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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere eine Brennkraftmaschine, die zur direkten oder indirekten Erzeugung einer Fahrantriebsleistung für ein Kraftfahrzeug vorgesehen ist.
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Solche Brennkraftmaschinen werden vielfach zur Leistungssteigerung aufgeladen. Dazu wird das den Brennräumen eines Verbrennungsmotors der Brennkraftmaschine zugeführte Frischgas mittels eines Frischgasverdichters verdichtet. Dadurch kann die Masse des in die Brennräume eingebringbaren Frischgases und damit auch die Masse des dort im Rahmen eines Arbeitstakts verbrennbaren Kraftstoffs gesteigert werden.
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Weit verbreitet ist die Aufladung von Brennkraftmaschinen mittels Abgasturboladern, die neben einem in den Frischgasstrang integrierten Frischgasverdichter noch eine in einen Abgasstrang der Brennkraftmaschine integrierte Abgasturbine aufweisen. Die Abgasturbine wird durch das diese durchströmende Abgas angetrieben, wobei eine Rotation eines Turbinenlaufrads der Abgasturbine auf ein Verdichterlaufrad des Frischgasverdichters übertragen wird, wodurch der Frischgasverdichter eine Verdichtung des Frischgases bewirkt. Ein wesentlicher Vorteil von Abgasturboladern liegt darin, dass die für die Verdichtung des Frischgases benötigte Energie aus dem Abgas gewonnen und hierfür somit keine Nutzleistung des Verbrennungsmotor abgezweigt werden muss.
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Ein prinzipieller Nachteil von Abgasturboladern liegt darin, dass die Verdichtungsleistung direkt von dem Abgasmassenstrom beziehungsweise der Abgasenthalpie abhängig ist. Bei einem nur geringen Abgasmassenstrom beziehungsweise bei einer nur geringen Abgasenthalpie wird somit auch eine nur geringe Verdichtungsleistung erzielt. Dies kann sich im Betrieb der Brennkraftmaschine insbesondere in einem verzögerten Ansprechverhalten des Verbrennungsmotors nach einem Lastsprung bemerkbar machen, d.h. wenn nach einem Betrieb mit geringer Last und geringen Drehzahlen die Lastanforderung erhöht wird. Diese hohe Lastanforderung muss zunächst in einen entsprechend erhöhten Abgasmassenstrom umgesetzt werden, der dann erst zu einer erhöhten Verdichtungsleistung führt. Besonders ausgeprägt kann ein solches verzögertes Ansprechverhalten sein, wenn die Brennkraftmaschine bei hohen Temperaturen der Umgebungsluft und/oder in einer relativ großen Höhe betrieben wird, weil dann aufgrund der relativ geringen Dichte der Umgebungsluft die den Brennräumen zugeführte Frischgas- und damit auch Sauerstoffmasse grundsätzlich relativ klein ist.
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Kraftfahrzeuge werden weiterhin vielfach mit sogenannten Standheizungen ausgerüstet, die ein Aufwärmen der Fahrzeuginnenräume und gegebenenfalls auch der Kühlsysteme der dazugehörigen Brennkraftmaschinen bereits vor einer Inbetriebnahme oder grundsätzlich außerhalb einer fahrenden Nutzung der Kraftfahrzeuge ermöglichen. Dadurch können bei relativ kalten Temperaturen der Umgebungsluft der Komfort für die Nutzer der Kraftfahrzeuge erhöht und gegebenenfalls auch die Kraftstoffverbräuche der bereits vorgewärmten oder auf einer relativ hohen Temperatur gehaltenen Brennkraftmaschinen zu Beginn einer erneuten fahrenden Nutzung gering gehalten werden. Derartige Standheizungen sind zumindest dann, wenn diese mit Kraftstoff betrieben werden, wie dies bei Kraftfahrzeugen mit Brennkraftmaschinen weit verbreitet ist, relativ komplex. Weiterhin werden durch solche Standheizungen die jeweils benötigten Kühlmittelmengen der Kühlsysteme erhöht, wodurch ein Aufwärmen dieser Kühlmittelmengen und damit auch der Brennkraftmaschinen bei einer Inbetriebnahme ohne den vorherigen Einsatz der Standheizungen längere Zeiträume in Anspruch nehmen.
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Die
DE 829 676 C offenbart ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine, die für den Antrieb eines Wasserfahrzeugs ausgelegt ist, im Kreislauf. Dabei ist vorgesehen, dass die von einem Verbrennungsmotor der Brennkraftmaschine erzeugten Abgase einem Rieselkondensator zugeführt werden, um die anfallenden gasförmigen Verbrennungsprodukte durch In-Lösung-Bringen und Kondensieren von einem als Kreislaufgas verwendeten Gas (Stickstoff oder Kohlensäure) zu trennen und um diese unter Zuführung von für die Verbrennung notwendigem Sauerstoff, insbesondere mittels einer Sauerstoffflasche, wieder dem Verbrennungsmotor zuzuführen.
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Die
DE 20 2005 003 509 U1 offenbart ein Leistungssteigerungssystem für einen Verbrennungsmotor, das mindestens ein Wasser-Elektrolyse-Gerät umfasst, das den Brennraum des Verbrennungsmotors mit Sauerstoff und/oder Wasserstoff versorgt. Weiterhin ist in der
DE 20 2005 003 509 U1 eine Variante beschrieben, bei der Sauerstoff aus in der Luft enthaltenem Ozon gewonnen wird.
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Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine, die insbesondere in einem Kraftfahrzeug genutzt werden soll, in vorteilhafter Weise weiterzuentwickeln. Insbesondere sollte das Ansprechverhalten einer solchen Brennkraftmaschine verbessert und/oder eine Möglichkeit aufgezeigt werden, eine Standheizungsfunktionalität bei einem entsprechenden Kraftfahrzeug in vorteilhafter Weise zu realisieren.
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Diese Aufgabe wird mittels einer Brennkraftmaschine gemäß dem Patentanspruch 1 sowie mittels eines Verfahrens gemäß dem Patentanspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine und bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und/oder ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist eine Brennkraftmaschine vorgesehen, die zumindest folgende Komponenten umfasst:
- - einen Verbrennungsmotor, der mindestens einen Brennraum ausbildet;
- - einen Frischgasstrang zum Zuführen von Frischgas zu dem Verbrennungsmotor, wobei der Frischgasstrang eine Ansaugöffnung zur Ansaugung von Umgebungsluft aufweist;
- - einen Abgasstrang zum Abführen von Abgas von dem Verbrennungsmotor; und
- - mindestens einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum und/oder in den Frischgasstrang.
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Vorzugsweise kann dabei vorgesehen sein, dass die Brennkraftmaschine aufgeladen ausgebildet ist und demnach zumindest ein in den Frischgasstrang integrierter Frischgasverdichter vorgesehen ist, mittels dessen eine Verdichtung des Frischgases realisierbar ist. Ein solcher Frischgasverdichter kann vorzugsweise Teil eines Abgasturboladers sein, der weiterhin eine in den Abgasstrang integrierte Abgasturbine aufweist. Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass der Verdichter mechanisch, d.h. von dem Verbrennungsmotor selbst, oder elektromotorisch antreibbar ist.
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Erfindungsgemäß gekennzeichnet ist eine solche Brennkraftmaschine durch einen Sauerstoffgenerator, insbesondere einen Sauerstoffkonzentrator, zur Erzeugung eines sauerstoffreichen Gases sowie durch mindestens ein Einblasventil zum Einblasen des sauerstoffreichen Gases in den Frischgasstrang.
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Als „Sauerstoffgenerator“ werden dabei beliebige Vorrichtungen zur Erzeugung eines sauerstoffreichen Gases, d.h. eines Gases, das im Vergleich zur Umgebungsluft einen höheren Sauerstoffgehalt (d.h. von größer als 21 Vol.-%) aufweist, verstanden. Ein solcher Sauerstoffgenerator kann dabei insbesondere auf einer chemischen oder elektrochemischen (insbesondere mittels Elektrolyse) Generation von Sauerstoff oder auf einer bevorzugt vorgesehenen Konzentration beziehungsweise Anreicherung von Sauerstoff (bei der bevorzugten Ausgestaltung als Sauerstoffkonzentrator) in oder aus einem Ausgangsgas, insbesondere in oder aus der Umgebungsluft, beruhen. Weiterhin bevorzugt können auch Konzentratoren Verwendung finden, die den Sauerstoff mittels Abscheidung an einem Molekluarsieb erzeugen beziehugnsweise anreichern.
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Eine solche Brennkraftmaschine ermöglicht, dass im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zumindest temporär während des Betriebs der Brennkraftmaschine in dem Brennraum Kraftstoff zusammen mit Frischgas verbrannt wird, wobei das Frischgas als Mischung zumindest einerseits sauerstoffreiches Gas und andererseits Umgebungsluft und/oder Abgas umfasst. Um ein solches erfindungsgemäßes Verfahren automatisiert ausführen zu können, kann eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine eine entsprechend eingerichtete Steuerungsvorrichtung aufweisen.
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Im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann einerseits vorgesehen sein, dass temporär nach einem Lastsprung im Betrieb des Verbrennungsmotors in dem Brennraum Kraftstoff zusammen mit Frischgas verbrannt wird, wobei das Frischgas als Mischung zumindest einerseits sauerstoffreiches Gas und andererseits Umgebungsluft umfasst. In diesem Fall soll folglich das sauerstoffreiche Gas, das vorzugsweise hauptsächlich, d.h. zu mindestens 50 Massen-%, oder, besonders bevorzugt, im Wesentlichen vollständig, d.h. zu mindestens 95 Massen-%, aus Sauerstoff besteht, dazu genutzt werden, das Ansprechverhalten des Verbrennungsmotors nach einem Lastsprung, insbesondere ausgehend von einem vorausgegangenen Leerlauf des Verbrennungsmotors, zu verbessern, indem eine noch relativ schlechte Versorgung des Verbrennungsmotors mit Umgebungsluft als Frischgasmasse, die aus dem vorausgegangenen Betrieb des Verbrennungsmotors mit geringen Lasten und Drehzahlen resultiert, dadurch kompensiert wird, dass dem mindestens einen Brennraum die für ein Verbrennen einer relativ großen Menge an Kraftstoff erforderliche Sauerstoffmasse zumindest teilweise durch das mittels des Sauerstoffgenerators erzeugte, sauerstoffreiche Gas zugeführt wird. Besonders ausgeprägt kann eine solche relativ schlechte Versorgung des Verbrennungsmotors mit Umgebungsluft als Frischgasmasse sein, wenn der Verbrennungsmotor zuvor nur eine sehr kurze Zeitspanne im Leerlauf betrieben wurde, wie dies beispielsweise nach einem Warmstart des Verbrennungsmotors, der insbesondere ein automatisierter Start des Verbrennungsmotors als Teilfunktion einer Start-Stopp-Automatik der Brennkraftmaschine sein kann, der Fall sein kann. Das gleiche gilt, wenn der Verbrennungsmotor bei relativ hohen Umgebungstemperaturen von beispielsweise mindestens 30°C und/oder in einer relativ großen Höhe von beispielsweise mindestens 1500 Metern über NN betrieben wird.
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Weiterhin ermöglicht eine erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Brennkraftmaschine, bei der zudem eine den Abgasstrang mit dem Frischgasstrang verbindende Abgasrückführleitung vorgesehen ist, eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem, insbesondere temporär nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine, während eines Leerlaufs des Verbrennungsmotors in dem Brennraum Kraftstoff zusammen mit Frischgas verbrannt wird, wobei das Frischgas als Mischung zumindest einerseits sauerstoffreiches Gas und andererseits hauptsächlich (d.h. zu mindestens 50 Massen-%) und vorzugsweise möglichst ausschließlich (d.h. nicht zusätzlich auch Umgebungsluft) Abgas umfasst. Damit soll insbesondere eine Standheizungsfunktionalität für ein eine solche Brennkraftmaschine umfassendes (erfindungsgemäßes) Kraftfahrzeug realisiert werden, so dass ein entsprechender Betrieb außerhalb einer fahrenden Nutzung des Kraftfahrzeugs, und insbesondere vor einer Inbetriebnahme des Kraftfahrzeugs durchgeführt wird. Ein wesentlicher Vorteil einer solchen Standheizungsfunktionalität liegt darin, dass dafür der Verbrennungsmotor selbst als Wärmquelle genutzt wird, so dass auf diejenigen Komponenten, die üblicherweise Teil einer Standheizung eines mittels einer Brennkraftmaschine angetriebenen Kraftfahrzeugs sind, d.h. insbesondere ein Brenner, der einerseits an den Kraftstofftank des Kraftfahrzeugs angeschlossen und andererseits in ein Kühlsystem der Brennkraftmaschine integriert ist, verzichtet werden kann. Weiterhin ergibt sich daraus, dass der zur Verbrennung mit dem Kraftstoff vorgesehene Sauerstoff hauptsächlich oder, vorzugsweise, ausschließlich aus dem von dem Sauerstoffgenerator erzeugten, sauerstoffreichen Gas stammt, der weitere Vorteil, dass von der Brennkraftmaschine während eines solchen Standheizungsbetriebs nur wenig, insbesondere möglichst wenig Abgas in die Umgebung abgeführt wird, weil das aus der Verbrennung der Mischungen aus Kraftstoff und Frischgas entstandene Abgas unter Nutzung der Abgasrückführleitung möglichst vollständig in einem internen Kreislauf geführt wird.
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Ein weiterer besonderer Vorteil, der sich aus dieser Kreislaufführung des Abgases während eines Standheizungsbetriebs einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ergibt, liegt darin, dass das Abgas dabei über mindestens eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung geführt werden kann, die dazu in einen Abschnitt des Abgasstrangs, der stromauf der Abzweigung der Abgasrückführleitung liegt, integriert sein kann. Dadurch kann die Abgasnachbehandlungsvorrichtung bei einem sich an den Standheizungsbetrieb anschließenden Normalbetrieb der Brennkraftmaschine, der während einer fahrenden Nutzung des Kraftfahrzeugs vorgesehen ist, bereits vorgewärmt sein. Insbesondere kann die Abgasnachbehandlungsvorrichtung dann bereits ihre sogenannte Anspring- beziehungsweise Light-Off-Temperatur, ab der von einer ausreichenden Wirksamkeit der Abgasnachbehandlungsvorrichtung ausgegangen wird, erreicht haben. Die Brennkraftmaschine kann demnach unmittelbar mit dem Beginn des Normalbetriebs ein vorteilhaftes Schadstoffemissionsverhalten aufweisen. Weiterhin ist bei diesem Verfahren eine Reinigung der Abgas sowie auch ein mittels einer Steuerungsvorrichtung (OBD) überwachter Standheizungsbetrieb möglich, was heute bei gängigen Standheizungssystemen üblicherweise nicht der Fall ist. Die Abgase einer dem Stand der Technik entsprechenden Standheizung werden heutzutage üblicherweise ungereinigt in die Umgebung entlassen.
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Sofern eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine, wie dies vorzugsweise vorgesehen ist, aufgeladen ausgebildet ist, kann weiterhin bevorzugt vorgesehen sein, dass diese während eines erfindungsgemäßen Standheizungsbetriebs im Vergleich zu einem während eines Normalbetriebs vorgesehenen Leerlauf mit einer höheren Verdichtung des Frischgases betrieben wird. Dadurch kann insbesondere der Anteil an unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Abgas positiv beeinflusst beziehungsweise gering gehalten werden, da eine verringerte Verdichtungsendtemperatur, die eine Folge daraus ist, dass das während eines erfindungsgemäßen Standheizungsbetriebs über die Abgasrückführleitung rückgeführte Abgas relativ hohe Mengen an Wasser(-dampf) umfassen kann und dass Wasserdampf im Vergleich zu der Umgebungsluft einen niedrigeren Isentropenexponenten aufweist, zumindest teilweise kompensiert werden kann.
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Die Abgasrückführleitung einer erfindungsgemäßen, aufgeladenen Brennkraftmaschine kann vorzugsweise stromab einer Abgasturbine eines Abgasturboladers aus dem Abgasstrang abgehen und stromauf eines Frischgasverdichters des Abgasturboladers in den Frischgasstrang münden, wodurch eine sogenannte Niederdruckabgasrückführung realisierbar ist. Weiterhin bevorzugt kann vorgesehen sein, dass in die Abgasrückführleitung ein ansteuerbares Abgasrückführventil integriert ist, mittels dessen die Menge des über die Abgasrückführleitung aus dem Abgasstrang in den Frischgasstrang rückzuführenden Abgases einstellbar ist.
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Weiterhin bevorzugt kann ein stromab der Abgasrückführleitung in den Abgasstrang integriertes Abgasventil und/oder ein stromauf der Abgasrückführleitung in den Frischgasstrang integriertes Frischgasventil vorgesehen sein. Dieses oder diese Ventile kann/können in einem erfindungsgemäßen Standheizungsbetrieb einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine dazu genutzt werden, neben dem sauerstoffreichen Gas, hauptsächlich oder ausschließlich Abgas als zur Umsetzung mit dem Kraftstoff vorgesehenes Frischgas zu nutzen, indem mittels des Abgasventils bedarfsweise eine definierte Verkleinerung des freien Strömungsquerschnitts und insbesondere ein möglichst vollständiger Verschluss des Abgasstrangs und/oder mittels des Frischgasventils bedarfsweise eine definierte Verkleinerung des freien Strömungsquerschnitts und insbesondere ein möglichst vollständiger Verschluss des Frischgasstrangs realisiert wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann ein Gasspeicher zur Zwischenspeicherung des von dem Sauerstoffgenerator erzeugten Gases vorgesehen sein. Der Gasspeicher kann insbesondere in eine gasführende Verbindung zwischen dem Sauerstoffgenerator und dem Einblasventil integriert sein. Durch einen solchen Gasspeicher wird ermöglicht, die Verwendung des sauerstoffreichen Gases zur Verbrennung in dem mindestens einen Brennraum, die erfindungsgemäß lediglich bedarfsweise beziehungsweise temporär vorgesehen ist, mit einem hinsichtlich der Erzeugung eines maximalen Massenstroms des sauerstoffreichen Gases relativ kleinen Sauerstoffgenerator zu realisieren, indem eine für eine zukünftige Nutzung ausreichende Menge des sauerstoffreichen Gases über einen relativ langen Zeitraum mittels des Sauerstoffgenerators erzeugt und in dem Gasspeicher zwischengespeichert wird.
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Der für die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zumindest temporär zur Verfügung zu stellende Volumenstrom des sauerstoffreichen Gases kann relativ klein sein. Dies gilt insbesondere, wenn das sauerstoffreiche Gas im Wesentlichen vollständig aus Sauerstoff besteht. Beispielsweise kann ein zur Verfügung zu stellender Volumenstrom des sauerstoffreichen Gases von zwischen 0,5 l/min und 5 l/min vorgesehen sein. Um einen solchen Volumenstrom zur Verfügung zu stellen, kann ein entsprechender Gasgenerator beispielsweise einen Leistungsaufnahme von ca. 300 W aufweisen.
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Bei dem Verbrennungsmotor einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann es sich insbesondere um einen (selbstzündenden und qualitätsgeregelten) Dieselmotor oder um einen (fremdgezündeten und quantitätsgeregelten) Ottomotor oder um eine Kombination daraus, d.h. beispielsweise um einen Verbrennungsmotor mit homogener Kompressionszündung, handeln. Der Verbrennungsmotor kann dabei sowohl mit Flüssigkraftstoff (d.h. Diesel oder Benzin) als auch mit einem gasförmigen Kraftstoff (insbesondere Erdgas, LNG oder LPG) betreibbar sein.
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Das Prinzip, einen atmosphärischen Verbrennungsprozess mittels einer kleinen Sauerstoffgabe aus einem durch einen Sauerstoffkonzentrator gepufferten Speicher für einen begrenzten Zeitraum zu unterstützen, ist z.B. auch bei Gasturbinen anwendbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigt die
- 1 ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in vereinfachter Darstellung.
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Die 1 zeigt ein (erfindungsgemäßes) Kraftfahrzeug 1 mit einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine. Diese umfasst einen Verbrennungsmotor 2, der beispielsweise als Hubkolben-Dieselmotor mit vier Zylindern 3 ausgebildet ist. In den Zylindern 3 ist jeweils ein Kolben 4 beweglich geführt. Die Kolben 4 begrenzen mit den Wänden des zugehörigen Zylinders 3 sowie mit einem Zylinderkopf (nicht dargestellt) des Verbrennungsmotors 2 jeweils einen Brennraum 5. In den Brennräumen 5 werden in einem Betrieb des Verbrennungsmotors 2 Gemischmengen, die aus Frischgas, das mittels eines Frischgasverdichters 6 eines Abgasturboladers verdichtet worden sein kann, sowie aus direkt mittels jeweils eines Kraftstoffinjektors 7 in die Brennräume 5 eingespritztem Kraftstoff bestehen, verbrannt. Der Kraftstoff wird dabei den Kraftstoffinjektoren 7 aus einem Kraftstofftank 8 der Brennkraftmaschine zugeführt.
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Das Frischgas wird dem Verbrennungsmotor 2 über einen Frischgasstrang 9 zugeführt, in den - in Strömungsrichtung des Frischgases gesehen - ein Luftfilter 10, der eine Ansaugöffnung 11 für Umgebungsluft ausbildet, anschließend ein als Klappenventil ausgebildetes Frischgasventil 12, anschließend ein Frischgasmassenstromsensor 13, anschließend der bereits genannte Frischgasverdichter 6, anschließend eine ebenfalls ein Regelventil darstellende Regelklappe 14, anschließend ein von einem flüssigen Kühlmittel, das mittels einer Kühlmittelpumpe 15 förderbar ist, durchstrombarer Ladeluftkühler 16, anschließend ein kombinierter Temperatur- und Drucksensor 17 und anschließend ein Einblasventil 18 für ein sauerstoffreiches Gas integriert sind. Das Einblasventil 18 ist dabei stromauf (bezüglich der Strömungsrichtung des Frischgases in dem Frischgasstrang 9) des als Saugrohr 19 bezeichneten letzten Abschnitts des Frischgasstrangs 9 angeordnet, in dem eine Aufteilung des Frischgases auf jeweils zwei Einlasskanäle 20 je Brennraum 5 des Verbrennungsmotors 2 erfolgt.
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Das Einblasventil 18 ist gasführend mit einem Gasspeicher 21 verbundenen, der wiederum mit einem als Sauerstoffkonzentrator ausgebildeten Sauerstoffgenerator 22 gasführend verbunden ist. Mittels des Sauerstoffkonzentrators kann durch Anreicherung von Sauerstoff aus der Umgebungsluft ein sauerstoffreiches Gas erzeugt werden, das dann in dem Gasspeicher 21 zwischengespeichert werden kann. Aus diesem Gasspeicher 21 kann das sauerstoffreiche Gas bedarfsgerecht über das Einblasventil 18 in den Frischgasstrang 9 eingebracht werden. Um dabei eine möglichst exakte, bedarfsgerechte Dosierung des eingebrachten sauerstoffreichen Gases zu erzielen, ist in die gasführende Verbindung zwischen dem Gasspeicher 21 und dem Einblasventil 18 - in Strömungsrichtung des sauerstoffreichen Gases gesehen - noch ein Regelventil 23, anschließend ein Drucksensor 24 und anschließend ein Rückschlagventil 25, das bei einem Überdruck auf Seiten des Gasspeichers 21 im Vergleich zu dem Einblasventil 18 öffnet, integriert.
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Ergänzend oder alternativ zu der dargestellten Anordnung des Einblasventils 18 in einem Abschnitt des Frischgasstrangs 9 stromauf des Saugrohrs 19 kann auch eine Integration jeweils eines Einblasventils 18 in jeden der Einlasskanäle 20 vorgesehen sein, was infolge der möglichst nahen Anordnung an den Brennräumen 5 ein möglichst schnelles Einbringen des sauerstoffreichen Gases in die Brennräume 5 und damit ein möglichst schnelles Wirksamwerden der damit erzielbaren Vorteile bringen kann. Ein Einbringen des sauerstoffreichen Gases stromauf der Einlasskanäle 20 und insbesondere auch stromauf des Saugrohrs 19 kann dagegen eine bessere Vermischung des eingebrachten sauerstoffreichen Gases mit dem oder den weiteren in dem Frischgasstrang 9 strömenden Gasen bewirken. Grundsätzlich kann auch eine Anordnung mindestens eines Einblasventils 18 an beliebiger anderer Stelle des Frischgasstrangs 9, insbesondere auch stromauf des Frischgasverdichters 6 vorgesehen sein, was eine besonders gute Vermischung des sauerstoffreichen Gases mit dem oder den weiteren Gasen in dem Frischgasstrang 9 ermöglichen, jedoch aufgrund der größeren Entfernung des Orts der Einbringung von den Brennräumen 5 das Wirksamwerden der damit erzielbaren Vorteile verzögern würde.
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Das bei der Verbrennung der Gemischmengen entstandene Abgas wird über einen Abgasstrang 26 von dem Verbrennungsmotor 2 abgeführt. Dabei durchströmt das Abgas zunächst eine Abgasturbine 27 des Abgasturboladers, die mit dem Frischgasverdichter 6 über eine Welle 28 antriebsverbunden ist, und anschließend mehrere Abgasnachbehandlungsvorrichtungen, im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Oxidationskatalysator 29, einen Partikelfilter 30 sowie einen SCR-Katalysator 31. In den Abgasstrang 26 sind weiterhin noch eine Lambdasonde 46 mehrere Temperatursensoren 32 sowie zwei Drucksensoren 24 zur kombinierten Ausbildung eines ersten Differenzdrucksensors 34, eine Dosiervorrichtung 35 zum Einbringen eines Reduktionsmittels in den Abgasstrang 26, die stromauf (bezüglich der Strömungsrichtung des Abgases in dem Abgasstrang 26) des SCR-Katalysators 31 angeordnet ist, eine zwischen dieser Dosiervorrichtung 35 und dem SCR-Katalysator 31 angeordnete Mischvorrichtung 36, ein stromab des SCR Katalysators 31 angeordneter NOx-Sensor 37 sowie - als in Strömungsrichtung des Abgases letzte der dargestellten Komponenten des Abgasstrangs 26 - ein als Klappenventil ausgebildetes Abgasventil 38 integriert.
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Die Abgasturbine 27 umfasst ein Wastegate (nicht dargestellt) oder, vorzugsweise, eine Vorrichtung zur variablen Turbinenanströmung (VTG-Vorrichtung) 39. Diese kann in bekannter Weise eine Mehrzahl von in einem Einlass der Abgasturbine 27 angeordneten Leitschaufeln (nicht dargestellt) aufweisen, die individuell drehbar gelagert sind, wobei diese gemeinsam mittels einer Verstellvorrichtung (nicht dargestellt) drehbar sind. In Abhängigkeit von den Drehstellungen der Leitschaufeln verengen diese den freien Strömungsquerschnitt in dem Einlass der Abgasturbine 27 mehr oder weniger und beeinflussen zudem den Abschnitt der primären Anströmung des Turbinenlaufrads und die Ausrichtung dieser Anströmung. Mittels der VTG-Vorrichtung 39 ist demnach die durch den Abgasturbolader erzielbare Verdichtung des Frischgases beeinflussbar. Die eingestellte Stellung der VTG-Vorrichtung kann mittels eines Wegsensors 40 ermittelt werden.
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Eine Abgasrückführleitung 41 geht stromab der Abgasturbine 27 und auch stromab des Oxidationskatalysators 29 sowie des Partikelfilters 30 und stromauf des SCR-Katalysators 31 sowie der dazugehörigen Dosiervorrichtung 35 und der dazugehörigen Mischvorrichtung 36 aus dem Abgasstrang 26 ab und mündet in einen Abschnitt des Frischgasstrangs 9, der zwischen dem Frischgasventil 12 und dem Frischgasverdichter 6 angeordnet ist. In die Abgasrückführleitung 41 ist, in Strömungsrichtung von über diese geführtem Abgas gesehen, weiterhin noch ein Filter 42, dann ein Abgaskühler 43, dann ein Abgasrückführventil 44 sowie anschließend ein weiterer Drucksensor 24, der mit dem stromab des Partikelfilters 30 in den Abgasstrang 26 integrierten Drucksensor 24 einen zweiten Differenzdrucksensor 45 ausbildet, integriert.
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Die verschiedenen Sensoren 13, 17, 24, 32, 37, 40, die verschiedenen ansteuerbaren Ventile 12, 14, 23, 38, 44, die Kraftstoffinjektoren 7, die VTG-Vorrichtung 39 der Abgasturbine 27, die Kühlmittelpumpe 15, die Dosiervorrichtung 35 und der Sauerstoffgenerator 22 sind mit einer Steuerungsvorrichtung (Motorsteuerung) 33 der Brennkraftmaschine signalführend verbunden, um, unter anderem basierend auf Messwerten der Sensoren 13, 17, 24, 32, 37, 40, eine bedarfsgerechte Ansteuerung der übrigen dieser Komponenten zu realisieren.
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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Brennkraftmaschine ermöglicht einerseits, den Brennräumen 5 des Verbrennungsmotors 2 während eines Normalbetriebs der Brennkraftmaschine, der während eines fahrenden Betriebs des Kraftfahrzeugs 1 vorgesehen ist, temporär nicht lediglich Umgebungsluft sowie gegebenenfalls über die Abgasrückführleitung rückgeführtes Abgas als Frischgas zuzuführen, sondern auch einen im Vergleich zu dem Massenstrom der Umgebungsluft relativ kleinen Massenstrom an sauerstoffreichem Gas zuzuführen. Ein solcher Betrieb der Brennkraftmaschine kann dabei insbesondere nach einem Lastsprung, der insbesondere ausgehend von einem Leerlauf des Verbrennungsmotors 2 erfolgt ist, wie dies insbesondere bei einem Anfahren des Kraftfahrzeugs 1 vorgesehen ist, vorgesehen sein und sich über einen Zeitraum von beispielsweise einer bis drei Sekunden erstrecken. Durch einen solchen Betrieb der Brennkraftmaschine kann eine relativ schwache Verdichtung des Frischgases, die aufgrund des vorausgegangenen Leerlaufs für den genannten Zeitraum vorliegt, kompensiert werden. Dies wird dadurch erreicht, dass ein Mangel an von der Umgebungsluft zur Verbrennung mit dem einzubringenden Kraftstoff zur Verfügung gestelltem Sauerstoff, der sich infolge der relativ schwachen Verdichtung des Frischgases einstellt, durch den zusätzlich eingebrachten Sauerstoff des sauerstoffreichen Gases ausgeglichen wird. Folglich können dadurch in den Brennräumen 5 relativ große Mengen des Kraftstoffs im Vergleich zu einem entsprechenden Betriebszustand einer konventionellen Brennkraftmaschine verbrannt werden, was zu einer besseren Leistungsentfaltung des Verbrennungsmotors 2 führt. Beispielsweise kann dadurch eine Drehmomentsteigerung von ca. 30% im Vergleich zu einem entsprechenden Betrieb einer konventionellen, ansonsten vergleichbaren Brennkraftmaschine realisiert werden.
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Weiterhin ermöglicht die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Brennkraftmaschine die Durchführung eines Standheizungsbetriebs, der außerhalb einer fahrenden Nutzung des Kraftfahrzeugs vorgesehen ist. Während des Standheizungsbetriebs wird bei einem Leerlauf des Verbrennungsmotors 2 den Brennräumen 5 als Frischgas ausschließlich sauerstoffreiches Gas zur Verbrennung des darin enthaltenen Sauerstoffs mit dem Kraftstoff sowie Abgas, das aus diesen Verbrennungsprozessen entstanden ist, zugeführt. Hierzu wird fast das gesamte aus den Brennräumen 5 abgeführte Abgas über die Abgasrückführleitung 41 geführt, wozu das Abgasventil 38 und das Frischgasventil 12 jeweils in eine weitestmöglich geschlossene Stellung und das Abgasrückführventil 44 in eine weitestmöglich geöffnete Stellung gestellt werden. Geringe Zumischungen von Umgebungsluft (ungewollt aufgrund von Undichtigkeiten insbesondere des Frischgasventils 12) oder gewollt (zur Unterstützung der Aufheizung oder Kompensation des hohen Wassergehaltes) sind gegebenenfalls möglich und sinnvoll. Prinzipiell kann auch vorgesehen sein, dass anstelle eines Schließens sowohl des Abgasventils 38 als auch des Frischgasventils 12 nur eines dieser beiden Ventile geschlossen wird, was aber die Effizienz der möglichst vollständigen Abgasrückführung beziehungsweise der Abschaltung von Umgebungsluft reduzieren könnte.
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Weiterhin ist während des Standheizungsbetriebs vorgesehen, die VTG-Vorrichtung 39 in eine relativ weitgehend und insbesondere weitestmöglich geschlossene Stellung zu stellen, um eine relativ starke Verdichtung des Frischgases während des Standheizungsbetriebs zu realisieren. Dadurch soll im Vergleich zu einem Leerlauf während eines Normalbetriebs eine verringerte Verdichtungsendtemperatur, die eine Folge daraus ist, dass das während des Standheizungsbetriebs über die Abgasrückführleitung 41 rückgeführte Abgas relativ hohe Mengen an Wasserdampf umfassen kann und dass Wasserdampf im Vergleich zu der Umgebungsluft einen relativ niedrigen Isentropenexponenten aufweist, zumindest teilweise kompensiert werden, um insbesondere den Gehalt an unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Abgas möglichst gering zu halten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kraftfahrzeug
- 2
- Verbrennungsmotor
- 3
- Zylinder
- 4
- Kolben
- 5
- Brennraum
- 6
- Frischgasverdichter
- 7
- Kraftstoffinjektor
- 8
- Kraftstofftank
- 9
- Frischgasstrang
- 10
- Luftfilter
- 11
- Ansaugöffnung
- 12
- Frischgasventil
- 13
- Frischgasmassenstromsensor
- 14
- Regelklappe
- 15
- Kühlmittelpumpe
- 16
- Ladeluftkühler
- 17
- kombinierter Temperatur- und Drucksensor
- 18
- Einblasventil
- 19
- Saugrohr
- 20
- Einlasskanal
- 21
- Gasspeicher
- 22
- Sauerstoffgenerator
- 23
- Regelventil
- 24
- Drucksensor
- 25
- Rückschlagventil
- 26
- Abgasstrang
- 27
- Abgasturbine
- 28
- Welle
- 29
- Oxidationskatalysator
- 30
- Partikelfilter
- 31
- SCR-Katalysator
- 32
- Temperatursensor
- 33
- Steuerungsvorrichtung
- 34
- erster Differenzdrucksensor
- 35
- Dosiervorrichtung
- 36
- Mischvorrichtung
- 37
- NOx-Sensor
- 38
- Abgasventil
- 39
- VTG-Vorrichtung
- 40
- Wegsensor
- 41
- Abgasrückführleitung
- 42
- Filter
- 43
- Abgaskühler
- 44
- Abgasrückführventil
- 45
- zweiter Differenzdrucksensor
- 46
- Lambdasonde
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 829676 C [0006]
- DE 202005003509 U1 [0007]
