DE102018216788A1

DE102018216788A1 - Brennkraftmaschinensystem und zugehöriges Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE102018216788A1
Application number: DE102018216788.5A
Authority: DE
Inventors: Jorge Curras-Guede; David Mercader Quintana; Timo PEIFER
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2017-10-05
Filing date: 2018-09-28
Publication date: 2019-04-11

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennkraftmaschinensystem (1) für ein Kraftfahrzeug, vorzugsweise Nutzfahrzeug, mit einer als Dieselmotor ausgestalteten Brennkraftmaschine (2), mit einer Frischluftanlage (4), mit einer Abgasanlage (5), mit einer Abgasrückführanlage (6), die einen Abgasrückführkühler (11) aufweist, mit einer Ladeeinrichtung (12), die in der Frischluftanlage (4) angeordnet ist, mit einem Ladeluftkühlkreis (16), der einen Ladeluftkühler (18) und einen Niedertemperatur-Kühlmittelkühler (19) aufweist, und mit einem Motorkühlkreis (17), der einen Hochtemperatur-Kühlmittelkühler (21) aufweist.
Die Effizienz des Brennkraftmaschinensystems (1) lässt sich dadurch verbessern, dass der Abgasrückführkühler (11) einen Hochtemperatur-Wärmeübertrager (23), der in den Motorkühlkreis (17) eingebunden ist, und einen Niedertemperatur-Wärmeübertrager (24) aufweist, der bezüglich einer Strömungsrichtung des rückgeführten Abgases stromab des Hochtemperatur-Wärmeübertragers (23) angeordnet ist und der in den Ladeluftkühlkreis (16) eingebunden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennkraftmaschinensystem für ein Kraftfahrzeug, vorzugsweise für ein Nutzfahrzeug. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Brennkraftmaschinensystems.
Unter einem Brennkraftmaschinensystem wird im vorliegenden Zusammenhang die Einheit aus der eigentlichen Brennkraftmaschine und den wesentlichen, zum Betrieb der Brennkraftmaschine erforderlichen Komponenten, wie zum Beispiel eine Frischluftanlage und eine Abgasanlage, verstanden. Ein derartiges Brennkraftmaschinensystem umfasst demnach eine Brennkraftmaschine, die insbesondere bei Nutzfahrzeugen als Dieselmotor ausgestaltet sein kann und mehrere Zylinder aufweist. Ferner ist eine Frischluftanlage zum Zuführen von Frischluft zu den Zylindern vorgesehen. Des Weiteren ist eine Abgasanlage zum Abführen von Abgas von den Zylindern vorgesehen. Zweckmäßig kann eine Abgasrückführanlage zum Rückführen von Abgas von der Abgasanlage zur Frischluftanlage vorgesehen sein, die einen Abgasrückführkühler aufweist, mit dessen Hilfe das rückgeführte Abgas gekühlt wird. Moderne Brennkraftmaschinensysteme sind außerdem mit einer Ladeeinrichtung zum Erhöhen des Drucks in der Frischluft ausgestattet, wobei die Ladeeinrichtung in der Frischluftanlage angeordnet ist. Um die Effizienz dieser Aufladung zu verbessern, kann außerdem ein Ladeluftkühlkreis vorgesehen sein, in dem ein Ladeluftkühlmittel zirkuliert und der einen in der Frischluftanlage angeordneten Ladeluftkühler zum Kühlen der Ladeluft und einen von einem Kühlluftstrom durchströmbaren Niedertemperatur-Kühlmittelkühler zum Kühlen des Ladeluftkühlmittels aufweist. Des Weiteren ist ein Brennkraftmaschinensystem üblicherweise mit einem Motorkühlkreis ausgestattet, in den die Brennkraftmaschine zu deren Kühlung eingebunden ist. Im Motorkühlkreis zirkuliert ein Motorkühlmittel. Ferner ist im Motorkühlkreis ein von einem Kühlluftstrom durchströmbarer Hochtemperatur-Kühlmittelkühler zum Kühlen des Motorkühlmittels angeordnet. Der vorstehend genannte Kühlluftstrom kann bei einer Fahrzeuganwendung durch den Fahrtwind erzeugt werden. Ebenso kann dieser Kühlluftstrom mit Hilfe eines entsprechenden Gebläses, dem sogenannten Lüfter, erzeugt oder unterstützt werden.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Brennkraftmaschinensystem der vorstehend beschriebenen Art eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine verbesserte Effizienz auszeichnet. Die verbesserte Effizienz kann sich dabei in einem reduzierten Kraftstoffverbrauch zeigen.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, das rückgeführte Abgas im Abgasrückführkühler zweistufig zu kühlen, um eine möglichst niedrige Temperatur im rückgeführten Abgas zu erzielen. Hierzu wird der Abgasrückführkühler zweistufig realisiert, so dass er eine erste Kühlstufe oder Hochtemperaturkühlstufe und bezüglich der Durchströmungsrichtung des rückgeführten Abgases mit einer nachfolgenden zweiten Kühlstufe oder Niedertemperaturkühlstufe ausgestattet ist. Die erste Kühlstufe wird dabei durch einen Hochtemperatur-Wärmeübertrager gebildet, während die zweite Kühlstufe durch einen Niedertemperatur-Wärmeübertrager gebildet wird. Der Hochtemperatur-Wärmeübertrager ist in den Motorkühlkreis eingebunden, so dass er vom Motorkühlmittel durchströmt ist. Im Unterschied dazu ist der Niedertemperatur-Wärmeübertrager in den Ladeluftkühlkreis eingebunden, so dass er vom Ladeluftkühlmittel durchströmt ist. Der Ladeluftkühlkreis ist dabei zweckmäßig separat zum Motorkühlkreis ausgeführt. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass zwischen den beiden separaten Kühlkreisen kein Mühlmittelaustausch erfolgt, so dass insbesondere auch verschiedene Kühlmittel verwendet werden können. Durch die Vorkühlung des rückgeführten Abgases mit Hilfe des in den Motorkühlkreis eingebundenen Hochtemperatur-Wärmeübertragers lässt sich das rückgeführte Abgas im nachfolgenden Niedertemperatur-Wärmeübertrager des Ladeluftkühlkreises signifikant besser kühlen, also auf eine niedrigere Temperatur absenken. Es hat sich gezeigt, dass durch die Reduzierung der Temperatur des rückgeführten Abgases der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine reduziert werden kann. Insoweit wird durch diese Maßnahme die Effizienz des Brennkraftmaschinensystems verbessert.
Von gewisser Bedeutung ist dabei auch der Umstand, dass der Niedertemperatur-Wärmeübertrager in den bezüglich des Motorkühlkreises bevorzugt separaten Ladeluftkühlkreis eingebunden ist, wodurch der Ladeluftkühlkreis eine Doppelfunktion erhält, da er einerseits den Ladeluftkühler zum Kühlen der Ladeluft und andererseits den Niedertemperatur-Wärmeübertrager zum Kühlen des rückgeführten Abgases enthält. Durch die insoweit vergrößerte Funktionsdichte lässt sich die Kühlleistung des Ladeluftkühlkreises besser nutzen, wodurch letztlich auch die Effizienz des Gesamtsystems verbessert wird.
Insbesondere lässt sich mit dem hier vorgestellten zweistufigen Abgasrückführkühler eine Abkühlung des rückgeführten Abgases sogar unter den Taupunkt von Wasser erzielen, das im Abgas der Brennkraftmaschine enthalten ist. Hierdurch kann es im Abgasrückführkühler bzw. in einem Abgasrückführpfad vom Abgasrückführkühler bis zur Frischluftanlage, spätestens jedoch in der Frischluftanlage zu einer Kondensierung des unter den Taupunkt abgekühlten Wasserdampfs kommen. Tropfenförmiges Wasser ist in der Frischluftanlage regelmäßig von Nachteil, insbesondere dann, wenn es sich um eine Niederdruck-AGR handelt, bei der in der Frischluftanlage eine Ladeeinrichtung angeordnet ist. Handelt es sich beispielsweise um den Verdichter eines Abgasturboladers, ist ein Verdichterrad des Verdichters aufgrund seiner hohen Drehzahl bei einer Kollision mit einem Wassertropfen einer erhöhten Beschädigungsgefahr ausgesetzt. Zusätzlich dazu, auch im Falle einer Hochdruck-AGR ergeben sich weitere Risiken für die Brennkraftmaschine durch Kondensate, wie z.B. die Gefahr einer Beschädigung von Gaswechselventilen wegen Kondensatanlagerung auf dem Ventilsitz. Die Ventile können mit hohen Geschwindigkeiten auf das inkompressible Kondensat treffen, was zu einer Beschädigung des Ventils und/oder des Ventilsitzes führen kann. Ferner können bestimmte Komponenten der Brennkraftmaschine bei Kontakt mit Kondensat korrodieren, wie z.B. die Zylindermäntel, insbesondere in Ländern, in denen noch Dieselkraftstoff mit einem höheren Schwefelgehalt verwendet wird. Außerdem kann Wasser bei niedrigen Umgebungstemperaturen gefrieren, wenn es als Rückstand in der Frischluftanlage verbleibt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Abgasrückführkühler einen Kondensatabscheider aufweisen, der zum Abscheiden von Kondensat aus dem rückgeführten Abgas ausgestaltet ist. Der Kondensatorabscheider ist dabei bezüglich der Strömungsrichtung des rückgeführten Abgases stromab des Niedertemperaturwärmeübertragers angeordnet und befindet sich somit an der kältesten Stelle des Abgasrückführkühlers. Mit Hilfe des Kondensatabscheiders lässt sich das kondensierte Wasser effizient aus dem rückgeführten Abgas entfernen. Insbesondere lässt sich das Kondensat dadurch kontrolliert beseitigen. Die Gefahr von Wassertropfen in der Frischluftanlage wird dadurch reduziert.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann das Brennkraftmaschinensystem außerdem mit einer Kondensatrückführanlage ausgestattet sein, die das Kondensat vom Kondensatabscheider abführt und über eine Kondensateinleitstelle der Abgasanlage zuführt. Mit anderen Worten, mit Hilfe dieser Kondensatrückführanlage wird das aus dem rückgeführten Abgas abgeschiedene Kondensat der Abgasanlage zugeführt und dadurch beseitigt. In der Abgasanlage selbst ist die Gefahr einer schädlichen Eisbildung deutlich geringer als beispielsweise in der Frischluftanlage.
Vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei welcher die Kondensatrückführanlage eine Einspritzeinrichtung aufweist, die das Kondensat in der Kondensateinleitstelle in die Abgasanlage einspritzt. Durch die Einspritzung des Kondensats in die Abgasanlage werden gezielt kleine und kleinste Tropfen von Wasser in den Abgasstrom eingebracht, wodurch das eingespritzte flüssige Wasser rasch verdampfen kann.
Gemäß einer anderen Weiterbildung kann in der Abgasanlage ein SCR-System angeordnet sein, wobei SCR für Selective Catalytic Reduction steht. Ein derartiges SCR-System umfasst üblicherweise einen SCR-Katalysator sowie bezüglich der Abgasströmungsrichtung stromauf davon eine Einspritzeinrichtung zum Einspritzen eines Reduktionsmittels. Als Reduktionsmittel kommt dabei üblicherweise eine wässrige Harnstofflösung in Betracht. Der im SCR-System stattfindende SCR-Prozess umfasst eine Thermolyse, bei welcher Harnstoff thermisch in Ammoniak und Isocyansäure aufgespalten wird, sowie eine nachfolgende Hydrolyse, bei welcher die Isocyansäure mit Wasser zu Ammoniak und Kohlendioxid umgewandelt wird. In der eigentlichen Reduktionsreaktion wird das im Abgas enthaltene schädliche NOX in Verbindung mit Ammoniak zu unschädlichem reinen Stickstoff und Wasser umgewandelt.
Zweckmäßig kann nun die Kondensateinleitstelle bezüglich einer Strömungsrichtung des Abgases in der Abgasanlage stromauf des SCR-Systems bzw. des SCR-Katalysators an der Abgasanlage angeordnet sein. Diese Maßnahme hat zur Folge, dass das mit Hilfe der Kondensatrückführanlage dem Abgas in der Abgasanlage zugeführte Wasser ebenfalls das SCR-System durchströmt. Das SCR-System benötigt für die Hydrolyse Wasser, um Isocyansäure in Ammoniak und Kohlendioxid umwandeln zu können. Diese Isocyansäure entsteht im Rahmen der Thermolyse, bei der Harnstoff in Ammoniak und Isocyansäure umgewandelt wird. Insoweit unterstützt die Beimischung des Kondensats zum Abgas stromauf des SCR-Systems bzw. stromauf des SCR-Katalysators die Effizienz des SCR-Systems bei der Reduzierung der Stickoxide im Abgas.
Besonders vorteilhaft ist die Kondensateinleitstelle so weit stromauf des SCR-Systems angeordnet, dass das eingespritzte flüssige Kondensat bei üblichen Betriebsbedingungen im Wesentlichen vollständig verdampft ist, bis es das SCR-System bzw. den SCR-Katalysator erreicht. Hierdurch wird verhindert, dass das Kondensat das SCR-System in flüssigem Zustand erreicht. Das SCR-System darf nicht „nass“ werden, vielmehr muss das Kondensat vor Erreichen des SCR-Systems komplett verdampft werden. Kondensat ist (unter anderem) rußhaltig und korrosiv. Es hat in der Regel einen pH-Wert von ca. 1,9. Dies ist extrem nachteilhaft für das SCR-System wegen der Gefahr von Korrosion oder Vergiftung bzw. Verstopfung des Substrats des SCR-Reaktors. Die Kondensateinleitstelle sitzt soweit stromauf des SCR-Systems, dass im Bereich der Kondensateinleitstelle relative hohe Temperaturen im Abgas herrschen, was eine effektive möglichst vollständige Verdampfung des Kondensats stromauf des SCR-Systems unterstützt.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann in der Abgasanlage ein Dieselpartikelfilter angeordnet sein. Zweckmäßig befindet sich die Kondensateinspritzstelle bezüglich einer Strömungsrichtung des Abgases stromauf des Dieselpartikelfilters an der Abgasanlage. Hierdurch kann der Dieselpartikelfilter beispielsweise zum Verdampfen des Kondensats genutzt werden. Flüssiges Wasser, das sich auf einer Oberfläche eines Filterkörpers des Dieselpartikelfilters niederschlägt, wird während des Betriebs der Brennkraftmaschine vom Abgas beaufschlagt, was die Verdampfung unterstützt. Üblicherweise ist ein derartiger Dieselpartikelfilter in der Abgasanlage bezüglich der Strömungsrichtung des Abgases stromauf des SCR-Systems bzw. des SCR-Katalysators angeordnet. Durch die Positionierung der Kondensateinleitstelle stromauf des Dieselpartikelfilters wird gewährleistet, dass am SCR-Katalysator nur dampfförmiges Wasser ankommt.
Eine andere Ausführungsform sieht vor, dass die Ladeeinrichtung als Abgasturbolader ausgestaltet ist, der einen in der Frischluftanlage angeordneten Verdichter und eine in der Abgasanlage angeordnete Turbine aufweist. Zweckmäßig ist nun vorgesehen, dass die Kondensateinleitstelle bezüglich der Strömungsrichtung des Abgases stromab der Turbine an der Abgasanlage angeordnet ist. Hierdurch wird eine Kollision des in den Abgasstrom eingebrachten flüssigen Wassers mit einem Turbinenrad der Turbine vermieden.
Im einfachsten Fall kann das Kondensat über die Kondensateinleitstelle direkt in einen Innenraum eingeleitet werden, der von einer Rohrwand eines vom Abgas durchströmten Abgasrohrs der Abgasanlage in Umfangsrichtung umhüllt ist. Das Kondensat kann mit der Rohrwand in Kontakt kommen und darauf verdampfen. Das Kondensat kann aber auch direkt vom Abgasstrom mitgenommen werden und auf dem weiteren Strömungsweg verdampfen.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei welcher die Kondensateinleitstelle eine Verdampfungseinrichtung zum Verdampfen des in die Abgasanlage eingebrachten Kondensats aufweist oder durch eine Verdampfungseinrichtung zum Verdampfen des in die Abgasanlage eingebrachten Kondensats gebildet ist. Eine solche Verdampfungseinrichtung verbessert die Verdampfung und kann grundsätzlich durch irgendein Bauteil realisiert sein, das zusätzlich zum Abgasrohr bzw. zusätzlich zur Rohrwand vorgesehen ist und sich zur Verdampfung des Kondensats eignet. Mit anderen Worten, die Rohrwand selbst bildet noch keine Verdampfungseinrichtung gemäß dieser Ausführungsform.
Zweckmäßig kann die Verdampfungseinrichtung einen Zuführstutzen aufweisen, der an ein Abgasrohr der Abgasanlage angeschlossen ist und der das Kondensat durch eine Rohrwand des Abgasrohrs hindurch in die Abgasanlage einleitet. Der Zuführstutzen besitzt ein Austrittsende, aus dem das Kondensat in das Abgasrohr gelangt. Dieses Austrittsende kann bevorzugt von der Rohrwand beabstandet sein, so dass das Kondensat nicht direkt gegen die Rohrwand geleitet wird.
Um die Verdampfung weiter verbessern zu können, kann gemäß einer Weiterbildung vorgesehen sein, dass die Verdampfungseinrichtung eine Verdampfungsplatte aufweist, die innerhalb des Abgasrohrs dem Zuführstutzen gegenüberliegend angeordnet ist, so dass das durch den Zuführstutzen eingeleitete Kondensat mit der Verdampfungsplatte in Kontakt kommt. Diese Verdampfungsplatte ist dem Abgasstrom ausgesetzt und kann Wärme in das sich auf der Verdampfungsplatte ansammelnde Kondensat einleiten, so dass dieses rasch verdampft.
Diese Verdampfungsplatte kann beispielsweise einen Blechkörper aufweisen oder durch einen Blechkörper gebildet sein, wobei der Blechkörper zumindest teilweise vom Abgas umströmbar im Abgasrohr angeordnet ist. Der Blechkörper ist sehr preiswert realisierbar und ermöglicht eine effiziente Wärmeübertragung vom Abgas in das Kondensat.
Alternativ oder zusätzlich dazu kann diese Verdampfungsplatte einen porösen Plattenkörper aufweisen oder durch einen porösen Plattenkörper gebildet sein, wobei der Plattenkörper zumindest teilweise vom Abgas umströmbar im Abgasrohr angeordnet ist. Die poröse Struktur des porösen Plattenkörpers nimmt das Kondensat auf und hält es durch Adhäsionskräfte, insbesondere Kapillarkräfte, fest bis es verdampft ist. Somit wird innerhalb der Abgasanlage keine Verdampfungsstrecke benötigt, in der das mit dem Abgas mitströmende Kondensat verdampfen muss. Gleichzeitig kann je nach Porosität des Plattenkörpers die Oberfläche des Kondensats im Plattenkörper signifikant vergrößert werden, was die rasche Verdampfung unterstützt.
Bei einer anderen Ausführungsform, die mit den vorstehenden kombinierbar ist, kann die Verdampfungseinrichtung ein Verdampfungsrohr aufweisen, das vom Abgas durchströmbar im Abgasrohr so angeordnet ist, dass radial zwischen dem Verdampfungsrohr und der Rohrwand ein Ringraum ausgebildet ist. Zweckmäßig kann das Verdampfungsrohr koaxial und insbesondere konzentrisch im Abgasrohr angeordnet sein. Ferner kann der Zuführstutzen das Kondensat so in den Ringraum einleiten dass das Kondensat mit dem Verdampfungsrohr in Kontakt kommt. Auch diese Maßnahme unterstützt den Wunsch, dass letztlich nur verdampftes Kondensat von der Abgasströmung mitgenommen wird, da eine direkte Anströmung des flüssigen Kondensats durch das Abgas behindert oder sogar verhindert ist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass der Ringraum zumindest abströmseitig offen im Abgasrohr endet. Dadurch kann das verdampfte Kondensat einfach in den im Abgasrohr geführten Abgasström eingeleitet werden. Grundsätzlich kann der Ringraum anströmseitig zum Abgasrohr verschlossen oder ebenfalls offen sein. Bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei welcher der Ringraum anströmseitig mit einem kleineren durchströmbaren Querschnitt offen zum Abgasrohr ist, so dass der Ringraum nur von einem kleinen Abgasteilstrom mit reduzierter Strömungsgeschwindigkeit durchströmt wird. Dieser Abgasteilstrom ist so ausgelegt, dass er nur verdampftes Kondensat mitnehmen kann.
Optional kann vorgesehen sein, dass das Verdampfungsrohr eine perforierte Wand aufweist, so dass diese Wand vom Abgas durchströmbar ist. Beispielsweise kann die Wand des Verdampfungsrohrs durch ein Lochblech gebildet sein. Hierdurch wird ebenfalls eine schwache Durchströmung des Ringraums mit Abgas erzeugt, derart, dass der Abgasstrom im Ringraum nur verdampftes Kondensat mitnehmen kann. Alternativ ist grundsätzlich auch denkbar, das Verdampfungsrohr mit einer für Abgas nicht durchströmbaren Wand auszugestalten, beispielsweise um den Wärmeeintrag in das Kondensat zu verbessern.
Außerdem kann zusätzlich oder alternativ vorgesehen sein, dass der Zuführstutzen das Kondensat mit einer Einleitrichtung in den Ringraum einleitet, wobei diese Einleitrichtung geneigt und/oder beabstandet zu einer Normalrichtung verläuft, die senkrecht auf der Längsmittelachse des Abgasrohrs steht. Auf diese Weise kann insbesondere eine Rotationsströmung oder Drallströmung im Ringraum erzeugt werden, in der Kondensattropfen um die Längsmittelachse des Abgasrohrs innerhalb des Ringraums rotieren bis sie verdampft sind. Besonders vorteilhaft kann die Einleitrichtung hierzu tangential zum Umfangrichtung des Ringraums ausgerichtet sein.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei welcher der Zuführstutzen eine Einspritzdüse aufweist oder als Einspritzdüse ausgestaltet ist, wobei die Einspritzdüse das Kondensat in Form von Tropfen, insbesondere als Nebel in das Abgasrohr einleitet. Die Tropfen besitzen eine große Oberfläche, was deren Verdampfung begünstigt. Bevorzugt sind kleine Tropfen mit einem Tropfendurchmesser von maximal 1mm. Nebel charakterisiert sich durch besonders kleine Tropfen, beispielsweise mit einem Tropfendurchmesser von maximal 0,1mm.
Die Einspritzdüse kann bei einer besonderen Ausführungsform eine Einspritzrichtung aufweisen, die parallel zur Längsmittelachse des Abgasrohrs verläuft. Dabei kann die Einspritzdüse das Kondensat mit der Strömungsrichtung des Abgases oder entgegen der Abgasströmungsrichtung einspritzen. Durch die Tropfen, insbesondere durch den Nebel kann das Kondensat sehr rasch verdampfen, so dass es grundsätzlich möglich ist, das Kondensat als Nebel direkt dem Abgasstrom zuzuführen, ohne dass die vorstehend beschriebenen zusätzlichen Maßnahmen, wie z.B. Verdampfungsplatte und Verdampfungsrohr, realisiert werden müssen.
Die weiter oben vorgestellte Einspritzeinrichtung kann die hier vorgestellte Einspritzdüse aufweisen oder durch diese gebildet sein.
Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Abgasrückführkühler einen Kühlerblock aufweisen, in dem der Hochtemperatur-Wärmeübertrager und der Niedertemperatur-Wärmeübertrager aufeinanderfolgen und der einen Abgaseingang, einen Abgasausgang, einen Hochtemperatur-Kühlmitteleingang, einen Hochtemperatur-Kühlmittelausgang, einen Niedertemperatur-Kühlmitteleingang und einen Niedertemperatur-Kühlmittelausgang aufweist. Mit anderen Worten, der Hochtemperatur-Wärmeübertrager und der Niedertemperatur-Wärmeübertrager sind in einem gemeinsamen Kühlerblock ausgebildet und gehen unmittelbar ineinander über. Das bedeutet, dass ein Abgasaustritt des Hochtemperatur-Wärmeübertragers unmittelbar an einen Abgaseintritt des Niedertemperatur-Wärmeübertragers angrenzt. Dementsprechend besitzt der gemeinsame Kühlerblock einen gemeinsamen Abgaseingang, der zum Abgaseintritt des Hochtemperatur-Wärmeübertragers führt oder diesem entspricht, und einen gemeinsamen Abgasausgang, der zum Abgasaustritt des Niedertemperatur-Wärmeübertragers führt oder diesem entspricht. Das Hochtemperatur-Kühlmittel ist das Motorkühlmittel. Das Niedertemperatur-Kühlmittel ist das Ladeluftkühlmittel. Mit Hilfe des gemeinsamen Kühlerblocks ergibt sich eine besonders kompakte Bauform für den Abgasrückführkühler.
Vorteilhaft kann gemäß einer Weiterbildung vorgesehen sein, dass der Kühlerblock außerdem den Kondensatabscheider sowie einen Kondensatausgang aufweist. Der Kondensatabscheider schließt dabei unmittelbar an den Niedertemperatur-Wärmeübertrager an und befindet sich dadurch noch stromauf des Abgasausgangs des Kühlerblocks. In diesem Fall grenzt der Abgasaustritt des Niedertemperatur-Wärmeübertragers unmittelbar an einen Abgaseintritt des Kondensatabscheiders an. Ein Abgasaustritt des Kondensatabscheiders führt zum Abgasausgang führt oder diesem entspricht. Auch diese Maßnahme unterstützt eine kompakte Bauform.
Eine andere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass der Hochtemperatur-Wärmeübertrager in einen Zweig des Motorkühlkreises eingebunden ist, der an der Brennkraftmaschine abzweigt und der bezüglich einer Strömungsrichtung des Motorkühlmittels im Motorkühlkreis stromab der Brennkraftmaschine und stromauf des Hochtemperatur- Kühlmittelkühlers in den Motorkühlkreis einmündet. Auf diese Weise durchströmt nur ein Teil des Motorkühlmittels den Hochtemperatur-wärmeübertrager, während der Rest des Motorkühlmittels unter Umgehung des Hochtemperatur-Wärmeübertragers zum Hochtemperatur- Kühlmittelkühler strömt. Die Einmündung des Zweigs erfolgt über eine Zweigeinleitstelle, die im Motorkühlkreis stromauf des Hochtemperatur-Kühlmittelkühlers angeordnet ist. Sofern im Motorkühlkreis ein Bypass zur Umgehung des Hochtemperatur- Kühlmittelkühlers angeordnet ist, der mit Hilfe eines Thermostatventils gesteuert ist, befindet sich besagte Zweigeinleitstelle zweckmäßig stromauf des Thermostatventils.
Zweckmäßig kann der Ladeluftkühlkreis mit einem Ladeluftkühlkreiszweig ausgestattet sein, der über eine in einem Vorlauf des Ladeluftkühlkreises angeordnete Zweigentnahmestelle und über eine in einem Rücklauf des Ladeluftkühlkreises angeordnete Zweigeinleitstelle an den Ladeluftkühlkreis angeschlossen ist. In diesen Ladeluftkühlkreiszweig kann nun der Niedertemperatür-Wärmeübertrager eingebunden sein. Hierdurch sind der Niedertemperatur-Wärmeübertrager und der Ladeluftkühler im Ladeluftkühlkreis fluidisch parallel geschaltet, so dass sie vom Ladeluftkühlmittel parallel durchströmbar sind. Der Vorlauf und der Rücklauf verbinden dabei den Niedertemperatur-Kühlmittelkühler mit dem Ladeluftkühler. Der Vorlauf führt das Ladeluftkühlmittel in der Strömungsrichtung des Ladeluftkühlmittels vom Niedertemperatur- Kühlmittelkühler zum Ladeluftkühler, während der Rücklauf das Ladeluftkühlmittel in der Strömungsrichtung des Ladeluftkühlmittels dagegen vom Ladeluftkühler zurück zum Niedertemperatur- Kühlmittelkühler führt.
Ferner ist eine Ausführungsform von Vorteil, bei welcher eine Abgaseinleitstelle, über welche das rückgeführte Abgas der Frischluftanlage zugeführt wird, bezüglich einer Strömungsrichtung der Frischluft bzw. Ladeluft stromab des Ladeluftkühlers angeordnet ist. Hierdurch lässt sich eine Verunreinigung des Ladeluftkühlers durch rückgeführtes Abgas vermeiden.
Das erfindungsgemäße Verfahren schlägt vor, das rückgeführte Abgas im Hochtemperatur-Wärmeübertrager vorzukühlen und im Niedertemperatur-Wärmeübertrager nachzukühlen. Durch diese zweistufige Kühlung wird eine vergleichsweise niedrige Temperatur für das rückgeführte Abgas realisiert.
Bevorzugt erfolgt das Nachkühlen im Niedertemperatur-Wärmeübertrager auf eine Temperatur, die unterhalb des Taupunkts von Wasser liegt, das im rückgeführten Abgas enthalten ist. Mit anderen Worten, im Abgasrückführkühler wird gezielt eine Kondensation des im rückgeführten Abgas mitgeführten Wassers herbeigeführt, beispielsweise um das rückgeführte Abgas einfacher trocknen zu können. Wie weiter oben ausgeführt kann flüssiges oder dampfförmiges Wasser aus dem Abgas, z.B. aufgrund seines geringen pH-Werts, nachteilig für Komponenten der Brennkraftmaschine sein. Durch die Abkühlung unter den Taupunkt fällt das dapmfförmige Wasser als (flüssiges) Kondensat aus, das relativ einfach aus dem Abgas abgeschieden werden kann.
Gemäß einer Weiterbildung kann nun Kondensat, das beim Kühlen des rückgeführten Abgases anfällt, dem Abgas der Abgasanlage zugeführt werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn in der Abgasanlage ein SCR-System enthalten ist. Zweckmäßig wird das Kondensat in der Abgasanlage verdampft, so dass es beispielsweise dem SCR-System gasförmig zugeführt wird. Eine vereinfachte Verdampfung ergibt sich gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform, wenn das Kondensat zum Verdampfen in die Abgasanlage eingespritzt wird. Durch die Einspritzung werden kleine Wassertropfen erzeugt, wodurch die Oberfläche des Wassers im Abgas enorm vergrößert wird, was die Verdampfung erleichtert.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen, jeweils schematisch,

1 eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung eines Brennkraftmaschinensystems,
2 bis 7 jeweils eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung einer Verdampfungseinrichtung bei verschiedenen Ausführungsformen.

Entsprechend 1 umfasst ein Brennkraftmaschinensystem 1, das vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug, insbesondere in einem Nutzfahrzeug, zur Anwendung kommt, eine Brennkraftmaschine 2, die als Dieselmotor ausgestaltet ist. Die Brennkraftmaschine 2 weist mehrere Zylinder 3 auf, in denen in üblicher Weise Kolben hubverstellbar angeordnet sind und in denen die Verbrennungsprozesse der Brennkraftmaschine 2 ablaufen. Das Brennkraftmaschinensystem 1 umfasst ferner eine Frischluftanlage 4 zum Zuführen von Frischluft zu den Zylindern 3, eine Abgasanlage 5 zum Abführen von Abgas von den Zylindern 3 und eine Abgasrückführanlage 6 zum Rückführen von Abgas von der Abgasanlage 5 zur Frischluftanlage 4.
Die Frischluftanlage 4 umfasst einen an der Brennkraftmaschine 2 angeordneten Frischluftverteiler 7 zum Verteilen der Frischluft auf die einzelnen Zylinder 3 und kann weitere übliche Komponenten enthalten, die hier nicht dargestellt sind, wie zum Beispiel ein Frischluftfilter. Die Abgasanlage 5 umfasst einen an der Brennkraftmaschine 2 angebrachten Abgassammler 8 zum Sammeln des Abgases von den einzelnen Zylindern 3 und kann weitere, übliche Komponenten enthalten, die hier nicht dargestellt sind, wie zum Beispiel Schalldämpfer. Die Abgasrückführanlage 6 ist über eine Abgasentnahmestelle 9 an die Abgasanlage 5 angeschlossen. Im Beispiel ist die Abgasentnahmestelle 9 am Abgassammler 8 angeordnet. Ferner ist die Abgasrückführanlage 6 über eine Abgaseinleitstelle 10 an die Frischluftanlage 4 angeschlossen. Die Abgaseinleitstelle 10 ist im Beispiel stromauf des Frischluftverteilers 7 angeordnet. Die Abgasrückführanlage 6 weist einen Abgasrückführkühler 11 zum Kühlen des rückgeführten Abgases auf. Zum Steuern der rückgeführten Abgasmenge kann die Abgasrückführanlage 6 mit einem Abgasrückführsteuerventil 58 ausgestattet sein, das zweckmäßig stromauf des Abgasrückführkühlers 11 angeordnet ist.
Das Brennkraftmaschinensystem 1 ist außerdem mit einer Ladeeinrichtung 12 zum Erhöhen des Drucks in der Frischluftanlage 4 ausgestattet. Diese Ladeeinrichtung 12 ist dabei in der Frischluftanlage 4 angeordnet. Beim hier gezeigten Beispiel handelt es sich bei der Ladeeinrichtung 12 um einen Abgasturbolader 13, dessen Verdichter 14 in der Frischluftanlage 4 angeordnet ist und dessen Turbine 15 in der Abgasanlage 6 angeordnet ist. Die Abgaseinleitstelle 10 der Abgasrückführanlage 6 ist stromab des Verdichters 13 bzw. der Ladeeinrichtung 12 in der Frischluftanlage 4 angeordnet.
Das Brennkraftmaschinensystem 1 ist außerdem mit einem Ladeluftkühlkreis 16 und mit einem Motorkühlkreis 17 ausgestattet. Im Ladeluftkühlkreis 16 zirkuliert ein Ladeluftkühlmittel. Der Ladeluftkühlkreis 16 umfasst einen in die Frischluftanlage 4 eingebundenen Ladeluftkühler 18 zum Kühlen der aufgeladenen Frischluft, die auch als Ladeluft bezeichnet werden kann. Der Ladeluftkühlkreis 16 enthält außerdem einen Niedertemperatur-Kühlmittelkühler 19 zum Kühlen des Ladeluftkühlmittels. Hierzu ist der Niedertemperatur-Kühlmittelkühler 19 von einem Kühlluftstrom 20 durchströmbar, der in 1 durch einen Pfeil angedeutet ist. Im Motorkühlkreis 17 zirkuliert ein Motorkühlmittel. In den Motorkühlkreis 17 ist die Brennkraftmaschine 2 eingebunden, so dass der Motorkühlkreis 17 die Wärme der Brennkraftmaschine 2 aufnehmen kann und zum Kühlen der Brennkraftmaschine 2 dient. Der Motorkühlkreis 17 weist einen Hochtemperatur-Kühlmittelkühler 21 auf, der zum Kühlen des Motorkühlmittels dient und der hierzu von einem Luftstrom 20 durchströmbar ist. Zweckmäßig werden Niedertemperatur-Kühlmittelkühler 19 und Hochtemperatur-Kühlmittelkühler 21 von demselben Luftstrom 20 durchströmt. Bei einer Fahrzeuganwendung kann dieser Luftstrom 20 durch den Fahrtwind des Fahrzeugs erzeugt werden. Zusätzlich kann der Luftstrom 20 mit Hilfe eines Gebläses 22 erzeugt bzw. unterstützt werden. Die Kühlung der Ladeluft im Ladeluftkühler 18 erfolgt mediengetrennt zum Ladeluftkühlmittel. Die Kühlung des Ladeluftkühlmittels im Niedertemperatur-Kühlmittelkühler 19 erfolgt mediengetrennt zur Luft des Kühlluftstroms 20. Ebenso erfolgt die Kühlung des Motorkühlmittels im Hochtemperatur-Kühlmittelkühler 20 mediengetrennt zur Luft des Kühlluftstroms 20. Die Abgaseinleitstelle 10 der Abgasrückführanlage 6 ist stromab des Ladeluftkühlers 18 in der Frischluftanlage 4 angeordnet.
Bei den hier gezeigten bevorzugten Ausführungsformen ist der Ladeluftkühlkreis 16 bezüglich des Motorkühlkreises 17 separat ausgestaltet ist, so dass das Motorkühlmittel unabhängig vom Ladeluftkühlmittel im jeweiligen Kreis 16, 17 zirkuliert. Zusätzlich oder alternativ ist hier vorgesehen, dass der Ladeluftkühlkreis 16 vom Motorkühlkreis 17 fluidisch getrennt ist. Somit kann kein Ladeluftkühlmittel in den Motorkühlkreis 17 gelangen. Ebenso kann kein Motorkühlmittel in den Ladeluftkühlkreis 16 gelangen. Somit lassen sich insbesondere unterschiedliche Kühlmittel verwenden, die an die jeweiligen Temperaturbereiche angepasst sind.
Zum Antreiben des Ladeluftkühlmittels im Ladeluftkühlkreis 16 kann der Ladeluftkühlkreis 16 eine entsprechende Ladeluftkühlmittelpumpe 26 aufweisen. Zum Antreiben des Motorkühlmittels im Motorkühlkreis 17 kann der Motorkühlkreis 17 eine geeignete Motorkühlmittelpumpe 27 aufweisen. Der Motorkühlkreis 17 weist ferner einen Bypass 28 zur Umgehung des Hochtemperatur-Kühlmittelkühlers 21 auf, der mit Hilfe eines Thermostatventils 29 gesteuert ist. Während eines Warmlaufbetriebs der Brennkraftmaschine 2 öffnet das Thermostatventil 29 den Bypass 28, so dass das Motorkühlmittel den Hochtemperatur-Kühlmittelkühler 21 umgeht, damit die Brennkraftmaschine 2 rascher ihre Betriebstemperatur erreicht. Ab einer vorbestimmten Temperatur im Motorkühlmittel beginnt das Thermostatventil 29 in üblicher Weise das Sperren des Bypasses 28, so dass das Motorkühlmittel in der Folge vermehrt und schließlich vollständig durch den Hochtemperatur-Kühlmittelkühler 21 strömt.
Der Abgasrückführkühler 11 ist hinsichtlich seiner Durchströmung mit dem rückzuführenden Abgas in einen vorangehenden Hochtemperatur-Wärmeübertrager 23 und einen nachfolgenden bzw. stromab davon angeordneten Niedertemperatur-Wärmeübertrager 24 unterteilt. Der Hochtemperatur-Wärmeübertrager 23 ist in den Motorkühlkreis 17 eingebunden. Im Unterschied dazu ist der Niedertemperatur-Wärmeübertrager 24 in den Ladeluftkühlkreis 16 eingebunden. Mit anderen Worten, im Hochtemperatur-Wärmeübertrager 23 wird das Motorkühlmittel zum Kühlen des rückgeführten Abgases genutzt. Im Niedertemperatur-Wärmeübertrager 24 wird das Ladeluftkühlmittel zum Kühlen des rückgeführten Abgases genutzt. Die Wärmeübertragung erfolgt dabei jeweils wieder mediengetrennt.
Der hier vorgestellte Abgasrückführkühler 11 ist außerdem mit einem Kondensatabscheider 25 ausgestattet, mit dessen Hilfe Kondensat aus dem rückgeführten Abgas abgeschieden werden kann. Der Kondensatabscheider 25 ist dabei bezüglich der Strömungsrichtung des rückgeführten Abgases stromab des Niedertemperatur-Wärmeübertragers 24 angeordnet.
Das hier vorgestellte Brennkraftmaschinensystem 1 ist außerdem mit einer Kondensatrückführanlage 30 ausgestattet, die so ausgestaltet ist, dass sie das Kondensat vom Kondensatabscheider 25 abführt und über eine Kondensateinleitstelle 31 der Abgasanlage 5 zuführt. Die Kondensatrückführanlage 30 umfasst eine Kondensatrückführleitung 32, die von einem Kondensatausgang 33 am Kondensatabscheider 25 zur Kondensateinleitstelle 31 führt. Ferner kann die Kondensatrückführanlage 30 eine Kondensatpumpe 34 und eine Zumesseinrichtung 35 aufweisen. Die Kondensatpumpe 34 fördert das Kondensat in Richtung Abgasanlage 5. Die Zumesseinrichtung 35 ermöglicht ein kontrolliertes Einbringen des Kondensats in die Abgasanlage 5 bzw. in den darin geführten Abgasstrom. Beispielsweise kann die Zumesseinrichtung 35 als Steuerventil ausgestaltet sein, das zum Öffnen und Sperren der Kondensatrückführleitung 32 angesteuert werden kann. Bevorzugt kann die Zumesseinrichtung 35 als Einspritzeinrichtung 36 ausgestaltet sein, die das Kondensat in der Kondensateinleitstelle 31 in die Abgasanlage 5 einspritzt. Je nachdem, mit welchem Druck die Kondensatpumpe 34 das Kondensat bereitstellt, kann eine vergleichsweise effiziente Zerstäubung des Kondensats im Abgas realisiert werden, um das Kondensat im Abgas möglichst rasch zu verdampfen, also wieder in den gasförmigen Zustand zu bringen.
Beim hier gezeigten Beispiel ist in der Abgasanlage 5 ein SCR-System 37 angeordnet. Ein derartiges SCR-System 37 umfasst in üblicher Weise einen SCR-Katalysator 38 sowie eine Einspritzeinrichtung 39 zum Einspritzen eines Reduktionsmittels, bei dem es sich bevorzugt um eine wässrige Harnstofflösung handelt. Des Weiteren kann in der Abgasanlage 5 ein Dieselpartikelfilter 40 angeordnet sein. Üblicherweise ist ein derartiger Dieselpartikelfilter 40 stromauf des SCR-Systems 37 in der Abgasanlage 5 angeordnet. Beim hier gezeigten Beispiel ist die Kondensateinleitstelle 31 stromauf des Dieselpartikelfilters 40 an der Abgasanlage 5 angeordnet. Grundsätzlich ist auch eine Ausführungsform denkbar, bei der die Kondensateinleitstelle 31 stromab des Dieselpartikelfilters, jedoch stromauf des SCR-Systems 37 angeordnet ist. Ferner ist die Kondensateinleitstelle 31 im gezeigten Beispiel stromab der Turbine 15 des Abgasturboladers 13 an der Abgasanlage 5 angeordnet.
Zweckmäßig umfasst der Abgasrückführkühler 11 einen Kühlerblock 41, in dem der Hochtemperatur-Wärmeübertrager 23 und der Niedertemperatur-Wärmeübertrager 24 gemeinsam ausgebildet sind und in der Durchströmungsrichtung des Abgases unmittelbar aufeinanderfolgen. Dieser gemeinsame Kühlerblock 41 besitzt einen Abgaseingang 42, einen Abgasausgang 43, einen Hochtemperatur-Kühlmitteleingang 44, einen Hochtemperatur-Kühlmittelausgang 45, einen Niedertemperatur-Kühlmitteleingang 46 und einen Niedertemperatur-Kühlmittelausgang 47. Über den Hochtemperatur-Kühlmitteleingang 44 und den Hochtemperatur-Kühlmittelausgang 45 ist der Kühlerblock 41 bzw. der Hochtemperatur-Wärmeübertrager 23 in den Motorkühlkreis 17 eingebunden. Im Einzelnen weist der Motorkühlkreis 17 hierzu einen Motorkühlkreiszweig 48 auf, der eine an der Brennkraftmaschine 2 ausgebildete Zweigentnahmestelle 49 und eine Zweigeinleitstelle 50 aufweist. Zum Anschluss an den Motorkühlkreis 17 weist die Brennkraftmaschine 2 einen Kühlmitteleinlass 51 und einen Kühlmittelauslass 52 auf. Die Zweigeinleitstelle 50 des Motorkühlkreiszweigs 48 ist stromab des Kühlmittelauslasses 52 und stromauf des Hochtemperatur-Kühlmittelkühlers 21, vorzugsweise stromauf des Thermostatventils 29 angeordnet.
Über den Niedertemperatur-Kühlmitteleingang 46 und den Niedertemperatur-Kühlmittelausgang 47 ist der Kühlerblock 41 bzw. der Niedertemperatur-Wärmeübertrager 24 in den Ladeluftkühlkreis 16 eingebunden. Hierzu kann der Ladeluftkühlkreis 16 wie im gezeigten Beispiel mit einem Ladeluftkühlkreiszweig 53 ausgestattet sein, der über eine im Vorlauf 54 des Ladeluftkühlkreises 16 angeordnete Zweigentnahmestelle 55 und über eine im Rücklauf 56 des Ladeluftkühlkreises 16 angeordnete Zweigeinleitstelle 57 an den Ladeluftkühlkreis 16 angeschlossen ist. Der Vorlauf 54 verbindet den Niedertemperatur-Kühlmittelkühler 19 mit dem Ladeluftkühler 18 und führt das Ladeluftkühlmittel in der Strömungsrichtung des Ladeluftkühlmittels vom Niedertemperatur-Kühlmittelkühler 19 zum Ladeluftkühler 18. Der Rücklauf 56 führt das Ladeluftkühlmittel dagegen vom Ladeluftkühler 18 zurück zum Niedertemperatur-Kühlmittelkühler 19 und verbindet hier ebenso den Ladeluftkühler 18 mit dem Niedertemperatur-Kühlmittelkühler 19.
Der Kühlerblock 41 des Abgasrückführkühlers 11 weist im gezeigten Beispiel außerdem den Kondensatabscheider 25 sowie den Kondensatausgang 33 auf. Hierdurch bilden Hochtemperatur-Wärmeübertrager 23, Niedertemperatur-Wärmeübertrager 24 und Kondensatabscheider 25 eine bauliche Einheit oder Baugruppe, die den Abgasrückführkühler 11 repräsentiert. Zu dieser Einheit kann auch ein hier nicht näher bezeichnetes Gehäuse gehören, das den Kühlerblock 41 aufnimmt und sämtliche Anschlüsse für rückgeführtes Abgas, Motorkühlmittel, Ladeluftkühlmittel und Kondensat aufweist.
Das hier vorgestellte Brennkraftmaschinensystem wird zweckmäßig so betrieben, dass das rückgeführte Abgas im Hochtemperatur-Wärmeübertrager 23 vorgekühlt und im Niedertemperatur-Wärmeübertrager 24 nachgekühlt wird. Dabei kann das Nachkühlen im Niedertemperatur-Wärmeübertrager 24 auf eine Temperatur erfolgen, die unterhalb des Taupunkts des Wassers liegt, das im rückgeführten Abgas enthalten ist. Dementsprechend kommt es im Niedertemperatur-Wärmeübertrager 24 zu einer Kondensation des Wassers. Im nachfolgenden Kondensatabscheider 25 wird das Kondensat aus dem Strom des rückgeführten Abgases abgeschieden und mit Hilfe der Kondensatrückführanlage 30 der Abgasanlage 5 zugeführt. Die Rückführung des Kondensats in die Abgasanlage 5 erfolgt dabei so, dass das Kondensat im Abgas verdampft und wieder gasförmig wird. Hierzu kann das flüssige Kondensat in das Abgas eingespritzt werden.
Nachfolgend werden anhand der 2 bis 7 unterschiedliche Ausführungsformen der Kondensatrückführanlage 30 näher erläutert, bei denen die Kondensateinleitstelle 31 hinsichtlich einer verbesserten Verdampfung des der Abgasanlage 5 zugeführten Kondensats ausgestaltet ist. In den 2 bis 7 wird das in die Abgasanlage 5 eingeleitete flüssige Kondensat mit 70 bezeichnet. Das Abgas bzw. der Abgasstrom bzw. die Abgasströmung in der Abgasanlage 5 ist durch Pfeile angedeutet und mit 79 bezeichnet. Verdampftes Kondensat bzw. Kondensatdampf ist dagegen mit 71 bezeichnet.
Entsprechend den 2 bis 7 weist die Kondensateinleitstelle 31 eine Verdampfungseinrichtung 59 auf oder ist durch diese Verdampfungseinrichtung 59 gebildet ist. Diese Verdampfungseinrichtung 59 dient zum Verdampfen des in die Abgasanlage 5 eingebrachten Kondensats 70. Bei allen Ausführungsformen weist die Verdampfungseinrichtung 59 einen Zuführstutzen 60 auf, der an ein Abgasrohr 61 der Abgasanlage 5 angeschlossen ist und der das Kondensat 70 durch eine Rohrwand 62 des Abgasrohrs 61 hindurch in die Abgasanlage 5 einleitet. Eine entsprechende Kondensatströmung in den 2 bis 7 durch Pfeile angedeutet und mit 80 bezeichnet. Ein Austrittsende 81 des Zuführstutzens 60 steht dabei nach innen von der Rohrwand 62 ab, ist als zu dieser beabstandet angeordnet.
Bei den in den 2 und 3 gezeigten Ausführungsformen weist die Verdampfungseinrichtung 59 eine Verdampfungsplatte 63 auf, die innerhalb des Abgasrohrs 61 dem Zuführstutzen 60 gegenüberliegend angeordnet ist, so dass das durch den Zuführstutzen 60 eingeleitete Kondensat 70 mit der Verdampfungsplatte 63 in Kontakt kommt. Die Verdampfungsplatte 63 ist beispielhaft parallel zur Längsmittelachse 73 des Abgasrohrs 61 ausgerichtet. Sie kann aber auch diesbezüglich geneigt sein. Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform ist die Verdampfungsplatte 63 durch einen vorzugsweise metallischen Blechkörper 64 gebildet, der zumindest teilweise vom Abgas 79 umströmbar im Abgasrohr 61 angeordnet ist. Auf dem Blechkörper 64 breitet sich das darauf aufgebrachte Kondensat 70 aus. Der Blechkörper 64 wird durch die Abgasströmung 79 erwärmet. Das Kondensat 70 nimmt Wärme vom Blechkörper 64 auf und verdampft. Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform ist die Verdampfungsplatte 63 durch einen vorzugsweise metallischen porösen Plattenkörper 65 gebildet, der zumindest teilweise vom Abgas 79 umströmbar im Abgasrohr 61 angeordnet ist. Der Plattenkörper 65 nimmt das zugeführte Kondensat 70 in seiner porösen Struktur auf und hält es darin fest bis es verdampft ist. Auch hier wird der Plattenkörper 65 durch den Abgasstrom 9 erwärmt und kann die Wärme an das Kondensat 70 abgeben, so dass dieses innerhalb der Struktur des Plattenkörpers 65 verdampft. Bei einer anderen Variante kann die Verdampfungsplatte 63 sowohl den Blechkörper 64 als auch den porösen Plattenkörper 65 aufweisen. Dann benötigt der Plattenkörper 65 weniger Eigensteifigkeit, da er durch den Blechkörper 64 versteift sein kann.
Bei der in den 4 bis 6 gezeigten Ausführungsform weist die Verdampfungseinrichtung 59 ein Verdampfungsrohr 66 auf, das vom Abgas 79 durchströmbar im Abgasrohr 61 so angeordnet ist, dass ein Ringraum 67 radial zwischen dem Verdampfungsrohr 66 und der Rohrwand 62 ausgebildet ist. Der Zuführstutzen 60 leitet bei dieser Ausführungsform das Kondensat 70 so in den Ringraum 67 ein, dass das Kondensat 70 mit dem Verdampfungsrohr 66 in Kontakt kommt. Bevorzugt endet der Ringraum 67 zumindest abströmseitig offen im Abgasrohr 61. Anströmseitig kann der Ringraum 67 axial offen oder geschlossen sein. Das Verdampfungsrohr 66 weist eine Wand 68 auf, die den Ringraum 67 radial begrenzt. Vorteilhaft kann diese Wand 68 perforiert sein, z.B. als Lochblech ausgestaltet sein.
Gemäß 6 kann bei einer Variante vorgesehen sein, dass der Zuführstutzen 60 das Kondensat 70 mit einer Einleitrichtung 69 in den Ringraum 67 einleitet, wobei diese Einleitrichtung 69 im Beispiel parallel und beabstandet zu einer Normalrichtung 72 verläuft, die senkrecht auf der Längsmittelachse 73 des Abgasrohrs 62 steht. Zusätzlich kann die Einleitrichtung 69 auch geneigt zur Normalrichtung 72 verlaufen. Bevorzugt ist die Einleitrichtung 69 tangential auf den Ringraum 67 ausgerichtet, um im Ringraum 67 eine in Umfangsrichtung 82 orientierte Ringströmung zu erzeugen.
Entsprechend 7 kann der Zuführstutzen 60 eine Einspritzdüse 74 aufweisen oder als Einspritzdüse 74 ausgestaltet ist. Dies kann grundsätzlich auch bei den Ausführungsformen der 2 bis 6 der Fall sein. Die Einspritzdüse 74 leitet das Kondensat 70 als Tropfen bzw. Tröpfchen und bevorzugt als Nebel 75 in das Abgasrohr 61 ein. Zweckmäßig kann die Einspritzdüse 74 dabei gemäß 6 eine Einspritzrichtung 76 aufweisen, die parallel zur Längsmittelachse 73 des Abgasrohrs 61 verläuft. Im Beispiel der 6 wird das Kondensat 70 als Nebel 75 mit der Strömungsrichtung der Abgasströmung 79 eingedüst. Denkbar ist auch eine Eindüsung entgegen der Strömungsrichtung des Abgases 79. Der Nebel 75 ist durch sehr kelien Kondensattropfen gebildet und kann sehr rasch verdampfen, so dass schon kurz hinter der Einspritzdüse 74 Kondensatdampf 71 im Abgasstrom 79 vorliegt.

Claims

Brennkraftmaschinensystem für ein Kraftfahrzeug, vorzugsweise Nutzfahrzeug, - mit einer als Dieselmotor ausgestalteten Brennkraftmaschine (2), die mehrere Zylinder (3) aufweist, - mit einer Frischluftanlage (4) zum Zuführen von Frischluft zu den Zylindern (3), - mit einer Abgasanlage (5) zum Abführen von Abgas von den Zylindern (3), - mit einer Abgasrückführanlage (6) zum Rückführen von Abgas von der Abgasanlage (5) zur Frischluftanlage (4), die einen Abgasrückführkühler (11) aufweist, - mit einer Ladeeinrichtung (12) zum Erhöhen des Drucks in der Frischluft, die in der Frischluftanlage (4) angeordnet ist, - mit einem Ladeluftkühlkreis (16), der einen in der Frischluftanlage (4) angeordneten Ladeluftkühler (18) und einen von einem Kühlluftstrom (20) durchströmbaren Niedertemperatur-Kühlmittelkühler (19) aufweist, - mit einem Motorkühlkreis (17), in den die Brennkraftmaschine (2) eingebunden ist und der einen von einem Kühlluftstrom (20) durchströmbaren Hochtemperatur-Kühlmittelkühler (21) aufweist, - wobei der Abgasrückführkühler (11) einen Hochtemperatur-Wärmeübertrager (23), der in den Motorkühlkreis (17) eingebunden ist, und einen Niedertemperatur-Wärmeübertrager (24) aufweist, der bezüglich einer Strömungsrichtung des rückgeführten Abgases stromab des Hochtemperatur-Wärmeübertragers (23) angeordnet ist und der in den Ladeluftkühlkreis (16) eingebunden ist.
Brennkraftmaschinensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, - dass der Ladeluftkühlkreis (16) bezüglich des Motorkühlkreises (17) separat ausgestaltet ist, und/oder - dass der Ladeluftkühlkreis (16) vom Motorkühlkreis (17) fluidisch getrennt ist.
Brennkraftmaschinensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasrückführkühler (11) einen Kondensatabscheider (25) zum Abscheiden von Kondensat aus dem rückgeführten Abgas aufweist, der bezüglich der Strömungsrichtung des rückgeführten Abgases stromab des Niedertemperatur-Wärmeübertragers (24) angeordnet ist.
Brennkraftmaschinensystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kondensatrückführanlage (30) vorgesehen ist, die das Kondensat vom Kondensatabscheider (25) abführt und über eine Kondensateinleitstelle (31) der Abgasanlage (5) zuführt.
Brennkraftmaschinensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatrückführanlage (30) eine Einspritzeinrichtung (36) aufweist, die das Kondensat an der Kondensateinleitstelle (31) in die Abgasanlage (5) einspritzt.
Brennkraftmaschinensystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, - dass in der Abgasanlage (5) ein SCR-System (37) angeordnet ist, - dass die Kondensateinleitstelle (31) bezüglich einer Strömungsrichtung des Abgases stromauf des SCR-Systems (37) an der Abgasanlage (5) angeordnet ist.
Brennkraftmaschinensystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, - dass in der Abgasanlage (5) ein Dieselpartikelfilter (40) angeordnet ist, - dass die Kondensateinleitstelle (31) bezüglich einer Strömungsrichtung des Abgases stromauf des Dieselpartikelfilters (40) an der Abgasanlage (5) angeordnet ist.
Brennkraftmaschinensystem nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, - dass die Ladeeinrichtung (12) als Abgasturbolader (13) ausgestaltet ist, der einen in der Frischluftanlage (4) angeordneten Verdichter (12) und eine in der Abgasanlage (5) angeordnete Turbine (15) aufweist, - dass die Kondensateinleitstelle (31) bezüglich einer Strömungsrichtung des Abgases stromab der Turbine (15) an der Abgasanlage (5) angeordnet ist.
Brennkraftmaschinensystem nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensateinleitstelle (31) eine Verdampfungseinrichtung (59) zum Verdampfen des in die Abgasanlage (5) eingebrachten Kondensats (70) aufweist oder durch eine Verdampfungseinrichtung (59) zum Verdampfen des in die Abgasanlage (5) eingebrachten Kondensats (70) gebildet ist.
Brennkraftmaschinensystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungseinrichtung (59) einen Zuführstutzen (60) aufweist, der an ein Abgasrohr (61) der Abgasanlage (5) angeschlossen ist und der das Kondensat (70) durch eine Rohrwand (62) des Abgasrohrs (61) hindurch in die Abgasanlage einleitet.
Brennkraftmaschinensystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungseinrichtung (59) eine Verdampfungsplatte (63) aufweist, die innerhalb des Abgasrohrs (61) dem Zuführstutzen (60) gegenüberliegend angeordnet ist, so dass das durch den Zuführstutzen (60) eingeleitete Kondensat (70) mit der Verdampfungsplatte (63) in Kontakt kommt.
Brennkraftmaschinensystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungsplatte (63) einen Blechkörper (64) aufweist oder durch einen Blechkörper (64) gebildet ist, wobei der Blechkörper (64) zumindest teilweise vom Abgas umströmbar im Abgasrohr (61) angeordnet ist.
Brennkraftmaschinensystem nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungsplatte (63) einen porösen Plattenkörper (65) aufweist oder durch einen porösen Plattenkörper (65) gebildet ist, wobei der Plattenkörper (65) zumindest teilweise vom Abgas umströmbar im Abgasrohr (61) angeordnet ist.
Brennkraftmaschinensystem nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, - dass die Verdampfungseinrichtung (59) ein Verdampfungsrohr (66) aufweist, das vom Abgas durchströmbar im Abgasrohr (61) so angeordnet ist, dass ein Ringraum (67) radial zwischen dem Verdampfungsrohr (66) und der Rohrwand (62) ausgebildet ist, - dass der Zuführstutzen (60) das Kondensat (70) so in den Ringraum (67) einleitet dass das Kondensat (70) mit dem Verdampfungsrohr (66) in Kontakt kommt.
Brennkraftmaschinensystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringraum (67) zumindest abströmseitig offen im Abgasrohr (61) endet.
Brennkraftmaschinensystem nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdampfungsrohr (66) eine perforierte Wand (68) aufweist.
Brennkraftmaschinensystem nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuführstutzen (60) das Kondensat (70) mit einer Einleitrichtung (69) in den Ringraum (67) einleitet, wobei die Einleitrichtung (69) geneigt und/oder beabstandet zu einer Normalrichtung (72) verläuft, die senkrecht auf der Längsmittelachse (73) des Abgasrohrs (62) steht.
Brennkraftmaschinensystem nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuführstutzen (60) eine Einspritzdüse (74) aufweist oder als Einspritzdüse (74) ausgestaltet ist, wobei die Einspritzdüse (74) das Kondensat (70) als Nebel (75) in das Abgasrohr (61) einleitet.
Brennkraftmaschinensystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuführstutzen (60) eine Einspritzdüse (74) aufweist oder als Einspritzdüse (74) ausgestaltet ist, wobei die Einspritzdüse (74) das Kondensat (70) als Nebel (75) in das Abgasrohr (61) einleitet und wobei die Einspritzdüse (74) eine Einspritzrichtung (76) aufweist, die parallel zur Längsmittelachse (73) des Abgasrohrs (61) verläuft.
Brennkraftmaschinensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasrückführkühler (11) einen Kühlerblock (41) aufweist, in dem der Hochtemperatur-Wärmeübertrager (23) und der Niedertemperatur-Wärmeübertrager (24) aufeinander folgen und der einen Abgaseingang (42), einen Abgasausgang (43), einen Hochtemperatur-Kühlmitteleingang (44), einen Hochtemperatur-Kühlmittelausgang (45), einen Niedertemperatur-Kühlmitteleingang (46) und einen Niedertemperatur-Kühlmittelausgang (47) aufweist.
Brennkraftmaschinensystem nach den Ansprüchen 3 und 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlerblock (41) außerdem den Kondensatabscheider (25) und den Kondensatausgang (33) aufweist.
Brennkraftmaschinensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperatur-Wärmeübertrager (23) in einen Motorkühlkreiszweig (48) des Motorkühlkreises (17) eingebunden ist, der an der Brennkraftmaschine (2) abzweigt und bezüglich einer Strömungsrichtung eines Kühlmittels des Motorkühlkreises (17) stromab der Brennkraftmaschine (2) und stromauf des Hochtemperatur-Kühlmittelkühlers (21) in den Motorkühlkreis (17) einmündet.
Brennkraftmaschinensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Niedertemperatur-Wärmeübertrager (24) in einen Ladeluftkühlkreiszweig (53) eingebunden ist, derart, dass der Niedertemperatur-Wärmeübertrager (24) und der Ladeluftkühler (18) parallel von einem Kühlmittel des Ladeluftkühlkreises (16) durchströmt sind.
Verfahren zum Betreiben eines Brennkraftmaschinensystems (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das rückgeführte Abgas im Hochtemperatur-Wärmeübertrager (23) vorgekühlt und im Niedertemperatur-Wärmeübertrager (24) nachgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Nachkühlen im Niedertemperatur-Wärmeübertrager (24) auf eine Temperatur erfolgt, die unterhalb des Taupunkts von Wasser liegt, das im rückgeführten Abgas enthalten ist.
Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass Kondensat, das beim Kühlen des rückgeführten Abgases anfällt, dem Abgas der Abgasanlage (5) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Kondensat in der Abgasanlage (5) verdampft wird, wobei insbesondere vorgesehen sein kann, dass das Kondensat zum Verdampfen in die Abgasanlage (5) eingespritzt wird.