DE102020108261A1 - Verbrennungskraftmaschine für ein kraftfahrzeug und verfahren zum betreiben einer verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Verbrennungskraftmaschine für ein kraftfahrzeug und verfahren zum betreiben einer verbrennungskraftmaschine Download PDF

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Abstract

Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug,- mit einem Verbrennungsmotor (4), wobei der Verbrennungsmotor (4) eine Vorkammerzündung (6) aufweist,- mit einem Einlassstrang (8) zum Zuführen von Verbrennungsluft zu dem Verbrennungsmotor (4),- mit einem Abgasstrang (10) zum Wegführen von Abgas von dem Verbrennungsmotor (4),- mit einem Katalysator (12) zum Reinigen von Abgas, der in dem Abgasstrang (10) angeordnet ist und- mit einer Abgasrückführung (14) zum Rückführen von Abgas aus dem Abgasstrang (10) in den Einlassstrang (8),dadurch gekennzeichnet, dass- die Abgasrückführung (14) entlang einer Strömungsrichtung des Abgasstrangs (10) betrachtet vor dem Katalysator (12) abgezweigt ist, um heißes Abgas unter hohem Druck in den Einlassstrang (8) zurückzuführen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine.
  • Aufgrund von immer strengeren gesetzlichen Vorgaben zu Schadstoffemissionen und dem Kundenwunsch nach effizienten Kraftfahrzeugen besteht für Motorenentwickler die ständige Forderung, mit jeder neuen Motorengeneration einen geringeren Schadstoffausstoß und einen geringeren Kraftstoffverbrauch zu realisieren.
  • Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die technische Problemstellung zugrunde, eine effiziente und emissionsarme Verbrennungskraftmaschine sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Verbrennungskraftmaschine anzugeben.
  • Die voranstehend beschriebene, technische Problemstellung wird gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 10. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachstehenden Beschreibung.
  • Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung eine Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, mit einem Verbrennungsmotor, wobei der Verbrennungsmotor eine Vorkammerzündung aufweist, mit einem Einlassstrang zum Zuführen von Verbrennungsluft zu dem Verbrennungsmotor, mit einem Abgasstrang zum Wegführen von Abgas von dem Verbrennungsmotor, mit einem Katalysator zum Reinigen von Abgas, der in dem Abgasstrang angeordnet ist und mit einer Abgasrückführung zum Rückführen von Abgas aus dem Abgasstrang in den Einlassstrang. Die Abgasrückführung ist entlang einer Strömungsrichtung des Abgasstrangs betrachtet vor dem Katalysator abgezweigt ist, um heißes Abgas unter hohem Druck in den Einlassstrang zurückzuführen.
  • Die Kombination aus der Rückführung von ungekühltem Abgas unter hohem Druck mit der Vorkammerzündung ermöglicht eine erhöhte Effizient des Verbrennungsmotors und zudem eine Kostenersparnis, das auf eine Abgaskühleinrichtung verzichtet wird. Der Verbrennungsmotor weißt im Betrieb eine hohe Stabilität der Verbrennung und geringe Klopfneigung auf, so dass hohe Abgasrückführraten bei hohen Ladelufttemperaturen ermöglicht werden können.
  • Nach einer weiteren Ausgestaltung der Verbrennungskraftmaschine ist in dem Einlassstrang eine Drosselklappe angeordnet, wobei die Abgasrückführung entlang einer Strömungsrichtung des Einlassstrangs betrachtet hinter der Drosselklappe in den Einlassstrang mündet. Ein Abgasmassenstrom der Abgasrückführung wird daher insbesondere hinter der Drosselklappe und vor dem Einlass in den Brennraum mit dem Einlassstrang zusammengeführt, so dass die Einlasstemperatur insgesamt erhöht wird.
  • Nach einer Ausgestaltung der Verbrennungskraftmaschine ist vorgesehen, dass die Abgasrückführung keine Kühleinrichtung zum Kühlen der rückgeführten Abgase hat.
  • Gemäß einer Ausgestaltung der Verbrennungskraftmaschine ist dem Verbrennungsmotor ein Abgasturbolader zugeordnet, wobei der Abgasturbolader eine Turbine hat, die in dem Abgasstrang angeordnet ist, wobei der Abgasturbolader einen Kompressor hat, der in dem Einlassstrang angeordnet ist, wobei die Turbine zum Antreiben des Kompressors eingerichtet ist und wobei die Abgasrückrührung entlang einer Strömungsrichtung des Abgasstroms betrachtet vor der Turbine des Abgasturboladers abgezweigt ist. Ein Abgasmassenstrom der Abgasrückführung wird daher nicht in der Turbine des Abgasturboladers entspannt, sondern unter hohem Druck in den Einlassstrang zurückgeführt.
  • Es kann vorgesehen sein, dass entlang der Strömungsrichtung des Einlassstrangs betrachtet hinter dem Kompressor und vor der Drosselklappe ein Ladeluftkühler in dem Einlassstrang angeordnet ist, wobei keine Kühlung der rückgeführten Abgase durch den Ladeluftkühler erfolgt. Der Ladeluftkühler ist daher insbesondere zu der Abgasrückführung beabstandet angeordnet, so dass der Abgasmassenstrom der Abgasrückführung nicht durch den Ladeluftkühler geführt wird oder mit diesem in Kontakt kommt und keine Kühlung des Abgasmassenstroms durch den Ladeluftkühler erfolgt. Der Ladeluftkühler wird daher ausschließlich von den angesaugten und durch den Kompressor verdichteten Umgebungsluft durchströmt, wobei der Abgasstrom in Strömungsrichtung des Einlassstrangs betrachtet erst hinter der Drosselklappe mit dem gekühlten und verdichteten Luftstrom vereint wird. Der Ladeluftkühler hat daher lediglich mittelbar einen Einfluss auf die Temperatur des rückgeführten Abgases sobald dieses mit der gekühlten und komprimierten Luft im Einlassstrang vereint wird. Es findet daher keine unmittelbare Kühlung des rückgeführten Abgasmassenstroms durch den Ladeluftkühler statt, da der Abgasmassenstrom nicht durch den Ladeluftkühler geführt wird.
  • Insbesondere ist vorgesehen, dass zusätzlich zu der genannten Abgasrückführung keine weitere Abgasrückführung vorhanden ist. So weist die Verbrennungskraftmaschine insbesondere keine Abgasrückführung auf, die entlang einer Strömungsrichtung des Abgasstrangs betrachtet hinter dem Katalysator abgezweigt ist. Soweit ein Abgasturbolader vorgesehen ist weist die Verbrennungskraftmaschine insbesondere keine Abgasrückführung auf, die entlang einer Strömungsrichtung des Abgasstrangs betrachtet hinter einer Turbine des Abgasturboladers abgezweigt ist. Insbesondere weist die Verbrennungskraftmaschine keine Abgasrückführung auf, die entlang der Strömungsrichtung des Einlassstrangs betrachtet vor der Drosselklappe in den Einlassstrang mündet. Soweit ein Abgasturbolader vorgesehen ist weist die Verbrennungskraftmaschine insbesondere keine Abgasrückführung auf, die entlang einer Strömungsrichtung des Einlassstrangs betrachtet vor einem Kompressor des Abgasturboladers in den Einlassstrang mündet.
  • Um eine effiziente Abgasreinigung zu erreichen, kann der Katalysator ein Dreiwegekatalysator sein.
  • Der Verbrennungsmotor kann ein Ottomotor sein.
  • Die Verbrennungskraftmaschine kann Teil eines Hybridantriebsstrangs sein, der insbesondere einen weiteren Antriebsmotor, wie z.B. einen Elektromotor, aufweist.
  • Die Vorkammerzündung kann eine aktive Vorkammerzündung sein, wobei eine zusätzliche Kraftstoffzuführeinrichtung, wie ein Einspritz- oder Taktventil, innerhalb der Vorkammer angeordnet bzw. der Vorkammer zugeordnet ist.
  • Die Vorkammerzündung kann eine passive Vorkammerzündung sein, die eine Vorkammer im Bereich einer Zündkerze des Brennraums aufweist, um ein Volumen von weniger als 5% des Brennraums teilweise von dem Brennraum abzugrenzen.
  • Jedem der Zylinder des Verbrennungsmotors kann eine Vorkammer zugeordnet sein, die über einen oder mehrere Kanäle oder Durchgangsöffnungen mit dem Brennraum des Zylinders verbunden ist.
  • Es kann demnach vorgesehen sein, dass die Vorkammer integraler Bestandteil eines Zylinderkopfs ist und/oder ein Teil eines Gehäuses einer Zündkerze ist.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine, mit den Verfahrensschritten: Bereitstellen einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine und Rückführen von heißem Abgas hohen Drucks aus dem Abgasstrang in den Einlassstrang über die Abgasrückführung. Das Verfahren ermöglicht einen effizienten und emissionsarmen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt schematisch:
    • 1 eine erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine.
  • 1 zeigt eine Verbrennungskraftmaschine 2 für ein Kraftfahrzeug. Die Verbrennungskraftmaschine 2 hat einen Verbrennungsmotor 4, wobei der Verbrennungsmotor 4 eine Vorkammerzündung 6 aufweist.
  • Die Verbrennungskraftmaschine 2 hat einen Einlassstrang 8 zum Zuführen von Verbrennungsluft zu dem Verbrennungsmotor 4 und einen Abgasstrang 10 zum Wegführen von Abgas von dem Verbrennungsmotor 4.
  • Die Verbrennungskraftmaschine 2 hat einen Drei-Wege-Katalysator 12 zum Reinigen von Abgas, der in dem Abgasstrang 10 angeordnet ist.
  • Die Verbrennungskraftmaschine 2 hat eine Abgasrückführung 14 zum Rückführen von Abgas aus dem Abgasstrang 10 in den Einlassstrang 8. Die Abgasrückführung ist entlang einer Strömungsrichtung des Abgasstrangs 10 betrachtet vor dem Katalysator 12 abgezweigt, um heißes Abgas unter hohem Druck in den Einlassstrang 8 zurückzuführen. Auf diese Weise können unverbrannte Kohlenwasserstoffe des Abgases in den Brennraum des Verbrennungsmotors 4 zurückgeführt werden.
  • Die Strömungsrichtung im Abgasstrang 10 und im Einlassstrang 8 wird durch die Pfeilspitzen angezeigt, welche die Komponenten der Verbrennungskraftmaschine 2 miteinander verbinden.
  • In dem Einlassstrang 8 ist eine Drosselklappe 16 angeordnet, wobei die Abgasrückführung 14 entlang einer Strömungsrichtung des Einlassstrangs 8 betrachtet hinter der Drosselklappe 16 in den Einlassstrang 8 mündet.
  • Die Abgasrückführung 14 hat keine Kühleinrichtung zum Kühlen der rückgeführten Abgase.
  • Dem Verbrennungsmotor 4 ist ein Abgasturbolader 18 zugeordnet. Der Abgasturbolader 18 hat eine Turbine 20, die in dem Abgasstrang 10 angeordnet ist. Der Abgasturbolader 18 hat einen Kompressor 22, der in dem Einlassstrang 8 angeordnet ist. Die Turbine 20 ist zum Antreiben des Kompressors 22 eingerichtet. Der Turbine 20 ist in bekannten Weise ein Wastegate 24 zugeordnet, um den Abgasmassenstrom, der durch die Turbine 20 geführt wird, zu steuern.
  • Die Abgasrückrührung 14 ist entlang der Strömungsrichtung des Abgasstrangs 10 betrachtet vor der Turbine des Abgasturboladers abgezweigt ist.
  • Entlang der Strömungsrichtung des Einlassstrangs 8 betrachtet ist hinter dem Kompressor 22 und vor der Drosselklappe 16 ein Ladeluftkühler 26 in dem Einlassstrang 8 angeordnet ist, wobei keine Kühlung der rückgeführten Abgase durch den Ladeluftkühler 26 erfolgt.
  • Der Einlassstrang 8 ist vorliegend durch die nicht ausgefüllten Pfeile der Schemaskizze gezeigt und erstreckt sich von einem Ansaugbereich 28 zur Ansaugung von Umgebungsluft über den Kompressor 22 hin zu dem Ladeluftkühler 26. Der Einlassstrang 8 erstreckt sich von dem Ladeluftkühler 26 weiter zur Drosselklappe 16. Hinter der Drosselklappe 16 mündet die Abgasrückführung 14 in den Einlassstrang 8, wobei sich der Einlassstrang 8 von der Drosselklappe 16 bis hin zum Verbrennungsmotor 4 erstreckt.
  • Der Abgasstrang 10 ist vorliegend durch die ausgefüllten Pfeile der Schemaskizze gezeigt und erstreckt sich von dem Verbrennungsmotor 4, über den Katalysator 12 und die Turbine 20 bis zu einen Auslass 30, der die nicht rückgeführten Abgase in die Umgebung U abgibt.
  • Die Abgasrückführung 14 ist ebenfalls durch ausgefüllte Pfeile dargestellt, da diese maßgeblich Abgase des Verbrennungsmotors 4 führt.
  • Der Anteil des rückgeführten Abgasmassenstroms bzw. die Rückführrate ist durch die Stelleinrichtung 32 der Abgasrückführung 14 steuerbar.
  • Während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 2 wird Umgebungsluft im Ansaugbereich 28 angesaugt und in den Einlassstrang 8 gefördert. Anschließend erfolgt die Verdichtung der angesaugten Luft durch den Kompressor 22. Die verdichtete Luft wird anschließend durch den Ladeluftkühler 26 des Einlassstrangs 8 gekühlt. Die Drosselklappe 16 regelt den Massenstrom der zum Verbrennungsmotor 4 geleiteten, angesaugten Luft.
  • Stromabwärts der Drosselklappe 16 mündet die Abgasrückführung 14 an der Stelle 34 in den Einlassstrang 8. Über die Abgasrückführung 14 wird rückgeführtes Abgas in den Einlassstrang 8 eingespeist und zusammen mit der angesaugten, gekühlten und verdichteten Luft dem jeweiligen Brennraum 36 zugeführt und als Luft-Abgas-Benzin Gemisch verbrannt. Die Zündung erfolgt dabei jeweils innerhalb der jeweiligen Vorkammer 6 des jeweiligen Brennraums 36.
  • Der Abgasmassenstrom der Abgasrückführung 14 erfährt keine unmittelbare Kühlung durch die Ladeluftkühlung 26.
  • Der Verbrennungsmotor 4 stößt nach der Verbrennung heißes Abgas in den Abgasstrang 10 aus, wobei das Abgas, je nach Lastzustand des Verbrennungsmotors 4, durch die Turbine 20 und/oder an der Turbine 20 vorbei durch das Wastegate 24 geführt wird.
  • An der Stelle 38 wird heißes Abgas hohen Drucks zur Abgasrückführung abgezweigt.
  • Die Rückführung des Abgases erfolgt über die Abgasrückführung 14, wobei der Abgasmassenstrom der Abgasrückführung 14 nicht gekühlt wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 2
    Verbrennungskraftmaschine
    4
    Verbrennungsmotor
    6
    Vorkammerzündung
    8
    Einlassstrang
    10
    Abgasstrang
    12
    Drei-Wege-Katalysator
    14
    Abgasrückführung
    16
    Drosselklappe
    18
    Abgasturbolader
    20
    Turbine
    22
    Kompressor
    24
    Wastegate
    26
    Ladeluftkühler
    28
    Ansaugbereich
    30
    Auslass
    32
    Stelleinrichtung
    34
    Stelle der Einspeisung der Abgasrückführung in den Einlassstrang
    36
    Brennraum
    38
    Stelle der Abzweigung der Abgasrückführung
    U
    Umgebung

Claims (10)

  1. Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, - mit einem Verbrennungsmotor (4), wobei der Verbrennungsmotor (4) eine Vorkammerzündung (6) aufweist, - mit einem Einlassstrang (8) zum Zuführen von Verbrennungsluft zu dem Verbrennungsmotor (4), - mit einem Abgasstrang (10) zum Wegführen von Abgas von dem Verbrennungsmotor (4), - mit einem Katalysator (12) zum Reinigen von Abgas, der in dem Abgasstrang (10) angeordnet ist und - mit einer Abgasrückführung (14) zum Rückführen von Abgas aus dem Abgasstrang (10) in den Einlassstrang (8), dadurch gekennzeichnet, dass - die Abgasrückführung (14) entlang einer Strömungsrichtung des Abgasstrangs (10) betrachtet vor dem Katalysator (12) abgezweigt ist, um heißes Abgas unter hohem Druck in den Einlassstrang (8) zurückzuführen.
  2. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - in dem Einlassstrang (8) eine Drosselklappe (26) angeordnet ist, - wobei die Abgasrückführung (14) entlang einer Strömungsrichtung des Einlassstrangs (8) betrachtet hinter der Drosselklappe (16) in den Einlassstrang (8) mündet.
  3. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass - die Abgasrückführung (14) keine Kühleinrichtung zum Kühlen der rückgeführten Abgase hat.
  4. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass - dem Verbrennungsmotor (4) ein Abgasturbolader (18) zugeordnet ist, - wobei der Abgasturbolader (18) eine Turbine (20) hat, die in dem Abgasstrang (10) angeordnet ist, - wobei der Abgasturbolader (18) einen Kompressor (22) hat, der in dem Einlassstrang (8) angeordnet ist, - wobei die Turbine (20) zum Antreiben des Kompressors (22) eingerichtet ist und - wobei die Abgasrückrührung (14) entlang einer Strömungsrichtung des Abgasstrangs (10) betrachtet vor der Turbine (20) des Abgasturboladers (18) abgezweigt ist.
  5. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 2 und Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass - entlang der Strömungsrichtung des Einlassstrangs (8) betrachtet hinter dem Kompressor (22) und vor der Drosselklappe (16) ein Ladeluftkühler (26) in dem Einlassstrang (8) angeordnet ist, - wobei keine Kühlung der rückgeführten Abgase durch den Ladeluftkühler (26) erfolgt.
  6. Verbrennungskraftmaschine nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Katalysator (12) ein Dreiwegekatalysator (12) ist.
  7. Verbrennungskraftmaschine nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Verbrennungsmotor (4) ein Ottomotor ist.
  8. Verbrennungskraftmaschine nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Vorkammerzündung (6) eine aktive Vorkammerzündung oder eine passive Vorkammerzündung ist und/oder - jedem der Zylinder des Verbrennungsmotors (4) eine Vorkammer zugeordnet ist, die über einen oder mehrere Kanäle mit dem Brennraum des Zylinders verbunden ist.
  9. Verbrennungskraftmaschine nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - wobei die Vorkammer integraler Bestandteil eines Zylinderkopfs ist und/oder - Teil eines Gehäuses einer Zündkerze ist.
  10. Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine, mit den Verfahrensschritten: - Bereitstellen einer Verbrennungskraftmaschine (2) nach einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 9 und - Rückführen von heißem Abgas hohen Drucks aus dem Abgasstrang (10) in den Einlassstrang (8) über die Abgasrückführung (14).
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