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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Motoranordnung mit einer Hochdruckabgasrückführung, ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Motoranordnung und ein Verfahren zum Kühlen eines rückgeführten Hochdruckabgases.
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Um gesetzliche Grenzwerte in Hinblick auf die Emission von Luftschadstoffen erfüllen zu können, ist es erforderlich, den Anteil der während des Verbrennungsvorgangs entstehenden Luftschadstoffe, wie z. B. Stickoxide, Kohlenstoffmonoxid, Kohlenwasserstoffe etc., zu reduzieren. Eine Möglichkeit hierfür ist, eine Abgasrückführung vorzusehen, so dass ein Teil des Abgases nicht über den Abgasstrang des Verbrennungsmotors nach außen abgeführt, sondern mit Frischluft vermischt als Zuluft dem Verbrennungsmotor erneut zugeführt wird.
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Eine Möglichkeit der Abgasrückführung ist die Hochdruckabgasrückführung, bei der Abgas von einer im Abgasstrang stromaufwärts der Abgasturbine eines Turboladers angeordneten Abgasentnahmestelle entnommen und über eine Abgasrückführungsleitung zu einer stromabwärts des Verdichters des Turboladers und des Ladeluftkühlers im Zuluftstrang angeordneten Abgaseinleitstelle geleitet wird. Alternativ oder zusätzlich zu Hochdruckabgasrückführung kann eine Niederdruckabgasrückführung vorhanden sein (
DE 10 2017 213 101 A1 ), bei der Abgas von einer im Abgasstrang stromabwärts der Abgasturbine eines Turboladers und ggf. stromabwärts von Abgasnachbehandlungseinrichtungen angeordneten Abgasentnahmestelle entnommen und über eine Abgasrückführungsleitung zu einer stromaufwärts des Verdichters des Turboladers im Zuluftstrang angeordneten Abgaseinleitstelle geleitet wird.
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Bei einem Kaltstart eines Verbrennungsmotors ist die Rückführung eines nicht gekühlten Hochdruckabgases, d. h. eines Hochdruckabgases mit hoher Temperatur, gewünscht, um die Emission von Luftschadstoffen zu verringern und im Abgasstrang angeordnete Abgasnachbehandlungseinrichtungen, wie z. B. Katalysatoren, möglichst schnell aufwärmen zu können, so dass deren lightoff Temperatur möglichst schnell erreicht werden kann.
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Bei Betriebsbedingungen mit mittleren Temperaturen des Verbrennungsmotors, z. B. im Stadtverkehr bei geringer Motorlast, und einer geringen Umgebungstemperatur mit einem damit einhergehenden Kondensationsrisiko für die Niederdruckabgasrückführung ist einerseits ein ungekühltes rückgeführtes Hochdruckabgas zu warm und andererseits ist die Temperatur eines rückgeführten Niederdruckabgases zu niedrig oder eine Niederdruckabgasrückführung ist aus anderen Gründen nicht möglich.
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In diesen Fällen wird das rückgeführte Hochdruckabgas mittels eines Abgaskühlers gekühlt, wie z. B. in der
US 2009/114171 A1 beschrieben. Nachteilig daran sind jedoch die zusätzlichen Kosten die mit dem entsprechenden Hochdruckabgaskühlungssystem verbunden sind und der notwendige Platzbedarf für die Anordnung des Abgaskühlers, der Kühlleitungen etc.
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Aus der
EP 2 063 097 A1 ist ein Verbrennungsmotor mit einer Hochdruckabgasrückführung bekannt, bei der das rückgeführte Abgas durch eine Gaspassage im Zylinderkopf oder Zylinderblock geleitet und dabei gekühlt wird. Die ermöglichte Kühlung ist jedoch wenig variabel.
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Die
DE 10 2014 114 218 A1 beschreibt ein Verbrennungsmotorsystem mit einer Hochdruckabgasrückführung, wobei das rückgeführte Abgas mittels eines AGR-Kühlers, der zwischen der Abgasrückführungsleitung und dem Einlasskrümmer angeordnet ist, gekühlt wird, indem dem AGR-Kühler ein Niedrigtemperatur-Kühlmittel zugeführt wird, welches durch den Zylinderkopf strömt. Jedoch lässt sich auch mit diesem System die Kühlung des rückgeführten Abgases nur geringfügig variieren.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Möglichkeiten anzugeben, mit denen die genannten Nachteile behoben werden können. Insbesondere sollen eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kühlung eines rückgeführten Hochdruckabgases bereitgestellt werden, die kostengünstig sind und möglichst wenig Bauraum benötigen.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Grundgedanke der Erfindung ist es, das rückgeführte Hochdruckabgas durch den Zylinderkopf des Verbrennungsmotors zu leiten und dabei zu kühlen. Die Kühlung kann dabei variabel durchgeführt werden, d. h. je nach angestrebter Temperatur kann eine geringere oder stärkere Kühlung erfolgen. Auf einen zusätzlichen Abgaskühler kann verzichtet werden.
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Eine erfindungsgemäße Motoranordnung weist einen ein Abgas erzeugenden Verbrennungsmotor mit einem Verbrennungsraum und einem den Verbrennungsraum abschließenden Zylinderkopf, einen sich an den Verbrennungsmotor anschließenden Abgasstrang zur Aufnahme des Abgases, einen Zuluftstrang zur Zufuhr von Zuluft zum Verbrennungsmotor und eine Hochdruckabgasrückführung mit einer Abgasrückführungsleitung, die eine im Abgasstrang stromaufwärts einer Abgasturbine eines Turboladers angeordnete Abgasentnahmestelle mit einer stromabwärts des Verdichters des Turboladers im Zuluftstrang angeordneten Abgaseinleitstelle verbindet, auf.
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Angegebene Strömungsrichtungen beziehen sich auf die Strömungsrichtung des Abgases vom Verbrennungsmotor in Richtung Auspuff bzw. auf die Strömungsrichtung der Zuluft von der Umgebung in Richtung Verbrennungsraum.
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Unter einem Verbrennungsmotor, teilweise auch als Brennkraftmaschine bezeichnet, ist eine Verbrennungskraftmaschine zur Umwandlung von im Kraftstoff enthaltener chemischer Energie in mechanische Arbeit zu verstehen. Der Verbrennungsmotor kann beispielsweise als selbstzündender oder fremdgezündeter Verbrennungsmotor ausgebildet sein. Als Kraftstoff kann beispielsweise Benzin oder Diesel genutzt werden.
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Die Kraftstoffverbrennung findet in einem Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors statt, der, aus Sicht des oszillierenden Kolbens, nach oben durch den Zylinderkopf abgeschlossen wird. Im Zylinderkopf können beispielsweise Ein- und Auslasskanäle, Ölkanäle, bei Ottomotoren Zündkerzen und ggf. Einspritzventile und bei Dieselmotoren Einspritzdüsen und Glühkerzen angeordnet sein. Außerdem können Kühlkanäle zur Kühlung des Zylinderkopfes mittels eines Kühlmittels, z. B. Wasser, vorhanden sein.
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Der Abgasstrang wird durch eine Abgasleitung gebildet, die vom Abgas durchströmt wird und in der z. B. Abgasnachbehandlungseinrichtungen, z. B. Katalysatoren, und Sensoren angeordnet sind.
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Der Zuluftstrang dient der Versorgung des Verbrennungsmotors mit Zuluft, wobei unter Zuluft eine Zusammensetzung aufweisend Frischluft und ggf. rückgeführtes Abgas zu verstehen ist, die dem Verbrennungsmotor zur Durchführung des Verbrennungsvorgangs zugeführt wird.
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Dem Verbrennungsmotor ist ein Turbolader zugeordnet, der eine im Abgasstrang angeordnete Abgasturbine und einen im Zuluftstrang angeordneten Verdichter aufweist, wobei die Abgasturbine und der Verdichter über eine Turboladerwelle miteinander verbunden sind.
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Weiterhin weist die Motoranordnung eine Hochdruckabgasrückführung mit einer Abgasrückführungsleitung auf, wobei die Abgasrückführungsleitung eine im Abgasstrang stromaufwärts einer Abgasturbine eines Turboladers angeordnete Abgasentnahmestelle mit einer stromabwärts des Verdichters des Turboladers im Zuluftstrang angeordneten Abgaseinleitstelle verbindet. Sofern im Zuluftstrang ein Ladeluftkühler angeordnet ist, kann die Abgaseinleitstelle bevorzugt stromabwärts des Ladeluftkühlers angeordnet sein. An der Abgaseinleitstelle oder in der Abgasrückführungsleitung kann ein Abgasrückführungsventil angeordnet sein, um einen Anteil des rückgeführten Abgases in der Zuluft steuern oder regeln zu können.
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Die Abgasentnahmestelle kann außerhalb des Zylinderkopfs, beispielsweise in einem Abgaskrümmer, angeordnet sein. Mit anderen Worten kann das Abgas aus den einzelnen Zylindern des Verbrennungsmotors zunächst gesammelt werden, so dass aus dem gesammelten Abgas ein Teil für die Rückführung entnommen werden kann. Hierbei muss nicht zwangsläufig eine homogene Entnahme des Abgases aller Zylinder erfolgen. So kann die Entnahme des Abgases vorrangig von dem der Abgasentnahmestelle nächstgelegenen Zylinder erfolgen. Ein Zugriff auf das Abgas vor dem Abgaskrümmer ist nicht beabsichtigt.
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Es ist vorgesehen, dass die Abgasrückführungsleitung durch eine Abgaspassage des Zylinderkopfs verläuft. Mit anderen Worten verläuft die Abgasrückführungsleitung zumindest abschnittsweise durch den Zylinderkopf.
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Die Abgaspassage ist kühlbar ausgebildet. Hierfür kann beispielsweise die Abgasrückführungsleitung im Bereich der Abgaspassage von einem Kühlmittel, z. B. einem wasserhaltigen Kühlmittel, umströmt werden.
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Die erfindungsgemäße Motoranordnung ermöglicht eine Kühlung des rückgeführten Hochdruckabgases innerhalb des Zylinderkopfes. Ein zusätzlicher Abgaskühler wird nicht benötigt, so dass Kosten und Bauraum eingespart werden können.
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Die Abgaspassage ist mittels eines Motorkühlkreislaufs des Verbrennungsmotors und mittels eines Niedertemperaturkühlkreislaufs kühlbar ausgebildet. Mit anderen Worten können der Motorkühlkreislauf und der Niedertemperaturkühlkreislauf so erweitert sein oder werden, dass die Abgaspassage von einem Kühlmittel, z. B. einem wasserhaltigen Kühlmittel, des Motorkühlkreislaufs und des Niedertemperaturkühlkreislaufs gekühlt wird.
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Der Motorkühlkreislauf dient vorrangig der Kühlung des Verbrennungsmotors und weist üblicherweise Kühlmittelleitungen und einen Wärmeüberträger, z. B. einen Kühler zur Übertragung von Wärme aus dem Kühlmittel an die Umgebung, auf. Außerdem kann eine Pumpe vorhanden sein.
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Bei dem Niedertemperaturkühlkreislauf handelt es sich um einen Kühlkreislauf, bei dem das Kühlmittel regelmäßig eine geringere Temperatur als das Kühlmittel des Motorkühlkreislaufs, z. B. eine Temperatur von ca. 40 °C, aufweist. Der Niedertemperaturkühlkreislauf weist ebenfalls üblicherweise Kühlmittelleitungen und einen Wärmeüberträger sowie ggf. eine Pumpe auf.
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Der Niedertemperaturkreislauf kann als separater Kühlkreislauf ausgebildet sein, der alleinig der Kühlung der Abgaspassage und damit des rückgeführten Abgases dient. Alternativ kann der Niedertemperaturkreislauf auch der Kühlung weiterer Einrichtungen dienen oder es kann ein bereits vorhandener Kühlkreislauf so erweitert werden, dass er auch als Niedertemperaturkreislauf im Sinne der Erfindung fungiert. Beispielsweise kann der Niedertemperaturkreislauf außerdem zur Kühlung der Ladeluft genutzt werden, um eine effektivere Verbrennung zu gewährleisten.
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Ist die Abgaspassage mittels des Motorkühlkreislaufs kühlbar ausgebildet, kann vorteilhaft der bereits vorhandene Motorkühlkreislauf genutzt werden, so dass lediglich geringe konstruktive Veränderungen im Bereich des Zylinderkopfs notwendig sind. Diese Ausführungsvariante ist besonders kostengünstig und es kann besonders viel Bauraum eingespart werden.
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Ist die Abgaspassage mittels des Niedertemperaturkühlkreislaufs kühlbar ausgebildet, kann vorteilhaft eine stärkere Kühlwirkung erreicht werden, d. h. die Temperatur des rückgeführten Hochdruckabgases kann stärker verringert werden, da die Temperatur des Kühlmittels im Niedertemperaturkühlkreislauf regelmäßig geringer als die Temperatur des Kühlmittels im Motorkreislauf ist.
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Ist die Abgaspassage sowohl mittels des Motorkühlkreislaufs als auch mittels des Niedertemperaturkühlkreislaufs kühlbar ausgebildet, können die Vorteile beider Möglichkeiten miteinander kombiniert werden. Insbesondere wird eine zweistufige Kühlung des rückgeführten Abgases ermöglicht. Ist beispielsweise nur eine geringe Kühlung erforderlich, kann eine Kühlung mittels des Motorkühlkreislaufs ausreichend sein. Ist hingegen eine starke Kühlung erforderlich, kann die Abgaspassage zusätzlich mittels des Niedertemperaturkühlkreislaufs gekühlt werden. Indem die Temperatur des rückgeführten Hochdruckabgases durch Auswahl des oder der Kühlkreisläufe zur Kühlung der Abgaspassage steuerbar ist, kann auch die Temperatur der Zuluft gesteuert werden, so dass z. B. eine Verringerung der Emission von Luftschadstoffen erreicht werden kann.
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Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann die Kühlung der Abgaspassage mittels im Motorkühlkreislauf und/oder im Niedertemperaturkühlkreislauf angeordneten Durchflusssteuereinrichtungen, z. B. Ventilen, steuerbar oder regelbar sein.
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Beispielsweise kann eine Durchflusssteuereinrichtung im Motorkühlkreislauf oder eine Durchflusssteuereinrichtung im Niedertemperaturkühlkreislauf oder eine Durchflusssteuereinrichtung sowohl im Motorkühlkreislauf als auch im Niedertemperaturkühlkreislauf angeordnet sein. Mittels der Durchflusssteuereinrichtung kann die Menge des Kühlmittels, die zur Kühlung der Abgaspassage genutzt wird, eingestellt, bevorzugt stufenlos eingestellt, werden. Dies ermöglicht eine Steuerung der Temperatur des rückgeführten Hochdruckabgases.
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Die Steuerung oder Regelung der Kühlung kann beispielsweise in Abhängigkeit einer Temperatur des Verbrennungsmotors erfolgen, d. h. es wird ein Steuersignal an die Durchflusssteuereinrichtungen in Abhängigkeit der Temperatur des Verbrennungsmotors ausgegeben. Dies kann z. B. mittels einer Steuereinheit erfolgen, die dazu ausgebildet ist, Eingangsdaten von verschiedenen Sensoren, z. B. einem Temperatursensor, zu empfangen, die Eingangsdaten zu verarbeiten und die Durchflusssteuereinrichtungen als Aktuatoren in Reaktion auf die verarbeiteten Eingangsdaten basierend auf Anweisungen oder einem in der Steuereinheit programmiertem Code entsprechend einer oder mehrerer Routinen auszulösen. Bei einer Reglung erfolgt eine Rückführung, d. h. die Temperatur des Verbrennungsmotors wird erneut geprüft.
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Die Temperatur des Verbrennungsmotors kann beispielsweise anhand der Temperatur des zur Kühlung des Verbrennungsmotors verwendeten Kühlmittels ermittelt werden. Hierfür kann z. B. ein sog. ECT-Sensor (ECT = engine coolant temperature, Motorkühlmitteltemperatur) genutzt werden, der im Kühlwasserkanal angeordnet sein kann. Alternativ kann die Temperatur des Verbrennungsmotors anhand der Abgastemperatur ermittelt werden, z. B. mittels eines sog. T3-Sensors.
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Die Steuereinheit kann hardware- und/oder softwaremäßig realisiert sein und physisch ein- oder mehrteilig ausgebildet sein. Insbesondere kann die Steuereinheit Teil einer Motorsteuerung sein oder in diese integriert sein. In einer typischen Ausgestaltung fungiert die Motorsteuerung eines Kraftfahrzeugs als Steuereinheit.
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Bei einer geringen Temperatur des Verbrennungsmotors, z. B. nach einem Kaltstart, ist eine schnellstmögliche Erwärmung des Verbrennungsmotors und etwaiger im Abgasstrang angeordneter Abgasnachbehandlungseinrichtungen erforderlich. Eine Kühlung des rückgeführten Hochdruckabgases wäre daher nachteilig, da die Temperatur der Zuluft möglichst hoch sein sollte. Folglich soll die Abgaspassage nicht gekühlt werden. Um dies zu erreichen, werden die Durchflusssteuereinrichtungen geschlossen, so dass kein Kühlmittel im Bereich der Abgaspassage strömt und die Abgasrückführungsleitung und das darin enthaltene rückgeführte Hochdruckabgas nicht gekühlt werden.
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Bei höheren Temperaturen des Verbrennungsmotors, z. B. bei einem Betreiben des Verbrennungsmotors mit geringer Last über einen längeren Zeitraum, kann zumindest eine geringfügige Kühlung des rückgeführten Hochdruckabgases erforderlich sein. Diese kann durch Kühlung der Abgaspassage mittels des Motorkühlkreislaufs erreicht werden. Folglich wird die Durchflusssteuereinrichtung des Motorkühlkreislaufes geöffnet, während die Durchflusssteuereinrichtung des Niedertemperaturkühlkreislaufs geschlossen bleibt.
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Bei hohen Temperaturen des Verbrennungsmotors, z. b. bei einem Betreiben des Verbrennungsmotors unter hoher Last, kann eine starke Kühlung des rückgeführten Hochdruckabgases erforderlich sein. Diese kann durch Kühlung der Abgaspassage sowohl mittels des Motorkühlkreislaufs als auch des Niedertemperaturkühlkreislaufs erreicht werden. Folglich werden die Durchflusssteuereinrichtungen des Motorkühlkreislaufes sowie des Niedertemperaturkühlkreislaufs geöffnet, um die Abgaspassage bestmöglich zu kühlen.
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Vorteilhaft wird also eine bedarfsgerechte, d. h. mehrstufige, Kühlung des rückgeführten Hochdruckabgases ermöglicht. Dies ermöglicht wiederum eine Beeinflussung der Temperatur der Zuluft und damit des Verbrennungsvorgangs im Verbrennungsmotor, u. a. die Art und Menge der bei der Verbrennung entstehenden Luftschadstoffe.
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Gemäß weiteren Ausführungsvarianten weist die Anordnung keinen an der Abgasrückführungsleitung angeordneten Abgaskühler auf. Mit anderen Worten kann die Kühlung der Abgaspassage so ausgestaltet sein oder werden, dass ein Abgaskühler nicht erforderlich ist. Dies bedeutet eine erhebliche Kostenersparnis. Zudem kann der für den Abgaskühler sonst erforderlich Bauraum anderweitig genutzt werden.
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Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann die Anordnung neben der Hochdruckabgasrückführung eine Niederdruckabgasrückführung aufweisen, die dazu ausgebildet ist, Abgas von einer im Abgasstrang stromabwärts der Abgasturbine des Turboladers und ggf. stromabwärts von Abgasnachbehandlungseinrichtungen, wie z. B. Katalysatoren, angeordneten Abgasentnahmestelle zu einer stromaufwärts des Verdichters des Turboladers im Zuluftstrang angeordneten Abgaseinleitstelle zu leiten.
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Durch eine zusätzliche Niederdruckabgasrückführung werden weitere Möglichkeiten zur Beeinflussung der Zuluft und damit des Verbrennungsvorgangs sowie der Emission von Luftschadstoffen bereitgestellt. Vorteilhaft kann der Kraftstoffverbrauch gesenkt und die Emission von Luftschadstoffen verringert werden.
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Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug weist eine der zuvor beschriebenen Motoranordnungen auf. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs entsprechen daher denen der erfindungsgemäßen Motoranordnung und deren entsprechender Ausführungsvarianten. Darüber hinaus wirkt sich die Erfindung bei einem Kraftfahrzeug besonders vorteilhaft aus, da sie die Einhaltung strenger gesetzlicher Vorgaben hinsichtlich der zulässigen Emission von Luftschadstoffen ermöglicht.
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Unter einem Kraftfahrzeug ist ein durch einen Motor angetriebenes Fahrzeug, z. B. ein Land-, Luft- oder Wasserfahrzeug zu verstehen.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Kühlen eines rückgeführten Hochdruckabgases mittels einer Motoranordnung gemäß vorstehender Beschreibung weist ein Betreiben des Verbrennungsmotors, Einleiten eines während des Betriebs des Verbrennungsmotors erzeugten Abgases in den Abgasstrang, Entnehmen von zumindest einem Teil des Abgases aus dem Abgasstrang stromaufwärts der Abgasturbine des Turboladers, Durchleiten des entnommenen Abgases durch den Zylinderkopf des Verbrennungsmotors, Kühlen des entnommenen Abgases während des Durchleitens durch den Zylinderkopf und Einleiten des entnommenen Abgases in den Zuluftstrang des Verbrennungsmotors stromabwärts des Verdichters des Turboladers auf.
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Unter einem Kühlen des entnommenen Abgases ist insbesondere ein aktives Kühlen durch Kühlmaßnahmen, wie z. B. Kühlen mittels eines Kühlmittels, zu verstehen. Ein aktives Kühlen unterscheidet sich demnach von einem passiven Kühlen, bei dem lediglich ein Kühlen aufgrund eines Kontakts mit verfahrensbedingt kühleren Bauteilen erfolgt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird mittels der oben stehend erläuterten erfindungsgemäßen Motoranordnung ausgeführt. Insofern dienen die obigen Ausführungen zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Motoranordnung auch zur Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechen denen der erfindungsgemäßen Motoranordnung und deren entsprechender Ausführungsvarianten.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann das entnommene Abgas mittels eines Motorkühlkreislaufs des Verbrennungsmotors und/oder mittels eines Niedertemperaturkühlkreislaufs gekühlt werden. Es wird auf die diesbezüglichen obigen Ausführungen verwiesen.
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Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann das Kühlen des entnommenen Abgases in Abhängigkeit einer Temperatur des Verbrennungsmotors gesteuert oder geregelt werden. Die Steuerung bzw. Regelung kann beispielsweise gemäß den obigen Ausführungen zur Motoranordnung mit steuerbaren Durchflusssteuereinrichtungen in Abhängigkeit der Temperatur des Verbrennungsmotors erfolgen.
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Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung der Figuren hervor. Es zeigen:
- 1 eine beispielhafte Motoranordnung mit einer mittels eines Motorkühlkreislaufs kühlbaren Abgaspassage (nicht erfindungsgemäß), und
- 2 eine weitere beispielhafte Motoranordnung mit einer mittels eines Motorkühlkreislaufs und eines Niedertemperaturkühlkreislaufs kühlbaren Abgaspassage.
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In 1 ist eine Motoranordnung 1 in einer beispielhaften Ausgestaltung schematisch dargestellt. Die Motoranordnung 1 weist einen Verbrennungsmotor 3 mit einem Verbrennungsraum und vier Zylindern 21 auf, wobei der Verbrennungsmotor 3 auch über eine abweichende Anzahl an Zylindern 21, beispielsweise zwei, drei, sechs oder acht Zylinder 21 verfügen kann. Der Verbrennungsraum wird durch den Zylinderkopf 4 abgeschlossen. Zur Kühlung des Verbrennungsmotors 3 ist ein Motorkühlkreislauf 15 vorgesehen.
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Der Verbrennungsmotor 3 kann als selbstzündender Motor ausgebildet sein und beispielsweise mit Dieselkraftstoff betrieben werden. Der Verbrennungsmotor erzeugt einen Abgas 2, das vom Abgasstrang 5 aufgenommen wird. Dabei wird das aus den einzelnen Zylindern 21 strömende Abgas 2 außerhalb des Zylinderkopfs 4 gesammelt, bevor es in Richtung einer im Abgasstrang 5 angeordneten Abgasturbine 10 eines Turboladers strömt.
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Die Motoranordnung verfügt zudem über einen Zuluftstrang 6, über den Zuluft 7 dem Verbrennungsmotor zugeführt werden kann. Im Zuluftstrang sind ein Verdichter 12 des Turboladers sowie stromabwärts des Verdichters ein als Ladeluftkühler ausgebildeter Wärmeüberträger 20 angeordnet. Die Abgasturbine 10 und der Verdichter 12 des Turboladers sind über die Turboladerwelle 19 miteinander verbunden.
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Der Abgasstrang 5 und der Zuluftstrang 6 sind über eine Hochdruckabgasrückführung 8 miteinander verbunden. Die Hochdruckabgasrückführung weist eine Abgasrückführungsleitung 9 auf, die von einer Abgasentnahmestelle 11 im Abgasstrang 5 zu einer Abgaseinleitstelle 13 im Zuluftstrang 6 führt. Die Abgasentnahmestelle 11 ist dabei stromaufwärts der Abgasturbine 10, die Abgaseinleitstelle 13 stromabwärts des Verdichters 12 sowie des als Ladeluftkühler ausgebildeten Wärmeüberträgers 20 angeordnet. In der Abgasrückführungsleitung 9 unmittelbar stromaufwärts der Abgaseinleitstelle 13 ist ein Abgasrückführungsventil angeordnet, mit dem die Menge des rückgeführten Abgases gesteuert werden kann.
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Die Abgasrückführungsleitung 9 verläuft durch eine Abgaspassage 14 im Zylinderkopf 4, d. h. das rückgeführte Hochdruckabgas wird nach der Abgabe an den Abgasstrang 5 erneut durch den Zylinderkopf 4 geleitet. Die Abgaspassage 14 ist kühlbar ausgestaltet und kann bei Kühlbedarf mittels des Motorkühlkreislaufs 15 gekühlt werden. Hierfür kann die Abgaspassage 14 in einem Erweiterungsabschnitt des Motorkühlkreislaufs 15 angeordnet sein. Bei Bedarf kann der Motorkühlkreislauf 15 um den Erweiterungsabschnitt erweitert werden, so dass auch die Abgaspassage 14 gekühlt werden kann. Um die Kühlung der Abgaspassage 14 steuern oder regeln zu können, ist im Motorkühlkreislauf 15 ein Ventil als Durchflusssteuereinrichtung 17 angeordnet, das die Aufteilung des Kühlmittels des Motorkühlkreislaufs 15 auf den eigentlichen Motorkühlkreislauf 15 und den Erweiterungsabschnitt des Motorkühlkreislaufs 15 steuert bzw. regelt. Die Steuerung bzw. Regelung der Durchflusssteuereinrichtung 17 kann beispielsweise in Abhängigkeit der Temperatur des Verbrennungsmotors 3 erfolgen, die mittels Temperatursensoren (nicht dargestellt) ermittelt werden kann.
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Ist keine Kühlung des rückgeführten Hochdruckabgases erforderlich, z. B. bei einer geringen Temperatur des Verbrennungsmotors 3 nach einem Kaltstart, wird die Durchflusssteuereinrichtung 17 geschlossen und es wird lediglich der eigentliche Motorkühlkreislauf 15 vom Kühlmittel durchströmt.
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Ist aufgrund einer erhöhten Temperatur des Verbrennungsmotors 3 eine Kühlung des rückgeführten Hochdruckabgases erforderlich, wird die Durchflusssteuereinrichtung 17 ganz oder teilweise geöffnet, so dass der Motorkühlkreislauf um den Erweiterungsabschnitt erweitert wird und nunmehr auch die Abgaspassage 14 gekühlt wird.
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Die Hochdruckabgasrückführung 8 verfügt über keinen separaten Abgaskühler, d. h. an der Abgasrückführungsleitung 9 ist kein Abgaskühler angeordnet, da die Kühlung der Abgaspassage 14 zur Kühlung des rückgeführten Hochdruckabgases ausreichend ist. Dadurch können Kosten und Bauraum eingespart werden.
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In 2 ist eine Motoranordnung 1 in einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung gemäß der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß 1 ist hierbei zusätzlich zur Kühlung mittels des Motorkühlkreislaufs 15 eine Kühlung der Abgaspassage 14 mittels eines Niedertemperaturkühlkreislaufs 16 vorgesehen, d. h. die Abgaspassage 14 ist mittels des Motorkühlkreislaufs 15 und des Niedertemperaturkühlkreislaufs 16 kühlbar ausgebildet.
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Der Niedertemperaturkühlkreislauf 16 verfügt über einen Wärmeüberträger 20 und eine als Ventil ausgebildete Durchflusssteuereinrichtung 17, mit der der Kühlmittelstrom im Niedertemperaturkühlkreislauf gesteuert oder geregelt und damit auch die Kühlung der Abgaspassage 14 gesteuert oder geregelt werden kann. Die Steuerung bzw. Regelung kann ebenfalls, wie vorstehend hinsichtlich des Motorkühlkreislaufs 15 beschrieben, in Abhängigkeit der Temperatur des Verbrennungsmotors 3 erfolgen. Optional kann im Niedertemperaturkühlkreislauf 16 eine Pumpe angeordnet sein (nicht dargestellt).
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Ist aufgrund einer sehr hohen Temperatur des Verbrennungsmotors 3 eine sehr starke Kühlung des rückgeführten Hochdruckabgases erforderlich, kann die Abgaspassage 14 zusätzlich zum Motorkühlkreislauf 15 mittels des Niedertemperaturkühlkreislaufs 16 gekühlt werden, wobei die Kühlung mittels des Niedertemperaturkühlkreislaufs 16 besonders effektiv ist, da die Temperatur des im Niedertemperaturkühlkreislauf 16 zirkulierenden Kühlmittel zumeist deutlich niedriger, z. B. 40 °C, als die Temperatur des Kühlmittels im Motorkühlkreislauf 15 ist.
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Die Kühlung der Abgaspassage 14 kann also zweistufig erfolgen, entweder nur mittels des Motorkühlkreislaufs 15 oder mittels des Motorkühlkreislaufs 15 und des Niedertemperaturkühlkreislaufs 16. Auch eine dritte Stufe kann vorgesehen sein, bei der die Kühlung nur mittels des Niedertemperaturkühlkreislaufs 16 erfolgt. Die Kühlwirkung liegt in letzterem Fall zwischen derjenigen der ersten und zweiten Stufe.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Motoranordnung
- 2
- Abgas
- 3
- Verbrennungsmotor
- 4
- Zylinderkopf
- 5
- Abgasstrang
- 6
- Zuluftstrang
- 7
- Zuluft
- 8
- Hochdruckabgasrückführung
- 9
- Abgasrückführungsleitung
- 10
- Abgasturbine
- 11
- Abgasentnahmestelle
- 12
- Verdichter
- 13
- Abgaseinleitstelle
- 14
- Abgaspassage
- 15
- Motorkühlkreislauf
- 16
- Niedertemperaturkühlkreislauf
- 17
- Durchflusssteuereinrichtung
- 18
- Abgasrückführungsventil
- 19
- Turboladerwelle
- 20
- Wärmeüberträger
- 21
- Zylinder
