DE102020128761A1

DE102020128761A1 - Verbrennungsmotor und Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102020128761A1
Application number: DE102020128761.5A
Authority: DE
Inventors: Ekkehard Pott
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2020-11-02
Filing date: 2020-11-02
Publication date: 2022-05-05

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit mindestens einem Brennraum (12), welcher mit seinem Einlass (16) mit einem Luftversorgungssystem (20) und mit seinem Auslass (18) mit einer Abgasanlage (40) verbunden ist. Der Verbrennungsmotor (10) ist mittels eines Abgasturboladers (60) aufgeladen. Der Verbrennungsmotor (10) weist eine Niederdruck-Abgasrückführung (80) auf, welche die Abgasanlage (40) stromabwärts einer Turbine (44) des Abgasturboladers (60) mit dem Luftversorgungssystem (20) stromaufwärts eines Verdichters (26) des Abgasturboladers (60) verbindet. Es ist vorgesehen, dass in der Niederdruck-Abgasrückführung (80) mindestens ein elektrisches Heizelement (90, 92) angeordnet ist, mit welchem ein über die Niederdruck-Abgasrückführung (80) zurückgeführter Abgasstrom aufheizbar ist. Ferner ist vorgesehen, dass in dem Luftversorgungssystem (20) stromabwärts des Verdichters (26) des Abgasturboladers (60) ein zuschaltbarer Verdichter (35) angeordnet ist.Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Verbrennungsmotors (10).

Description

Die Erfindung betrifft einen mittels Turbolader aufgeladenen Verbrennungsmotor mit einem Luftversorgungssystem und einer Abgasanlage sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Verbrennungsmotors gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
Die Aufladung von Verbrennungsmotoren dient der Leistungssteigerung, indem die Brennräume mit höherer Füllung versorgt werden. Dazu wird die Abgasenthalpie genutzt, um über eine entspannende Turbine einen Verdichter im Ansaugtrakt anzutreiben. Zum Erreichen eines Soll-Ladedrucks ist somit eine Mindest-Abgasenthalpie erforderlich. Kann diese Mindest-Abgasenthalpie nicht bereitgestellt werden, kann die zur Leistungsdarstellung erforderliche Füllung nicht erreicht werden. Ist dies dauerhaft der Fall, werden die Leistungsvorgaben verfehlt, bei transientem Fehlen von Abgasenthalpie ist ein die Leistungsentfaltung hemmendes verzögertes Ansprechverhalten, welches auch als Turboloch bezeichnet wird, spürbar.
Verschärft wird dieses Problem bei Verbrennungsmotoren, bei denen eine Abgasrückführung über eine Hochdruckabgasrückführung erfolgt, da bei einer Hochdruckabgasrückführung der zurückgeführte Abgasteilstrom bereits vor der Turbine des Turboladers entnommen wird und seine Entspannungsarbeit nicht mehr über die Turbine abgeben kann. Solange eine Niederdruckabgasrückführung des Verbrennungsmotors noch nicht verfügbar ist, tritt dieser Effekt fahrverhaltensrelevant und reproduzierbar auf.
Das Problem steigt mit der Größe des Turboladers, da das Ansprechverhalten mit der Größe des Turboladers abnimmt. Eine Begrenzung der Größe des Turboladers löst zwar dieses Problem, so dass auch mit der maximal zu erwartenden Reduzierung der Abgasenthalpie die gesetzten transienten und stationären Leistungsvorgaben erreicht werden. Nachteilig an einer solchen Lösung ist jedoch, dass das Potenzial der Leistungssteigerung begrenzt ist. Bei einstufig aufgeladenen Dieselmotoren liegt die somit darstellbare Leistung bei etwa 70KW pro dm³ Hubraum.
Aus dem Stand der Technik sind mehrstufig aufgeladene Verbrennungsmotoren mit zumindest zwei in Reihe geschalteten Turboladern bekannt. Eine kleine Hochdruckturbine nutzt die verfügbare Abgasenthalpie bei kleinen Motordrehzahlen optimal aus, zumindest eine nachgeschaltete Niederdruckturbine nutzt den Enthalpieüberschuss bei höheren Motordrehzahlen zur Leistungsdarstellung aus. Nachteilig an einer solchen Lösung sind jedoch nicht nur die höheren Kosten für zwei Turbolader und ein damit erhöhter Bauraumbedarf, sondern auch eine aufwendigere Regelung sowie eine geringere Abgastemperatur stromabwärts der Niederdruckturbine, welche negativen Einfluss auf die Abgasnachbehandlung des Verbrennungsmotors hat.
Ferner sind aus dem Stand der Technik elektrische Zusatzverdichter bekannt, welche parallel geschaltet in der Ansaugleitung des Verbrennungsmotors stromabwärts des Verdichters des Abgasturboladers angeordnet sind. Die notwendige Füllung zur Leistungsdarstellung kann den Brennräumen transient und gegebenenfalls stationär unabhängig von der Abgasenthalpie bereitgestellt werden. Vorteile einer solchen Lösung sind ein sehr schneller Ladedruckaufbau, geringe Partikelemissionen bei dynamischem Motorbetrieb sowie geringere Rohemissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenstoffmonoxid. Nachteilig an einer solchen Lösung ist jedoch, dass ein elektrischer Zusatzverdichter nicht nur zu einem erhöhten Stromverbrauch führt, sondern auch die Nutzung einer Hochdruckabgasrückführung unmöglich macht, wenn der Ladedruck des elektrischen Zusatzverdichters höher als der Abgasgegendruck ist. Dies kann dazu führen, dass die immer strenger werdende Abgasgesetzgebung nicht mehr erfüllt werden kann und eine solche Lösung somit ausscheidet.
Aus der DE 10 2019 111 667 A1 sind ein Abgasrückführungssystem und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Abgasrückführungssystems bekannt. Das Abgasrückführungssystem beinhaltet einen Verbrennungsmotor mit einem Ansaugkrümmer, eine Nachbehandlungsvorrichtung stromabwärts des Verbrennungsmotors und ein Abgasrückführungsventil stromabwärts der Nachbehandlungsvorrichtung.
Die DE 10 2015 219 625 A1 offenbart einen Verbrennungsmotor mit einem Abgasturbolader und einer Niederdruck-Abgasrückführung, wobei die Niederdruck-Abgasrückführung ein Abgasrückführungsventil und einen Abgasrückführungskühler aufweist. Dabei ist an dem Ansaugsystem stromabwärts der Einmündung der Abgasrückführungsleitung eine Heizeinrichtung vorgesehen, mit welcher die Temperatur an der Innenwand des Ansaugrohrs erhöht werden kann, um Kondensat in der Ansaugleitung zu vermeiden.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die maximale Leistungsausbeutung bei einem aufgeladenen Verbrennungsmotor mit einstufiger Abgasentspannung zu erhöhen und die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu überwinden.
Die Aufgabe wird durch einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Dieselmotor, mit mindestens einem Brennraum, welcher mit seinem Einlass mit einem Luftversorgungssystem und mit seinem Auslass mit einer Abgasanlage verbunden ist, gelöst. Der Verbrennungsmotor ist mittels eines Abgasturboladers aufgeladen. Der Verbrennungsmotor weist eine Niederdruck-Abgasrückführung auf, welche die Abgasanlage stromabwärts einer Turbine des Abgasturboladers mit dem Luftversorgungssystem stromaufwärts eines Verdichters des Abgasturboladers verbindet. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in der Niederdruck-Abgasrückführung mindestens ein elektrisches Heizelement angeordnet ist, mit welchem ein über die Niederdruck-Abgasrückführung zurückgeführter Abgasstrom aufheizbar ist. Ferner ist vorgesehen, dass in dem Luftversorgungssystem stromabwärts des Verdichters des Abgasturboladers ein zuschaltbarer Verdichter angeordnet ist.
Ein erfindungsgemäßes Abgasnachbehandlungssystem ermöglicht eine schnelle Freigabe der Niederdruck-Abgasrückführung. Dies ermöglicht eine Verringerung der Kaltstartemissionen des Verbrennungsmotors. Zudem kann gegebenenfalls eine Hochdruck-Abgasrückführung des Verbrennungsmotors entfallen, da die Niederdruck-Abgasrückführung unmittelbar nach dem Kaltstart des Verbrennungsmotors aktiviert werden kann. Unter einer unmittelbaren Freigabe ist in diesem Zusammenhang eine Freigabe der Niederdruck-Abgasrückführung mit einer Zeitverzögerung von weniger als 10 Sekunden, vorzugsweise von weniger als 5 Sekunden, besonders bevorzugt von weniger als 3 Sekunden ab dem Start beziehungsweise dem Startende des Verbrennungsmotors zu verstehen. Durch eine ausschließliche Abgasrückführung über die Niederdruck-Abgasrückführung ist stets ein hinreichendes Spülgefälle vorhanden. Ein weiterer Vorteil einer solchen Lösung sind ein sehr schneller Ladedruckaufbau, welcher ein Turboloch vermeidet, geringe Partikelemissionen bei dynamischem Motorbetrieb sowie geringere Rohemissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenstoffmonoxid.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten zusätzlichen Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterentwicklungen des im unabhängigen Anspruch beschriebenen Verbrennungsmotors möglich.
In bevorzugter Ausgestaltung des Verbrennungsmotors ist vorgesehen, dass der zuschaltbare Verdichter in einem Bypass zu einem Ansaugkanal des Luftversorgungssystems angeordnet ist. Durch eine Anordnung des zuschaltbaren Verdichters in einem Bypass kann der Strömungswiderstand gesenkt und somit die Füllung des Verbrennungsmotors verbessert werden, wenn der zuschaltbare Verdichter nicht aktiv ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Verbrennungsmotors ist vorgesehen, dass der zuschaltbare Verdichter als elektrisch angetriebener Verdichter ausgeführt ist. Durch einen elektrisch angetriebenen Verdichter ist eine besonders einfache und schnelle Ansteuerung des zuschaltbaren Verdichters möglich. Dadurch kann das Ansprechverhalten des Verbrennungsmotors weiter verbessert werden.
Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass der zuschaltbare Verdichter als mechanisch angetriebener Verdichter ausgeführt ist. Ein mechanisch angetriebener Verdichter kann insbesondere durch eine schaltbare Kupplung, besonders bevorzugt durch eine Magnetkupplung, zugeschaltet werden und kann ebenfalls genutzt werden, um die Leistung des Verbrennungsmotors in bestimmten Betriebszuständen, insbesondere bei einer starken Beschleunigung aus niedriger Motordrehzahl, anzuheben.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verbrennungsmotors ist vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor als selbstzündender Dieselmotor mit einer spezifischen Leistung von mehr als 70 KW / dm³ Hubraum ausgeführt ist. Um im Rahmen der Abgasgesetzgebung eine entsprechende Leistung darstellen zu können, war bislang eine mehrstufige Aufladung des Verbrennungsmotors mit einem zwei- oder mehrstufigen Abgasturbolader notwendig. Durch den erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor ist es möglich, eine solche Leistung mit nur einer Turbine in der Abgasanlage des Verbrennungsmotors darzustellen, wodurch die Kosten für den Verbrennungsmotor deutlich reduziert werden können.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verbrennungsmotors ist vorgesehen, dass das elektrische Heizelement als elektrisch beheizbarer Filter ausgeführt ist. Durch einen elektrisch beheizbaren Filter können die Filterfunktion und die Heizfunktion in einem Bauteil vereint werden, wodurch sich der Bauraumbedarf und der Montageaufwand für das Abgasnachbehandlungssystem reduzieren lässt. Das Heizelement kann dabei in Form von Heizdrähten in das Filtersubstrat integriert sein oder durch eine dem Filter vor- oder nachgeschaltetes elektrisches Heizelement ausgebildet sein.
Besonders bevorzugt ist dabei eine Ausgestaltung des elektrischen Heizelements als Heizscheibe. Eine Heizscheibe ist ein besonders flaches und damit platzsparendes Heizelement, welches auf einfache Art und Weise in die Niederdruck-Abgasrückführung eingesetzt werden kann. Ferner lässt sich eine Heizscheibe besonders einfach an einem Filter anordnen, um den Filter und den zurückgeführten Abgasstrom gleichzeitig zu erhitzen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in der Niederdruck-Abgasrückführung ein Abgasrückführungskühler angeordnet ist, wobei das elektrische Heizelement ein stromabwärts des Abgasrückführungskühlers angeordnetes Heizelement ist. Durch eine Anordnung des Heizelements stromabwärts eines Abgasrückführungskühlers wird nur das Abgasvolumen aufgeheizt und nicht noch zusätzlich die Masse des nach Motorkaltstart ebenfalls kalten Abgasrückführungskühlers. Damit kann der Energiebedarf für die Abgaserwärmung reduziert werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass das elektrische Heizelement eine Heizleistung von 1 KW bis 8 KW, vorzugsweise von 2 KW bis 5 KW, besonders bevorzugt zwischen 3 KW und 4 KW aufweist.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn das elektrische Heizelement aus einem Bordnetz eines Kraftfahrzeuges mit einer Spannung von 32 Volt bis 52 Volt, insbesondere aus einem 48-Volt-Bordnetz, versorgbar ist. Durch ein 48-Volt-Bordnetz lässt sich gegenüber einem 12-Volt-Bordnetz eine höhere Heizleistung für das elektrische Heizelement darstellen. Durch eine Heizleistung von mindestens 3 KW kann eine derart starke Aufheizung des zurückgeführten Abgasstroms erreicht werden, dass die Niederdruck-Abgasrückführung unmittelbar nach dem Kaltstart des Verbrennungsmotors freigegeben werden kann und die Gefahr von Kondensatbildung gebannt ist.
In einer alternativen Ausgestaltung des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass das elektrische Heizelement eine Heizleistung von 200 Watt bis 1500 Watt aufweist.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn das elektrische Heizelement mit einer Spannung von 10 Volt bis 29 Volt, insbesondere aus einem 12-Volt-Bordnetz oder einem 24-Volt-Bordnetz eines Kraftfahrzeuges, versorgbar ist. Bei einem elektrischen Heizelement stromabwärts des Abgasrückführungskühlers wird durch das Heizelement nicht die komplette Niederdruck-Abgasrückführung durchwärmt, sondern lediglich die Temperatur des zurückgeführten Abgasstroms vor der Einleitung in den Frischluftstrom erhöht. Dadurch kann ein leistungsschwächeres Heizelement eingesetzt werden, welches auch aus einem 12-Volt-Bordnetz problemlos mit elektrischen Strom versorgbar ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verbrennungsmotors ist vorgesehen, dass stromabwärts der Turbine des Abgasturboladers ein motornaher erster Katalysator, insbesondere ein Oxidationskatalysator oder ein NOx-Speicherkatalysator, und stromabwärts des motornahen ersten Katalysator ein Partikelfilter angeordnet ist, wobei die Niederdruck-Abgasrückführung stromabwärts des Partikelfilters an einer Verzweigung aus einem Abgaskanal der Abgasanlage des Verbrennungsmotors abzweigt. Durch die Anordnung der Niederdruck-Abgasrückführung stromabwärts in einer Verzweigung hinter dem Partikelfilter kann der Partikeleintrag in die Niederdruck-Abgasrückführung minimiert werden. Somit kann die Gefahr einer Beschädigung der Komponenten in der Niederdruck-Abgasrückführung, insbesondere eines Abgasrückführungsventils, minimiert werden.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn in einem Abgaskanal der Abgasanlage stromabwärts der Verzweigung eine Abgasstauklappe angeordnet ist, wobei in der Niederdruck-Abgasrückführung stromabwärts eines Abgasrückführungskühlers eine weitere Verzweigung ausgebildet ist, an welcher eine Bypassleitung aus der Niederdruck-Abgasrückführungsleitung abzweigt, wobei die Bypassleitung die Niederdruck-Abgasrückführung mit dem Abgaskanal stromabwärts der Abgasstauklappe und stromaufwärts eines SCR-Katalysators verbindet. Dadurch kann der Abgasrückführungskühler in einer Kaltstartphase des Verbrennungsmotors als Abgaswärmerückgewinnungskomponente genutzt werden, wobei der zurückgeführte Abgasstrom das zu diesem Zeitpunkt noch kalte Kühlmittel des Verbrennungsmotors erwärmt. Dadurch kann die innere Reibung im Verbrennungsmotor verringert und der Wirkungsgrad erhöht werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verbrennungsmotors ist vorgesehen, dass das von der Abgasseite auf die Saugseite zurückgeführte Abgas ausschließlich über die Niederdruck-Abgasrückführung zurückgeführt wird. Durch den Entfall einer Hochdruck-Abgasrückführung können die Kosten für den Verbrennungsmotor weiter deutlich verringert werden. Zudem kann das Gewicht verringert werden, was die Effizienz erhöht und den Verbrauch verringert.
Ein weiterer Teilaspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Verbrennungsmotors, welches folgende Schritte umfasst:

- Starten des Verbrennungsmotors,
- Freigabe der Niederdruck-Abgasrückführung unmittelbar oder zeitnah nach dem Startende des Verbrennungsmotors,
- Aktivieren des zuschaltbaren Verdichters, wenn eine Leistungsanforderung an den Verbrennungsmotor einen Schwellenwert übersteigt.

Unter einer unmittelbaren Freigabe ist in diesem Zusammenhand eine Freigabe der Niederdruck-Abgasrückführung zu verstehen, welche zeitgleich mit dem Erreichen der Leerlaufdrehzahl nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors freigegeben wird. Unter einer zeitnahen Freigabe ist eine Freigabe zu verstehen, welche maximal 10 Sekunden, vorzugsweise maximal 5 Sekunden, besonders bevorzugt maximale 2 Sekunden nach dem Start des Verbrennungsmotors erfolgt. Die Freigabe der Niederdruckabgasrückführung kann zudem abhängig von der Umgebungstemperatur sein, in welcher sich das Kraftfahrzeug und somit der Verbrennungsmotor befinden. Ziel ist eine Freigabe der Niederdruck-Abgasrückführung spätestens 10 Sekunden nach dem Start des Verbrennungsmotors bei einer Außentemperatur von -25°C, beziehungsweise spätestens 5 Sekunden nach dem Start des Verbrennungsmotors bei einer Außentemperatur von -10°C.
In einer weiteren Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass ein Ladeluftkühler in dem Luftversorgungssystem überbrückt wird, wenn ein Kühlmittel des Verbrennungsmotor eine erste Schwellentemperatur oder eine gemessene oder modellierte Abgastemperatur des Verbrennungsmotors an der Einleitung des rückgeführten Abgases in die Ansaugstrecke eine zweite Schwellentemperatur nicht überschritten haben.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind dabei in den unterschiedlichen Figuren mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet. Es zeigen:

1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors mit einem Luftversorgungssystems und einer Abgasanlage;
2 ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors mit einem Luftversorgungssystem und einer Abgasanlage; und
3 ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines solchen Verbrennungsmotors.

1 zeigt die schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors 10. Der Verbrennungsmotor 10 ist als direkteinspritzender Dieselmotor ausgeführt. Der Verbrennungsmotor 10 weist mehrere Brennräume 12 auf. An den Brennräumen 12 ist jeweils ein Kraftstoffinjektor 14 zur Einspritzung eines Kraftstoffes in den jeweiligen Brennraum 12 angeordnet. Der Verbrennungsmotor 10 ist mit seinem Einlass 16 mit einem Luftversorgungssystem 20 und mit seinem Auslass 18 mit einer Abgasanlage 40 verbunden. An den Brennräumen 12 sind Einlassventile und Auslassventile angeordnet, mit welchen eine fluidische Verbindung vom Luftversorgungssystem 20 zu den Brennräumen 12 oder von den Brennräumen 12 zur Abgasanlage 40 geöffnet oder verschlossen werden kann.
Das Luftversorgungssystem 20 umfasst einen Ansaugkanal 28, in welchem in Strömungsrichtung von Frischluft durch den Ansaugkanal 28 ein Luftfilter 22, stromabwärts des Luftfilters 22 ein Luftmassenmesser 24, insbesondere ein Heißfilmluftmassenmesser, stromabwärts des Luftmassenmessers 24 ein Verdichter 26 eines Abgasturboladers 60, stromabwärts des Verdichters 26 ein Ladeluftkühler 30 angeordnet sind. Dabei kann der Luftmassenmesser 24 auch in einem Filtergehäuse des Luftfilters 22 angeordnet sein, sodass der Luftfilter 22 und der Luftmassenmesser 24 eine Baugruppe ausbilden. Stromabwärts des Luftfilters 22 und stromaufwärts des Verdichters 26 ist eine Einmündung 34 vorgesehen, an welcher eine Abgasrückführungsleitung 86 einer Niederdruck-Abgasrückführung 80 in den Ansaugkanal 28 mündet.
In einer optionalen Ausführung ist stromabwärts des Verdichters 26 und stromaufwärts des Ladeluftkühlers 30 eine Verzweigung 36 vorgesehen, an welcher ein Bypass 32 aus einer Hauptleitung 33 des Ansaugkanals 28 abzweigt und an einer Einmündung 39 wieder in die Hauptleitung 33 des Ansaugkanals 28 einmündet. In dem Bypass 32 ist ein Zusatzverdichter 35, vorzugsweise ein elektrisch angetriebener Zusatzverdichter, angeordnet, mit welchem die Ansaugluft zusätzlich zu dem Verdichter 26 des Abgasturboladers 60 verdichtet werden kann. An der Einmündung 39 ist ein Steuerelement 38, insbesondere eine Steuerklappe, angeordnet, mit welchem die Ansaugluft wahlweise durch die Hauptleitung 33, durch den Bypass 32 oder anteilig durch den Bypass 32 und die Hauptleitung 33 geleitet werden kann. Alternativ kann der Zusatzverdichter 35 auch als mechanisch angetriebener Zusatzverdichter ausgeführt sein, welcher vorzugsweise über eine schaltbare Kupplung an einen mechanischen Antrieb des Verbrennungsmotors 10 an- und abkoppelbar ist.
Die Abgasanlage 40 umfasst einen Abgaskanal 42, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors 10 durch den Abgaskanal 42 eine Turbine 44 des Abgasturboladers 60 angeordnet ist, welche den Verdichter 26 im Luftversorgungssystem 20 über eine Welle antreibt. Der Abgasturbolader 60 ist vorzugsweise als Abgasturbolader 60 mit variabler Turbinengeometrie ausgeführt. Dazu sind einem Turbinenrad der Turbine 44 verstellbare Leitschaufeln vorgeschaltet, über welche die Anströmung des Abgases auf die Schaufeln der Turbine 44 variiert werden kann. Stromabwärts der Turbine 44 sind mehrere Abgasnachbehandlungskomponenten 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58 vorgesehen. Dabei ist unmittelbar stromabwärts der Turbine 44 als erste Komponente der Abgasnachbehandlung ein erster Katalysator 46, insbesondere ein NOx-Speicherkatalysator 48 oder ein Oxidationskatalysator 50 angeordnet. Stromabwärts des ersten Katalysators 46 ist ein Partikelfilter 52 angeordnet, der optional eine Beschichtung 54 zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden aufweisen kann. Stromabwärts des Partikelfilters 52 ist optional ein weiterer SCR-Katalysator 56 angeordnet, welchem ein Sperrkatalysator 58 nachgeschaltet sein kann. Stromabwärts des Partikelfilters 52 kann in dem Abgaskanal 42 eine Abgasstauklappe 78 vorgesehen sein, mit welcher der Querschnitt des Abgaskanals 42 zumindest teilweise versperrt werden kann, um den Abgasgegendruck im Abgaskanal 42 zu erhöhen. Stromabwärts des Partikelfilters 52 und stromaufwärts der Abgasstauklappe 78 ist am Abgaskanal 42 eine erste Verzweigung 74 vorgesehen, an welcher eine Abgasrückführungsleitung 86 einer Niederdruck-Abgasrückführung 80 aus dem Abgaskanal 42 abzweigt.
Die Niederdruck-Abgasrückführung 80 umfasst neben der Abgasrückführungsleitung 86 einen Niederdruck-Abgasrückführungskühler 82 und ein Abgasrückführungsventil 84, über welches die Abgasrückführung durch die Abgasrückführungsleitung 86 steuerbar ist. Ferner ist in der Niederdruck-Abgasrückführung 80 stromabwärts der ersten Verzweigung 74 und stromaufwärts des Niederdruck-Abgasrückführungskühlers 82 ein Filter 88 angeordnet. Der Filter 88 ist vorzugsweise als elektrisch beheizbarer Filter 90 ausgeführt. Dazu kann der elektrisch beheizbare Filter 90 entweder wie in 1 dargestellt ein elektrisch beheizbares Filtersubstrat aufweisen oder durch eine elektrisches Heizelement, beispielweise eine elektrisch beheizbare Scheibe beheizbar sein, welche entweder unmittelbar stromaufwärts des Filters 88 oder unmittelbar stromabwärts des Filters 88 angeordnet ist. Durch den elektrisch beheizbaren Filter 90 kann der über die Niederdruck-Abgasrückführung 80 zurückgeführte Abgasstrom aufgeheizt werden, um die Niederdruck-Abgasrückführung 80 unmittelbar nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 freizugeben. Unter einer unmittelbaren Freigabe ist in diesem Zusammenhang eine Freigabe der Niederdruck-Abgasrückführung mit einer Zeitverzögerung von weniger als 10 Sekunden, vorzugsweise von weniger als 5 Sekunden, besonders bevorzugt von weniger als 2 Sekunden ab einem Start des Verbrennungsmotors 10 zu verstehen. Somit kann verhindert werden, dass Wasserdampf auskondensiert und in der Niederdruck-Abgasrückführung 80 oder im Luftversorgungssystem 20 zu Beschädigungen führt. Ferner kann der beheizbare Filter 90 nach Freigabe der Reduktionsmitteleindosierung in die Abgasanlage verhindern, dass Reduktionsmittel in der Niederdruck-Abgasrückführung 80 auskondensiert und dort Ablagerungen bildet. Alternativ oder zusätzlich ist ein elektrisches Heizelement 92 stromabwärts des Niederdruck-Abgasrückführungskühlers 82 und stromaufwärts der Einmündung 34 der Abgasrückführungsleitung 86 in die Ansaugleitung 28 angeordnet. Das elektrische Heizelement 92 weist eine Heizleistung im Bereich von 200W - 1500W, vorzugsweise im Bereich von 600W - 1000W auf und wird vorzugsweise aus einem 12V- oder 24V-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs mit elektrischem Strom versorgt, da nicht die komplette Niederdruck-Abgasrückführung durch das elektrische Heizelement 92 durchwärmt werden muss.
Optional ist stromabwärts des Niederdruck-Abgasrückführungskühlers 82 an der Abgasrückführungsleitung 86 eine weitere Verzweigung 76 ausgebildet, an welcher eine Bypassleitung 62 aus der Abgasrückführungsleitung 86 abzweigt, welcher den Abgasrückführungskanal 86 mit dem Abgaskanal 42 stromabwärts der Abgasstauklappe 78 und stromaufwärts des SCR-Katalysators 56 verbindet. In der Bypassleitung 62 ist ein Steuerelement 64, insbesondere eine Regelungsklappe, angeordnet, mit welchem die Bypassleitung 62 geöffnet und verschlossen werden kann. Der Niederdruck-Abgasrückführungskühler 82 kann insbesondere in einer Kaltstartphase des Verbrennungsmotors 10 dazu genutzt werden, einen Teil der Abwärme des Abgases auf das Kühlmittel des Verbrennungsmotors 10 zu übertragen und somit diese Abwärme zumindest teilweise zurückzugewinnen.
In dem Abgaskanal 42 ist, vorzugsweise vor, in oder nach einer der Abgasnachbehandlungskomponenten 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, insbesondere am Partikelfilter 52 oder am SCR-Katalysator 56, ein Temperatursensor 70 vorgesehen, mit welchem eine Abgastemperatur in der Abgasanlage 40 überwacht werden kann, um eine effektive und effiziente Abgasnachbehandlung des Abgases des Verbrennungsmotors 10 zu ermöglichen.
Ferner sind Differenzdrucksensoren 72 vorgesehen, um eine Druckdifferenz über den Partikelfilter 52 zu bestimmen. Auf diese Weise kann der Beladungszustand des Partikelfilters 52 ermittelt und bei Überschreiten eines definierten Beladungsniveaus eine Regeneration des Partikelfilters 52 eingeleitet werden. Ferner ist am Abgaskanal 42 mindestens ein Dosierelement 66, 68 vorgesehen, um ein Reduktionsmittel, insbesondere wässrige Harnstofflösung, stromaufwärts des SCR-Katalysators 56 und/oder stromaufwärts des Partikelfilters 52 in den Abgaskanal 42 zu dosieren. Vorzugsweise sind zwei Dosierelemente 66, 68 vorgesehen, wobei das erste Dosierelement 66 stromabwärts des ersten Katalysators 46 und stromaufwärts des Partikelfilters 52 und das zweite Dosierelement 68 stromabwärts der Abgasstauklappe 78 und stromaufwärts des SCR-Katalysators 56 angeordnet ist. Jedem Dosierelement 66, 68 kann ein Abgasmischer nachgeschaltet sein, um eine verbesserte Durchmischung des Abgasstroms mit dem Reduktionsmittel zu erzielen.
Der Verbrennungsmotor 10 ist mit einem Motorsteuergerät 100 verbunden, welches über nicht dargestellte Signalleitungen mit den Druck- und Temperatursensoren 70, 72 sowie mit den Kraftstoffinjektoren 14 des Verbrennungsmotors 10 und den Steuereinrichtungen 24, 38, 64, 66, 68, 78, 84 des Luftversorgungssystems 20 sowie der Abgasanlage 40 verbunden ist.
In 2 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors 10 mit einem Luftversorgungssystem 20 und einer Abgasanlage 40 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 beschrieben, ist in dem Luftversorgungssystem 20 eine zusätzliche Verzweigung 102 ausgebildet, an welcher ein schaltbarer Bypass 104 für den Ladeluftkühler 30 aus der Hauptleitung 33 abzweigt und stromabwärts des Ladeluftkühlers 30 an einer Einmündung 106 wieder in die Hauptleitung 33 einmündet. An der Verzweigung 102 oder an der Einmündung 106 ist ein Steuerelement 108 angeordnet, mit welchem die Ansaugluft wahlweise durch die Hauptleitung 33 und somit durch den Ladeluftkühler 30, durch den Bypass 104 oder anteilig durch die Hauptleitung 33 und den Ladeluftkühler 30 geleitet werden kann.
Durch das elektrische Heizelement 90, 92 kann die Niederdruck-Abgasrückführung 80 unmittelbar nach einem Kaltstartende des Verbrennungsmotors 10 freigegeben werden. Dadurch kann eine Hochdruckabgasrückführung für den Verbrennungsmotor 10 entfallen. Durch die Kombination der beheizten Niederdruck-Abgasrückführung 80 und dem zuschaltbaren Verdichter 35 in dem Bypass 32 in dem Ansaugkanal 28 können gegenüber einer Aufladung mit einstufiger Abgasentspannung des Verbrennungsmotors 10 höhere spezifische Leistungen erreicht werden. Zudem wird durch die höhere Abgastemperatur gegenüber einer zweistufig entspannenden Aufladung mit zwei zumindest zeitweise in Reihe geschalteten Turbinen in der Abgasanlage 40 die Abgasnachbehandlung vereinfacht. Insbesondere kann die Edelmetallbeschichtung des ersten Katalysators 46, insbesondere eines Oxidationskatalysators 48 oder einen NOX-Speicherkatalysators 50, verringert werden. Dadurch können die Kosten für die Abgasnachbehandlung reduziert werden.
In 3 ist ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Verbrennungsmotors dargestellt. In einem ersten Verfahrensschritt <100> wird der Verbrennungsmotor 10 gestartet. In einem zweiten Verfahrensschritt <110> wird die Niederdruck-Abgasrückführung 80 unmittelbar nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 freigegeben. Unter einer unmittelbaren Freigabe ist in diesem Zusammenhang eine Freigabe der Niederdruck-Abgasrückführung 80 mit einer Zeitverzögerung von weniger als 10 Sekunden, vorzugsweise von weniger als 5 Sekunden, besonders bevorzugt von weniger als 2 Sekunden ab dem Startende des Verbrennungsmotors 10 zu verstehen. In einem Verfahrensschritt <120> wird der Ladeluftkühler 30 in dem Luftversorgungssystem 20 des Verbrennungsmotors 10 überbrückt, wenn die Temperatur T_CL eines Kühlmittels des Verbrennungsmotors 10 eine erste Schwellentemperatur T_S1 oder eine gemessene oder modellierte Abgastemperatur T_EG des Verbrennungsmotors (10) an der Einmündung 34 eine zweite Schwellentemperatur T_S2 nicht überschritten haben. In einem Verfahrensschritt <130> wird der zuschaltbare Verdichter 35 aktiviert, wenn eine Leistungsanforderung an den Verbrennungsmotor 10 einen Schwellenwert T_P übersteigt.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungsmotor
12: Brennraum
14: Kraftstoffinjektor
16: Einlass
18: Auslass
20: Luftversorgungssystem
22: Luftfilter
24: Luftmassenmesser
26: Verdichter
28: Ansaugkanal
30: Ladeluftkühler
32: Bypass
33: Hauptleitung
34: Einmündung
35: zuschaltbarer Verdichter
36: Verzweigung
38: Steuerelement
39: Einmündung
40: Abgasanlage
42: Abgaskanal
44: Turbine
46: erster Katalysator
48: NOx-Speicherkatalysator
50: Oxidationskatalysator
52: Partikelfilter
54: SCR-Beschichtung
56: SCR-Katalysator
58: Sperrkatalysator
60: Abgasturbolader
62: Bypassleitung
64: Steuerelement
66: erstes Dosierelement
68: zweites Dosierelement
70: Temperatursensor
72: Differenzdrucksensoren
74: erste Verzweigung
76: weitere Verzweigung
78: Abgasstauklappe
80: Niederdruck-Abgasrückführung
82: Niederdruck-Abgasrückführungskühler
84: Abgasrückführungsventil
86: Abgasrückführungsleitung
88: Filter
90: elektrisch beheizbarer Filter
92: elektrisches Heizelement
94: Hauptkanal
100: Steuergerät
102: Verzweigung
104: Bypass
106: Einmündung
108: Steuerelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102019111667 A1 [0007]
DE 102015219625 A1 [0008]

Claims

Verbrennungsmotor (10) mit mindestens einem Brennraum (12), wobei der Verbrennungsmotor (10) mit seinem Einlass (16) mit einem Luftversorgungssystem (20) und mit seinem Auslass (18) mit einer Abgasanlage (40) verbunden ist, wobei der Verbrennungsmotor (10) mittels eines Abgasturboladers (60) aufgeladen ist, und wobei der Verbrennungsmotor (10) eine Niederdruck-Abgasrückführung (80) aufweist, welche die Abgasanlage (40) stromabwärts einer einstufig abgasentspannenden Turbine (44) des Abgasturboladers (60) mit dem Luftversorgungssystem (20) stromaufwärts eines Verdichters (26) des Abgasturboladers (60) verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass in der Niederdruck-Abgasrückführung (80) mindestens ein elektrisches Heizelement (90, 92) angeordnet ist, mit welchem ein über die Niederdruck-Abgasrückführung (80) zurückgeführter Abgasstrom aufheizbar ist und in dem Luftversorgungssystem (20) stromabwärts des Verdichters (26) des Abgasturboladers (60) ein zuschaltbarer Verdichter (35) angeordnet ist.
Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zuschaltbare Verdichter (35) in einem Bypass (32) zu einem Ansaugkanal (28) des Luftversorgungssystems (20) angeordnet ist.
Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor selbstzündend ist und eine spezifische Leistung > 70kW/dm3 Motorhubraum aufweist.
Verbrennungsmotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Luftversorgungssystem (20) ein Ladeluftkühler (30) angeordnet ist, wobei der Ladeluftkühler (30) über einen schaltbaren Bypass (104) überbrückt werden kann.
Verbrennungsmotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Heizelement (90, 92) als elektrisch beheizbarer Filter (90) ausgeführt ist.
Verbrennungsmotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Niederdruck-Abgasrückführung (80) ein Niederdruck-Abgasrückführungskühler (82) angeordnet ist, wobei das elektrische Heizelement (90, 92) ein stromabwärts des Niederdruck-Abgasrückführungskühlers (82) angeordnetes Heizelement (92) ist.
Verbrennungsmotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts der Turbine (44) des Abgasturboladers (60) ein motornaher erster Katalysator (46) und stromabwärts des motornahen ersten Katalysators (46) ein Partikelfilter (52) angeordnet ist, wobei die Niederdruck-Abgasrückführung (80) stromabwärts des Partikelfilters (52) an einer Verzweigung (74) aus einem Abgaskanal (42) der Abgasanlage (40) abzweigt.
Verbrennungsmotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das von der Abgas- auf die Saugseite zurückgeführte Abgas ausschließlich über die Niederdruck-Abgasrückführung (80) zurückgeführt wird.
Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend folgende Schritte: - Starten des Verbrennungsmotors (10), - Freigabe der Niederdruck-Abgasrückführung (80) unmittelbar oder zeitnah nach dem Startende des Verbrennungsmotors (10), - Aktivieren des zuschaltbaren Verdichters (35), wenn eine Leistungsanforderung an den Verbrennungsmotor (10) einen Schwellenwert (T_P) übersteigt.
Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ladeluftkühler (30) in dem Luftversorgungssystem (20) überbrückt wird, wenn ein Kühlmittel (T_CL) des Verbrennungsmotors (10) eine erste Schwellentemperatur (T_S1) oder eine gemessene oder modellierte Abgastemperatur T_EG des Verbrennungsmotors (10) an der Einmündung 34 eine zweite Schwellentemperatur (T_S2) nicht überschritten haben.