DE102018207607A1

DE102018207607A1 - Anordnung und Verfahren zur Vermeidung von Kondensatbildung in einem Zuluftstrang eines Verbrennungsmotors sowie Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102018207607A1
Application number: DE102018207607.3A
Authority: DE
Inventors: Christian Winge Vigild; Andreas Kuske; Hans Günther Quix
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2018-05-16
Filing date: 2018-05-16
Publication date: 2019-11-21

Abstract

Es wird eine Anordnung 1 zur Vermeidung von Kondensatbildung in einem Zuluftstrang 3 eines Verbrennungsmotors 2 angegeben, die einen Verbrennungsmotor 2, einen Zuluftstrang 3 zum Zuführen von Zuluft 4 zum Verbrennungsmotor 2, einen Abgasstrang zum Abführen eines Abgases 7 vom Verbrennungsmotor 2, einen Turbolader mit einem im Zuluftstrang 3 angeordneten Kompressor 5 und einer im Abgasstrang angeordneten Abgasturbine, einen Niederdruckabgasrückführungsstrang 6, ausgebildet zum Rückführen von Abgas 7 von einer im Abgasstrang stromabwärts der Abgasturbine angeordneten Abgasentnahmestelle zu einer in dem Zuluftstrang 3 stromaufwärts des Kompressors 5 angeordneten Abgaseinleitstelle 8, einen im Zuluftstrang 3 stromaufwärts der Abgaseinleitstelle 8 angeordneten Luftfilter 10 und einen im Zuluftstrang 3 stromaufwärts der Abgaseinleitstelle angeordneten Wärmeüberträger 11 aufweist.
Außerdem werden ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Anordnung 1 sowie ein Verfahren zur Vermeidung von Kondensatbildung in einer solchen Anordnung 1 angegeben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Vermeidung von Kondensatbildung in einem Zuluftstrang eines Verbrennungsmotors sowie ein Kraftfahrzeug.
Bei bekannten Niederdruckabgasrückführungen für Verbrennungsmotoren wird das rückgeführte Abgas stromaufwärts des Kompressorrads eines dem Verbrennungsmotor zugeordneten Turboladers mit von außen zugeführter Frischluft gemischt und die sich aus Frischluft und rückgeführtem Abgas bildende Zuluft wird über das Kompressorrad dem Verbrennungsmotor zugeführt.
Heutzutage eingesetzte Verbrennungsmotoren zeichnen sich durch eine hohe Effizienz aus, so dass ein geringerer Teil der im Kraftstoff enthaltenen chemischen Energie in Wärmeenergie umgewandelt wird. Dies bedingt niedrigere Abgastemperaturen und ein schlechteres Aufwärmverhalten des Verbrennungsmotors nach einem Kaltstart. Dies kann bei Unterschreiten des Taupunkts zur unerwünschten Bildung von Kondenswasser (Kondensatbildung) führen.
Hierbei kann ein sog. freies Strömungskondensat gebildet werden, indem das im warmen bzw. heißen und feuchten rückgeführten Niederdruckabgas enthaltene Wasser beim Abkühlen im Kontakt mit kalter Frischluft kondensiert. Dabei agglomerieren zunächst kleine Tropfen zu größeren Tropfen. Erreichen diese größeren Tropfen das schnell rotierende Kompressorrad des Turboladers, können sie ein hohes Zerstörungspotential entwickeln.
Außerdem kann eine sog. Wandkondensation auftreten, bei der das warme bzw. heiße rückgeführte Niederdruckabgas auf eine kalte Wand trifft, wodurch es zu einem Abkühlen des rückgeführten Abgases und des darin enthaltenen Wassers kommt. Erfolgt die Abkühlung bei gegebenem Anteil an gasförmigem Wasser auf eine Temperatur unterhalb des Taupunktes für diesen Wasseranteil, tritt in der Folge Kondensation auf.
Erreicht das Kondensat das Kompressorrad des Turboladers, können die Kondensattropfen eine Erosion der Kompressorschaufeln hervorrufen, da sie bei den auftretenden Kompressordrehzahlen aufgrund ihrer Masse ein Hindernis für die Schaufeln darstellen. Dieser Verschleiß hat negative Auswirkungen auf Effizienz des Verdichters (Kompressors), den Kraftstoffverbrauch, die Emission von Luftschadstoffen und die Schwingungsentwicklung (NVH, noise vibration harshness). Darüber hinaus kann das Kondenswasser Fehlzündungen bei Ottomotoren hervorrufen.
Ein kalter Verbrennungsmotor kann außerdem zu einem höheren Kraftstoffverbrauch aufgrund erhöhter interner Motorreibung und einem nicht optimalen Verbrennungsprozess führen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, Möglichkeiten anzugeben, mit denen eine kondenswasserbedingte Beschädigung des Kompressorrads vermieden werden kann. Außerdem wäre es wünschenswert, möglichst schnell eine optimale Betriebstemperatur für den Verbrennungsmotor zu erreichen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Grundgedanke der Erfindung ist es, die Entstehung von Kondenswasser stromaufwärts des Kompressors zu mindern oder sogar zu verhindern. Damit kann kein oder allenfalls eine sehr geringe Menge an Kondenswasser zum Kompressorrad gelangen und dort Beschädigungen herbeiführen.
Hierfür ist vorgesehen, die von außen zugeführte Frischluft vor dem Zusammentreffen mit dem rückgeführten Abgas zu erwärmen, so dass die Temperatur der das Kompressorrad erreichenden Zuluft hoch genug ist, um eine Kondensation des Wassers zu vermeiden. Um dies zu erreichen, ist stromaufwärts der Abgaseinleitstelle für das rückgeführte Abgas ein Wärmeüberträger vorgesehen.
Dieser Wärmeüberträger ist bevorzugt zusammen mit einem Luftfilter in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass lediglich äußerst geringfügig mehr Bauraum als bei einer Ausführung ohne Wärmeüberträger beansprucht wird. Beispielsweise können der Luftfilter und der Wärmeüberträger in einem Gehäuse angeordnet werden, das einen geringen zusätzlichen Bauraumbedarf von lediglich ca. 15 mm in Durchflussrichtung aufweist.
Eine erfindungsgemäße Anordnung zur Vermeidung von Kondensatbildung in einem Zuluftstrang eines Verbrennungsmotors weist einen Verbrennungsmotor, einen Zuluftstrang zum Zuführen von Zuluft zum Verbrennungsmotor, einen Abgasstrang zum Abführen eines Abgases vom Verbrennungsmotor, einen Turbolader mit einem im Zuluftstrang angeordneten Kompressor und einer im Abgasstrang angeordneten Abgasturbine, einen Niederdruckabgasrückführungsstrang, ausgebildet zum Rückführen von Abgas von einer im Abgasstrang stromabwärts der Abgasturbine angeordneten Abgasentnahmestelle zu einer in dem Zuluftstrang stromaufwärts des Kompressors angeordneten Abgaseinleitstelle, einen im Zuluftstrang stromaufwärts der Abgaseinleitstelle angeordneten Luftfilter und einen im Zuluftstrang stromaufwärts der Abgaseinleitstelle angeordneten Wärmeüberträger auf.
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 als selbstzündender oder fremdgezündeter Verbrennungsmotor ausgebildet sein. Als Kraftstoff kann beispielsweise Motorbenzin oder Diesel genutzt werden. Optional können im Abgasstrang Abgasnachbehandlungseinrichtungen, z. B. Katalysatoren, angeordnet sein.
Mit Zuluft wird vorliegend die dem Verbrennungsmotor zugeführte Verbrennungsluft zur Durchführung des Verbrennungsvorgangs bezeichnet. Diese kann sich aus Frischluft, d. h. von außen zugeführter Luft, und rückgeführtem Abgas zusammensetzen. Im Zuluftstrang strömt also stromaufwärts der Abgaseinleitstelle Frischluft, die sich bei Bedarf ab der Abgaseinleitstelle mit dem rückgeführten Abgas vermischt und zusammen mit diesem die Zuluft bildet.
Der Niederdruckabgasrückführungsstrang kann über ein Abgasrückführungsventil (AGR-Ventil) verfügen, welches der Steuerung einer Menge an rückgeführtem Abgas dient, so dass das Verhältnis von Frischluft und rückgeführtem Abgas in der Zuluft einstellbar ist. Das AGR-Ventil kann beispielsweise an der Abgaseinleitstelle angeordnet sein.
Erfindungsgemäß sind im Zuluftstrang stromaufwärts der Abgaseinleitstelle (bezogen auf die Strömungsrichtung der Frischluft bzw. Zuluft) ein Luftfilter und ein Wärmeüberträger angeordnet. Bevorzugt können der Luftfilter und der Wärmeüberträger in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein, so dass das Gehäuse mit dem Luftfilter und dem Wärmeüberträger ein kompaktes Bauteil bildet, welches in dem Zuluftstrang integriert ist. Bevorzugt sind der Luftfilter und der Wärmeüberträger direkt benachbart zueinander angeordnet, um den Platzbedarf möglichst gering zu halten. Alternativ ist eine separierte Anordnung des Luftfilters und des Wärmeüberträgers möglich. Eine solche separierte Anordnung kann sich positiv auf bestimmte Packagesituationen auswirken.
Optional kann zwischen Luftfilter und Wärmeüberträger lediglich die Abzweigung eines Bypasses mit einem Bypassventil, wie nachfolgend beschrieben, angeordnet sein. Diese Ausgestaltung bedarf vorteilhaft besonders wenig Bauraum und kann platzsparend, z. B. im Motorraum eines Kraftfahrzeugs, angeordnet werden. So kann die Anordnung von harten Bauteilen im Bereich der Knautschzone eines Kraftfahrzeugs vermieden und die Sicherheit für die Fahrzeuginsassen und weitere Verkehrsteilnehmer erhöht werden.
Der Luftfilter dient der Reinigung der von außen zugeführten Frischluft, indem beispielsweise Schmutzpartikel, Pollen etc. aus der Frischluft entfernt werden.
Der Wärmeüberträger dient der Erwärmung der Frischluft. Hierfür wird Wärmeenergie von einem den Wärmeüberträger durchströmenden Temperiermittel an die Frischluft übertragen, so dass sich deren Temperatur erhöht. Das Temperiermittel wird vorzugsweise in einem Kreislauf geführt.
Durch eine Temperaturerhöhung der Frischluft kann die Bildung von Kondenswasser beim stromabwärtigen Zusammentreffen mit dem rückgeführten Abgas, das zumeist eine höhere Temperatur als die der Umgebung entnommene Frischluft und daher eine höhere Aufnahmekapazität für gasförmiges Wasser aufweist, vermieden werden. Idealerweise sollte die Erwärmung der Frischluft derart erfolgen, dass diese beim Zusammentreffen mit dem rückgeführten Abgas dieselbe oder sogar eine höhere Temperatur als das Abgas an der Abgaseinleitstelle aufweist. Zumindest sollte die Erwärmung derart erfolgen, dass die Temperatur der Zuluft, also des Gemisches aus rückgeführtem Abgas und Frischluft, so hoch ist, dass eine Kondensation des in der Zuluft enthaltenen Wassers vermieden wird.
Mit anderen Worten verhindert die Temperaturerhöhung der Frischluft die Kondensation von - vorrangig im rückgeführten Abgas - enthaltenem Wasser, insbesondere die Bildung von freiem Strömungskondensat, indem der Taupunkt bzw. die Taupunkttemperatur soweit angehoben werden, dass sich bei der herrschenden Luftfeuchtigkeit und dem herrschenden Druck kein Kondenswasser bildet. Durch die Verminderung oder Vermeidung der Kondensatbildung kann ein Auftreffen von Wassertröpfchen auf das Kompressorrad und eine damit einhergehende Beschädigung des Kompressorrads vermieden werden. Zudem können kondenswasserbedingte Fehlzündungen bei Ottomotoren verhindert werden.
Durch die Erwärmung der Frischluft kann zudem auch eine Erwärmung der stromabwärts des Luftfilters und des Wärmeüberträgers angeordneten Leitungen und Einrichtungen des Zuluftstrangs, z. B. eines an der Abgaseinleitstelle angeordneten AGR-Ventils und/oder optionaler Mischungseinrichtungen zur Vermischung von Frischluft und rückgeführtem Abgas, herbeigeführt werden, so dass neben der Bildung eines freien Strömungskondensats auch die Bildung eines Wandkondensats verringert oder vermieden werden kann.
Die Erfindung wirkt sich besonders vorteilhaft bei einer Niederdruckabgasrückführung aus, da hierbei aufgrund der langen Strömungswege besonders viel Zeit bis zu einer ausreichenden Erwärmung der Abgasrückführungseinrichtungen mittels des rückgeführten Abgases nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors vergeht und daher eine unerwünschte Bildung von Kondenswasser häufiger auftritt. Kondenswasser kann sich jedoch nicht nur nach einem Kaltstart, sondern auch unter anderen Betriebsbedingungen bilden, z. B. aufgrund einer Kühlung des rückgeführten Abgases mittels eines im Niederdruckabgasrückführungsstrang angeordneten Kühlers (AGR-Kühler). Eine solche Kühlung des rückgeführten Abgases kann beispielsweise notwendig sein, um die Temperatur der Zuluft so niedrig zu halten, dass ein gewünschter Ladedruck erzeugbar ist. Mittels der Erfindung wird eine Erwärmung der Frischluft sowohl nach einem Kaltstart als auch in Betriebsphasen, die aufgrund der herrschenden Druck- und Temperaturbedingungen ohne erfindungsgemäßen Eingriff die Bildung von Kondenswasser zulassen, ermöglicht.
Neben der Vermeidung der Bildung von Kondenswasser kann sich die Erwärmung der Zuluft auch positiv auf den Verbrennungsmotor auswirken und/oder den Kraftstoffverbrauch senken und/oder die Emission von Luftschadstoffen verringern. Für ein schnelles Erwärmen des Verbrennungsmotors nach einem Kaltstart ist es von Vorteil, wenn die Zuluft im Vergleich zur Umgebungstemperatur erwärmt werden kann. Erwärmte Zuluft führt zu einem schnelleren Anstieg der Temperatur des Verbrennungsmotors, der Temperatur des Temperiermittels des Kühlkreislaufs des Verbrennungsmotors (Motorkühlwasser) und der Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtungen, z. B. Katalysatoren. Beides kommt der Senkung des Kraftstoffverbrauches und der Schadstoffemissionen zugute, da zum einen die hohe Reibung des Verbrennungsmotors schneller abnimmt als beim Betrieb mit kalter Zuluft. Zum anderen steigt auch die Temperatur der Abgasnachbehandlungs-einrichtungen schneller an, wodurch auch eine schnellere Konvertierung der im Abgasstrom enthaltenen Luftschadstoffe möglich ist.
Bevorzugt können der Luftfilter und der Wärmeüberträger bzw. kann das Gehäuse mit dem Luftfilter und dem Wärmeüberträger möglichst dicht stromaufwärts der Abgaseinleitstelle angeordnet sein, z. B. unmittelbar stromaufwärts der Abgaseinleitstelle, d. h. ohne dass weitere Einrichtungen - mit Ausnahme eines Temperatursensors - zwischen dem Luftfilter und dem Wärmeüberträger bzw. dem Gehäuse und der Abgaseinleitstelle angeordnet sind. Dies verhindert eine unerwünschte Abkühlung der Frischluft auf dem Weg zwischen Wärmeüberträger und Abgaseinleitstelle.
Der Wärmeüberträger kann stromaufwärts oder stromabwärts des Luftfilters, beispielsweise stromaufwärts oder stromabwärts des Luftfilters im Gehäuse, angeordnet sein. Eine Anordnung stromabwärts des Luftfilters führt vorteilhaft dazu, dass lediglich gefilterte, d. h. gereinigte, Frischluft auf den Wärmeüberträger trifft, so dass keine die Wärmeübertragung negativ beeinflussenden Partikel am Wärmeüberträger abgelagert werden können und die Langlebigkeit der Anordnung verbessert werden kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann der Wärmeüberträger mit einem Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors verbunden sein. Ein Temperiermittel des Kühlkreislaufs, z. B. Wasser oder ein wasserhaltiges Temperiermittel, kann mittels einer Temperiermittelleitung dem Wärmeüberträger zugeführt werde. Im Wärmeüberträger wird dann Wärmeenergie vom Temperiermittel auf den Wärmeüberträger und vom Wärmeüberträger an die Zuluft übertragen. Nach dem Durchströmen des Wärmeüberträgers kann das Temperiermittel wieder dem Kühlkreislauf zugeführt werden.
Der Motorkühlkreislauf dient wie üblich vorrangig zur Kühlung des Verbrennungsmotors, um ein Überhitzen des Verbrennungsmotors zu verhindern. Der Motorkühlkreislauf kann eine Pumpeinrichtung, z. B. eine sog. Kühlwasserpumpe, einen Kühler, der z. B. zur Übertragung von Wärmeenergie von dem Kühlmittel an die Umgebungsluft ausgebildet sein kann, und einen Temperaturregler (Thermostat) aufweisen.
Der Temperaturregler kann als Zweipunktregler ausgeführt sein. Unterhalb einer Mindesttemperatur wird das Temperiermittel im Kreislauf geführt, ohne den Kühler zu durchströmen, um eine möglichst schnelle Erwärmung des Verbrennungsmotors auf die Mindesttemperatur zu erreichen. Ab Erreichen der Mindesttemperatur ist eine Kühlung des Verbrennungsmotors erforderlich und das Temperiermittel wird zur Abgabe von Wärmeenergie an die Umgebung durch den Kühler geführt.
Durch die Nutzung des Temperiermittels des Kühlkreislaufs zum Übertragen von Wärmeenergie an die Zuluft ist ein weiterer Temperierkreislauf verzichtbar. Vielmehr kann die im Verbrennungsmotor während des Verbrennungsvorgangs freiwerdende Wärmeenergie zur Erwärmung der Zuluft weiter verwendet werden. Eine zusätzliche Heizquelle wird nicht benötigt, so dass Energie gespart werden kann. Zudem benötigt die vom Kühlkreislauf abzweigende Temperiermittelleitung wenig Bauraum, so dass dieser anderweitig genutzt werden kann.
Mit anderen Worten kann als Wärmequelle die Energie des Temperiermittels des Kühlkreislaufs genutzt werden. Ein elektrisch betriebener Zusatzheizer kann demgegenüber nicht kraftstoffneutral betrieben werden. Im Gegensatz zu einem kühlwasserbasierten System, dass sich einen Überschuss an Wärmeenergie im Temperiermittel zunutze macht, verlangt ein elektrischer Zusatzheizer die Erzeugung elektrischer Energie aus Kraftstoff. Da das Risiko der Kondensatbildung aufgrund herrschender Umgebungsbedingungen während der gesamten Betriebsdauer des Verbrennungsmotors bestehen kann, kann dies für den elektrischen Zusatzheizer einen permanenten Zusatzanteil an Kraftstoff während der gesamten Betriebsdauer erfordern. Dies kann erfindungsgemäß vermieden werden.
In der Temperiermittelleitung kann eine Durchflusssteuereinrichtung angeordnet sein. Dadurch ist die Zufuhr des Temperiermittels zum Wärmeüberträger steuerbar, z. B. ist ein Temperiermittelstrom in der Temperiermittelleitung unterbrechbar. Beispielsweise kann der Temperiermittelstrom in der Temperiermittelleitung unterbrochen werden, falls eine Erwärmung der Zuluft nicht erforderlich ist. Erreicht kein Temperiermittel mehr den Wärmeüberträger bzw. wird dem Wärmeüberträger kein neues, erwärmtes Temperiermittel mehr zugeführt, kann auch keine Übertragung von Wärmeenergie an die Zuluft mehr stattfinden.
Die Unterbrechung des Temperiermittelstroms wirkt sich allerdings erst mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung aus, da lediglich keine „neue“ Wärmeenergie mehr nachgeliefert wird. Vorteilhaft lässt sich die Durchflusssteuereinrichtung platzsparend anordnen, so dass Bauraum eingespart werden kann.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann die Anordnung einen Bypass zur Umgehung des Wärmeüberträgers und ein Bypassventil, ausgebildet zum Aktivieren und Deaktivieren des Bypasses, aufweisen.
Der Bypass führt von einer Einlassstelle im Zuluftstrang unter Umgehung des Wärmeüberträgers zu einer Auslassstelle im Zuluftstrang. Das Bypassventil kann beispielsweise der Einlassstelle angeordnet sein und ein Einströmen der Frischluft in den Bypass steuern oder regeln.
Ist der Wärmeüberträger stromabwärts des Luftfilters angeordnet, befindet sich die Einlassstelle bevorzugt zwischen dem Luftfilter und dem Wärmeüberträger, so dass die bereits mittels des Luftfilters gereinigte Frischluft in den Bypass strömt. In dieser Ausführungsvariante sind die Einlassstelle und ggf. das Bypassventil innerhalb des Gehäuses angeordnet.
Bei einer Anordnung des Wärmeüberträgers stromaufwärts des Luftfilters ist die Einlassstelle stromaufwärts des Wärmeüberträgers angeordnet. Die Einlassstelle kann sich in diesem Fall innerhalb oder außerhalb des Gehäuses befinden. Die Auslassstelle ist in dieser Ausführungsvariante bevorzugt stromaufwärts des Luftfilters angeordnet, um zu gewährleisten, dass sämtliche Zuluft den Luftfilter passiert.
Durch die Umgehung des Wärmeüberträgers kann eine Erwärmung der Zuluft verhindert werden. Im Unterschied zur einer Unterbrechung des Temperiermittelstroms in der Temperiermittelleitung kann mittels des Bypasses eine sofortige Unterbrechung der Erwärmung der Zuluft, d. h. ohne zeitliche Verzögerung, herbeigeführt werden.
Die Anordnung kann sowohl eine Durchflusssteuereinrichtung in der Temperiermittelleitung als auch einen Bypass mit einem zugehörigen Bypassventil aufweisen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann die Anordnung einen oder mehrere stromaufwärts und/oder stromabwärts der Abgaseinleitstelle angeordnete Temperatursensoren aufweisen. Diese dienen der Ermittlung der Temperatur der Frischluft bzw. Zuluft.
Der stromaufwärts der Abgaseinleitstelle, d. h. zwischen dem Wärmeüberträger sowie Luftfilter und der Abgaseinleitstelle bzw. zwischen dem Gehäuse und der Abgaseinleitstelle, angeordnete Temperatursensor misst die Temperatur der Frischluft unmittelbar nach dem Wärmeüberträger bzw. Gehäuse. Die Temperatur variiert in Abhängigkeit davon, ob sich die Anordnung im Heizmodus oder Normal-/Bypassmodus, d. h. ohne Erwärmung der Zuluft, befindet.
Der stromabwärts der Abgaseinleitstelle angeordnete Temperatursensor bestimmt die Temperatur vor dem Kompressor. Dieses ist gleichbedeutend mit der Mischtemperatur im Falle des Einleitens von rückgeführtem Abgas, d. h. der Temperatur der Zuluft. Beide Temperatursensoren sind wichtig, da hierüber die Kontrolle des Bypassventils und/oder der Durchflusssteuereinrichtung vorgenommen werden kann, um festzulegen, ob die Frischluft erwärmt wird oder nicht.
Beispielsweise kann mittels der Temperatursensoren festgestellt werden, ob eine von den Druck- und Temperaturbedingungen abhängige Taupunkttemperatur unterschritten, erreicht oder überschritten ist. Insofern wird keine feste Mindesttemperatur vorgegeben, sondern eine von den Druck und Temperaturbedingungen abhängige Taupunkttemperatur, die überschritten werden muss, um die Kondensatbildung zu verhindern.
Die Sensorsignale der Temperatursensoren können von einer Steuereinheit verarbeitet werden. Die Steuereinheit ist ausgebildet zum Ausgeben von Steuersignalen an die Durchflusssteuereinrichtung und/oder das Bypassventil in Abhängigkeit von Sensorsignalen des oder der Temperatursensoren.
Beispielsweise kann eine Steuerung gemäß dem nachfolgend erläuterten erfindungsgemäßen Verfahren erfolgen.
Die Steuereinheit kann Eingangsdaten von den Temperatursensoren empfangen, die Eingangsdaten verarbeiten und Steuersignale an Aktuatoren, also z. B. die Durchflusssteuereinrichtung und/oder das Bypassventil, in Reaktion auf die verarbeiteten Eingangsdaten basierend auf Anweisungen oder darin programmiertem Code entsprechend einer oder mehrerer Routinen aussenden.
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.
Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug weist eine Anordnung gemäß vorstehender Beschreibung auf. Daher dienen die obigen Ausführungen zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Anordnung auch zur Beschreibung des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs entsprechen denen der erfindungsgemäßen Anordnung und deren entsprechender Ausführungsvarianten.
Unter einem Kraftfahrzeug ist ein durch einen Motor angetriebenes Fahrzeug, z. B. ein Land-, Luft- oder Wasserfahrzeug, insbesondere ein Personenkraftwagen, zu verstehen.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Vermeidung von Kondensatbildung in einer Anordnung gemäß obiger Beschreibung weist ein Zuführen eines Temperiermittels, z. B. des Temperiermittels des Kühlkreislaufs des Verbrennungsmotors, zum Wärmeüberträger, ein Erwärmen des Wärmeüberträgers und ein Übertragen von Wärmeenergie an die Frischluft auf, falls eine Erwärmung der Frischluft erforderlich ist. Ist ein Bypass zur Umgehung des Wärmeüberträgers vorhanden, muss zudem sichergestellt werden, dass der Bypass deaktiviert ist, d. h. der Wärmeüberträger nicht umgangen wird.
Eine Erwärmung der Frischluft ist erforderlich, falls unter den gegebenen Bedingungen (Temperatur, Druck, Luftfeuchtigkeit etc.) die Gefahr der Bildung von Kondenswasser besteht. Eine Erwärmung kann auch erforderlich sein, um das Verhalten des Verbrennungsmotors positiv zu beeinflussen und/oder den Kraftstoffverbrauch zu senken und/oder die Emission von Luftschadstoffen zu verringern. Die Erforderlichkeit der Erwärmung der Frischluft kann unter Zuhilfenahme der Sensorsignale der Temperatursensoren festgestellt werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können die bereits bezüglich der Anordnung beschriebenen Effekte erzielt werden, so dass die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens den Vorteilen der erfindungsgemäßen Anordnung und deren Ausführungsvarianten entsprechen.
Ist eine Erwärmung der Frischluft nicht erforderlich, z. B. falls die Gefahr einer Kondenswasserbildung nicht besteht und/oder positive Auswirkungen auf das Verhalten des Verbrennungsmotors, den Kraftstoffverbrauch und die Emission von Luftschadstoffen nicht zu erwarten sind, kann das Zuführen des Temperiermittels zum Wärmeüberträger unterbrochen werden und/oder der Bypass kann aktiviert werden, um den Wärmeüberträger zu umgehen.
Zumeist ist eine möglichst kalte Zuluft anzustreben, da hierbei die Dichte und damit die zur Verfügung stehende enthaltene Sauerstoffmenge am größten ist, so dass mehr Kraftstoff verbrannt werden kann. Bei der Anforderung von Höchstleistung, z. B. bei Bergauffahrt, beim Fahren mit schwerer Anhängelast oder beim Fahren mit hoher Geschwindigkeit oder Höchstgeschwindigkeit ist eine Erwärmung der Zuluft kontraproduktiv, da mit erwärmter Zuluft die Höchstleistung eventuell nicht erreichbar ist. Die Erwärmung der Zuluft kann deshalb in diesen Betriebssituationen abgeschaltet werden.
Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus den Abbildungen und der zugehörigen Beschreibung ersichtlich. Es zeigen:

1 eine beispielhafte Anordnung zur Vermeidung von Kondensatbildung in einem Zuluftstrang eines Verbrennungsmotors;
2 die Anordnung gemäß 1 in einem aktivierten Erwärmungsmodus; und
3 die Anordnung gemäß 1 in einem deaktivierten Erwärmungsmodus.

In den Figuren wird kaltes Temperiermittel durch Strich-Punkt-Linien, heißes Temperiermittel durch durchgezogene Linien und warmes Temperiermittel durch gepunktete Linien dargestellt. Inaktive Bereiche sind gestrichelt dargestellt.
In 1 ist eine beispielhafte Anordnung 1 zur Vermeidung von Kondensatbildung in einem Zuluftstrang 3 eines Verbrennungsmotors 2 schematisch in einer Gesamtübersicht dargestellt. Die Anordnung 1 weist einen Verbrennungsmotor 2 auf, der über einen Zuluftstrang 3 mit Zuluft 4 versorgt wird. Vom Verbrennungsmotor 2 während des Verbrennungsvorgangs erzeugtes Abgas wird über einen sich an den Verbrennungsmotor 2 anschließenden Abgasstrang (nicht dargestellt) abgeführt. Im Abgasstrang können optional Abgasnachbehandlungseinrichtungen, z. B. Katalysatoren und/oder Partikelfilter, angeordnet sein. Dem Verbrennungsmotor 2 ist weiterhin ein Turbolader zugeordnet, der einen im Zuluftstrang 3 angeordneten Kompressor 5 und eine im Abgasstrang angeordnete Abgasturbine aufweist, die über eine Turboladerwelle miteinander verbunden sind.
Die Anordnung 1 verfügt über einen Niederdruckabgasrückführungsstrang 6, der dazu ausgebildet ist, Abgas von einer im Abgasstrang angeordneten Abgasentnahmestelle zu einer im Zuluftstrang 3 angeordneten Abgaseinleitstelle 8 zu leiten. Die Abgasentnahmestelle ist stromabwärts der Abgasturbine angeordnet, während die Abgaseinleitstelle 8 stromaufwärts des Kompressors 5 angeordnet ist.
Im Zuluftstrang 3 strömt zunächst aus der Umgebung entnommene Frischluft 19. Diese Frischluft wird ab der Abgaseinleitstelle 8 mit rückgeführtem Abgas 7 vermischt und bildet dann zusammen mit dem rückgeführten Abgas 7 die Zuluft 4, welche weiter in Richtung des Kompressors 5 strömt. An der Abgaseinleitstelle 8 ist ein AGR-Ventil 26 angeordnet, mit dem das Verhältnis zwischen Frischluft 19 und rückgeführtem Abgas 7 in der Zuluft 4 eingestellt werden kann.
Stromaufwärts der Abgaseinleitstelle 8 ist im Zuluftstrang 3 ein Gehäuse 9 mit einem Luftfilter 10 und einem Wärmeüberträger 11 angeordnet. Der Luftfilter 10 befindet sich stromaufwärts des Wärmeüberträgers 11. Die aus der Umgebung zugeführte Frischluft 19 strömt in das Gehäuse 9. Innerhalb des Gehäuses 9 durchströmt die Frischluft 19 zunächst den Luftfilter 10, wobei sie gereinigt wird, und kontaktiert anschließend den Wärmeüberträger 11. Der Wärmeüberträger 11 wird von einem Temperiermittel 13 durchströmt. Während des Kontakts mit dem Wärmeüberträger 11 kann die Frischluft 19 erwärmt werden, indem Wärmeenergie vom Temperiermittel 13 an den Wärmeüberträger 11 und weiter an die Frischluft 19 übertragen wird, sofern die Temperatur des Temperiermittels 13 bzw. Wärmeüberträgers 11 höher als die Temperatur der Frischluft 19 ist. Nach dem Passieren des Wärmeüberträgers strömt die erwärmte Frischluft 19 aus dem Gehäuse 9 weiter in Richtung Abgaseinleitstelle 8.
Die Erwärmung der Frischluft 19 vermeidet die Bildung von Kondenswasser beim Zusammentreffen der Frischluft 19 mit dem rückgeführten Abgas 7 ab der Abgaseinleitstelle 8. Die Bildung von Wassertröpfchen wird verhindert, so dass der Kompressor 5 nicht durch in der Zuluft 4 mitgeschleppte Wassertröpfchen beschädigt werden kann. Zudem können Fehlzündungen des Verbrennungsmotors 2, falls dieser als Ottomotor ausgebildet ist, vermieden werden.
Zur Umgehung des Wärmeüberträgers 11 ist ein Bypass 16 vorgesehen, der an einer Einlassstelle 21 vom Zuluftstrang 3 stromabwärts des Luftfilters 10 und stromaufwärts des Wärmeüberträgers 11 abzweigt und stromabwärts des Wärmeüberträgers 11 an einer Auslassstelle 22 wieder zurück zum Zuluftstrang 3 führt. An der Einlassstelle 21 ist ein Bypassventil 17 angeordnet, mit dem der Bypass 16 aktiviert und deaktiviert werden kann. Aktiviert bedeutet, dass der Bypass 16 von der Frischluft 19 durchströmt wird, so dass ein Kontakt der Frischluft 19 mit dem Wärmeüberträger 11 vermieden wird. Deaktiviert bedeutet, dass keine Frischluft 19 im Bypass 16 strömt.
Der Verbrennungsmotor 2 weist im Ausführungsbeispiel vier Zylindern 20 auf, wobei der Verbrennungsmotor 2 auch über eine abweichende Anzahl an Zylindern 20, beispielsweise zwei, drei, sechs oder acht Zylinder 20 verfügen kann. Zur Kühlung des Verbrennungsmotors 2 ist ein Kühlkreislauf 12 vorgesehen, der von einem Temperiermittel 13 durchströmt wird. Im Kühlkreislauf 12 ist eine Wasserpumpe 23 angeordnet, mittels der eine Strömung im Kühlkreislauf 12 ausbildbar ist. Des Weiteren ist im Kühlkreislauf 12 ein Kühler 24 angeordnet, der beispielsweise als Luftkühler ausgebildet sein kann und bei Kühlbedarf des Verbrennungsmotors 2 vom Temperiermittel 13 durchströmt werden kann.
Außerdem verfügt der Kühlkreislauf 12 über ein Thermostat 25, mit dem in Abhängigkeit der Temperatur des Temperiermittels 13 festgelegt werden kann, ob das Temperiermittel 13 den Kühler 24 durchströmt oder nicht. Hierfür ist das Thermostat 25 als Zweipunktregler ausgeführt.
Vom Kühlkreislauf 12 zweigt unmittelbar stromabwärts des Verbrennungsmotors 2 eine Temperiermittelleitung 14 ab, mit der Temperiermittel 13 aus dem Kühlkreislauf 12 zum Wärmeüberträger 11 geleitet werden kann, so dass der Wärmeüberträger 11 mittels des Temperiermittels 13 erwärmt werden kann.
In der Temperiermittelleitung 14 ist eine Durchflusssteuereinrichtung 15 angeordnet, mittels derer die Zufuhr des Temperiermittels 13 zum Wärmeüberträger 11 gesteuert werden kann, d. h. der Temperiermittelstrom zum Wärmeüberträger 11 kann hergestellt oder unterbrochen werden.
Weiterhin ist ein erster Temperatursensor 18a im Zuluftstrang 3 unmittelbar stromabwärts der Abgaseinleitstelle 8 angeordnet, der der Ermittlung der Temperatur der Zuluft 4 dient. Ein zweiter Temperatursensor 18b ist unmittelbar stromaufwärts der Abgaseinleitstelle 8 im Zuluftstrang 3 angeordnet. Dieser zweite Temperatursensor 18b dient der Ermittlung der Temperatur der Frischluft direkt vor dem Zusammentreffen mit dem rückgeführten Abgas 7.
Der erste und der zweite Temperatursensor 18a, 18b sind signaltechnisch mit einer Steuereinheit 27 verbunden, die Sensorsignale der Temperatursensoren 18a, 18b empfängt und verarbeitet. Das Bypassventil 17 und die Durchflusssteuereinrichtung 15 sind ebenfalls signaltechnisch mit der Steuereinheit 27 verbunden. In Abhängigkeit der Sensorsignale der Temperatursensoren 18a, 18b generiert die Steuereinheit 27 Steuersignale, die an das Bypassventil 17 und/oder die Durchflusssteuereinrichtung 15 als Aktoren ausgeben werden.
2 zeigt die Anordnung 1 aus 1 mit aktiviertem Erwärmungsmodus zu Erwärmung der Frischluft 19. Der Erwärmungsmodus kann insbesondere nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 2 durchgeführt werden, da in diesem Fall eine Erwärmung der Frischluft 19 zumeist erforderlich ist, um die Taupunkttemperatur in der Zuluft 4 zu erhöhen und eine Kondenswasserbildung zu verhindern. Durch den im Verbrennungsmotor 2 stattfindenden Verbrennungsvorgang erwärmt sich der Verbrennungsmotor 2 und das diesen umströmende Temperiermittel 13 des Kühlkreislaufs 12. Um eine schnelle Erwärmung des Verbrennungsmotors 2 auf eine Mindesttemperatur zu ermöglichen, wird mittels des Thermostats 25 der Temperiermittelstrom im Kühlkreislauf 12 so gesteuert, dass der Kühler 24 nicht durchströmt wird, da das Durchströmen des Kühlers 24 in diesem Fall zu einer unerwünschten Abkühlung des Temperiermittels 13 führen würde.
Ausgehend vom Verbrennungsmotor 2 durchströmt das Temperiermittel 13 daher das Thermostat 25, bevor es nach dem Passieren der Wasserpumpe 23 wieder zurück zum Verbrennungsmotor 2 gelangt. Hierbei kommt es lediglich zu einer geringen Abkühlung des Temperiermittels 13 auf dem Weg durch den Kühlkreislauf 12. Die Temperatur des Verbrennungsmotors 2 steigt daher an.
Unmittelbar stromabwärts des Verbrennungsmotors (bezogen auf die Strömungsrichtung des Temperiermittels 13 im Kühlkreislauf 12) wird ein Teil des mittels des Verbrennungsmotors 2 erwärmten Temperiermittels 13 aus dem Kühlkreislauf 12 über die Temperiermittelleitung 14 abgezweigt. Die in der Temperiermittelleitung 14 angeordnete Durchflusssteuereinrichtung wird geöffnet, do dass das Temperiermittel zum Wärmeüberträger 11 strömen und diesem erwärmen kann. Nach dem Passieren des Wärmeüberträgers 11 wird das nunmehr abgekühlte Temperiermittels 13 wieder zurück in den Kühlkreislauf 12 geführt.
Um eine Erwärmung der Frischluft 19 herbeizuführen, wird die Frischluft mit dem Wärmeüberträger 11 in Kontakt gebracht. Mit anderen Worten ist bzw. wird das Bypassventil 17 geschlossen und der Bypass 16 deaktiviert, d. h. es strömt keine Frischluft 19 durch den Bypass 16.
Das Bypassventil 17 sowie die Durchflusssteuereinrichtung 15 werden in Abhängigkeit von Sensorsignalen der Temperatursensoren 18a, 18b gesteuert. Die Erwärmung der Frischluft 19 kann solange durchgeführt werden, wie eine Kondenswasserbildung bei Kontakt mit dem rückgeführten Abgas 7 zu befürchten ist und/oder eine Verbesserung des Motorverhaltens, eine Verringerung des Kraftstoffverbrauchs und/oder eine Verringerung der Bildung von Luftschadstoffen durch eine Erwärmung der Frischluft 19 erreicht werden kann. Dies kann anhand der Sensorsignale der Temperatursensoren 18a, 18b abgeschätzt werden.
3 zeigt die Anordnung 1 aus 1 mit deaktiviertem Erwärmungsmodus. Ist eine Erwärmung der Frischluft 19 nicht erforderlich, z. B. da eine Kondensatbildung nicht zu befürchten ist oder keine Verbesserung des Motorverhaltens, eine Verringerung des Kraftstoffverbrauchs und/oder eine Verringerung der Bildung von Luftschadstoffen zu erwarten ist, kann die Erwärmung der Frischluft 19 unterbunden werden.
Dies kann beispielsweise nach einer gewissen Betriebsdauer des Verbrennungsmotors 2 der Fall sein, z. B. wenn der Verbrennungsmotor 2 bzw. das Temperiermittel 13 im Bereich des Verbrennungsmotors 2 eine Mindesttemperatur erreicht hat. In diesem Fall ist eine Kühlung des Verbrennungsmotors 2 erforderlich. Das vom Verbrennungsmotor 2 erwärmte Temperiermittel 13 erreicht das Thermostat 25, wo es in Abhängigkeit des Kühlbedarfs in zwei Teilströme aufgeteilt wird, wovon ein Teilstrom den Kühler 24 durchströmt, in dem das Temperiermittel 13 abgekühlt wird. Das wieder zusammengeführte Temperiermittel 13 weist nun eine niedrigere Temperatur auf und wird über die Wasserpumpe 23 wieder zurück zum Verbrennungsmotor 2 geleitet, wo es erneut Wärmeenergie aufnehmen kann, so dass eine Kühlwirkung für den Verbrennungsmotor 2 resultiert. Bei einer vollständigen Öffnung des Thermostats 25 kann das gesamte Temperiermittel 13 zum Kühler 24 geleitet werden, um eine maximale Kühlung zu erzielen.
Um eine Erwärmung der Frischluft 19 zu vermeiden, wird der Temperiermittelstrom in der Temperiermittelleitung 14 unterbrochen, indem die Durchflusssteuereinrichtung 15 geschlossen wird. Somit gelangt keine neue Wärmeenergie zum Wärmeüberträger 11, dieser kühlt langsam ab und kann folglich die Frischluft 19 nicht mehr erwärmen. Bereits diese Maßnahme wäre ausreichend, um eine Erwärmung der Frischluft 19 zu unterbinden.
Um jedoch möglichst schnell auf sich ändernde Bedingungen reagieren zu können, kann jedoch, wie in 3 gezeigt, zusätzlich der Bypass 16 aktiviert werden, indem das Bypassventil 17 geöffnet wird. In der Folge durchströmt die Frischluft 19 nach dem Passieren des Luftfilters 10 den Bypass 16 und ein Kontakt mit dem Wärmeüberträger 11 wird vermieden, so dass auch diese Maßnahme zu einer Unterbindung der Erwärmung der Frischluft 19 führt. Nach dem Passieren des Bypasses 16 gelangt die Frischluft 19 an der Auslassstelle 22 wieder zurück in den Zuluftstrang 3 und strömt weiter in Richtung Abgaseinleitstelle 8.
Wie zu 2 beschrieben, können das Bypassventil 17 sowie die Durchflusssteuereinrichtung 15 in Abhängigkeit von Sensorsignalen der Temperatursensoren 18a, 18b gesteuert werden.
Bezugszeichenliste

1: Anordnung
2: Verbrennungsmotor
3: Zuluftstrang
4: Zuluft
5: Kompressor
6: Niederdruckabgasrückführungsstrang
7: Abgas
8: Abgaseinleitstelle
9: Gehäuse
10: Luftfilter
11: Wärmeüberträger
12: Kühlkreislauf
13: Temperiermittel
14: Temperiermittelleitung
15: Durchflusssteuereinrichtung
16: Bypass
17: Bypassventil
18: Temperatursensor
19: Frischluft
20: Zylinder
21: Einlassstelle
22: Auslassstelle
23: Wasserpumpe
24: Kühler
25: Thermostat
26: AGR-Ventil
27: Steuereinheit

Claims

Anordnung (1) zur Vermeidung von Kondensatbildung in einem Zuluftstrang (3) eines Verbrennungsmotors (2), aufweisend: - einen Verbrennungsmotor (2), - einen Zuluftstrang (3) zum Zuführen von Zuluft (4) zum Verbrennungsmotor (2), - einen Abgasstrang zum Abführen eines Abgases (7) vom Verbrennungsmotor (2), - einen Turbolader mit einem im Zuluftstrang (3) angeordneten Kompressor (5) und einer im Abgasstrang angeordneten Abgasturbine, - einen Niederdruckabgasrückführungsstrang (6), ausgebildet zum Rückführen von Abgas (7) von einer im Abgasstrang stromabwärts der Abgasturbine angeordneten Abgasentnahmestelle zu einer in dem Zuluftstrang (3) stromaufwärts des Kompressors (5) angeordneten Abgaseinleitstelle (8), - einen im Zuluftstrang (3) stromaufwärts der Abgaseinleitstelle (8) angeordneten Luftfilter (10) und - einen im Zuluftstrang (3) stromaufwärts der Abgaseinleitstelle (8) angeordneten Wärmeüberträger (11).
Anordnung (1) nach Anspruch 1, wobei der Wärmeüberträger (11) stromabwärts oder stromaufwärts des Luftfilters (10) angeordnet ist.
Anordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Luftfilter (10) und der Wärmeüberträger (11) in einem gemeinsamen Gehäuse (9) angeordnet sind.
Anordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Wärmeüberträger (11) mit einem Kühlkreislauf (12) des Verbrennungsmotors (2) verbunden ist, so dass ein Temperiermittel (13) des Kühlkreislaufs (12) mittels einer Temperiermittelleitung (14) dem Wärmeüberträger (11) zuführbar ist.
Anordnung (1) nach Anspruch 4, wobei die Temperiermittelleitung (14) eine Durchflusssteuereinrichtung (15) zur Steuerung der Zufuhr des Temperiermittels (13) zum Wärmeüberträger (11) aufweist.
Anordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, aufweisend: - einen Bypass (16) zur Umgehung des Wärmeüberträgers (11) und - ein Bypassventil (17), ausgebildet zum Aktivieren und Deaktivieren des Bypasses (16).
Anordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, aufweisend: - einen oder mehrere stromaufwärts und/oder stromabwärts der Abgaseinleitstelle (8) angeordnete Temperatursensoren (18).
Anordnung (1) nach Anspruch 7, aufweisend: - eine Steuereinheit (27), ausgebildet zum Ausgeben von Steuersignalen an die Durchflusssteuereinrichtung (15) und/oder das Bypassventil (17) in Abhängigkeit von Sensorsignalen des oder der Temperatursensoren (18).
Kraftfahrzeug mit einer Anordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Verfahren zur Vermeidung von Kondensatbildung in einer Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, aufweisend: - bei erforderlicher Erwärmung von Frischluft (19), Zuführen eines Temperiermittels (13) zum Wärmeüberträger (11), Erwärmen des Wärmeüberträgers (11) und Übertragen von Wärmeenergie an die Frischluft (19).
Verfahren nach Anspruch 10, aufweisend: - bei nicht erforderlicher Erwärmung der Frischluft (19), Unterbrechen des Zuführens des Temperiermittels (13) zum Wärmeüberträger (11) und/oder Aktivieren des Bypasses (16) zum Umgehen des Wärmeüberträgers (11).