DE102018205355A1

DE102018205355A1 - Brennkraftmaschine mit Abgasnachbehandlung und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102018205355A1
Application number: DE102018205355.3A
Authority: DE
Inventors: Andreas Kuske; Franz Arnd Sommerhoff; Jörg Kemmerling; Hanno Friederichs; Helmut Kindl; Christian Winge Vigild; Hans Günther Quix; Hans-Günter Grosch; Vanco Smiljanovski
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2018-04-10
Filing date: 2018-04-10
Publication date: 2019-10-10

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (1) mit
- mindestens einem Zylinder,
- einem Ansaugsystem (3) zur Versorgung des mindestens einen Zylinders mit Frischluft,
- einem Abgasabführsystem (2) zur Abführung der Abgase, und
- mindestens einem im Abgasabführsystem (2) angeordneten Abgasnachbehandlungssystem (2a).
Es soll eine Brennkraftmaschine (1) der vorstehenden Art bereitgestellt werden, mit der sich der Kraftstoffverbrauch und/oder die Schadstoffemissionen gegenüber dem Stand der Technik weiter reduzieren lassen.
Erreicht wird dies durch eine Brennkraftmaschine (1) der genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass
- mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem (2a) unter Verwendung eines Wärmetauschers (4) mit dem Ansaugsystem (3) in der Art gekoppelt ist, dass eine Wärmeübertragung zwischen diesem Abgasnachbehandlungssystem (2a) und der Frischluft realisierbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit

- mindestens einem Zylinder,
- einem Ansaugsystem zur Versorgung des mindestens einen Zylinders mit Frischluft,
- einem Abgasabführsystem zur Abführung der Abgase, und
- mindestens einem im Abgasabführsystem angeordneten Abgasnachbehandlungssystem.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.
Eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung betrifft der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, d.h. Brennkraftmaschinen, die mit einem Hybrid-Brennverfahren betrieben werden, sowie Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine mindestens eine weitere Drehmoment-Quelle zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges umfassen, beispielsweise eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare bzw. antriebsverbundene Elektromaschine, welche anstelle der Brennkraftmaschine oder zusätzlich zur Brennkraftmaschine Leistung abgibt.
Bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen ist man ständig bemüht, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren. Zudem wird eine Reduzierung der Schadstoffemissionen angestrebt, um zukünftige Grenzwerte für Schadstoffemissionen einhalten zu können.
Nach dem Stand der Technik werden Brennkraftmaschinen zur Reduzierung der Schadstoffemissionen mit verschiedenen Abgasnachbehandlungssystemen ausgestattet.
Bei Ottomotoren kommen katalytische Reaktoren zum Einsatz, die unter Verwendung katalytischer Materialien, welche die Geschwindigkeit bestimmter Reaktionen erhöhen, eine Oxidation von HC und CO auch bei niedrigen Temperaturen sicherstellen. Sollen zusätzlich Stickoxide reduziert werden, kann dies durch den Einsatz eines Drei-Wege-Katalysators erreicht werden, der dazu aber einen in engen Grenzen ablaufenden stöchiometrischen Betrieb (λ ≈ 1) des Ottomotors erfordert. Dabei werden die Stickoxide mittels der vorhandenen nicht oxidierten Abgaskomponenten, nämlich den Kohlenmonoxiden und den unverbrannten Kohlenwasserstoffen, reduziert, wobei gleichzeitig diese Abgaskomponenten oxidiert werden. Trotz katalytischer Unterstützung erfordern Oxidationskatalysatoren sowie Drei-Wege-Katalysatoren immer noch eine gewisse Mindesttemperatur bzw. Anspringtemperatur zur Realisierung ausreichend hoher Konvertierungsraten, die beispielsweise 120°C bis 250°C betragen kann.
Bei Brennkraftmaschinen, die mit einem Luftüberschuss betrieben werden, beispielsweise im Magerbetrieb arbeitende Ottomotoren, aber auch direkteinspritzende Dieselmotoren und auch direkteinspritzende Ottomotoren, können die im Abgas befindlichen Stickoxide prinzipbedingt, d.h. aufgrund der fehlenden Reduktionsmittel nicht reduziert werden. Infolgedessen müssen Abgasnachbehandlungssysteme zur Reduzierung der Stickoxide vorgesehen werden
Zur Reduzierung der Stickoxide können selektive Katalysatoren - sogenannte SCR-Katalysatoren - eingesetzt werden, bei denen gezielt Reduktionsmittel in das Abgas eingebracht wird, um die Stickoxide selektiv zu vermindern. Als Reduktionsmittel kommen neben Ammoniak und Harnstoff auch unverbrannte Kohlenwasserstoffe zum Einsatz. Letzteres wird auch als HC-Anreicherung bezeichnet, wobei die unverbrannten Kohlenwasserstoffe direkt in das Abgasabführsystem eingebracht werden oder aber durch innermotorische Maßnahmen, beispielsweise durch eine Nacheinspritzung von zusätzlichem Kraftstoff in den Brennraum nach der eigentlichen Verbrennung, zugeführt werden. Dabei soll der nacheingespritzte Kraftstoff nicht im Brennraum durch die noch ablaufende Hauptverbrennung oder aber durch die - auch nach Beendigung der Hauptverbrennung - hohen Verbrennungsgastemperaturen gezündet werden, sondern während des Ladungswechsels in das Abgasabführsystem eingeleitet werden.
Die Stickoxidemissionen können auch mit Stickoxidspeicherkatalysatoren (LNT) reduziert werden. Dabei werden die Stickoxide zunächst - während eines mageren Betriebs der Brennkraftmaschine - im Katalysator absorbiert, d.h. gesammelt und gespeichert, um dann während einer Regenerationsphase, beispielsweise mittels eines unterstöchiometrischen Betriebs (λ < 1) der Brennkraftmaschine bei Sauerstoffmangel, reduziert zu werden, wobei die unverbrannten Kohlenwasserstoffe und das Kohlenmonoxid als Reduktionsmittel dienen. Weitere innermotorische Möglichkeiten zur Anreicherung des Abgases mit Reduktionsmittel, insbesondere unverbrannten Kohlenwasserstoffen, bietet die Abgasrückführung (AGR) und bei Dieselmotoren die Drosselung im Ansaugsystem. Wie bereits für die SCR-Katalysatoren weiter oben ausgeführt, kann eine Anreicherung des Abgases mit unverbrannten Kohlenwasserstoffen auch mittels Nacheinspritzung von Kraftstoff realisiert werden, was ebenfalls als innermotorische Maßnahme anzusehen ist. Die Nachteile dieser Vorgehensweise ist insbesondere die Ölverdünnung, aber auch der Einsatz von zusätzlichem Kraftstoff. Auf innermotorische Maßnahmen kann verzichtet werden, wenn das Reduktionsmittel direkt in den Abgastrakt eingebracht wird, beispielsweise durch Einspritzen von zusätzlichem Kraftstoff stromaufwärts des LNT.
Während der Regenerationsphase werden die Stickoxide NO_x und im Speicherkatalysator gespeicherter Sauerstoff O₂ freigegeben und im Wesentlichen in Stickstoffdioxid N₂, Kohlenstoffdioxid CO₂ und Wasser H₂O umgewandelt. Die Temperatur des Speicherkatalysators sollte vorzugsweise in einem Temperaturfenster zwischen 200°C und 450°C liegen, so dass einerseits eine schnelle Reduktion sichergestellt wird und andererseits keine Desorption ohne Konvertierung der wieder freigegebenen Stickoxide NO_x stattfindet, was durch zu hohe Temperaturen ausgelöst werden kann.
Eine Schwierigkeit bei Verwendung eines Speicherkatalysators ergibt sich aus dem im Abgas enthaltenen Schwefel, der ebenfalls adsorbiert wird und im Rahmen einer sogenannten Entschwefelung regelmäßig entfernt werden muss. Hierfür muss der Speicherkatalysator auf hohe Temperaturen, üblicherweise zwischen 600°C und 700°C, erwärmt und mit einem Reduktionsmittel versorgt werden.
Die für eine Entschwefelung erforderlichen hohen Temperaturen können den Speicherkatalysator schädigen, zur thermischen Alterung des Katalysators beitragen und die gewollte Konvertierung der Stickoxide gegen Ende seiner Lebensdauer deutlich mindern. Das Speichervermögen bzw. die Fähigkeit, Stickoxide zu speichern, nimmt mit zunehmender Betriebsdauer ab, was unter anderem auf die Kontamination des Speicherkatalysators mit Schwefel, d.h. auf die Einlagerung von Schwefel, zurückzuführen ist, aber auch auf thermische Alterung infolge der hohen Temperaturen.
Die vom Gesetzgeber vorgegebenen Grenzwerte für Stickoxidemissionen machen eine On-Board-Diagnose (OBD) erforderlich, um die mit zunehmender Betriebsdauer des LNT zu erwartende Einschränkung der Funktionstüchtigkeit, d.h. die Abnahme der Konvertierung, zu überwachen bzw. zu detektieren.
Zur Minimierung der Emission von Rußpartikeln werden nach dem Stand der Technik sogenannte regenerative Partikelfilter eingesetzt, die die Rußpartikel aus dem Abgas herausfiltern und speichern, wobei diese Rußpartikel im Rahmen der Regeneration des Filters intermittierend verbrannt werden. Hierzu ist Sauerstoff bzw. ein Luftüberschuss im Abgas erforderlich, um den Ruß im Filter zu oxidieren, was beispielsweise durch einen überstöchiometrischen Betrieb (λ > 1) der Brennkraftmaschine erreicht werden kann.
Die zur Regeneration des Partikelfilters hohen Temperaturen von etwa 550°C bei nicht vorhandener katalytischer Unterstützung werden im Betrieb nur bei hohen Lasten und hohen Drehzahlen erreicht. Daher muss auf zusätzliche Maßnahmen zurückgegriffen werden, um eine Regeneration des Filters unter allen Betriebsbedingungen zu gewährleisten.
Die Erwärmung des Partikelfilters kann durch Nacheinspritzung von zusätzlichem Kraftstoff in den Brennraum erfolgen, wobei der nacheingespritzte Kraftstoff bereits im Brennraum gezündet wird, was durch die auslaufende Hauptverbrennung oder die gegen Ende der Verbrennung im Brennraum vorliegenden hohen Temperaturen geschehen kann, so dass die Abgastemperatur der in das Abgasabführsystem ausgeschobenen Abgase innermotorisch angehoben wird. Zur Erwärmung des Abgases und damit des Filters kann die Brennkraftmaschine auch unterstöchiometrisch (λ < 1) betrieben werden, was ebenfalls als innermotorische Maßnahme anzusehen ist. Zusätzlicher Kraftstoff kann auch direkt in das Abgasabführsystem eingebracht und gezündet werden, um die Abgastemperatur stromaufwärts des Filters zu erhöhen.
Die vorstehenden Ausführungen zeigen, dass Abgasnachbehandlungssysteme zur Konvertierung der Schadstoffe eine gewisse Betriebstemperatur erfordern, weshalb Maßnahmen zu ergreifen sind, um die erforderlichen Temperaturen zu generieren und aufrechtzuerhalten. Zudem ist dafür zu sorgen, dass die Abgasnachbehandlungssysteme nach einem Kaltstart, einem Wiederstart bzw. während der Warmlaufphase möglichst schnell aufgeheizt werden und zügig ihre Betriebstemperatur erreichen. Andererseits müssen die Temperaturen begrenzt werden, um eine Überhitzung des Abgasnachbehandlungssystems, welche eine effektive Konvertierung der Schadstoffe dauerhaft beeinträchtigen kann, zu vermeiden.
Um den Kraftstoffverbrauch und damit auch die Schadstoffemissionen zu mindern, ist es grundsätzlich sinnvoll, die Reibleistung einer Brennkraftmaschine zu minimieren.
Hinsichtlich der Reduzierung der Reibleistung sind eine zügige Erwärmung des Motoröls und eine schnelle Aufheizung der Brennkraftmaschine, insbesondere nach einem Kaltstart, zielführend. Eine schnelle Erwärmung des Motoröls während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine sorgt für eine entsprechend schnelle Abnahme der Viskosität und damit für eine Verringerung der Reibung bzw. Reibleistung, insbesondere in den mit Öl versorgten Lagern.
Die zügige Erwärmung des Motoröls wird durch eine schnelle Aufheizung der Brennkraftmaschine als solche forciert. Daher wird bei einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine während der Warmlaufphase bzw. nach einem Kaltstart regelmäßig eine No-Flow-Strategie realisiert, gemäß der eine Zirkulation des Kühlmittels verhindert wird, um die Wärmeabfuhr infolge Konvektion zu unterbinden. Zusätzlich erhitzt sich das in den Kühlmittelkanälen bzw. Kühlmittelmänteln stehende Kühlmittel im Rahmen einer No-Flow-Strategie schneller, da die im Zylinderkopf und/oder Zylinderblock in das Kühlmittel eingetragene Wärme dem Kühlmittel nicht in einem Wärmetauscher wieder entzogen wird. Das wärmere Kühlmittel sorgt bei einer Freigabe der Kühlmittelzirkulation dann wiederum für eine schnellere Aufheizung der übrigen bzw. gesamten Brennkraftmaschine.
Trotz der vorstehend beschriebenen Konzepte sind weitere Maßnahmen erforderlich, um den Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemissionen einer Brennkraftmaschine zu reduzieren, insbesondere im Rahmen der Warmlaufphase bzw. nach einem Kaltstart.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, mit der sich der Kraftstoffverbrauch und/oder die Schadstoffemissionen gegenüber dem Stand der Technik weiter reduzieren lassen.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine Brennkraftmaschine mit

- mindestens einem Zylinder,
- einem Ansaugsystem zur Versorgung des mindestens einen Zylinders mit Frischluft,
- einem Abgasabführsystem zur Abführung der Abgase, und
- mindestens einem im Abgasabführsystem angeordneten Abgasnachbehandlungssystem,

- mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem unter Verwendung eines Wärmetauschers mit dem Ansaugsystem in der Art gekoppelt ist, dass eine Wärmeübertragung zwischen diesem Abgasnachbehandlungssystem und der Frischluft realisierbar ist.

Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist ein Wärmetauscher vorgesehen, der einen Wärmeübergang zwischen einem im Abgasabführsystem angeordneten Abgasnachbehandlungssystem und der im Ansaugsystem befindlichen Frischluft ermöglicht.
Dieses Konzept ermöglicht es, das Abgasnachbehandlungssystem mittels Frischluft zu kühlen, um eine Überhitzung des Abgasnachbehandlungssystems zu vermeiden oder eine vorgebbare Betriebstemperatur einzustellen, und/oder die Frischluft unter Verwendung des Abgasnachbehandlungssystems bzw. des heißen Abgases zu erwärmen und auf diese Weise die Abgasenergie nutzbar zu machen.
Die Abgasenergie kann beispielsweise in der Warmlaufphase bzw. nach einem Kaltstart genutzt werden, um das Getriebeöl bzw. das Motoröl der Brennkraftmaschine zu erwärmen und damit die Reibleistung des Getriebes bzw. der Brennkraftmaschine zu mindern. Bei einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine kann die Abgasenergie genutzt werden, um das Kühlmittel der Motorkühlung zu erwärmen und damit die Aufheizung der Brennkraftmaschine zu beschleunigen. Beide Maßnahmen verbessern bzw. erhöhen den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine.
Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang auch, dass die Warmlaufphase des Getriebes bis zu dreimal länger andauern kann als die Warmlaufphase der Brennkraftmaschine nach einem Kaltstart. Folglich kann die Abgasenergie des heißen Abgases insbesondere nach einem Kaltstart genutzt werden, um das Getriebeöl unter Verwendung der erwärmten Frischluft gezielt zu erwärmen; beispielsweise in einem zweckentfremdeten Ölkühler.
Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird die erste der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe gelöst, nämlich eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, mit der sich der Kraftstoffverbrauch und/oder die Schadstoffemissionen gegenüber dem Stand der Technik weiter reduzieren lassen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst das Ansaugsystem sämtliche Leitungen, welche Frischluft bzw. Verbrennungsluft führen, und damit auch Bypassleitungen bzw. Abblaseleitungen, die einen Verdichter oder eine Turbine umgehen, sowie Leitungen, die Frischluft führen, aber diese Frischluft nicht dem mindestens einen Zylinder zuführen. Verbrennungsluft bzw. Frischluft kann dabei auch rückgeführtes Abgas umfassen.
Mittels heißem Abgas erwärmte Frischluft kann dem mindestens einen Zylinder via Ansaugsystem zugeführt werden. Diese Frischluft kann aber auch in die Umgebung abgeführt oder in das Abgasabführsystem eingeleitet werden.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das mindestens eine Abgasnachbehandlungssystem zumindest bereichsweise von mindestens einem Hohlraum ummantelt ist, in den via Zufuhröffnung Frischluft zuführbar ist, welche via Abführöffnung abführbar ist.
Das Abgasnachbehandlungssystem und der mindestens eine Hohlraum können ein monolithisches Bauteil bilden, aber auch modular aufgebaut sein, wobei im Rahmen des Zusammenbaus mindestens ein Hohlraum ausgebildet wird, welcher der Frischluft zur Verfügung steht.
Ein solches Konzept kann dadurch realisiert werden, dass das eigentliche Abgasnachbehandlungssystem mit einer Verschalung versehen wird, so dass sich zwischen dem Gehäuse des Abgasnachbehandlungssystems und dem mindestens einen beabstandet angeordneten Schalungselement mindestens ein Hohlraum ausbildet, in den Frischluft eingeleitet werden kann. Das durch die Verschalung erweiterte Abgasnachbehandlungssystem umfasst dann den Hohlraum.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen sich eine Versorgungsleitung an die Zuführöffnung anschließt.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen in der Versorgungsleitung ein Absperrelement angeordnet ist.
Das Absperrelement dient primär dazu, den Wärmetauscher und damit die Wärmeübertragung zwischen dem Abgasnachbehandlungssystem und der Frischluft zu aktivieren. Ein stufenlos verstellbares Absperrelement kann auch dazu verwendet werden, den Frischluftdurchfluss und damit eine vorgebbare Betriebstemperatur des Abgasnachbehandlungssystems einzustellen.
Bei Brennkraftmaschinen, bei denen das mindestens eine Abgasnachbehandlungssystem zumindest bereichsweise von mindestens einem Hohlraum ummantelt ist, sind auch Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass sich eine Entlüftungsleitung an die Abführöffnung anschließt.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen in der Entlüftungsleitung ein Absperrelement angeordnet ist. Es gilt das bereits für das einlassseitig vorgesehene Absperrelement Gesagte.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen in der Entlüftungsleitung ein zusätzlicher Wärmetauscher angeordnet ist. Der Wärmetauscher kann beispielsweise ein Ölkühler sein.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Absperrelement stromaufwärts des zusätzlichen Wärmetauschers in der Entlüftungsleitung angeordnet ist.
Bei Brennkraftmaschinen, bei denen in der Entlüftungsleitung ein zusätzlicher Wärmetauscher angeordnet ist, sind Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass der zusätzliche Wärmetauscher eine Wärmeübertragung zwischen der Frischluft und einer Betriebsflüssigkeit der Brennkraftmaschine ermöglicht.
Vorteilhaft können dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen die Betriebsflüssigkeit ein Öl ist. Dann kann die in die Frischluft eingebrachte Abgasenergie des heißen Abgases bzw. die erwärmte Frischluft beispielsweise genutzt werden, um das Getriebeöl bzw. Motoröl der Brennkraftmaschine zu erwärmen.
Vorteilhaft können in diesem Zusammenhang auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen die Betriebsflüssigkeit ein Kühlmittel ist. Bei dem Kühlmittel kann es sich um das Kühlmittel der Motorkühlung handeln, aber auch um das Kühlmittel eines anderen Kühlmittel- bzw. Heizkreislaufs, beispielsweise um das Kühlmittel einer Sitzheizung oder das Kühlmittel einer Innenraumheizung eines Kraftfahrzeuges.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens eine Aufladevorrichtung vorgesehen ist.
Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Wird der Hubraum reduziert, lässt sich bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Die Aufladung einer Brennkraftmaschine unterstützt folglich die Bemühungen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d.h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.
Durch eine geeignete Getriebeauslegung kann zusätzlich ein sogenanntes Downspeeding realisiert werden, wodurch ebenfalls ein geringerer spezifischer Kraftstoffverbrauch erzielt wird. Beim Downspeeding wird der Umstand ausgenutzt, dass der spezifische Kraftstoffverbrauch bei niedrigen Drehzahlen regelmäßig niedriger ist, insbesondere bei höheren Lasten.
Bei gezielter Auslegung der Aufladung können auch Vorteile bei den Abgasemissionen erzielt werden. So können mittels geeigneter Aufladung beispielsweise beim Dieselmotor die Stickoxidemissionen ohne Einbußen beim Wirkungsgrad verringert werden. Gleichzeitig können die Kohlenwasserstoffemissionen günstig beeinflusst werden. Die Emissionen an Kohlendioxid, die direkt mit dem Kraftstoffverbrauch korrelieren, nehmen mit sinkendem Kraftstoffverbrauch ebenfalls ab.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein Abgasturbolader als Aufladevorrichtung vorgesehen ist, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst.
Vorliegend wird für die Aufladung ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind. Der heiße Abgasstrom wird der Turbine zugeführt und entspannt sich unter Energieabgabe in der Turbine, wodurch die Welle in Drehung versetzt. Die vom Abgasstrom an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird. Vorteilhafterweise wird ein Ladeluftkühler stromabwärts des Verdichters im Ansaugsystem vorgesehen, mit dem die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in den mindestens einen Zylinder gekühlt wird. Der Kühler senkt die Temperatur und steigert damit die Dichte der Ladeluft, so dass auch der Kühler zu einer besseren Füllung der Zylinder, d.h. zu einer größeren Luftmasse, beiträgt. Es erfolgt gewissermaßen eine Verdichtung durch Kühlung.
Der Vorteil eines Abgasturboladers beispielsweise im Vergleich zu einem mechanischen Lader besteht darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine erforderlich ist. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie unmittelbar von der Brennkraftmaschine bezieht, die verfügbare Leistung also mindert und damit den Wirkungsgrad nachteilig beeinflusst, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase.
Um einem Drehmomentabfall bei niedrigen Drehzahlen entgegen wirken zu können, sind besonders Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen mindestens zwei Abgasturbolader vorgesehen sind. Wird die Motorendrehzahl nämlich verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis. Dies hat zur Folge, dass zu niedrigeren Drehzahlen hin das Ladedruckverhältnis ebenfalls abnimmt, was gleichbedeutend ist mit einem Drehmomentabfall.
Durch Einsatz mehrerer Abgasturbolader, beispielsweise mehrerer in Reihe oder parallel geschalteter Abgasturbolader, kann die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine spürbar verbessert werden.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das mindestens eine Abgasnachbehandlungssystem stromabwärts der Turbine angeordnet ist.
Bei den Grenzwerten für Schadstoffemissionen erlangen die Stickoxidemissionen eine immer größere Bedeutung, insbesondere bei den Dieselmotoren. Da die Bildung der Stickoxide nicht nur einen Luftüberschuss, sondern auch hohe Temperaturen erfordert, besteht ein Konzept zur Senkung der Stickoxidemissionen darin, Verbrennungsprozesse mit niedrigeren Verbrennungstemperaturen zu entwickeln.
Dabei ist die Abgasrückführung, d.h. die Rückführung von Verbrennungsgasen von der Auslassseite auf die Einlassseite, zielführend, bei der mit zunehmender Abgasrückführrate die Stickoxidemissionen deutlich gesenkt werden können.
Vorteilhaft können aus den vorstehend genannten Gründen auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen eine Rückführleitung einer Abgasrückführung in die Versorgungsleitung bzw. Entlüftungsleitung mündet.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen zur Ausbildung einer Motorkühlung eine Flüssigkeitskühlung vorgesehen ist.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinderkopf der Brennkraftmaschine zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit mindestens einem im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist.
Eine Flüssigkeitskühlung erweist sich insbesondere bei aufgeladenen Motoren als vorteilhaft, da die thermische Belastung aufgeladener Motoren im Vergleich zu herkömmlichen Brennkraftmaschinen deutlich höher ist. Verfügt der Zylinderkopf über einen integrierten Abgaskrümmer, ist dieser thermisch höher belastet als ein herkömmlicher Zylinderkopf, der mit einem externen Krümmer ausgestattet ist. Es werden erhöhte Anforderungen an die Kühlung gestellt.
Die zweite der Erfindung zugrundeliegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine einer zuvor beschriebenen Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der Wärmetauscher aktiviert wird, um eine Wärmeübertragung zwischen dem Abgasnachbehandlungssystem und der Frischluft zu realisieren.
Das bereits für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren. Unterschiedliche Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine erfordern entsprechend unterschiedliche Verfahrensvarianten, wozu auf die entsprechenden Ausführungen Bezug genommen wird.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen der Wärmetauscher aktiviert wird, um das Abgasnachbehandlungssystem mittels Frischluft zu kühlen. Diese Verfahrensvariante eignet sich besonders bei auf Betriebstemperatur aufgeheizter Brennkraftmaschine, um eine Überhitzung des Abgasnachbehandlungssystems zu vermeiden bzw. eine vorgebbare Betriebstemperatur einzustellen.
Vorteilhaft sind auch Verfahrensvarianten, bei denen der Wärmetauscher aktiviert wird, um die Frischluft mittels Abgasnachbehandlungssystem zu erwärmen. Wird die Frischluft unter Verwendung des Abgasnachbehandlungssystems bzw. des heißen Abgases erwärmt, kann auf diese Weise die Abgasenergie nutzbar gemacht werden.
Insbesondere nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine besteht Bedarf, das Motoröl bzw. das Getriebeöl gezielt zu erwärmen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und gemäß den 1a und 1b näher beschrieben. Hierbei zeigt:

1a schematisch eine erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine mit aktiviertem Wärmetauscher, und
1b schematisch die erste Ausführungsform gemäß der 1a mit deaktiviertem Wärmetauscher.
1a zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine 1 mit aktiviertem Wärmetauscher 4.

Zum Abführen der heißen Abgase aus den Zylindern verfügt die Brennkraftmaschine 1 über ein Abgasabführsystem 2 und zum Zuführen von Frischluft bzw. Ladeluft zu den Zylindern über ein Ansaugsystem 3.
Die Brennkraftmaschine 1 ist zwecks Aufladung mit einem Abgasturbolader 8 ausgestattet, der eine im Abgasabführsystem 2 angeordnete Turbine 8b und einen in einer Ansaugleitung 3a des Ansaugsystems 3 angeordneten Verdichter 8a umfasst, wobei die Turbine 8b und der Verdichter 8a auf derselben drehbaren Welle angeordnet sind.
Stromabwärts der Turbine 8b ist ein Abgasnachbehandlungssystem 2a im Abgasabführsystem 2 angeordnet.
Das Abgasnachbehandlungssystem 2a ist unter Verwendung eines Wärmetauschers 4 mit dem Ansaugsystem 3 in der Art gekoppelt, dass eine Wärmeübertragung zwischen dem Abgasnachbehandlungssystem 2a und der Frischluft realisiert werden kann.
Hierzu ist das Abgasnachbehandlungssystem 2a von einem Hohlraum 4a ummantelt, in den via einer Zuführöffnung 5a Frischluft gelangen kann. Eine Versorgungsleitung 5 schließt sich an die Zuführöffnung 5a an, in welcher ein Absperrelement 5b angeordnet ist, mit dem der zugeführte Frischluftstrom gesteuert bzw. geregelt werden kann.
Gemäß 1a ist das Absperrelement 5b geöffnet, so dass der Wärmetauscher 4 aktiviert ist und Frischluft in den Hohlraum 4a strömen kann.
Die im Wärmetauscher 4 erwärmte Frischluft kann den Hohlraum 4a via einer Abführöffnung 6a, an die sich eine Entlüftungsleitung 6 anschließt, verlassen bzw. abgeführt werden.
In der Entlüftungsleitung 6 sind ein zusätzlicher Wärmetauscher 7 und stromaufwärts dieses zusätzlichen Wärmetauschers 7 ein Absperrelement 6b angeordnet. Gemäß 1a ist das Absperrelement 6b geöffnet.
Der zusätzliche Wärmetauscher 7 kann beispielsweise ein Ölkühler sein, der eine Wärmeübertragung zwischen der erwärmten Frischluft und einem Öl der Brennkraftmaschine 1 ermöglicht.
1b zeigt schematisch die erste Ausführungsform gemäß 1a mit deaktiviertem Wärmetauscher 4.
Das in der Zuführöffnung 5a angeordnete Absperrelement 5b sowie das in der Entlüftungsleitung 6 angeordnete Absperrelement 6b sind bei deaktiviertem Wärmetauscher 4 geschlossen.
Bezugszeichenliste

1: Brennkraftmaschine
2: Abgasabführsystem
2a: Abgasnachbehandlungssystem
3: Ansaugsystem
3a: Ansaugleitung
4: Wärmetauscher
4a: Hohlraum
5: Versorgungsleitung
5a: Zuführöffnung
5b: Absperrelement
6: Entlüftungsleitung
6a: Abführöffnung
6b: Absperrelement
7: zusätzlicher Wärmetauscher
8: Abgasturbolader
8a: Verdichter
8b: Turbine

Claims

Brennkraftmaschine (1) mit - mindestens einem Zylinder, - einem Ansaugsystem (3) zur Versorgung des mindestens einen Zylinders mit Frischluft, - einem Abgasabführsystem (2) zur Abführung der Abgase, und - mindestens einem im Abgasabführsystem (2) angeordneten Abgasnachbehandlungssystem (2a), dadurch gekennzeichnet, dass - mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem (2a) unter Verwendung eines Wärmetauschers (4) mit dem Ansaugsystem (3) in der Art gekoppelt ist, dass eine Wärmeübertragung zwischen diesem Abgasnachbehandlungssystem (2a) und der Frischluft realisierbar ist.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Abgasnachbehandlungssystem (2a) zumindest bereichsweise von mindestens einem Hohlraum (4a) ummantelt ist, in den via Zufuhröffnung (5a) Frischluft zuführbar ist, welche via Abführöffnung (6a) abführbar ist.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine Versorgungsleitung (5) an die Zuführöffnung (5a) anschließt.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Versorgungsleitung (5) ein Absperrelement (5b) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine Entlüftungsleitung (6) an die Abführöffnung (6a) anschließt.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Entlüftungsleitung (6) ein Absperrelement (6b) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Entlüftungsleitung (6) ein zusätzlicher Wärmetauscher (7) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrelement (6b) stromaufwärts des zusätzlichen Wärmetauschers (7) in der Entlüftungsleitung (6) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Wärmetauscher (7) eine Wärmeübertragung zwischen der Frischluft und einer Betriebsflüssigkeit der Brennkraftmaschine (1) ermöglicht.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsflüssigkeit ein Öl ist.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsflüssigkeit ein Kühlmittel ist.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Aufladevorrichtung vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Abgasturbolader (8) als Aufladevorrichtung vorgesehen ist, der eine im Abgasabführsystem (2) angeordnete Turbine (8b) und einen im Ansaugsystem (3) angeordneten Verdichter (8a) umfasst.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Abgasnachbehandlungssystem (2a) stromabwärts der Turbine (8b) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückführleitung einer Abgasrückführung in die Versorgungsleitung (5) mündet.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (4) aktiviert wird, um eine Wärmeübertragung zwischen dem Abgasnachbehandlungssystem (2a) und der Frischluft zu realisieren.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (4) aktiviert wird, um das Abgasnachbehandlungssystem (2a) mittels Frischluft zu kühlen.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (4) aktiviert wird, um die Frischluft mittels Abgasnachbehandlungssystem (2a) zu erwärmen.