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Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine mit Abgasrückführung und Wasserabscheidung.
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Es sind Vorrichtungen und Verfahren zum Abscheiden von kondensiertem Wasser aus dem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine bekannt, wobei Abgas in einem Kondensator so stark gekühlt wird, dass flüssiges Wasser aus dem Abgas ausfällt und abgeschieden werden kann. Das kondensierte und abgeschiedene Wasser wird wieder dem Verbrennungsprozess der Verbrennungskraftmaschine zugeführt, um Abgasemissionen zu reduzieren und die Leistung der Verbrennungskraftmaschine zu steigern.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Ansaugstrecke zum Zuleiten von Verbrennungsluft, mit einer Abgasanlage zum Ableiten von Abgas, mit wenigstens einer Abgasrückführleitung, die die Abgasanlage mit der Ansaugstrecke fluidkommunizierend verbindet, und mit wenigstens einem Verdichter wobei der Verdichter in der Ansaugstrecke angeordnet ist, wobei die Abgasrückführleitung wenigstens ein erstes Kühlelement, wenigstens einen ersten Wasserabscheider und wenigstens ein erstes Abgasventil aufweist, und wobei die Abgasrückführleitung verbrennungsluftseitig stromabwärts des Verdichters angeordnet ist.
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Mögliche Vorteile der Erfindung sind eine effektivere Abscheidung von Wasser aus dem Abgas und eine Vergrößerung des Betriebsbereiches der Verbrennungskraftmaschine, in welchem Niederdruckabgasrückführung verwendet werden kann, da durch eine Verringerung des Wassergehaltes im gekühlten Abgas Tropfenschlag am Verdichter reduziert und somit die Lebensdauer des Verdichters erhöht werden kann.
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Das System liefert ohne Begrenzung Wasser, das sich leicht auffangen, zwischenlagern, und transportieren lässt. Damit entfallen die sonst erforderliche Wartung bzw. das Nachfüllen und die Mitführung eines weiteren Betriebsstoffes.
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Die Ansaugstrecke betrifft hierbei jegliches Bauteil, welches zumindest zum Teil zum Führen von Luft aus der Umgebung bis zu einem Zylinder der Verbrennungskraftmaschine geeignet ist. So weist die Ansaugstrecke beispielsweise einen Luftfilter, einen oder mehrere Verdichter sowie Bypassklappen, einen Ladeluftkühler, einen Luftmassenmesser, Drallerzeuger, verschiedene Temperatur- und Drucksensoren, eine Drosselklappe, einen Sammler, einen Resonator und/oder eine Verrohrung zwischen den genannten Bauteilen auf. Auch eine Wassereinspritzanlage bzw. Einspritzdüsen einer Wassereinspritzanlage können in der Ansaugstrecke angeordnet sein.
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Die Abgasanlage wiederum betrifft jegliches Bauteil, welches zumindest zum Teil zum Führen von Abgas von einem Zylinder der Verbrennungskraftmaschine zur Umgebung geeignet ist. So umfasst die Abgasanlage beispielsweise einen Abgaskrümmer, eine oder mehrere Abgasreinigungsvorrichtungen, wie etwa einen Katalysator oder einen Partikelfilter, eine Sekundärluftpumpe bzw. eine Zuleitung für Sekundärluft, ein Dosiersystem für Hilfsbetriebsstoffe, eine oder mehrere Turbinen für Abgasturbolader, Schalldämpfer, Abgasklappen und/oder eine Verrohrung zwischen den genannten Bauteilen. Die Abgasreinigungsvorrichtung kann stromaufwärts der Abgasrückführleitung angeordnet sein.
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Die Abgasrückführleitung weist zumindest eine Rohrverbindung zwischen der Abgasanlage und der Ansauganlage auf, so dass Abgas von der Abgasanlage zur Ansauganlage geleitet werden kann. Zwecks Erhöhung der Druckdifferenz zwischen der Abgasanlage und der Ansaugstrecke kann stromabwärts der Verzweigung, an welcher die Abgasrückführleitung von der Abgasanlage abzweigt, oder stromaufwärts der Verzweigung, an welcher die Abgasrückführleitung in die Ansaugstrecke mündet, eine Abgasklappe bzw. eine Ansaugklappe angeordnet sein, mittels welcher der in die Ansaugstrecke zurückgeführte Abgasstrom erhöht werden kann.
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Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Verbrennungskraftmaschine wenigstens eine Turbine umfasst, die in der Abgasanlage angeordnet ist, wobei die Abgasrückführleitung abgasseitig stromabwärts der Turbine angeordnet ist. Hierdurch ergibt sich die vorstehend erläuterte niederdruckseitig angeordnete Abgasrückführleitung. Es versteht sich, dass auch bei Fehlen einer Turbine die Abgasrückführleitung ebenfalls stromaufwärts des Verdichters in die Ansaugstrecke eingeleitet werden kann und es sich um ein Niederdrucksystem handelt, da gerade durch das Fehlen einer Turbine Abgasdrücke vorliegen, die typischerweise bei Niederdrucksystemen vorliegen.
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Wegen der vorliegenden Temperaturverhältnisse und der Bildung von Kondensat ist es vorteilhaft für das effektivere Abscheiden von Wasser, wenn der erste Wasserabscheider stromabwärts des ersten Kühlelements und das erste Abgasventil stromabwärts des ersten Wasserabscheiders angeordnet ist.
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Die Bildung von Kondensat kann vorteilhaft maximiert werden, wenn zusätzlich oder unabhängig von den zuvor genannten Merkmalen das erste Kühlelement eine Kühltemperatur hat, die unterhalb einer Kondensationstemperatur des Abgases ist, und wobei die Verbrennungskraftmaschine ein Wassereinspritzsystem umfasst, das ausgebildet ist, aus dem Abgas abgeschiedenes Wasser in die Ansaugstrecke stromabwärts des Verdichters einzuleiten.
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Zu der vorliegend beschriebenen Ausgestaltung der Abgasrückführleitung kann es ferner vorteilhaft sein, wenn stromabwärts des ersten Wasserabscheiders ein zweites Abgasventil angeordnet ist, das die Abgasrückführleitung mit der Atmosphäre fluidkommunizierend verbindet. So ist es möglich auch ohne Einleitung von Abgas in die Ansaugstrecke Wasser aus dem Abgas abzuscheiden. Es versteht sich, dass die Abgasrückführleitung auch dann mit der Atmosphäre fluidkommunizierend verbunden ist, wenn das zweite Abgasventil an ein Endstück der Abgasanlage angeschlossen ist und nicht selbst in die Atmosphäre mündet.
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Stromabwärts des ersten Kühlelementes kann zusätzlich ein zweiter Wasserabscheider angeordnet sein. So kann eine Abscheiderate erhöht werden. Eine weitere Erhöhung der Abscheiderate kann erfolgen, wenn zusätzlich der zweite Wasserabscheider stromaufwärts des zweiten Abgasventils oder stromaufwärts des Verdichters angeordnet ist.
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Das erste Kühlelement kann einen Abgasbypass aufweisen. Insofern muss das Abgas nicht vollständig durch das erste Kühlelement geleitet werden. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn das erste Kühlelement zur Vorkühlung eingesetzt wird, und die Bildung von Kondensat noch nicht im ersten Kühlmittel erfolgen soll. Insofern ist es auch unabhängig von den vorstehend genannten Merkmalen besonders vorteilhaft für die Verbrennungskraftmaschine, wenn stromaufwärts des ersten Kühlelementes ein zweites Kühlelement angeordnet ist, wobei das zweite Kühlelement eine Kühltemperatur hat, die oberhalb oder unterhalb einer Kondensationstemperatur des Abgases ist. Auch das zweite Kühlelement kann zur besseren Regelung der Menge an abgeschiedenem Kondensat wenigstens einen Abgasbypass aufweisen.
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Besonders vorteilhaft für die Verbrennungskraftmaschine ist es ferner, wenn das zweite Kühlelement an einen Niedertemperaturkühlkreislauf und das erste Kühlelement an einen Hochtemperaturkühlkreislauf angeschlossen ist. Insofern lassen sich vorliegende Temperaturniveaus und Temperaturgefälle vorteilhafter zum Kühlen des Abgases und zum Kondensieren von Wasser nutzen. Alternativ ist es auch möglich, wenn das erste Kühlelement und das zweite Kühlelement an einen Niedertemperaturkühlkreislauf angeschlossen sind. Insofern lassen sich besonders große Temperaturgefälle zum Kühlen des Abgases nutzen.
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Mit Hochtemperaturkühlkreislauf ist im Sinne der Erfindung der Kühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine oder ein separater Kühlkreislauf gemeint, in welchem Kühlmitteltemperaturen im betriebswarmen Zustand zwischen 80°C und 120°C eingestellt werden. Mit Niedertemperaturkühlkreislauf ist im Sinne der Erfindung ein Kühlkreislauf gemeint, in welchem Kühlmitteltemperaturen im betriebswarmen Zustand unter 80°C, insbesondere unter 60°C, eingestellt werden.
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Das zweite Kühlelement, aber auch das erste Kühlelement, kann insbesondere ein elektrothermisches Kühlelement sein. Dies ist besonders vorteilhaft für die Verbrennungskraftmaschine, da eine erforderliche Kühlleistung nicht von einem Kühlkreislauf abhängig ist. So kann auch bei besonders heißer Umgebung oder wenn ein Kühlkreislauf für das jeweilige Kühlelement nur mit großem Aufwand im Fahrzeug platziert werden kann, noch ausreichend Kondensat erzeugt werden, um die genannten Vorteile eine Wassereinspritzung am Verbrennungsmotor umzusetzen.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung kann zum Kühlen des Abgases und zum Erzeugen von Kondensat stromabwärts des ersten Kühlerelementes, aber auch stromabwärts des zweiten Kühlelementes, wenigstens ein Luftmischer angeordnet sein, der ausgebildet ist, dem Abgas Umgebungsluft zuzumischen. Hierdurch können selbige Vorteile umgesetzt werden, wie bereits zuvor beschrieben, da durch die Zumischung von Luft die Abgastemperatur ebenfalls soweit reduziert werden kann, dass Kondensat ausfällt.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
- 1 eine erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine mit einem ersten Kühlelement und mit einem ersten Wasserabscheider in einer Abgasrückführleitung,
- 2 eine erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine mit einem ersten Kühlelement sowie mit einem ersten Wasserabscheider in einer Abgasrückführleitung und mit einem zweiten Wasserabscheider,
- 3 eine erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine mit einem ersten Kühlelement, mit einem zweiten Kühlelement sowie mit einem ersten Wasserabscheider in einer Abgasrückführleitung,
- 4 eine erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine mit einem ersten Wasserabscheider sowie mit einem ersten Kühlelement in einer Abgasrückführleitung, mit einem zweiten Wasserabscheider und einem zweiten Kühlelement,
- 5 eine erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine mit einem ersten Kühlelement, mit einem zweiten Kühlelement sowie mit einem ersten Wasserabscheider in einer Abgasrückführleitung und mit einem zweiten Wasserabscheider in einer Ansaugleitung und
- 6 eine erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine mit einem ersten Kühlelement, mit einem zweiten Kühlelement sowie mit einem ersten Wasserabscheider in einer Abgasrückführleitung, mit einem Mischer und mit einem zweiten Wasserabscheider.
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Die 1 zeigt eine erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine 10 mit einem ersten Kühlelement 50 und mit einem ersten Wasserabscheider 52 in einer Abgasrückführleitung 40. Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst eine Ansaugstrecke 12 zum Zuleiten von Verbrennungsluft, eine Abgasanlage 14 zum Ableiten von Abgas, wenigstens die Abgasrückführleitung 40, die die Abgasanlage 14 mit der Ansaugstrecke 12 fluidkommunizierend verbindet, und wenigstens einen Verdichter 20,, wobei der Verdichter 20 in der Ansaugstrecke 12 angeordnet ist, wobei die Abgasrückführleitung 40 wenigstens das erste Kühlelement 50, wenigstens den ersten Wasserabscheider 52 und wenigstens ein erstes Abgasventil 54 aufweist, und wobei die Abgasrückführleitung 40 verbrennungsluftseitig stromabwärts des Verdichters 20 angeordnet ist.
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Wegen der Anordnung der Abgasrückführleitung 40, die stromaufwärts des Verdichters 20 angeordnet ist, handelt es sich bei der Abgasrückführleitung um eine Niederdruckabgasrückführung. Diese Anordnung bietet für den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 einige Vorteile in der Zuführung des rückgeführten Abgases, doch können hierbei auch Nachteile entstehen, wie etwa Tropfenschlag auf dem Rotor des Verdichters 20. Der erste Wasserabscheider 52, mittels welchem Wasser für den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 abgeschieden wird, bietet folglich nicht nur Vorteile seitens der Leistungssteigerung und Minimierung von Emissionen der Verbrennungskraftmaschine 10, sondern trägt auch zum Bauteilschutz in Bezug auf den Verdichter 20 bei. Es versteht sich, dass die in Verbindung mit einem Wasserabscheider in der Abgasrückführleitung 40 genannten Merkmale auch an einer hochdruckseitig angeordneten Abgasrückführleitung vorteilhaft umgesetzt werden können. Wegen der besonders ausgeprägten Vorteile wird die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine anhand von Ausführungsbeispielen mit der niederdruckseitig angeordneten Abgasrückführleitung 40 beschrieben.
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Die dargestellte Ausführungsform nach 1 zeigt stromabwärts des Verdichters 20 einen weiteren Verdichter 22. Während der Verdichter 20 Teil eines Turboladers 16 ist und mittels einer Turbine 18 angetrieben wird, wird der Verdichter 22 stromabwärts des Verdichters 20 von einem elektrischen Motor 24 angetrieben. Der Motor 24 sowie der hiermit verbundene Verdichter 22 werden nur im Bedarfsfall zugeschaltet.
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In der Ansaugleitung 12, über welche aus der Umgebung Ansaugluft angesaugt wird, ist ferner ein Ladeluftkühler 28 angeordnet, in welchem die verdichtete Luft zwecks Steigerung der Ladungsdichte gekühlt wird. Nach dem Ladeluftkühler 26 folgt eine Drosselklappe 30, bevor die Ansaugleitung 12 in einen Sammler 32 mündet. Vom Sammler 32 aus wird die Ansaugluft auf Zylinder der Verbrennungskraftmaschine verteilt. Für die vorliegende Erfindung ist das Brennverfahren der Verbrennungskraftmaschine 10 unerheblich. So kann es sich bei der Verbrennungskraftmaschine 10 sowohl um eine mit Benzin oder Diesel betriebene Verbrennungskraftmaschine 10 handeln. Denkbar sind auch kombinierte Verbrennungsprozesse oder die Verwendung alternativer Brennstoffe, wie etwa LPG (Autogas), CNG (Erdgas), Ethanol- oder Methanolkraftstoffe oder Wasserstoff.
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Es versteht sich, dass statt eines einzelnen Turboladers 16 auch ein mehrstufiges und/oder paralleles Aufladesystem mit mehreren Turboladern und/oder Verdichter bzw. Kompressoren verwendet werden kann. So kann der Verdichter 22, der in dieser Ausführungsform mittels des Motors 24 betrieben wird, entweder durch einen Verdichter eines weiteren Turboladers ersetzt werden oder aber zusätzlich zu einem mehrstufigen Aufladesystem in der Ansaugleitung 12 angeordnet sein. Auch der umgekehrte Fall ist denkbar, wobei der Verdichter 12 als einziges Aufladeaggregat ohne Turbolader 16 verwendet wird. Die Verwendung mehrerer elektrisch angetriebener Verdichter 22 ist ebenfalls denkbar. Ferner ist es denkbar mehrere Ladeluftkühler 28 zu verwenden. Der Ladeluftkühler 28 kann auch ein indirekter Ladeluftkühler sein, welcher an einen Kühlkreislauf mit Flüssigkeitskühlung, wie etwa einem Hochtemperatur- oder Niedertemperaturkühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine 10, angeschlossen ist, statt direkt über Fahrtwind gekühlt zu werden.
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Das Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 wird über die Abgasanlage 14 in die Umgebung abgeleitet. Die nach diesem Aspekt der Erfindung beschriebene Verbrennungskraftmaschine 10 ist hierbei derart ausgebildet, dass die Verbrennungskraftmaschine 10 wenigstens die Turbine 18 umfasst, die in der Abgasanlage 14 angeordnet ist, wobei die Abgasrückführleitung 40 abgasseitig stromabwärts der Turbine 18 angeordnet ist. In der Abgasanlage 14 sind in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel neben der Turbine 18 des Turboladers 16 eine Abgasreinigungsanlage 42 und ein Schalldämpfer 44 angeordnet. Die Abgasanlage 42 kann aus mehreren einzelnen Komponenten bestehen. Das dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt einen kombinierten 4-Wege-Katalysator, in welchem die Wirkung eines 3-Wege-Katalysators und eines Partikelfilters vereint sind. Es kann sich aber auch lediglich um einen 3-Wege-Katalysator handeln, der im Abgas vorhandene Kohlenwasserstoffe, Stickoxide sowie Kohlenstoffmonoxid umwandelt.
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Ein stromaufwärts der Abgasrückführleitung 40 angeordneter Partikelfilter bietet den Vorteil, Partikelablagerungen in der Ansaugleitung 12 zu reduzieren. Die Kombination des Systems mit einem 4-Wege-Katalysator wird als besonders vorteilhaft betrachtet, da so ein sehr sauberes Abgas hinter dem 4-Wege-Katalysator zur Verfügung steht. Dies hat große Vorteile bezüglich Versottung, insbesondere der Kühlelemente und der Abgasventile.
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Besteht die Gefahr einer Beschädigung des Verdichters 20, 22, kann vorteilhaft eine Filtereinrichtung im Abgasrückführsystem 40, insbesondere im Wasserabscheider 52, vorgesehen sein. Insofern kann der Wasserabscheider 52 auch ein Zyklonabscheider, eine Zentrifuge oder ein Trägheitsabscheider zum Abscheiden von Wasser und festen Partikeln sein. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der erste Wasserabscheider 52 oder der zweite Wasserabscheider 53 eine Zentrifuge und mit einem Elektromotor antreibbar ist. Hierbei ist es weiterhin vorteilhaft, wenn an der Zentrifuge ein Druckgefälle erzeugbar ist, wobei ein Druck in der Abgasrückführleitung 40 stromabwärts der Zentrifuge höher ist als ein Druck stromaufwärts der Zentrifuge. Insofern kann die Zentrifuge auch als Förderpumpe verwendet werden, wodurch etwaige Abgasklappen in der Abgasanlage 14 oder Luftklappen in der Ansaugleitung 12 zum Erzeugen eines Druckgefälles zwischen der Abgasanlage 14 und der Ansaugleitung 12 wegfallen können.
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In der Abgasrückführleitung 40, die nach der Abgasreinigungsanlage 42 von der Abgasanlage 14 abzweigt, ist in Strömungsrichtung des Abgases zunächst das erste Kühlelement 50 angeordnet. Es handelt sich hierbei um einen im Stand der Technik bekannten Abgaskühler mit Flüssigkeitskühlung. Darauf folgt der erste Wasserabscheider 52, der in dieser Ausführungsform als einzelnes Bauteil dargestellt ist. Es ist hierbei auch möglich das erste Kühlelement 50 und den ersten Wasserabscheider 52 in einem Bauteil zu kombinieren. Den Abschluss der Abgasrückführleitung 40 bildet das erste Abgasventil 54, mittels welchem in einer Motorsteuerung der Verbrennungskraftmaschine 10 der in die Ansaugleitung rückgeführte Abgasstrom geregelt wird. Folglich ist die Verbrennungskraftmaschine 10 derart ausgebildet, dass der erste Wasserabscheider 52 stromabwärts des ersten Kühlelements 50 und das erste Abgasventil 54 stromabwärts des ersten Wasserabscheiders 52 angeordnet ist.
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Der erste Wasserabscheider 52 ist an eine Wasserleitung 34 angeschlossen, welche wiederum an ein Wassereinspritzsystem 36 angeschlossen ist. So kann das aus dem Abgas abgeschiedene Wasser mittels des Wassereinspritzsystems 36 wieder der Verbrennungskraftmaschine 10 zugeführt werden. Die Zuführung von Wasser zum Sammler 32 erfolgt wiederum über die Wasserleitung 34, welche von der Wassereinspritzanlage 36 bis zum Sammler 32 weitergebildet ist. Die Wassereinspritzanlage 36 kann ferner eine Speichervorrichtung für das abgeschiedene Wasser aufweisen, so dass Abscheidung des Wassers und erneute Zuführung zur Verbrennungskraftmaschine 10 voneinander entkoppelt werden können. Die Wassereinspritzanlage 36 verfügt über zumindest eine Wasserpumpe, um den Druckunterschied zwischen der Abgasrückführleitung 40 und dem Sammler 32 zu überwinden.
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Die Kondensation von Wasser aus dem Abgas erfolgt durch Abkühlung des Abgases auf wenigstens den Taupunkt. Erreicht das Abgas die Temperatur des Taupunktes, beginnt Wasser aus dem Abgas auszufallen. Vorteilhafter ist es die Temperatur im verwendeten Kühlelement etwas niedriger als den Taupunkt zu halten, da zur effektiven Abkühlung und Verflüssigung des Wasserdampfes ein Temperaturgefälle notwendig ist. Insofern handelt es sich bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel insbesondere um eine Verbrennungskraftmaschine 10, wobei das erste Kühlelement 52 eine Kühltemperatur hat, die unterhalb einer Kondensationstemperatur des Abgases ist, und wobei die Verbrennungskraftmaschine 10 ein Wassereinspritzsystem 36 umfasst, das ausgebildet ist, aus dem Abgas abgeschiedenes Wasser in die Ansaugstrecke 12 stromabwärts des Verdichters 20 einzuleiten.
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Zwischen dem ersten Wasserabscheider 52 und dem ersten Abgasventil 54 ist eine Abzweigung angeordnet, mittels welcher das durch die Abgasrückführleitung 40 geleitete Abgas in eine Abgasbypassleitung 46 geführt werden kann. In der Abgasbypassleitung 46 ist ein zweites Abgasventil 56 angeordnet, mittels welchem ein Teilstrom oder auch das gesamte durch das Abgasrückführsystem 40 geleitete Abgas in eine Umgebung abgeleitet werden kann, statt dieses der Ansaugleitung 12 zuzuführen. Somit liegt in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel insbesondere eine Verbrennungskraftmaschine 10 vor, wobei stromabwärts des ersten Wasserabscheiders 52 das zweite Abgasventil 56 angeordnet ist, das die Abgasrückführleitung 40 mit der Atmosphäre fluidkommunizierend verbindet. Diese Ausgestaltung bietet den besonderen Vorteil, dass Abgas unabhängig von rückgeführtem Abgas abgeschieden werden kann. Somit werden Betriebsbereiche der Verbrennungskraftmaschine 10 für das Abscheiden von Wasser erschlossen, an denen keine Abgasrückführung aktiv ist. Es versteht sich, dass die Ableitung des Abgases durch die Abgasbypassleitung 46 nicht notwendigerweise direkt in die Umgebung erfolgen muss. So kann die Abgasbypassleitung 46, wie dargestellt, zunächst in die Abgasanlage 46 münden. Daher ist es besonders vorteilhaft für die Verbrennungskraftmaschine 10, wenn die Verbrennungskraftmaschine 10 die Abgasanlage 14 und wenigstens die Abgasreinigungsvorrichtung 42 umfasst, wobei die Abgasreinigungsvorrichtung 42 stromaufwärts der Abgasrückführleitung 40 angeordnet ist. Die Zusammenführung der Abgasbypassleitung 46 und der Abgasanlage 14 kann alternativ auch stromaufwärts des Schalldämpfers 44 angeordnet sein. Sollte zwischen der Abzweigung der Abgasrückführleitung 40 und der Einleitstelle der Abgasbypassleitung 46 kein ausreichend hohes Druckgefälle vorliegen, kann die Abgasanlage 14 der Verbrennungskraftmaschine 10 vorteilhaft eine weitere Abgasklappe umfassen, wobei die weitere Abgasklappe stromabwärts der Abgasrückführleitung 40 und stromaufwärts der Abgasbypassleitung 46 angeordnet ist. So ist es möglich den über die Abgasbypassleitung 46 strömenden Abgasstrom zu regeln.
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Die 2 zeigt eine weitere Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine mit dem ersten Kühlelement 50 und mit dem ersten Wasserabscheider 52 in der Abgasrückführleitung 40 und mit einem zweiten Wasserabscheider 53. Der zweite Wasserabscheider 53 ist stromabwärts des ersten Kühlelementes 50 angeordnet. Ferner ist der zweite Wasserabscheider 53 stromaufwärts des zweiten Abgasventils 56 angeordnet. Es ist alternativ auch denkbar, dass der zweite Wasserabscheider 53 stromaufwärts des Verdichters 20, 22 angeordnet ist.
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Wie bereits vorstehend erläutert, ist es durch die Verwendung der Abgasbypassleitung 46 möglich die Abscheidung von Wasser von einer Abgasrückführung zu entkoppeln. Die Verwendung des zweiten Wasserabscheiders 53 hingegen eröffnet zusätzlich die Möglichkeit, die beiden Wasserabscheider 52, 53 bedarfsgerecht zu dimensionieren. So kann beispielsweise der erste Wasserabscheider 52 eine größere Abscheiderate aufweisen als der zweite Wasserabscheider 53. Diese Anordnung kann gewählt werden, wenn der Abgasstrom des rückgeführten Abgases größer ist als der Abgasstrom des durch die Abgasbypassleitung 46 in die Umgebung abgeführten Abgases. Ist das Mengenverhältnis umgekehrt, ist es alternativ vorteilhaft, wenn der erste Wasserabscheider 52 eine kleinere Abscheiderate aufweist als der zweite Wasserabscheider 53. Schlussendlich kommt es bei der Dimensionierung der in der Praxis ausgeführten Wasserabscheider 52, 53 auf die im ersten Kühlelement 50 kondensierte Wassermenge an.
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In 3 ist die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine 10 mit dem ersten Kühlelement 50, mit einem zweiten Kühlelement 51 und mit dem ersten Wasserabscheider 52 in der Abgasrückführleitung 40 dargestellt. Das erste Kühlelement 50 weist einen Abgasbypass auf. Der Abgasbypass wiederum weist ein Abgasbypassventil 55 auf. Durch diese alternative oder kumulative Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine 10 ist es möglich bei Bedarf Abgas um das erste Kühlelement 50 herumzuleiten. Dieser Aspekt der Erfindung kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn die Kühlleistung den beiden Kühlelemente 50, 51 nicht konstant über dem Betriebsbereich der Verbrennungskraftmaschine 10 ist. So ist es möglich die Abgasmenge statt die Kühlleistung der Kühlelemente 50, 51 zu regeln, welche durch die beiden Kühlelemente 50, 51 bzw. wenigstens über das erste Kühlelement 50 geleitet wird. Kumulativ hierzu ist auch ein Abgasbypass für das zweite Kühlelement 51 oder eine Kombination mit einer geregelten Kühlleistung einer oder beider Kühlelemente 50, 51 denkbar.
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Um die beschriebene Anordnung besonders vorteilhaft umzusetzen kann die Verbrennungskraftmaschine 10 derart ausgestaltet sein, dass stromaufwärts des ersten Kühlelementes 50 das zweite Kühlelement 51 angeordnet ist, wobei das zweite Kühlelement 51 eine Kühltemperatur hat, die oberhalb einer Kondensationstemperatur des Abgases ist. Somit kann das zweite Kühlelement 51 als Vorkühler und das erste Kühlelement 50 als Hauptkühler eingesetzt werden, wobei im zweiten Kühlelement gerade keine Kondensation auftritt. Alternativ ist es bei diesem Aspekt der Erfindung auch möglich, dass das zweite Kühlelement 51 eine Kühltemperatur hat, die unterhalb einer Kondensationstemperatur des Abgases ist. In Folge dieser Ausgestaltung wirken beide Kühlelemente 50, 51 als Kondensator und nicht nur lediglich als Kühler. Insofern ist es möglich im zweiten Kühlelement 51 einen ersten Anteil an Wasser auszukondensieren und im ersten Kühlelement 50 einen zweiten Anteil an Wasser auszukondensieren.
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Alternativ, aber auch kumulativ zu der vorstehend erläuterten Ausgestaltung, ist auch eine Anordnung nach 4 denkbar, in welcher die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine 10 mit dem ersten Wasserabscheider 52 und mit dem ersten Kühlelement 52 in der Abgasrückführleitung 40, mit dem zweiten Wasserabscheider 53 und dem zweiten Kühlelement 51 dargestellt ist. Hierbei ist die Verbrennungskraftmaschine 10 derart ausgebildet, dass stromabwärts des ersten Kühlelementes 50 das zweite Kühlelement 51 angeordnet ist, wobei das zweite Kühlelement 51 eine Kühltemperatur hat, die unterhalb einer Kondensationstemperatur des Abgases ist. Insofern findet bereits im ersten Kühlelement wenigstens eine Vorkühlung statt. Ist in der Abgasrückführleitung 40, wie dargestellt, der erste Wasserabscheider 52 stromabwärts der Abzweigung zur Abgasbypassleitung 46 angeordnet, kann das erste Kühlelement 50 auch bereits zum Kondensieren verwendet werden. Insofern werden die zuvor beschriebenen Merkmale in der dargestellten Ausführungsform zumindest zum Teil kumuliert umgesetzt.
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Alternativ oder kumulativ ist es denkbar, wie in der 4 dargestellt, dass das zweite Kühlelement 51 wenigstens einen Abgasbypass aufweist. Auch hierbei ist in dem Abgasbypass, wie zuvor beschrieben, das Abgasbypassventil 55 angeordnet. Ist ein Abgasbypassventil bereits nach einer alternativen Ausgestaltung dem ersten Kühlelement 50 zugeordnet, handelt bei dem Abgasbypassventil, welches dem zweiten Kühlelement zugeordnet ist, um ein weiteres Abgasbypassventil.
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Alternativ oder kumulativ zu den zuvor beschriebenen Aspekten der Erfindung ist es denkbar, dass das zweite Kühlelement 51 ein elektrothermisches Kühlelement ist. So kann es sich dabei um ein Peltier-Element handeln. Denkbar ist auch eine Kombination aus Peltier-Element und wassergekühltem Abgaskühler. So kann das Peltier-Element auch in das erste Kühlelement 50 oder zweite Kühlelement 51 derart eingefügt sein, dass die Wärmeabfuhr über einen Kühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine erfolgt. Insbesondere kann hierfür neben dem ohnehin bereits vorhandenen Hochtemperaturkühlkreislauf ein Niedertemperaturkühlkreislauf verwendet werden.
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So ist es für bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen jeweils denkbar, dass das erste Kühlelement 50 und/oder das zweite Kühlelement 51 an einen Niedertemperaturkühlkreislauf angeschlossen ist. Üblicherweise sind Abgaskühler, sofern das erste Kühlelement 50 und das zweite Kühlelement 51 als solches ausgebildet sind, an den bereits an der Verbrennungskraftmaschine 10 vorhandenen Hochtemperaturkühlkreislauf angeschlossen. In einer seriellen Anordnung der beiden Kühlelemente 50, 51, aber auch bei Verwendung lediglich eines einzelnen Abgaskühlers, ist es insbesondere vorteilhaft den in Strömungsrichtung zuerst angeordneten Abgaskühler an den Hochtemperaturkühlkreislauf anzuschließen und den zweiten Abgaskühler an den Niedertemperaturkühlkreislauf anzuschließen. Hierdurch werden Temperaturgefälle und thermische Belastungen der Abgaskühler bzw. der Kühlelemente 50, 51, aufgeteilt, wodurch sich eine vorteilhaftere Prozessführung in der Abgaskühlung und Wasserabscheidung ergeben kann.
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In 5 ist die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine 10 mit dem ersten Kühlelement 50, mit dem zweiten Kühlelement 51 und mit dem ersten Wasserabscheider 52 in der Abgasrückführleitung 40 und mit dem zweiten Wasserabscheider 53 in der Ansaugleitung 12 dargestellt. Der zweite Wasserabscheider 53, der alternativ auch ohne den ersten Wasserabscheider 52 zum Abscheiden von Wasser verwendet werden kann, ist in der Ansaugleitung 12 angeordnet, um etwaiges Restwasser aus der Ansaugluft abzuscheiden. Wasser, welches im ersten Wasserabscheider 52 nicht abgeschieden worden ist, kann zu einer Beschädigung des Verdichters oder anderer Bauteile in der Ansaugleitung 12 führen. Daher erhöht der in der Ansaugleitung 12 angeordnete zweite Wasserabscheider 53 vorteilhaft die Bauteilsicherheit.
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Die Anordnung des zweiten Wasserabscheiders in der Ansaugleitung 12 kann darüber hinaus auch vorteilhaft für die Verbrennungskraftmaschine 10 sein, wenn nach dem Einleiten von Abgas in die Ansaugleitung 12 das Abgas durch kalte Ansaugluft weiter gekühlt wird und sich Kondensat bildet, was im ersten Wasserabscheider 52 nicht abgeschieden werden konnte.
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Der zu einer weiteren Auskondensierung führende Effekt kalter Ansaugluft kann alternativ oder kumulativ zu den vorstehend genannten Merkmalen vorteilhaft ausgenutzt werden, wenn stromabwärts des ersten Kühlerelementes 50 wenigstens ein Luftmischer 58 angeordnet ist, der ausgebildet ist, dem Abgas Umgebungsluft und/ oder Ansaugluft zuzumischen, wie in 6 dargestellt.
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In 6 ist eine erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine 10 mit dem ersten Kühlelement 51, mit dem zweiten Kühlelement 51 und mit dem ersten Wasserabscheider 52 in der Abgasrückführleitung 40, mit dem Luftmischer 58 und mit dem zweiten Wasserabscheider 53 dargestellt. Der Luftmischer 58 ist hierbei regelbar, so dass über eine separate oder in der Motorsteuerung integrierte Steuerung der Anteil an zugemischter Luft geregelt werden kann. Es versteht sich, dass der Luftmischer auch in Kombination mit den weiteren zuvor beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden kann.
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Es versteht sich ferner, dass die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine 10 erläuterten Merkmale kumulativ oder alternativ miteinander kombiniert werden können. Insbesondere versteht es sich, dass statt des ersten Wasserabscheiders 52 und/oder des zweiten Wasserabscheiders 53 auch mehrere seriell oder parallel verschaltete Wasserabscheider verwendet werden können.
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Insgesamt betrachtet sind folgende Betriebsmodi in Zusammenhang mit den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen denkbar:
- a. Keine Abgasrückführung zur Ansaugleitung 12 und keine Wasserabscheidung:
- Hierbei ist das Abgasventil 54 und, falls vorhanden, das zweite Abgasventil 56 geschlossen, so dass das Abgas durch die Abgasreinigungsvorrichtung 42 und den Endschalldämpfer 44 in die Atmosphäre gelangt.
- b. Abgasrückführung ohne Bypass hinter dem Schalldämpfer 44 und ohne Wasserabscheidung:
- Es wird Abgas zur Verbrennungskraftmaschine 10 über die Ansaugleitung 12 zurückgeführt, wobei der Massenstrom des rückgeführten Abgases über das Abgasventil 54 geregelt wird. Die Kühlleistung der ersten Kühlelementes 50 oder, falls vorhanden, des zweiten Kühlelementes 51 ist derart geregelt, dass gerade kein Kondensat entsteht.
- c. Abgasrückführung mit Rückführung in die Ansaugleitung 12 und mit Wasserabscheidung:
- Es wird Abgas zur Verbrennungskraftmaschine 10 über die Ansaugleitung 12 zurückgeführt, wobei der Massenstrom des rückgeführten Abgases über das Abgasventil 54 geregelt wird und wobei die Kühlleistung der ersten Kühlelementes 50 oder, falls vorhanden, des zweiten Kühlelementes 51 ist derart geregelt, dass Kondensat entsteht. Das Kondensat wird im ersten Wasserabscheider 52 und/oder, falls in der Abgasrückführleitung 40 vorgesehen, im zweiten Wasserabscheider 53 abgeschieden.
- d. Abgasrückführung mit Rückführung in die Ansaugleitung 12, mit Bypass in die Abgasanlage 14 und mit Wasserabscheidung:
- Es wird Abgas zur Verbrennungskraftmaschine 10 über die Ansaugleitung 12 zurückgeführt, wobei der Massenstrom des rückgeführten Abgases über das Abgasventil 54 geregelt wird. Es wird zusätzlich über das zweite Abgasventil 56 nicht rückgeführtes Abgas in die Abgasanlage 14 bzw. in die Umgebung umgeleitet. Die Kühlleistung der ersten Kühlelementes 50 oder, falls vorhanden, des zweiten Kühlelementes 51 ist derart geregelt, dass Kondensat entsteht. Das Kondensat wird im ersten Wasserabscheider 52 und/oder, falls in der Abgasrückführleitung 40 vorgesehen, im zweiten Wasserabscheider 53 abgeschieden. Dieser Betriebsmodus kann bevorzugt bei geringen Motorlasten verwendet werden, wenn beispielsweise nur geringe Abgasrückführraten erforderlich sind, aber maximale Ausbeute an Kondensat gewünscht ist. Insofern werden in diesem Betriebsmodus eine reine Abscheidung und eine reine Abgasrückführung bedarfsgerecht kombiniert.
- e. Keine Abgasrückführung in die Ansaugleitung 12, aber Bypass in die Abgasanlage 14 mit Wasserabscheidung:
- Es wird kein Abgas zur Verbrennungskraftmaschine 10 über die Ansaugleitung 12 zurückgeführt. Es wird jedoch über das zweite Abgasventil 56 in die Abgasanlage 14 bzw. in die Umgebung umgeleitet. Die Kühlleistung der ersten Kühlelementes 50 oder, falls vorhanden, des zweiten Kühlelementes 51 ist derart geregelt, dass Kondensat entsteht. Das Kondensat wird im ersten Wasserabscheider 52 und/oder, falls in der Abgasrückführleitung 40 vorgesehen, im zweiten Wasserabscheider 53 abgeschieden. Dieser Betriebsmodus kann bevorzugt bei geringen Motorlasten verwendet werden, wenn hohe Ausbeute an Kondensat gewünscht ist, eine Abgasrückführung aber nicht notwendig oder nicht erwünscht ist. Unter diesen Bedingungen sollte das Gesamtsystem in der Lage sein, mindestens die für den optimalen Motorbetrieb erforderliche Wassermenge zur Verfügung zu stellen und/oder einen etwaigen Wassertank zu befüllen.
- f. Abgasrückführung zur Ansaugleitung 12 und keine Wasserabscheidung, jedoch Bypass in die Abgasanlage 14:
- Dieser Betriebsmodus kann verwendet werden, um dem Abgas Wärme zu entziehen und in den Kühlmittelkreislauf einzuleiten. Dieser Betriebsmodus ist vorteilhaft, wenn nach einem Kaltstart die Verbrennungskraftmaschine 10 aufgeheizt werden soll.
- g. Keine Abgasrückführung zur Ansaugleitung 12 und keine Wasserabscheidung, jedoch Bypass in die Abgasanlage 14:
- Dieser Betriebsmodus kann verwendet werden, um dem Abgas Wärme zu entziehen und in den Kühlmittelkreislauf einzuleiten. Dieser Betriebsmodus ist vorteilhaft, wenn nach einem Kaltstart die Verbrennungskraftmaschine 10 aufgeheizt werden soll.
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Die Regelung des Betriebsmodus oder des rückgeführten Abgasmassenstromes zur Ansaugleitung 12 oder hinter den Schalldämpfer 44 kann auf Basis eines Massenstrom-Sensors, eines Druckdifferenz-Sensors, eines Simulationsmodells zum Massestrom, eines Simulationsmodells zur abgeschiedenen Wassermenge, eines Simulationsmodells zur Leistungsaufnahme der Kühlelemente und/oder eines Simulationsmodells zur abgeführten Wärmemenge an den Kühlkreislauf erfolgen. Die Umschaltung der verschiedenen Betriebsmodi kann als Antwort auf den Systemzustand des Kühlkreislaufes und der Anforderung des Fahrzeuges in Bezug auf Leistung und in Bezug auf den Zustand des Thermomanagements erfolgen. Die Betriebsmodi können insbesondere einer Last (Drehmoment oder Einspritzmenge) oder einer Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 10, einer Kühlmitteltemperatur, einer Umgebungstemperatur oder einer Abgastemperatur der Verbrennungskraftmaschine 10 zugeordnet sein.
