DE102018210572B4 - Niederdruckabgasrückführungssystem, Kraftfahrzeug sowie Verfahren zur Temperierung eines AGR-Kühlers und/oder eines AGR-Ventils - Google Patents

Niederdruckabgasrückführungssystem, Kraftfahrzeug sowie Verfahren zur Temperierung eines AGR-Kühlers und/oder eines AGR-Ventils Download PDF

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Abstract

Niederdruckabgasrückführungssystem (1) für einen Verbrennungsmotor (2), aufweisend:- einen Niederdruckabgasrückführungsstrang (3), ausgebildet zum Rückführen von Abgas (4) von einer in einem Abgasstrang (5) des Verbrennungsmotors (2) angeordneten Abgasentnahmestelle (6) zu einer in einem Zuluftstrang (7) des Verbrennungsmotors (2) angeordneten Abgaseinleitstelle (8),- einen im Niederdruckabgasrückführungsstrang (3) angeordneten AGR-Kühler (9),- ein Ventil zum Steuern der Zusammensetzung eines Zuluft (10) bildenden Gemischs aus Frischluft (11) und rückgeführtem Abgas (12), im Folgenden als AGR-Ventil (13) bezeichnet,- einen von einem Temperiermittel (14) durchströmten Temperierkreislauf (15) zur Temperierung des AGR-Kühlers (9) und des AGR-Ventils (13),- einen im Temperierkreislauf (15) angeordneten Wärmespeicher (16) mit einem Wärmespeichermedium (17) und- einen dem Wärmespeicher (16) zugeordneten Wärmeüberträger (18), ausgebildet zur Kühlung des Wärmespeichermediums (17), wobei der AGR-Kühler (9) und das AGR-Ventil (13) im Temperierkreislauf (15) in Reihe hintereinander oder parallel zueinander angeordnet sind.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Niederdruckabgasrückführungssystem für einen Verbrennungsmotor, ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zur Temperierung eines AGR-Kühlers und/oder eines AGR-Ventils eines Niederdruckabgasrückfü h ru ngssystems.
  • Die Einhaltung von Vorgaben hinsichtlich einer maximal erlaubten Emission an Luftschadstoffen beim Betrieb eines Verbrennungsmotors bedingt den Einsatz einer Abgasrückführung auch unter kalten Bedingungen, wie z. B. nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors oder bei der Benutzung des Verbrennungsmotors bei kalten Außentemperaturen.
  • Vorrangig kommt hierbei eine Niederdruckabgasrückführung zum Einsatz, bei der Abgas von einer im Abgasstrang stromabwärts der Abgasturbine eines Turboladers und ggf. stromabwärts von Abgasnachbehandlungseinrichtungen angeordneten Abgasentnahmestelle entnommen und über einen Abgasrückführungsstrang zu einer stromaufwärts des Kompressors des Turboladers im Zuluftstrang angeordneten Abgaseinleitstelle geleitet wird. Das rückgeführte Abgas wird dabei mittels eines Kühlers (AGR-Kühler) gekühlt, der in einen üblicherweise mit dem Kühlmittel des Verbrennungsmotors betriebenen Kühlkreislauf eingebunden ist, wobei das Kühlmittel in der Regel eine Temperatur von ungefähr 80 °C bis 95 °C aufweist. Zudem ist ein sog. AGR-Ventil vorhanden, welches die Abgabe des zurückzuführenden Abgases in den Zuluftstrang des Verbrennungsmotors steuert.
  • Da das Abgas des Verbrennungsmotors u. a. gasförmiges Wasser enthält, kann es unter kalten Bedingungen zu einer mit zahlreichen Problemen verbundenen Bildung von Kondenswasser kommen. Aufgrund eines Unterschreitens des Taupunkts kann es zu einer unerwünschten Kondensatbildung, insbesondere im AGR-Kühler sowie im AGR-Ventil kommen.
  • Hierbei kann einerseits ein sog. freies Strömungskondensat gebildet werden, indem das im warmen bzw. heißen und feuchten rückgeführten Niederdruckabgas enthaltene Wasser während des Abkühlens durch Kontakt mit kalter Frischluft kondensiert. Dabei agglomerieren zunächst kleine Tropfen zu grö-ßeren Tropfen. Erreichen diese größeren Tropfen ein schnell rotierendes Kompressorrad, z. B. eines dem Verbrennungsmotor zugeordneten Turboladers, können sie ein hohes Zerstörungspotential entwickeln.
  • Andererseits kann eine sog. Wandkondensation auftreten, bei der das warme bzw. heiße rückgeführte Niederdruckabgas auf eine kalte Wand trifft, wobei 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.
  • Das entstehende Kondenswasser (Kondensat) kann zusammen mit dem rückgeführten Niederdruckabgas in den Zuluftstrang des Verbrennungsmotors gelangen. Erreicht das Kondensat das Kompressorrad des Turboladers, können die Kondensattropfen in Abhängigkeit der Geschwindigkeit des Kompressorrads und der Tröpfchengröße des Kondensats 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 die Langlebigkeit des Verdichters, die Effizienz des Verdichters, den Kraftstoffverbrauch, die Emission von Luftschadstoffen und die Schwingungsentwicklung (NVH, noise vibration harshness). Darüber hinaus kann das Kondenswasser Fehlzündungen bei Ottomotoren hervorrufen.
  • Außerdem besteht die Gefahr, dass Vorgaben hinsichtlich der maximal erlaubten Emission an Luftschadstoffen und/oder eines maximalen Kraftstoffverbrauchs nicht eingehalten werden können. Die Möglichkeit einer Beschädigung kann dazu führen, dass die Niederdruckabgasrückführung in Betriebszuständen, in denen das Risiko für eine Kondensatbildung erhöht ist, nicht mehr eingesetzt wird und in der Folge ebenfalls Emissionsvorschriften, insbesondere in Hinblick auf eine maximal zulässige Emission von Stickoxiden, nicht mehr eingehalten werden können.
  • Aus der DE 10 2017 202 128 A1 ist ein Wärmeenergiemanagementsystem für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs mit einem Niederdruckabgasrückführungssystem bekannt. Das Niederdruckabgasrückführungssystem weist einen Niederdruckabgasrückführungsstrang auf, in dem ein Wärmetauscher angeordnet ist. Zudem ist ein Proportionalventil vorgesehen, um einen Teil des Abgases durch den Niederdruckabgasrückführungsstrang zu leiten. Außerdem weist das Wärmeenergiemanagementsystem einen Kühlmittelkreislauf mit einem Latentwärmespeicher auf. Mittels eines Kühlers kann das im Kühlmittelkreislauf strömende Kühlmittel gekühlt werden. Neben dem Verbrennungsmotor ist der Wärmetauscher des Niederdruckabgasrückführungsstrangs im Kühlmittelkreislauf angeordnet, so dass dieser temperiert werden kann. Eine Temperierung des Proportionalventils ist hingegen nicht vorgesehen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, Möglichkeiten anzugeben, mit denen eine kondenswasserbedingte Beschädigung des Kompressorrads vermieden werden kann.
  • 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, unter kalten Bedingungen zusätzliche Wärme zur Verfügung zu stellen, so dass der AGR-Kühler und/oder das AGR-Ventil erwärmt und eine Kondensatbildung verringert oder sogar verhindert werden kann.
  • Insofern im Folgenden eine Abgasrückführung oder eine diesbezügliche Einrichtung, wie z. B. ein AGR-Kühler oder ein AGR-Ventil, genannt, beschrieben oder erläutert wird, ist damit eine Niederdruckabgasrückführung, ein Niederdruck-AGR-Kühler, ein Niederdruck-AGR-Ventil etc. gemeint, sofern nicht anders angegeben.
  • Ein erfindungsgemäßes Niederdruckabgasrückführungssystem für einen Verbrennungsmotor weist einen Niederdruckabgasrückführungsstrang auf, der zum Rückführen von Abgas von einer in einem Abgasstrang des Verbrennungsmotors angeordneten Abgasentnahmestelle zu einer in einem Zuluftstrang des Verbrennungsmotors angeordneten Abgaseinleitstelle ausgebildet ist.
  • 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.
  • 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.
  • Der Verbrennungsmotor wird über einen Zuluftstrang mit Zuluft versorgt, die sich aus von außen zugeführter Frischluft und ggf. einem Anteil an rückgeführtem Abgas zusammensetzt. Während des Verbrennungsvorgangs gebildete Abgase werden über einen Abgasstrang vom Verbrennungsmotor abgeführt. Optional können im Abgasstrang Abgasnachbehandlungseinrichtungen, z. B. Katalysatoren, angeordnet sein.
  • Im Niederdruckabgasrückführungsstrang ist ein AGR-Kühler angeordnet, der der Kühlung des rückgeführten Abgases dient. Des Weiteren weist das Niederdruckabgasrückführungssystem ein Ventil zum Steuern der Zusammensetzung eines die Zuluft bildenden Gemischs aus Frischluft und rückgeführtem Abgas auf, das im Folgenden als AGR-Ventil bezeichnet wird.
  • Das AGR-Ventil kann gasseitig stromabwärts des Kühlers, beispielsweise an der Abgaseinleitstelle des rückgeführten Abgases in die Frischluft, angeordnet sein. Alternativ kann das AGR-Ventil stromaufwärts des Kühlers, z. B. an der Abgasentnahmestelle, angeordnet sein. Auch ein stromaufwärts des Kühlers, d. h. auf der Heißseite des Kühlers, angeordnetes AGR-Ventil profitiert zumindest unter bestimmten Bedingungen, z. B. nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors, von einer Temperierung.
  • Zudem weist das Niederdruckabgasrückführungssystem einen von einem Temperiermittel durchströmten Temperierkreislauf zur Temperierung, d. h. zum Erwärmen und Kühlen, des AGR-Kühlers und des AGR-Ventils auf.
  • Das Temperiermittel dient der Wärmeaufnahme und Wärmeabgabe von bzw. auf den AGR-Kühler und/oder das AGR-Ventil. Hierfür sind der AGR-Kühler und das AGR-Ventil im Temperierkreislauf angeordnet. Das Temperiermittel kann Wasser aufweisen oder aus Wasser bestehen. Beispielsweise kann als Temperiermittel eine Mischung aus Glykol und Wasser, z. B. im Verhältnis 50:50 (v/v). Eine solche Mischung kann z. B. eine Siedetemperatur von ca. 110 °C unter Normaldruck aufweisen.
  • Optional können auch andere Temperiermittel, z. B. mit einer Siedetemperatur im Bereich zwischen 150 °C und 200 °C unter Normaldruck verwendet werden. Dies hat den Vorteil, dass das Wärmespeichermedium bis zu einer höheren Temperatur aufgeladen werden kann, als die bei einem Siedepunkt von 100 °C möglich ist. Beispielsweise kann als Temperiermittel auch ein Öl eingesetzt werden.
  • Der AGR-Kühler und das AGR-Ventil sind im Temperierkreislauf in Reihe hintereinander oder parallel zueinander angeordnet.
  • Eine parallele Anordnung ermöglicht vorteilhaft eine voneinander unabhängige Temperierung des AGR-Kühlers und des AGR-Ventils, indem der Temperiermittelstrom entsprechend aufgeteilt wird. Zur Aufteilung des Temperiermittelstroms können Durchflusssteuereinrichtungen, z. B. Dreiwegeventile, genutzt werden. Eine Verwendung von Dreiwegeservoventilen kann eine stufenlose Volumenaufteilung des Temperiermittelstroms ermöglichen.
  • Eine Anordnung in Reihe hintereinander ermöglicht im Vergleich zu einer parallelen Anordnung eine einfachere technische Umsetzung, da entsprechende Verzweigungen und Durchflusssteuereinrichtungen zur Aufteilung des Temperiermittelstroms zwischen dem AGR-Kühler und dem AGR-Ventil entfallen. Der Temperierkreislauf kann durch Leitungen, z. B. Rohre oder Schläuche, gebildet sein, in denen sich das Temperiermittel befindet. Eine Anordnung von Einrichtungen im Temperierkreislauf, z. B. des AGR-Kühlers, des AGR-Ventils etc., bedeutet, dass eine Wärmeübertragung zwischen den entsprechenden Einrichtungen und dem Temperiermittel möglich ist, z. B. indem die Leitungen in direktem Kontakt mit den Einrichtungen stehen oder die Einrichtungen vom Temperiermittel umströmt werden.
  • Zur Verbesserung der Wärmeübertragung kann der Temperierkreislauf Einrichtungen zur Verbesserung der Wärmeübertragung aufweisen, z. B. rippenartige oder mäanderförmige Strukturen zur Vergrößerung der Oberfläche. Im Temperierkreislauf kann ein Temperiermittelstrom durch Temperaturunterschiede und/oder durch Verwendung einer Pumpeinrichtung ausgebildet werden.
  • Im Temperierkreislauf ist ein Wärmespeicher mit einem Wärmespeichermedium angeordnet. Unter einem Wärmespeichermedium ist ein Medium, z. B. eine Flüssigkeit, zu verstehen, die Wärme speichern kann. Bevorzugt weist das Wärmespeichermedium eine hohe Wärmekapazität auf, so dass mit einer geringen Masse des Wärmespeichermediums möglichst viel Wärme gespeichert werden kann. Optional kann das Wärmespeichermedium in der Lage sein, chemische Reaktionen einzugehen und/oder physikalische Vorgänge zu durchlaufen, die mit einer Wärmeaufnahme und/oder Wärmeabgabe verbunden sind. Bevorzugt können solche chemischen Reaktionen bzw. physikalischen Vorgänge reversibel aufweisen, so dass eine Wärmeaufnahme bzw. Wärmeabgabe mehrfach stattfinden kann.
  • Das Wärmespeichermedium ist in einem, bevorzugt geschlossenen, Behältnis angeordnet, wobei das Behältnis nicht auf eine bestimmte Form beschränkt ist. Das Volumen des Behältnisses kann größer als das Volumen des Wärmespeichermediums sein, um einer etwaigen thermischen Ausdehnung des Wärmespeichermediums begegnen zu können. Dadurch kann sichergestellt werden, dass das Wärmespeichermedium nicht, z. B. aufgrund von Leckagen, freigesetzt wird und eine Umweltgefahr darstellen kann.
  • Bevorzugt kann das Behältnis aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit bestehen, um eine gute Wärmeübertragung zwischen dem im Behältnis befindlichen Wärmespeichermedium und einem Temperiermittel eines Temperierkreislaufs zu ermöglichen. Behältnis und Wärmespeichermedium bilden zusammen den Wärmespeicher.
  • Weiterhin weist das Niederdruckabgasrückführungssystem einen dem Wärmespeicher zugeordneten Wärmeüberträger auf, der zur Kühlung des Wärmespeichermediums ausgebildet ist. Zugeordnet bedeutet, dass eine Wärmeübertragung vom Wärmespeicher auf den Wärmeüberträger möglich ist, der Wärmeüberträger jedoch nicht direkt im Temperierkreislauf, z. B. parallel oder in Reihe zum Wärmespeicher, angeordnet ist. Dies ermöglicht eine einfachere konstruktive und weniger störanfällige Gestaltung des Niederdruckabgasrückführungssystems. Mit anderen Worten kann das Wärmespeichermedium mittels des Wärmeüberträgers gekühlt werden, z. B. indem Wärme vom Wärmespeichermedium über den Wärmeüberträger an die Umgebung, z. B. die Umgebungsluft, abgegeben wird.
  • Durch die konkrete Auswahl der eingesetzten Medien und Mittel, also z. B. des Temperiermittels und des Wärmespeichermediums kann das Niederdruckabgasrückführungssystem in Hinblick auf die Wärmespeicherkapazität, Kühlkapazität und andere Systemeigenschaften optimiert werden.
  • Die Erfindung ermöglicht vorteilhaft eine Temperierung, neben einer Kühlung also auch eine Erwärmung, des AGR-Kühlers und/oder des AGR-Ventils. Die Bildung von Kondenswasser, insbesondere nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors, kann dadurch verringert oder sogar verhindert werden, so dass keine oder allenfalls geringe Mengen an Kondenswasser aus dem Abgasrückführungsstrang in den Zuluftstrang gelangen können.
  • Eine durch Kondenswasser bedingte Erosion der Kompressorschaufeln des Kompressorrads sowie dadurch bedingte negative Auswirkungen auf die Effizienz des Kompressors bzw. Verdichters, den Kraftstoffverbrauch, die Emission von Luftschadstoffen und die Schwingungsentwicklung können verringert oder verhindert werden. Zudem können im Falle eines Ottomotors als Verbrennungsmotor auch kondenswasserbedingte Fehlzündungen des Verbrennungsmotors minimiert oder verhindert werden.
  • Weiter vorteilhaft wird für die Temperierung des AGR-Kühlers und/oder des AGR-Ventils keine zusätzliche Energiezufuhr benötigt, die Temperierung wirkt sich also z. B. nicht nachteilig auf den Kraftstoffverbrauch aus. Das erfindungsgemäße Niederdruckabgasrückführungssystem ermöglicht nämlich eine Speicherung der anfallenden Wärme des zu kühlenden Abgases im Wärmespeichermedium, falls ausreichend Wärme zur Verfügung steht, also z. B. nachdem der Verbrennungsmotor seine Betriebstemperatur erreicht hat. Diese gespeicherte Wärme kann dann zu einem späteren Zeitpunkt zur Erwärmung des AGR-Kühlers und/oder des AGR-Ventils genutzt werden.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann das Wärmespeichermedium das Temperiermittel sein. Beispielsweise kann eine Mischung aus Wasser und Glykol wie vorstehend beschrieben sowohl als Temperiermittel als auch als Wärmespeichermedium genutzt werden.
  • Bei dieser Ausgestaltung kann das Temperiermittel bzw. Wärmespeichermedium direkt im Temperierkreislauf zirkulieren und im Wärmespeicher gespeichert werden. Im Wärmespeicher kann mit anderen Worten das Temperiermittel bevorratet sein. Vorteilhaft kann der Wärmespeicher isoliert sein, um eine unerwünschte Wärmeabgabe an die Umgebung zu verhindern.
  • Die beschriebene Ausgestaltung zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau aus. Es kann eine hohe Entladeleistung des Wärmespeichers erreicht werden, so dass der AGR-Kühler und/oder das AGR-Ventil schnell erwärmt werden können, da ein Wärmetransport direkt über das Temperiermittel bzw. Wärmespeichermedium erfolgt. Eine zusätzliche Wärmeübertragung zwischen Wärmespeichermedium und Temperiermittel entfällt.
  • Alternativ können das das Wärmespeichermedium und das Temperiermittel verschieden sein. In diesem Fall entfällt die Notwendigkeit eines Transports des Wärmespeichermediums zwischen verschiedenen Kavitäten, d. h. das Wärmespeichermedium bleibt stets im Wärmespeicher. Die Gefahr einer unerwünschten Freisetzung des Wärmespeichermediums kann dadurch verringert werden. Zudem kann der Wärmespeicher mit dem Wärmespeichermedium einfach in bestehende Wärmemanagementsysteme integriert werden, so dass beispielsweise auch eine Nachrüstung möglich ist.
  • Diese alternative Ausführungsvariante erweist sich als besonders vorteilhaft in Kombination mit einem Latentwärmespeichermedium oder einem thermochemischen Wärmespeichermedium, die während des Wärmespeichervorgangs ihren Aggregatzustand ändern können und z. B. im festen Zustand nicht im Temperierkreislauf zirkulieren können. Durch die Aufteilung der Aufgaben - Wärmetransport mittels des Temperiermittels und Wärmespeicherung mittels des Wärmespeichermediums - können für beide Aufgaben jeweils optimierte Medien eingesetzt werden. Insbesondere kann ein Wärmespeichermedium mit einem hohen Wärmespeichervermögen verwendet werden.
  • Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann das Wärmespeichermedium ein Latentwärmespeichermedium und/oder ein thermochemisches Wärmespeichermedium sein.
  • Als Latentwärmespeichermedien werden Phasenwechselmaterialien (engl. phase change materials, PCM) eingesetzt, deren latente Schmelzwärme, Lösungswärme oder Absorptionswärme größer ist als die Wärme, die sie aufgrund ihrer normalen spezifischen Wärmekapazität speichern können. Neben der spezifischen Wärmekapazität steht somit auch die latente Wärme des Phasenübergangs, z. B. von flüssig zu fest, für die Speicherung von Wärmeenergie zur Verfügung.
  • Bevorzugt kann ein Latentwärmespeichermedium verwendet werden, dessen Phasenübergang von flüssig zu fest und umgekehrt, d. h. Erstarren bzw. Schmelzen, ausgenutzt wird. Die Phasenübergangstemperatur des Fest-Flüssig-Phasenübergangs kann z. B. in einem Temperaturbereich zwischen 50 °C und 80 °C liegen.
  • Als Latentwärmespeichermedien können beispielsweise Salzhydrate, Mischungen mit Salzhydraten oder Paraffine eingesetzt werden. Bevorzugt kann Natriumacetat-Trihydrat als Latentwärmespeichermedium genutzt werden, welches eine Phasenübergangstemperatur von 58 °C für den fest-flüssig Phasenübergang aufweist, jedoch auch bei niedrigeren Temperaturen von bis zu - 20 °C im flüssigen Zustand als unterkühlte Schmelze in einem metastabilen Zustand vorliegen kann, da sich das Salz in seinem Kristallwasser löst. Wird nun eine Kristallisation ausgelöst, erwärmt sich das Latentwärmespeichermedium wieder auf die Phasenübergangstemperatur des Fest-Flüssig-Phasenübergangs und gibt Wärmeenergie ab.
  • Die mit dem Fest-Flüssig-Phasenübergang verbundene Schmelzwärme beträgt ca. 270 kJ/kg und ist damit größer als bei den meisten anderen Latentwärmespeichermedien, deren Fest-Flüssig-Phasenübergangstemperatur im Niedertemperaturbereich zwischen 40 °C und 100 °C liegt. D. h., die speicherbare Energie pro kg ist für Natriumacetat-Trihydrat besonders hoch, so dass für die Speicherung einer bestimmten Wärmeenergie wenig Latentwärmespeichermedium benötigt wird, so dass das Behältnis entsprechend klein gewählt werden kann. Dadurch kann beispielsweise Bauraum in einem mit der erfindungsgemäßen Anordnung versehenen Fahrzeug eingespart werden.
  • Weitere Beispiele für Latentwärmespeichermedien sind Natriumsulfat-Decahydrat (Fest-Flüssig-Phasenübergangstemperatur 32,5 °C, Dikaliumhydrogenphosphat-Hexahydrat (Fest-Flüssig-Phasenübergangstemperatur 14 °C) und Calciumnitrat-Tetrahydrat (Fest-Flüssig-Phasenübergangstemperatur 43 °C).
  • Bevorzugt kann ein Latentwärmespeichermedium genutzt werden, das unterhalb seiner Phasenübergangstemperatur, z. B. unterhalb der Fest-Flüssig-Phasenübergangstemperatur, in einem metastabilen Zustand vorliegt.
  • Es kann also ein Latentwärmespeichermedium verwendet werden, das als unterkühlte Schmelze oder unterkühlte Lösung in einem metastabilen Zustand vorliegen kann. Der Phasenübergang von flüssig zu fest unter Abgabe von Wärmeenergie kann dann durch Keimbildung in der unterkühlten Schmelze bzw. Lösung, z. B. mittels eines Impulses oder Impfen mit Keimen, ausgelöst werden. Vorteilhaft kann dadurch der Zeitpunkt des Phasenübergangs und somit der Beginn der Wärmeabgabe gesteuert werden.
  • Beispielsweise kann das Latentwärmespeichermedium auf Umgebungstemperatur abkühlen, ohne dass eine Kristallisation auftritt, da sich das Latentwärmespeichermedium bei Umgebungstemperatur in einem metastabilen Zustand befindet.
  • Bevorzugt sollte der metastabile Zustand bis zu einer Temperaturuntergrenze von 0 °C, weiter bevorzugt bis zu einer Temperaturuntergrenze von -10 °C, besonders bevorzugt bis zu einer Temperaturuntergrenze von -20 °C oder sogar bis zu einer Temperaturuntergrenze von -30 °C vorliegen. Dadurch kann eine Wärmeabgabe bis zum Erreichen der genannten Temperaturuntergrenzen ermöglicht werden.
  • Unter einem thermochemischen Wärmespeichermedium ist ein Medium zu verstehen, dass durch endotherme Reaktion Wärme aufnehmen und damit speichern kann. Durch exotherme Reaktion kann zuvor aufgenommene Wärme wieder abgegeben werden. Ein Beispiel hierfür ist die Adsorption und Desorption von Wasser an Silicagel.
  • Die Verwendung eines Latentwärmespeichermediums und/oder ein thermochemischen Wärmespeichermediums erhöht vorteilhaft die Wärmespeicherkapazität des Systems. Mit anderen Worten kann mehr Wärme gespeichert werden, so dass auch nach längerer Zeit noch ausreichend Wärme zur Verfügung steht, um den AGR-Kühler und/oder das AGR-Ventil zu erwärmen.
  • Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann der Wärmeüberträger in einem Erweiterungsabschnitt des Temperierkreislaufs angeordnet sein. Mit anderen Worten kann der Temperierkreislauf so erweitert sein, dass das Temperiermittel vom Wärmespeicher direkt zum Wärmeüberträger und vom Wärmeüberträger direkt zurück zum Wärmespeicher strömen kann.
  • Dies hat den Vorteil, dass nur ein Temperiermittel im Gesamtkreislauf benötigt wird, um sowohl die Wärmeübertragung innerhalb des eigentlichen Temperierkreislaufs vorzunehmen als auch eine Kühlung des Wärmespeichermediums mittels des Wärmeüberträgers zu ermöglichen.
  • Alternativ können der Wärmespeicher und der Wärmeüberträger zur Kühlung des Wärmespeichermediums in einem weiteren Temperierkreislauf angeordnet sein. Mit anderen Worten wird ein weiterer Temperierkreislauf unabhängig vom eigentlichen Temperierkreislauf ausgebildet, um das Wärmespeichermedium mittels des Wärmeüberträgers kühlen zu können.
  • Dies hat den Vorteil, dass unterschiedliche Temperiermittel für die beiden Temperierkreisläufe genutzt werden können, die für den jeweiligen Einsatzzweck, also z. B. hinsichtlich vorherrschenden Temperaturen, der gewünschten Wärmekapazität etc., optimiert sein können. Weiterhin können beide Temperierkreisläufe unabhängig voneinander gesteuert oder geregelt werden.
  • Beispielsweise kann im weiteren Temperierkreislauf das Wärmespeichermedium als Temperiermittel genutzt werden. Dadurch kann das Wärmespeichermedium direkt und damit schnell und effektiv gekühlt werden. Auch bei Verwendung eines Latentwärmespeichermediums, dessen Fest-Flüssig-Phasenübergang zur Wärmespeicherung ausgenutzt wird, kann dieses direkt als Temperiermittel im weiteren Temperierkreislauf eingesetzt werden, da der weitere Temperierkreislauf lediglich der Kühlung des Temperiermittels dient und das Latentwärmespeichermedium daher regelmäßig in einem flüssigen Zustand vorliegt.
  • Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann das Niederdruckabgasrückführungssystem einen Temperatursensor zur Ermittlung der Temperatur des Wärmespeichermediums aufweisen.
  • Beispielsweise kann zur Temperaturregelung im Temperierkreislauf die Temperatur des Wärmespeichermediums genutzt werden, indem die aktuelle Ist-Temperatur des Wärmespeichermediums gemessen und mit einer Soll-Temperatur verglichen wird. Übersteigt die Ist-Temperatur die Soll-Temperatur, kann der Wärmeüberträger aktiviert werden, um das Wärmespeichermedium auf einer bestimmten Temperatur zu halten oder zu kühlen. Erwärmt werden kann das Wärmespeichermedium im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors, d. h. im warmen Zustand, indem Wärme aus dem rückgeführten Abgas über den AGR-Kühler an das Temperiermittel und weiter an das Temperaturspeichermedium abgegeben wird.
  • Mit anderen Worten kann eine Steuer- und Regelungseinheit vorgesehen sein, die das Sensorsignal des Temperatursensors empfängt und basierend auf Anweisungen oder einem in der Steuer- und Regelungseinheit programmierten Code entsprechend einer oder mehrerer Routinen verarbeitet. Anschließend können Steuersignale an Aktuatoren, z. B. an eine im Temperierkreislauf angeordnete Pumpeinrichtung oder an eine Durchflusssteuereinrichtung, mittels der ein Temperiermittelstrom im Erweiterungsabschnitt des Temperierkreislaufs bzw. im weiteren Temperierkreislauf ermöglicht werden kann, ausgegeben werden.
  • Eine solche Steuer- und Regelungseinheit kann hardware- und/oder softwaremäßig realisiert sein und physisch ein- oder mehrteilig ausgebildet sein. Die Steuer- und Regelungseinheit kann Teil einer Motorsteuerung sein oder in diese integriert sein.
  • Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug weist ein Niederdruckabgasrückführungssystem gemäß vorstehender Beschreibung auf. Daher dienen die obigen Ausführungen zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Niederdruckabgasrückführungssystems auch zur Beschreibung des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs entsprechen denen des erfindungsgemäßen Niederdruckabgasrückführungssystems und dessen 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 Temperierung eines AGR-Kühlers und/oder eines AGR-Ventils weist ein Ausbilden eines Temperiermittelstroms im Temperierkreislauf auf. Bei erforderlicher Kühlung des AGR-Kühlers und/oder des AGR-Ventils erfolgen ein Kühlen des Wärmespeichermediums mittels des Wärmeüberträgers und/oder ein Kühlen des Temperiermittels mittels Aufladen des Wärmespeichermediums. Bei erforderlicher Erwärmung des AGR-Kühlers und/oder des AGR-Ventils erfolgt ein Beenden des Kühlens des Wärmespeichermediums mittels des Wärmeüberträgers.
  • Das Verfahren wird mittels des vorstehend beschriebenen Niederdruckabgasrückführungssystems ausgeführt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können die bereits bezüglich des Niederdruckabgasrückführungssystems beschriebenen Effekte erzielt werden, so dass die Vorteile des erfindungsgemä-ßen Verfahrens den Vorteilen des erfindungsgemäßen Niederdruckabgasrückführungssystems und dessen Ausführungsvarianten entsprechen.
  • Eine Kühlung des rückzuführenden Abgases und damit auch des AGR-Kühlers und/oder des AGR-Ventils ist üblicherweise erforderlich, sobald der Verbrennungsmotor seine normale Betriebstemperatur erreicht hat. In diesem Fall wird ein Temperiermittelstrom im Temperierkreislauf ausgebildet. Überschüssige Wärme kann mittels des Wärmeüberträgers, z. B. an die Umgebungsluft, abgegeben werden. Eine weitere Kühlung kann durch Wärmeaufnahme, d. h. Aufladen, des Wärmespeichermediums erreicht werden.
  • Bevorzugt kann zunächst das Wärmespeichermedium aufgeladen werden, damit bei einem nachfolgenden Kaltstart wieder genügend Wärme zur Verfügung steht, um den AGR-Kühler und/oder das AGR-Ventil zu erwärmen. Erreicht das Wärmespeichermedium eine vorgegebene Soll-Temperatur, kann die Temperatur des Wärmespeichermediums konstant gehalten werden, indem weitere zugeführte Wärme über den Wärmeüberträger abgegeben wird. Die Solltemperatur kann beispielsweise im Bereich von 90 °C bis 100°C, z. B. bei 95 °C, liegen.
  • Ist hingegen eine Erwärmung des AGR-Kühlers und/oder des AGR-Ventils erforderlich, z. B. um nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors einer Kondensation von im rückzuführenden Abgas enthaltenen Wasser vorzubeugen, wird mittels des ausgebildeten Temperiermittelstroms Wärme von Temperaturspeichermedium auf den AGR-Kühler und/oder das AGR-Ventil übertragen. Mit anderen Worten strömt das zunächst kalte Temperiermittel zum Wärmespeicher, nimmt dort Wärme vom zuvor aufgeladenen Wärmespeichermedium auf und transportiert diese zum AGR-Kühler und/oder AGR-Ventil, die entsprechend erwärmt werden.
  • Bei einer parallelen Anordnung von AGR-Ventil und AGR-Kühler besteht auch die Möglichkeit, nur das AGR-Ventil oder nur den AGR-Kühler zu erwärmen. Ein etwaiges zuvor durchgeführtes Kühlen des Wärmespeichermediums mittels des Wärmeüberträgers wird beendet bzw. bleibt deaktiviert.
  • Durch Variation der Strömungsgeschwindigkeit im Temperierkreislauf, z. B. durch entsprechende Einstellung einer im Temperierkreislauf angeordneten Pumpeinrichtung, kann die Temperatur des Temperiermittels und damit die Wärmeübertragungsvorgänge vorteilhaft weiter beeinflusst werden.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann das Verfahren ein Festlegen einer Solltemperatur für das Wärmespeichermedium, ein Ermitteln der Temperatur des Wärmespeichermediums und bei Überschreiten der Solltemperatur ein Kühlen des Wärmespeichermediums mittels des Wärmeüberträgers aufweisen. Die Solltemperatur kann beispielsweise im Bereich von 90 °C bis 100°C, z. B. bei 95 °C, liegen.
  • Mit anderen Worten kann die Temperatur des Wärmespeichermediums so geregelt werden, dass sie möglichst der Solltemperatur entspricht.
  • Bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors kann die Temperatur des AGR-Kühlers sowie des AGR-Ventils beispielsweise 20 °C, die Temperatur des Wärmespeichermediums des Wärmespeichers hingegen z. B. 70 °C betragen, da der Wärmespeicher zuvor aufgeladen wurde. Das erwärmte Wärmespeichermedium des Wärmespeichers wird nun genutzt, um den AGR-Kühler und/oder das AGR-Ventil zu erwärmen, so dass eine Kondensation verhindert werden kann. Hierfür wird Wärme vom Wärmespeichermedium an das Temperiermittel übertragen bzw. kann je nach konkreter Ausgestaltung das Wärmespeichermedium selbst direkt als Temperiermittel genutzt werden.
  • Im Temperierkreislauf stellt sich zunächst eine Mischtemperatur von z. B. 35 °C ein, die sich allmählich, u. a. in Abhängigkeit der Temperatur der rückgeführten Abgase und der Strömungsgeschwindigkeit im Temperierkreislauf, erhöht. Aufgrund der Wärmeübertragung weisen das Wärmespeichermedium und das Temperiermittel im angestrebten stationären Zustand die gleiche Temperatur auf.
  • Erreichen das Temperiermittel und damit auch das Wärmespeichermedium eine zuvor festgelegte Solltemperatur von z. B. 90 °C, erfolgt über den Wärmeüberträger eine Regelung auf diese Solltemperatur. Wird der Verbrennungsmotor abgestellt, weist das Wärmespeichermedium die Soll-Temperatur, also z. B. 90 °C auf und es steht wieder Wärme für einen nachfolgenden Kaltstart zur Verfügung.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann der Temperiermittelstrom auf den AGR-Kühler und das AGR-Ventil aufgeteilt werden. Hierzu können das AGR-Ventil und der AGR-Kühler parallel zueinander angeordnet sein. Vorteilhaft kann dadurch eine bedarfsgerechte Temperierung des AGR-Ventils und des AGR-Kühlers erfolgen.
  • Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus den Abbildungen und der zugehörigen Beschreibung ersichtlich. Es zeigen:
    • 1 ein erstes Niederdruckabgasrückführungssystem in einer beispielhaften Ausgestaltung mit in Reihe angeordnetem AGR-Ventil und AGR-Kühler in einem Heizmodus,
    • 2 das beispielhafte erste Niederdruckabgasrückführungssystem in einem Kühlmodus,
    • 3 das beispielhafte erste Niederdruckabgasrückführungssystem in einem Wärmespeichermodus,
    • 4 ein zweites Niederdruckabgasrückführungssystem in einer beispielhaften Ausgestaltung mit parallel angeordnetem AGR-Ventil und AGR-Kühler in einem Heizmodus,
    • 5 das beispielhafte zweite Niederdruckabgasrückführungssystem in einem Kühlmodus, und
    • 6 das beispielhafte zweite Niederdruckabgasrückführungssystem in einem Wärmespeichermodus.
  • In den Figuren sind Gasströme, d. h. Zuluft, Abgas, rückgeführtes Abgas, als doppelt gezeichnete Pfeile bzw. Blockpfeile dargestellt. Einfache Strichpfeile stelle warmes Temperiermittel, einfache durchgezogene Pfeile stellen kaltes Temperiermittel dar. Gepunktete Abschnitte stellen inaktive Abschnitte des Temperierkreislaufs dar. Der Doppelpfeil repräsentiert eine Wärmeübertragung zwischen dem Wärmespeichermedium und dem Wärmeüberträger.
  • 1 zeigt ein erstes beispielhaftes Niederdruckabgasrückführungssystem 1 für einen Verbrennungsmotor 2. Der Verbrennungsmotor 2 wird über einen Zuluftstrang 7 mit Zuluft 10 versorgt wird. Vom Verbrennungsmotor 2 während des Verbrennungsvorgangs erzeugtes Abgas 4 wird über einen sich an den Verbrennungsmotor 2 anschließenden Abgasstrang 5 abgeführt. Im Abgasstrang können optional Abgasnachbehandlungseinrichtungen 23, z. B. Katalysatoren und/oder Partikelfilter, angeordnet sein. Dem Verbrennungsmotor 2 ist weiterhin ein Turbolader zugeordnet, der einen im Zuluftstrang 7 angeordneten Kompressor 19 und eine im Abgasstrang 5 angeordnete Abgasturbine 20 aufweist, die über eine Turboladerwelle 21 miteinander verbunden sind.
  • Das Niederdruckabgasrückführungssystem 1 weist einen Niederdruckabgasrückführungsstrang 3 auf, der dazu ausgebildet ist, Abgas 4 von einer im Abgasstrang 5 angeordneten Abgasentnahmestelle 6 zu einer im Zuluftstrang 7 angeordneten Abgaseinleitstelle 8 zu leiten. Die Abgasentnahmestelle 6 ist stromabwärts der Abgasturbine 20 und stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung 23 angeordnet, während die Abgaseinleitstelle 8 stromaufwärts der des Kompressor 19 angeordnet ist.
  • Im Niederdruckabgasrückführungsstrang 3 befindet sich ein AGR-Kühler 9 zur Kühlung des rückgeführten Abgases 4. Weiterhin ist an der Abgaseinleitstelle 8 ein AGR-Ventil 13 angeordnet, mit dem der Anteil an rückgeführtem Abgas 4, d. h. also die Zusammensetzung der Zuluft 10 aus Frischluft 11 und rückgeführtem Abgas 4, eingestellt werden kann.
  • Außerdem verfügt das Niederdruckabgasrückführungssystem 1 über einen Temperierkreislauf 15, der von einem Temperiermittel 14 durchströmt wird. Im Ausführungsbeispiel besteht das Temperiermittel 14 aus einer 50:50 (v/v) Mischung von Wasser und Glykol. Es können jedoch auch andere Temperiermittel 14 eingesetzt werden und die Erfindung ist nicht auf ein bestimmtes Temperiermittel 14 beschränkt. Der Temperierkreislauf 15 dient der Temperierung des AGR-Kühlers 9 sowie des AGR-Ventils 13. Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 sind das AGR-Ventil 13 und der AGR-Kühler 9 im Temperierkreislauf 15 in Reihe hintereinander angeordnet. Wird also das AGR-Ventil 13 vom Temperiermittel 14 durchströmt, so muss zwangsläufig auch der AGR-Kühler 9 vom Temperiermittel 14 durchströmt werden.
  • Darüber hinaus weist das Niederdruckabgasrückführungssystem 1 einen Wärmespeicher 16 mit einem Wärmespeichermedium 17 auf, wobei das Wärmespeichermedium 17 ein Latentwärmespeichermedium ist. Es können jedoch auch andere Wärmespeichermedien 17 genutzt werden.
  • Dem Wärmespeicher 16 ist ein Wärmeüberträger 18 zugeordnet, mit dem das Wärmespeichermedium 17 gekühlt werden kann. Hierfür können der Wärmeüberträger 18 und der Wärmespeicher 16 in einem weiteren Temperierkreislauf (nicht dargestellt) mit einem weiteren Temperiermittel angeordnet sein. Wärme kann dann vom Wärmespeichermedium 17 an das weitere Temperiermittel und über den Wärmeüberträger 18 an die Umgebung abgegeben werden.
  • Alternativ kann der Wärmeüberträger 18 in einem Erweiterungsabschnitt des Temperierkreislaufs 15 angeordnet sein, so dass lediglich ein Temperiermittel 14 genutzt wird, mit dem sowohl Wärme zwischen dem AGR-Kühler 9 und dem AGR-Ventil 13 einerseits und dem Wärmespeicher 16 andererseits übertragen als auch Wärme vom Wärmespeicher über den Wärmeüberträger 18 an die Umgebung abgegeben werden kann.
  • Im Temperierkreislauf 15 ist weiterhin eine elektrische Pumpe als Pumpeinrichtung 22 angeordnet. Die Pumpeinrichtung 22 ermöglicht eine Ausbildung des Temperiermittelstroms im Temperierkreislauf 15 bereits vor einem Start des Verbrennungsmotors 2 und somit eine frühzeitige Temperierung des AGR-Kühlers 9 sowie des AGR-Ventils 13.
  • Optional kann das Niederdruckabgasrückführungssystem 1 einen Temperatursensor (nicht dargestellt) zur Ermittlung der Temperatur des Wärmespeichermediums 17 aufweisen. Der Temperatursensor kann in einer signaltechnischen Wirkverbindung mit einer Steuer- und Regelungseinheit (nicht dargestellt) stehen, so dass Steuersignale je nach gemessener Temperatur des Wärmespeichermediums 17 ausgegeben und z. B. eine Kühlung des Wärmespeichermediums aktiviert werden kann.
  • 1 zeigt das Niederdruckabgasrückführungssystem 1 in einem Heizmodus zur Erwärmung des AGR-Ventils 13 sowie des AGR-Kühlers 9. Ein solcher Heizmodus kann beispielsweise unmittelbar vor oder nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 2 gewählt werden, um das AGR-Ventil 13 sowie den AGR-Kühler 9 zu erwärmen und die Bildung von Kondenswasser zu verringern oder zu verhindern.
  • Im Heizmodus, d. h. bei erforderlicher Erwärmung des AGR-Kühlers 9 und des AGR-Ventils 13, wird der Temperiermittelstrom im Temperierkreislauf 15 ausgebildet. Das Temperiermittel 14 wird im Wärmespeicher 16 erwärmt, strömt vom Wärmespeicher 16 zum AGR-Ventil 13 und von diesem zum AGR-Kühler 9. Durch Wärmeübertragung vom Temperiermittel 14 auf das AGR-Ventil 13 sowie den AGR-Kühler 9 kühlt sich das Temperiermittel 14 ab und das kalte Temperiermittel 14 strömt über die Pumpeinrichtung 22 wieder zurück zum Wärmespeicher 16, wo es erneut erwärmt wird.
  • Während des Heizmodus findet keine Wärmeübertragung zwischen dem Wärmespeichermedium 17 und dem Wärmeüberträger 18 statt, d. h. ein etwaiges Kühlen des Wärmespeichermediums 17 mittels des Wärmeüberträgers 18 wird beendet.
  • 2 zeigt das Niederdruckabgasrückführungssystem 1 der 1 in einem Kühlmodus, d. h. während des Normalbetriebs nachdem der Verbrennungsmotor 2 seine Betriebstemperatur erreicht hat und eine Kühlung des rückgeführten Abgases 12 erforderlich ist. Hierfür wird ebenfalls ein Temperiermittelstrom im Temperierkreislauf 15 ausgebildet. Im Unterschied zum Heizmodus wird nun allerdings Wärme über den Wärmeüberträger 18 an die Umgebung abgegeben, so dass das Wärmespeichermedium 17 gekühlt wird. Das kalte Temperiermittel 14 strömt vom Wärmespeicher 16 zum AGR-Ventil 13 und weiter zum AGR-Kühler 9. Im AGR-Kühler 9 und im AGR-Ventil 13 kann das kalte Temperiermittel 14 Wärme aufnehmen, die mittels des AGR-Kühlers 9 bzw. des AGR-Ventils 13 vom rückgeführten Abgas 12 an das Temperiermittel 14 übertragen wird.
  • Das warme Temperiermittel 14 strömt über die Pumpeinrichtung 22 zurück zum Wärmespeicher 16, in dem überschüssige Wärme wieder abgegeben werden kann. Durch Regelung der Temperatur des Wärmespeichermediums 17 auf z. B. 90 °C kann erreicht werden, dass einerseits genügend Wärme im Wärmespeicher für eine spätere Erwärmung des AGR-Ventils 13 und des AGR-Kühlers 9 vorhanden ist und andererseits eine Kühlung des rückgeführten Abgases 12 bis auf ca. 90 °C ermöglicht wird.
  • 3 zeigt das Niederdruckabgasrückführungssystem 1 der 1 in einem Wärmespeichermodus, in dem der Wärmespeicher 16 wieder aufgeladen wird, um bei einem späteren Kaltstart wieder Wärme zur Verfügung stellen zu können. Wie im Heizmodus gemäß 1 findet ebenfalls keine Wärmeübertragung zwischen dem Wärmespeichermedium 17 und dem Wärmeüberträger 18 statt.
  • Vielmehr strömt, wie in 2 zum Kühlmodus gezeigt, das erwärmte Temperiermittel 14 zum Wärmespeicher 16 zurück und lädt das Wärmespeichermedium 17 wieder auf, z. B. indem ein mit Wärmeaufnahme verbundener Phasenübergang des Wärmespeichermediums 17 hervorgerufen wird. Im Ergebnis führt dieses Aufladen ebenfalls zu einer Kühlung des Temperiermittels 14, so dass das nach Verlassen des Wärmespeichers 16 kalte Temperiermittel 14 erneut Wärme vom AGR-Kühler 9 aufnehmen kann.
  • Ist der Wärmespeicher 16 vollständig aufgeladen, d. h. wird die Solltemperatur des Wärmespeichermediums 17 überschritten, wird das Niederdruckabgasrückführungssystem 1 weiter im Kühlmodus (2) betrieben.
  • 4 zeigt zweites Niederdruckabgasrückführungssystem 1 in einer beispielhaften Ausgestaltung im Heizmodus. Im Unterschied zum Niederdruckabgasrückführungssystem 1 gemäß 1 sind bei dem zweiten beispielhaften Niederdruckabgasrückführungssystem 1 das AGR-Ventil 13 und der AGR-Kühler 9 parallel zueinander im Temperierkreislauf 15 angeordnet. Hierfür verzweigt sich der Temperierkreislauf 15 an den Verzweigungen 24a, 24b, so dass ein Teil des Temperiermittels 14 zum AGR-Ventil 13 und das restliche Temperiermittel 14 zum AGR-Kühler 9 strömt. Nach dem Passieren des AGR-Ventils 13 bzw. des AGR-Kühlers 9 werden die beiden Temperiermittelteilströme wieder zusammengeführt. Im Übrigen wird auf die obige Erläuterung des ersten beispielhaften Niederdruckabgasrückführungssystems 1 verwiesen.
  • Die parallele Anordnung von AGR-Ventil 13 und AGR-Kühler 9 ermöglicht eine selektive Durchströmung nur des AGR-Ventils 13, nur des AGR-Kühlers 9 oder sowohl des AGR-Ventils 13 als auch des AGR-Kühlers 9. Dadurch kann der Temperiermittelstrom bei erforderlicher Erwärmung bzw. Kühlung des AGR-Kühlers 9 und/oder des AGR-Ventils 13 auf den AGR-Kühler 9 und das AGR-Ventil 13 aufgeteilt werden. Hierfür können an den Verzweigungen 24 Durchflusssteuereinrichtungen angeordnet sein. Mit anderen Worten können der AGR-Kühler 9 und das AGR-Ventil 13 unabhängig voneinander erwärmt bzw. gekühlt werden.
  • Im in 4 dargestellten Heizmodus werden das AGR-Ventil 13 und/oder der AGR-Kühler 9 erwärmt, indem ein Temperiermittelstrom im Temperierkreislauf 15 ausgebildet wird. Dazu wird das Temperiermittel 14 im Wärmespeicher 16 erwärmt. Das erwärmte Temperiermittel 14 strömt vom Wärmespeicher 16 zur ersten Verzweigung 24a, an der der Temperiermittelstrom auf zwei Teilströme aufgeteilt wird. Ein erster Teilstrom strömt weiter zum AGR-Kühler 9, ein zweiter Teilstrom zum AGR-Ventil 13. Durch Wärmeübertragung vom Temperiermittel 14 auf das AGR-Ventil 13 sowie den AGR-Kühler 9 kühlt sich das Temperiermittel 14 ab. Die beiden Teilströme des nunmehr kalten Temperiermittels 14 vereinigen sich an der zweiten Verzweigung 24b wieder. Das Temperiermittel 14 strömt anschließend über die Pumpeinrichtung 22 wieder zurück zum Wärmespeicher 16, wo es erneut erwärmt wird.
  • Während des Heizmodus findet keine Wärmeübertragung zwischen dem Wärmespeichermedium 17 und dem Wärmeüberträger 18 statt, d. h. ein etwaiges Kühlen des Wärmespeichermediums 17 mittels des Wärmeüberträgers 18 wird beendet.
  • 5 zeigt das Niederdruckabgasrückführungssystem 1 der 4 in einem Kühlmodus, d. h. während des Normalbetriebs nachdem der Verbrennungsmotor 2 seine Betriebstemperatur erreicht hat und eine Kühlung des rückgeführten Abgases 12 erforderlich ist. Hierfür wird ebenfalls ein Temperiermittelstrom im Temperierkreislauf 15 ausgebildet. Im Unterschied zum Heizmodus wird nun allerdings Wärme über den Wärmeüberträger 18 an die Umgebung abgegeben, so dass das Wärmespeichermedium 17 gekühlt wird. Das kalte Temperiermittel 14 strömt vom Wärmespeicher 16 zur ersten Verzweigung 24a, an der der Temperiermittelstrom auf das AGR-Ventil 13 und den AGR-Kühler 9 aufgeteilt wird. Im AGR-Kühler 9 bzw. AGR-Ventil 13 kann das kalte Temperiermittel 14 Wärme aufnehmen, d. h. es wird Wärme vom rückgeführten Abgas 12 an das Temperiermittel 14 übertragen.
  • Das warme Temperiermittel 14 strömt zurück zum Wärmespeicher 16, in dem überschüssige Wärme wieder abgegeben werden kann. Durch Regelung der Temperatur des Wärmespeichermediums 17 auf z. B. 90 °C kann erreicht werden, dass einerseits genügend Wärme im Wärmespeicher für eine spätere Erwärmung des AGR-Ventils 13 und des AGR-Kühlers 9 vorhanden ist und andererseits eine Kühlung des rückgeführten Abgases 12 bis auf ca. 90 °C ermöglicht wird.
  • 6 zeigt das Niederdruckabgasrückführungssystem 1 der 4 in einem Wärmespeichermodus, in dem der Wärmespeicher 16 wieder aufgeladen wird, um bei einem späteren Kaltstart wieder Wärme zur Verfügung stellen zu können. Wie im Heizmodus gemäß 4 findet ebenfalls keine Wärmeübertragung zwischen dem Wärmespeichermedium 17 und dem Wärmeüberträger 18 statt.
  • Vielmehr strömt, wie in 5 zum Kühlmodus gezeigt, das erwärmte Temperiermittel 14 zum Wärmespeicher 16 zurück und lädt das Wärmespeichermedium 17 wieder auf, z. B. indem ein mit Wärmeaufnahme verbundener Phasenübergang des Wärmespeichermediums 17 hervorgerufen wird. Im Ergebnis führt dieses Aufladen ebenfalls zu einer Kühlung des Temperiermittels 14, so dass das nach Verlassen des Wärmespeichers 16 kalte Temperiermittel 14 erneut Wärme vom AGR-Kühler 9 und/oder dem AGR-Ventil 13 aufnehmen kann.
  • Ist der Wärmespeicher 16 vollständig aufgeladen, d. h. wird die Solltemperatur des Wärmespeichermediums 17 überschritten, wird das Niederdruckabgasrückführungssystem 1 weiter im Kühlmodus (5) betrieben.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Niederdruckabgasrückführungssystem
    2
    Verbrennungsmotor
    3
    Niederdruckabgasrückführungsstrang
    4
    Abgas
    5
    Abgasstrang
    6
    Abgasentnahmestelle
    7
    Zuluftstrang
    8
    Abgaseinleitstelle
    9
    AGR-Kühler
    10
    Zuluft
    11
    Frischluft
    12
    rückgeführtes Abgas
    13
    AGR-Ventil
    14
    Temperiermittel
    15
    Temperierkreislauf
    16
    Wärmespeicher
    17
    Wärmespeichermedium
    18
    Wärmeüberträger
    19
    Kompressor
    20
    Abgasturbine
    21
    Turboladerwelle
    22
    Pumpeinrichtung
    23
    Abgasnachbehandlungseinrichtung
    24a, 24b
    Verzweigung

Claims (10)

  1. Niederdruckabgasrückführungssystem (1) für einen Verbrennungsmotor (2), aufweisend: - einen Niederdruckabgasrückführungsstrang (3), ausgebildet zum Rückführen von Abgas (4) von einer in einem Abgasstrang (5) des Verbrennungsmotors (2) angeordneten Abgasentnahmestelle (6) zu einer in einem Zuluftstrang (7) des Verbrennungsmotors (2) angeordneten Abgaseinleitstelle (8), - einen im Niederdruckabgasrückführungsstrang (3) angeordneten AGR-Kühler (9), - ein Ventil zum Steuern der Zusammensetzung eines Zuluft (10) bildenden Gemischs aus Frischluft (11) und rückgeführtem Abgas (12), im Folgenden als AGR-Ventil (13) bezeichnet, - einen von einem Temperiermittel (14) durchströmten Temperierkreislauf (15) zur Temperierung des AGR-Kühlers (9) und des AGR-Ventils (13), - einen im Temperierkreislauf (15) angeordneten Wärmespeicher (16) mit einem Wärmespeichermedium (17) und - einen dem Wärmespeicher (16) zugeordneten Wärmeüberträger (18), ausgebildet zur Kühlung des Wärmespeichermediums (17), wobei der AGR-Kühler (9) und das AGR-Ventil (13) im Temperierkreislauf (15) in Reihe hintereinander oder parallel zueinander angeordnet sind.
  2. Niederdruckabgasrückführungssystem (1) nach Anspruch 1, wobei das Wärmespeichermedium (17) das Temperiermittel (14) ist oder wobei das Wärmespeichermedium (17) und das Temperiermittel (14) verschieden sind.
  3. Niederdruckabgasrückführungssystem (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Wärmespeichermedium (17) ein Latentwärmespeichermedium und/oder ein thermochemisches Wärmespeichermedium ist.
  4. Niederdruckabgasrückführungssystem (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Wärmeüberträger (18) in einem Erweiterungsabschnitt des Temperierkreislaufs (15) angeordnet ist.
  5. Niederdruckabgasrückführungssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Wärmespeicher (16) und der Wärmeüberträger (18) zur Kühlung des Wärmespeichermediums (17) in einem weiteren Temperierkreislauf angeordnet sind.
  6. Niederdruckabgasrückführungssystem (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, aufweisend: - einen Temperatursensor zur Ermittlung der Temperatur des Wärmespeichermediums (17).
  7. Kraftfahrzeug mit einem Niederdruckabgasrückführungssystem (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
  8. Verfahren zur Temperierung eines AGR-Kühlers (9) und/oder eines AGR-Ventils (13) eines Niederdruckabgasrückführungssystems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, aufweisend: - Ausbilden eines Temperiermittelstroms im Temperierkreislauf (15), - bei erforderlicher Kühlung des AGR-Kühlers (9) und/oder des AGR-Ventils (13), Kühlen des Wärmespeichermediums (17) mittels des Wärmeüberträgers (18) und/oder Kühlen des Temperiermittels (14) mittels Aufladen des Wärmespeichermediums (17) und - bei erforderlicher Erwärmung des AGR-Kühlers (9) und/oder des AGR-Ventils (13), Beenden des Kühlens des Wärmespeichermediums (17) mittels des Wärmeüberträgers (18).
  9. Verfahren nach Anspruch 8, aufweisend: - Festlegen einer Solltemperatur für das Wärmespeichermedium (17), - Ermitteln der Temperatur des Wärmespeichermediums (17) und - bei Überschreiten der Solltemperatur Kühlen des Wärmespeichermediums (17) mittels des Wärmeüberträgers (18).
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Temperiermittelstrom auf den AGR-Kühler (9) und das AGR-Ventil (13) aufgeteilt wird.
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