 62 bzw. den Niederdruck-Wärmeübertrager 72 gesteuert werden um einen jeweiligen Bedarf einer Kühlung der Verbrennungskraftmaschine 100 von einem emissionsorientierten Kühlbedarf des Abgases 42 zu trennen.
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Die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 kann zudem eine, in 3 und 4 gezeigte Abscheidevorrichtung 80 zum Abscheiden von durch Konditionieren der Ladeluft 22 aus dieser abgeschiedenem Kondensat bzw. zum Abscheiden von durch Konditionieren des Abgases 42 aus diesem abgeschiedenem Kondensat, umfassen. Die Abscheidevorrichtung 80 weist einen Abscheider 82 auf, über welchen das jeweilige Kondensat abgeschieden werden kann. Der Abscheider 82 kann somit beispielsweise als Ventil zur Entwässerung von Kondenswasser aus der Hochdruck-Abgasrückführungsstrecke 60 bzw. aus der Niederdruck-Abgasrückführungsstrecke 70 bei Anforderungen zum schnellen Abbau des Ansaugdrucks p_2, also zur schnellen Verringerung des Ansaugdrucks p_2, welcher auch als Ladedruck bezeichnet werden kann, verwendet werden.
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Bei einem Verfahren zum Betreiben der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 können die Ladeluft 22 und das Abgas 42 beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 100 anhand des ersten Medienkreislaufs 12 und des zweiten Medienkreislaufs 14 unabhängig voneinander konditioniert werden. Jeweilige verstellbare Komponenten der Wärmeübertragungsvorrichtung 10, wie beispielsweise das Bypassventil 34 oder die Pumpe 32, um nur einige Beispiele zu nennen, können durch ein hier nicht weiter gezeigtes Steuergerät der Verbrennungskraftmaschine 100 in Abhängigkeit von den jeweils ermittelten Temperaturen (Abgastemperaturen, Ansaugtemperatur T_1, Ladeluft-Austrittstemperatur T_2) und in Abhängigkeit von jeweiligen Betriebspunkten der Verbrennungskraftmaschine 100 angesteuert werden, um ein entsprechend bedarfsgerechtes, betriebspunktabhängiges Konditionieren der Ladeluft 22 bzw. des Abgases 42 zu bewirken.
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Die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 ermöglicht es, in einem gesamten, im Steuergerät hinterlegten Motorkennfeld der Verbrennungskraftmaschine 100, zumindest die Ladeluft-Austrittstemperatur T_2, den Ansaugdruck p_2, die Luftfeuchte und die Sauerstoffkonzentration der Ladeluft 22 bzw. (bei Abgasrückführung) des Gemisches aus der Ladeluft 22 und dem Abgas 42, welche den Brennräumen 102 zugeführt werden, genau auf Sollwerte zu regeln. Dadurch können im Gegensatz zu konventionellen Motorkühlkreisläufen optimale, emissionsorientierte Kühlstrategien betrieben werden, da anhand der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 ein verbessertes Wärmemanagement der Verbrennungskraftmaschine 100, mit im Vergleich zum Stand der Technik weniger begrenzenden Randbedingungen, erfolgen kann. Hierbei liegt die Erkenntnis zugrunde, dass in einem transienten, also instationären Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 100 stark unterschiedliche Eigenschaften der angesagten Ladeluft 22 bzw. des Gemisches aus der Ladeluft 22 und dem Abgas 42 vorliegen können, mit welchen die Verbrennungskraftmaschine 100 zurechtkommen muss. Insbesondere durch Nutzung des Klimaanlagen-Kreislaufs 16 und damit durch Nutzung einer Klimaanlage des Kraftwagens, und dort gegebenenfalls vorhandener, überschüssiger Kühlleistung kann eine deutliche Senkung der Ladeluft-Austrittstemperatur T_2 (bei Hochdruck-Abgasrückführung) bzw. der Ansaugtemperatur T_1 (bei Niederdruck-Abgasrückführung) erreicht werden. Des Weiteren kann eine gezielte Überwachung von Kondensatbildung beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 100 erfolgen und das jeweilige Kondensat bei starker Abkühlung der Ladeluft 22 bzw. des durch Hochdruck-Abgasrückführung und/oder Niederdruck-Abgasrückführung rückgeführten Abgases 42 mittels der Abscheidevorrichtung 80 bzw. des Abscheiden das 82 gezielt getrennt und gegebenenfalls entsorgt werden, um die Verbrennungskraftmaschine 100 beispielsweise vor sogenanntem Wasserschlag zu schützen.
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Mittels der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 kann eine vereinfachte Applikation der Verbrennungskraftmaschine 100 erfolgen da im gesamten Motorkennfeld stets von jeweiligen Sollwerten des Ansaugdrucks p_2, der Ladeluft-Austrittstemperatur T_2, der Sauerstoffkonzentration und der Luftfeuchte der Ladeluft 22 bzw. (bei Abgasrückführung) des Gemisches aus der Ladeluft 22 und dem Abgas 42 ausgegangen werden kann und keine aufwändigen Korrekturkennfelder bedatet und verwendet werden müssen.
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Die vorliegende Wärmeübertragungsvorrichtung 10 ermöglicht ein besonders bedarfsgerechtes Konditionieren der Ladeluft 22 und des bei Bedarf durch Abgasrückführung rückgeführten Abgases 42 dadurch, dass der erste Medienkreislauf 12 von dem zweiten Medienkreislauf 14 getrennt ist. Durch Koppelung, also Verbindung, des ersten Medienkreislaufs 12 mit dem zweiten Medienkreislauf 14 besteht zwar eine geringere Flexibilität und Unabhängigkeit beim Konditionieren der Ladeluft 22 und dem Abgas 42, jedoch kann durch eine derartige Koppelung eine verringerte Systemkomplexität erzielt und damit das Konditionieren der Ladeluft 22 und des (rückzuzuführenden) Abgases 42 unter verringertem Aufwand erfolgen.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass zukünftige Abgasgesetzgebungen für „Emissionen im praktischen Fahrbetrieb“ (RDE) eine Einhaltung von Emissionsgrenzwerten auf Betriebszustände erweitern, welche beispielsweise beim sogenannten NEFZ (Neuer Europäischer Fahrzyklus) noch nicht im Fokus stehen. Entscheidend für die Einhaltung von gesetzlichen Vorgaben für Grenzwerte an Rohemissionen in Phasen, in denen die Abgasnachbehandlung der Verbrennungskraftmaschine 100 noch nicht ausreichend aufgeheizt ist, ist neben einem Kraftstoffpfad auch ein Luftpfad der Verbrennungskraftmaschine 100, weshalb eine Regelung der Ladeluft 22 bzw. des Gemisches aus der Ladeluft 22 und dem (rückgeführten) Abgas 42 auf jeweilige Sollwerte an Bedeutung gewinnt. Zu diesen Sollwerten sind der Antragdruck p_2, die Ladeluft-Austrittstemperatur T_2 und ein Anteil an rückgeführtem Abgas 42 an dem Gemisch aus der Ladeluft 22 und dem Abgas 42, also mit anderen Worten eine AGR-Rate, zu zählen, um nur einige Beispiele zu nennen.
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Im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekannten Systemen entfallen bei der vorliegenden Wärmeübertragungsvorrichtung 10 etwaige Beschränkungen aus jeweiligen Temperaturen der Abgasrückführung aus der Hochdruck-Abgasrückführungsstrecke 60 bzw. der Niederdruck-Abgasrückführungsstrecke 70, zumal der Ladeluft-Wärmeübertrager 20, der Hochdruck-Wärmeübertrager 62 und zusätzlich oder alternativ der Niederdruck-Wärmeübertrager 72 bei der vorliegenden Wärmeübertragungsvorrichtung 10 nicht mit dem Kühlwasser-Kreislauf der Verbrennungskraftmaschine 100 gekoppelt sind. Dadurch entfallen auch etwaige Beschränkungen durch Kondensationsgrenzen im Ladeluft-Wärmeübertrager 20, um nur ein Beispiel zu nennen.
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Jeweilige, das Abgas 42 führende Bereiche der Hochdruck-Abgasrückführungsstrecke 60 und/oder der Niederdruck-Abgasrückführungsstrecke 70 können vorzugsweise mit Isoliermaterial ummantelt werden, um Wandwärmeverluste an die Umgebung zu verringern. Dies ist beispielsweise dann von Vorteil ist, wenn zur Beschleunigung eines Warmlaufs der Verbrennungskraftmaschine 100 besonders heißes Abgas 42 rückgeführt werden soll.
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Durch die Trennung des ersten Medienkreislauf 12 und des zweiten Medienkreislaufs 14 von dem Kühlwasser-Kreislauf ist die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 insbesondere für einen als Hybridfahrzeug ausgebildeten Kraftwagen geeignet, zumal bei hybriden Betriebsstrategien teilweise unterschiedliche Wärmemanagement-Anforderungen zwischen einem elektrischen und einem verbrennungsmotorischen Betrieb vorliegen.
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Durch den ersten Bypass 13 kann die Ladeluft 22 bei Bedarf an dem Ladeluft-Wärmeübertrager 20 vorbeigeführt werden, sodass das Konditionieren der Ladeluft 22 optimal unter Berücksichtigung einer von einem jeweiligen Betriebspunkt bzw. Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine 100 und unter Berücksichtigung einer Soll-AGR-Rate und einem Zielwert beispielsweise für die Ladeluft-Austrittstemperatur T_2 erfolgen kann.
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Durch die optionale Koppelung mit dem Klimaanlagen-Kreislauf 16 können etwaige Anforderungen an eine Regelung der Ladeluft 22 bzw. des Gemisches aus der Ladeluft 22 und dem (rückgeführten) Abgas 42 beispielsweise bezüglich der Ladeluft-Austrittstemperatur T_2 auch bei instationären Betriebszuständen und hohen Lasten und Leistungen der Verbrennungskraftmaschine 100 erfüllt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Wärmeübertragungsvorrichtung
- 12
- erster Medienkreislauf
- 13
- erster Bypass
- 14
- zweiter Medienkreislauf
- 15
- zweiter Bypass
- 16
- Klimaanlagen-Kreislauf
- 18
- Medium
- 20
- Ladeluft-Wärmeübertrager
- 22
- Ladeluft
- 24
- Klimakompressor
- 26
- Klimaanlagen-Wärmeübertrager
- 28
- erster Wärmeübertrager
- 30
- zweiter Wärmeübertrager
- 32
- Pumpe
- 34
- Bypassventil
- 38
- Pumpe
- 40
- Abgas-Wärmeübertrager-Anordnung
- 42
- Abgas
- 60
- Hochdruck-Abgasrückführungsstrecke
- 62
- Hochdruck-Wärmeübertrager
- 70
- Niederdruck-Abgasrückführungsstrecke
- 72
- Niederdruck-Wärmeübertrager
- 80
- Abscheidevorrichtung
- 82
- Abscheider
- 100
- Verbrennungskraftmaschine
- 102
- Brennraum
- 104
- verstellbares Ventil
- 106
- verstellbares Ventil
- 110
- Ansaugtrakt
- 112
- Luftfilter
- 114
- Luftmassenmesser
- 120
- Abgastrakt
- ATL
- Abgasturbolader
- DPF
- Dieselpartikelfilter
- Kat
- Katalysator
- Add
- Additivtank
- Nox
- Stickoxidsensor
- Oxi-Kat
- Oxidationskatalysator
- p_2
- Ansaugdruck
- T_v_DPF
- Abgastemperatur
- T_v_l
- Abgastemperatur
- T_n_DPF
- Abgastemperatur
- T_1
- Ansaugtemperatur
- T_2
- Ladeluft-Austrittstemperatur
- T_3
- Abgastemperatur
- T_4
- Abgastemperatur
- T_6
- Abgastemperatur
- T_AGR
- Abgas-Austrittstemperatur
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005004778 A1 [0003]
- DE 102006033314 A1 [0004]
- DE 102015016394 A1 [0005]
