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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, umfassend ein Antriebsaggregat, einen Frischgasstrang, mittels dessen dem Antriebsaggregat gefiltertes Frischgas zuführbar ist, eine Abgasanlage, die an das Antriebsaggregat angeschlossenen ist, sowie einen Abgasturbolader, der einen Verdichter, der an den Frischgasstrang angeschlossen ist und der dazu ausgebildet ist, das zugeführte Frischgas zu verdichten, eine mit dem Verdichter gekoppelte Turbine, die an die Abgasanlage angeschlossen ist, sowie eine elektrische Antriebsvorrichtung, die dazu ausgebildet, den Verdichter unterstützend anzutreiben, aufweist, wobei der Frischgasstrang ein Primärluftsystem mit einer Primärluftleitung und mit einem Steuerungsmittel zur Steuerung des Primärluftmassenstroms sowie ein Sekundärluftsystem mit einer Sekundärluftleitung, die in die Abgasanlage mündet, sowie mit zumindest einem Steuerungsmittel zur Steuerung des Sekundärluftmassenstroms aufweist.
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Bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen spielt eine Abgasturboaufladung eine sehr wichtige Rolle. Gründe hierfür sind insbesondere die gesteigerten Anforderungen im Hinblick auf eine Verbesserung der Effizienz, eine Verringerung von Emissionen und eine Erhöhung der Leistung. Um den Kraftstoffverbrauch und damit einhergehend die CO2-Emissionen von Brennkraftmaschinen zu verringern, gehen die Entwicklungstendenzen immer mehr in Richtung einer Verkleinerung des Hubraums der Brennkraftmaschinen, welche häufig auch als „Downsizing“ bezeichnet wird. Daraus resultiert eine stärkere Verbreitung von Abgasturboladern, um entsprechend hohe spezifische Leistungen erreichen zu können.
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Ein aus dem Stand der Technik bekanntes Aufladekonzept bildet eine elektrisch unterstützte Abgasturboaufladung, bei der der Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine eine zusätzliche elektrische Antriebseinrichtung aufweist. Diese elektrische Antriebseinrichtung treibt einen Verdichter des Abgasturboladers unterstützend an, um insbesondere bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine ein zuschaltbares, zusätzliches Drehmoment zum Antreiben des Abgasturboladers zu generieren. Elektrisch unterstützte Abgasturboauflader können zur Verbesserung des Ansprechverhalten der Brennkraftmaschine und zur Erhöhung eines stationären Volllastmoments bei niedrigen Drehzahlen eingesetzt werden. Wenn zum Beispiel während der Kaltstartphase der Brennkraftmaschine keine ausreichende Abgasenthalphie zur Verfügung steht, wird die Turbine des Abgasturboladers über ein Wastegate strömungstechnisch gezielt umgangen. Dennoch kann in diesem Betriebszustand mittels der elektrischen Antriebseinrichtung ein ausreichend hoher Ladedruck erzeugt werden.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Brennkraftmaschinen weisen zusätzlich zu einem Primärluftsystem, welches das Antriebsaggregat der Brennkraftmaschine mit Frischgas versorgt, ein Sekundärluftsystem auf, das nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine aktiviert wird. Ein derartiges Sekundärluftsystem umfasst typischerweise eine Sekundärluftleitung, ein Sekundärluftventil und eine elektrische Sekundärluftpumpe zum Einblasen gefilterter Ansaugluft in die Abgaskanäle eines Zylinderkopfs des Antriebsaggregats. Die elektrische Sekundärluftpumpe wird nur für diesen einzigen Zweck eingesetzt, um in Verbindung mit unverbranntem Kraftstoffüberschuss aus der Verbrennung in einem Bereich der Abgasanlage zwischen den Auslassventilen des Antriebsaggregats der Brennkraftmaschine und einem Abgaskatalysator eine Nachreaktion auszulösen und so den Abgaskatalysator schneller auf seine Betriebstemperatur zu bringen und die vorhandenen Abgasemissionen nachzuoxidieren.
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Eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art mit einem elektrisch unterstützten Abgasturbolader und einem Sekundärluftsystem zum Einblasen eines gefilterten Frischgases in eine Abgasanlage ist zum Beispiel aus der
DE 10 2015 015 484 B3 bekannt.
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Die vorliegende Erfindung macht es sich zur Aufgabe, eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die verbesserte Diagnosemöglichkeiten und eine höhere Betriebssicherheit aufweist.
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Die Lösung dieser Aufgabe liefert eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass das Sekundärluftsystem zumindest ein Drucksensormittel aufweist, welches dazu eingerichtet ist, einen Sekundärluftmassenstrom zu berechnen und eine Systemdiagnose des Sekundärluftsystems durchzuführen. Das zumindest eine Drucksensormittel, mittels dessen der Sekundärluftmassenstrom bestimmt werden kann, stellt verbesserte Diagnosemöglichkeiten, insbesondere für das Sekundärluftsystem, zur Verfügung und ermöglicht vorzugsweise auch eine On-Board-Diagnose. Unmittelbar nach dem Start der Brennkraftmaschine befindet sich diese in einer so genannten Kaltstartphase, in der sie noch nicht mit ihrer Soll-Betriebstemperatur arbeitet. Das bedeutet, dass eine Abgasreinigungsvorrichtung der Brennkraftmaschine ebenfalls nicht mit ihrer Soll-Betriebstemperatur arbeitet. Während der Kaltstartphase der Brennkraftmaschine wird daher gefiltertes und von dem Verdichter verdichtetes Frischgas über die Sekundärluftleitung in die Abgasanlage eingeblasen. Vorzugsweise erfolgt die Einblasung des Frischgases in zumindest einen Abgaskrümmer und somit in die den Zylindern der Brennkraftmaschine zugeordneten Abgaskanäle des Antriebsaggregats. Dadurch wird in Verbindung mit unverbranntem Kraftstoffüberschuss aus der Verbrennung in der Abgasanlage zwischen den Auslassventilen des Antriebsaggregats der Brennkraftmaschine und dem Abgaskatalysator eine Nachreaktion ausgelöst. Auf diese Weise wird der Abgaskatalysator schneller auf seine Betriebstemperatur gebracht und die vorhandenen Abgasemissionen werden nachoxidiert. Ferner kann dadurch auch ein Partikelfilter, insbesondere ein Otto-Partikelfiler, der Abgasanlage regeneriert werden.
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In einer Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass das Steuerungsmittel zur Steuerung des Sekundärluftmassenstroms im geschlossen Zustand als Druckdichtes (Richtung Frischgasseite) und im Regelzustand als stufenlos regelbares Ventil ausgebildet ist. Dies kann vorzugsweise ein AGR Ventil (AbgasrückführVentil) umfassen.
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Vorzugsweise kann zumindest eines der Drucksensormittel stromabwärts hinter dem Steuerungsmittel, bspw. dem AGR-Ventil, angeordnet sein.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass das Sekundärluftsystem zumindest ein Sekundärluftventil aufweist, das stromaufwärts vor der Abgasanlage angeordnet ist. Dieses Sekundärluftventil weist zwei Schaltstellungen auf. In einer ersten Schaltstellung ist das Sekundärluftventil geöffnet, so dass Sekundärluft aus der Sekundärluftleitung, insbesondere im Bereich eines Abgaskrümmers, in die Abgasanlage einströmen kann. In einer zweiten Schaltstellung ist das Sekundärluftventil geschlossen, so dass das Einströmen von Sekundärluft aus der Sekundärluftleitung in die Abgasanlage verhindert werden kann. In der geschlossenen Stellung des Sekundärluftventils können die Sekundärluftleitung sowie das AGR-Ventil darüber hinaus auch vor Beschädigungen durch hohe Abgastemperaturen geschützt werden, da durch das Schließen des Sekundärluftventils ein Einströmen von Abgasen in das Sekundärluftsystem wirksam verhindert werden kann.
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In einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das zumindest eine Steuerungsmittel zur Steuerung des Sekundärluftmassenstroms als regelbares Sekundärluftventil ausgebildet ist. Das regelbare Sekundärluftventil ist so ausgebildet, dass es eine kontinuierliche Öffnungsverstellung von einer vollständig geschlossenen in eine vollständig geöffnete Stellung ermöglicht. Vorzugsweise kann das regelbare Sekundärluftventil stufenlos regelbar ausgeführt sein und eine Lagerückmeldung aufweisen. Alle Funktionen der Sekundärluft-Drosselklappe sowie des Sekundärluftventils können in dieser Ausführungsform in vorteilhafter Weise vollständig von dem regelbaren Sekundärluftventil übernommen werden, so dass der Aufbau des Sekundärluftsystems vereinfacht werden kann. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das regelbare Sekundärluftventil im geschlossenen Zustand von der Frischluftseite her druckdicht ausgeführt ist.
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Vorzugsweise kann zumindest eines der Drucksensormittel stromabwärts hinter dem regelbaren Sekundärluftventil angeordnet sein. Dieses Drucksensormittel kann insbesondere stromabwärts unmittelbar hinter dem regelbaren Sekundärluftventil angeordnet sein.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Betrieb der Brennkraftmaschine so steuerbar ist, dass in zumindest einem Betriebszustand bei zumindest teilweise geöffnetem Sekundärluftventil Abgase des Antriebsaggregats in die Sekundärluftleitung einleitbar sind. Somit kann das Sekundärluftsystem mit der Sekundärluftleitung nicht nur während der Kaltstartphase verwendet werden, sondern auch in einem Teillastbereich oder in einem Volllastbereich beziehungsweise in einem volllastnahen Bereich. Dadurch werden die Einsatzmöglichkeiten des Sekundärluftsystems erheblich erweitert.
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In einer alternativen Ausführungsform besteht auch die Möglichkeit, dass das zumindest eine Steuerungsmittel zur Steuerung des Sekundärluftmassenstroms als Abgasrückführventil ausgebildet ist. Das Abgasrückführventil ist vorzugsweise so ausgebildet, dass es eine kontinuierliche Öffnungsverstellung von einer vollständig geschlossenen in eine vollständig geöffnete Stellung ermöglicht. Alle Funktionen der Sekundärluft-Drosselklappe sowie des Sekundärluftventils können in dieser Ausführungsform in vorteilhafter Weise ebenfalls vollständig von dem Abgasrückführventil übernommen werden, so dass der Aufbau des Sekundärluftsystems vereinfacht werden kann.
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Vorzugsweise kann zumindest eines der Drucksensormittel stromabwärts hinter dem Abgasrückführventil angeordnet sein. Dieses Drucksensormittel kann insbesondere stromabwärts unmittelbar hinter dem Abgasrückführventil angeordnet sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die Brennkraftmaschine zumindest einen Ladeluftkühler aufweist, der innerhalb des Frischgasstrangs angeordnet ist. Dieser Ladeluftkühler ist dazu ausgebildet, das verdichtete Frischgas zu kühlen, bevor es über das Primärluftsystem dem Verbrennungsprozess innerhalb des Antriebsaggregats zugeführt wird.
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In einer Ausführungsform besteht die Möglichkeit, dass die Sekundärluftleitung in Strömungsrichtung des Frischgases hinter dem Ladeluftkühler vom Frischgasstrang abzweigt.
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In einer alternativen Ausführungsform kann auch vorgesehen sein, dass die Sekundärluftleitung in Strömungsrichtung des Frischgases vor dem Ladeluftkühler vom Frischgasstrang abzweigt. Dadurch wird erreicht, dass bei Aktivierung des Sekundärluftsystem die Temperatur der in die Abgasanlage eingeleiteten Sekundärluft höher ist als bei Ausführungsformen, bei denen die Sekundärluftleitung in Strömungsrichtung des Frischgases hinter dem Ladeluftkühler vom Frischgasstrang abzweigt. Dieses führt somit zu einer höheren Einleittemperatur der Sekundärluft in das Abgas der Brennkraftmaschine, so dass die Reaktionsfreudigkeit ebenfalls erhöht ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Dabei zeigen:
- 1 eine schematisch stark vereinfachte Darstellung einer Brennkraftmaschine, die gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist, während einer Kaltstartphase,
- 2 eine schematisch stark vereinfachte Darstellung einer Brennkraftmaschine, die gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist, während einer Kaltstartphase,
- 3 eine schematisch stark vereinfachte Darstellung einer Brennkraftmaschine, die gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist, während einer Kaltstartphase,
- 4 eine schematisch stark vereinfachte Darstellung der Brennkraftmaschine gemäß 3 in einem volllastnahen Betriebszustand,
- 5 eine schematisch stark vereinfachte Darstellung einer Brennkraftmaschine, die aufbauend auf dem in 3 und 4 gezeigten Ausführungsbeispiel konstruktiv leicht modifiziert wurde.
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In den Figuren wurden gleiche beziehungsweise funktional gleiche Bauteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Unter Bezugnahme auf 1 umfasst eine Brennkraftmaschine 1, die gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist, ein brennstoffbetriebenes, mehrreihiges Antriebsaggregat 2, das vorliegend zwei Zylinderbänke 20, 21 mit jeweils drei Zylindern 23a, 23b, 23c, 24a, 24b, 24c aufweist, sowie einen Abgasturbolader 3. Der Abgasturbolader 3 weist in an sich bekannter Weise einen Verdichter 30 zum Verdichten eines Frischgases und eine Turbine 31 auf, die mit dem Verdichter 30 über eine gemeinsame Welle wirkverbunden ist.
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Die Brennkraftmaschine 1 umfasst einen Frischgasstrang 4, an den der Verdichter 30 des Abgasturboladers 3 angeschlossen ist. Mittels des Verdichters 30 kann ein Frischgas, insbesondere Frischluft, auf einer Saugseite angesaugt und verdichtet werden, so dass das Frischgas auf einer Druckseite des Verdichters 30 einen höheren Druck als auf der Saugseite aufweist. Bevor das Frischgas, insbesondere die Frischluft, mittels des Verdichters 30 verdichtet wird, passiert es einen stromaufwärts vor dem Verdichter 30 angeordneten Luftfilter 40, der das Frischgas filtert. Der Frischgasstrang 4 weist ferner einen Ladeluftkühler 41 auf, der zwischen dem Verdichter 30 und dem Antriebsaggregat 2 angeordnet ist. Dieser Ladeluftkühler 41 ist dazu ausgebildet, das verdichtete Frischgas zu kühlen, bevor es dem Verbrennungsprozess innerhalb des Antriebsaggregats 2 über ein Primärluftsystem 42, das eine Primärluftleitung 43 und eine Motor-Drosselklappe 44, die zur Regulierung des Primärluftmassenstroms innerhalb der Primärluftleitung 43 angeordnet ist, aufweist, zugeführt wird.
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Die Brennkraftmaschine 1 weist ferner eine Abgasanlage 5 auf, die eine Abgasleitung 50 und aufgrund der vorliegend zweireihigen Ausführung des Antriebsaggregats 2 insgesamt zwei Abgaskrümmer 51, 52 umfasst. Mittels der Abgaskrümmer 51, 52 können die während des Verbrennungsprozesses generierten Abgase aus den Zylindern 23a, 23b, 23c, 24a, 24b, 24c der beiden Zylinderbänke 20, 21 zusammengeführt werden und über die gemeinsame Abgasleitung 50, an die die Abgaskrümmer 51, 52 angeschlossen sind, abgeführt werden. Ferner weist die Abgasanlage 5 eine Abgasreinigungsvorrichtung 10 auf, die einen Abgaskatalysator 11 und einen diesem strömungstechnisch nachgeschalteten Partikelfilter 12 umfasst. Bei dem Abgaskatalysator 11 handelt es sich vorliegend um einen elektrisch beheizbaren Katalysator, der an eine elektrische Spannungsversorgungseinrichtung 7 angeschlossen ist.
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Die Turbine 31 des Abgasturboladers 3 ist an die Abgasleitung 50 der Abgasanlage 5 angeschlossen, so dass die Turbine 31 durch einen Abgasmassenstrom in Rotation versetzt werden kann, indem eine Umwandlung eines Teils der Strömungsenergie des Abgasmassenstroms in kinetische Energie zum Antreiben der Turbine 31 erfolgt. Dadurch wird auch der mit der Turbine 31 über die gemeinsame Welle mechanisch wirkverbundene Verdichter 30 in Rotation versetzt, so dass er das ihm zugeführte Frischgas verdichten kann. Ferner weist der Abgasturbolader 3 ein Wastegate 32 auf. Mittels dieses Wastegates 32 kann bei Bedarf zumindest ein Teil des Abgasmassenstroms an der Turbine 31 vorbei direkt in die Abgasreinigungsvorrichtung 10 eingeleitet werden.
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Bei dem Abgasturbolader 3 handelt es sich vorliegend um einen elektrisch unterstützten Abgasturbolader 3. Dieser weist eine zuschaltbare elektrische Antriebsvorrichtung 33 auf, mittels derer die Rotationsbewegung des Verdichters 30 bei Bedarf, insbesondere während einer Kaltstartphase der Brennkraftmaschine 1, unterstützt werden kann. Die elektrische Antriebsvorrichtung 33 ist über einen Pulswechselrichter 8 mit der elektrischen Spannungsversorgungseinrichtung 7 verbunden. Die Brennkraftmaschine 1 weist ferner eine zentrale Steuerungseinrichtung 9 auf, um den Betrieb der Brennkraftmaschine 1 zu steuern.
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Ferner weist der Frischgasstrang 4 zusätzlich zum Primärluftsystem 42 ein Sekundärluftsystem 60 auf, dessen Funktion nachfolgend näher erläutert werden soll. Das Sekundärluftsystem 60 weist eine Sekundärluftleitung 61 auf, die in diesem Ausführungsbeispiel stromabwärts hinter dem Ladeluftkühler 41 abzweigt. Das Sekundärluftsystem 60 umfasst ferner ein Steuerungsmittel zur Steuerung des Sekundärluftmassenstroms, welches vorliegend als AGR-Ventil 62 ausgebildet ist. In Strömungsrichtung der verdichteten Frischluft sind vor und hinter dem AGR-Ventil 62 zwei Drucksensormittel 63, 68 angeordnet. Diese Drucksensormittel 63, 68 sind dazu eingerichtet, den Sekundärluftmassenstrom zu berechnen und eine Systemdiagnose des Sekundärluftsystems 60 durchzuführen. Die beiden Drucksensormittel 63, 68 sind vorzugsweise an die zentrale Steuerungseinrichtung 9 angeschlossen und ermöglichen insbesondere eine On-Board-Diagnose des Sekundärluftsystems 60. Das erste Drucksensormittel 63 ermöglicht insbesondere eine Diagnose des Leitungssystems.
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Das Sekundärluftsystem 60 weist in diesem Ausführungsbeispiel ferner zwei Sekundärluftventile 64a, 64b auf, die stromaufwärts hinter dem AGR-Ventil 62 und vor den Abgaskrümmern 51, 52 der beiden Zylinderbänke 20, 21 des Antriebsaggregats 2 angeordnet sind. Ein erstes Sekundärluftventil 64a ist dabei vor dem Abgaskrümmer 51 der ersten Zylinderbank 20 angeordnet, wohingegen ein zweites Sekundärluftventil 64b vor dem Abgaskrümmer 52 der zweiten Zylinderbank 21 angeordnet ist. Die beiden Sekundärluftventile 64a, 64b, die als entdrosselte Ventile ausgeführt sind, sind an die zentrale Steuerungseinrichtung 9 angeschlossen, so dass sie von dieser angesteuert werden können. Die beiden Sekundärluftventile 64a, 64b weisen zwei Schaltstellungen auf. In einer ersten Schaltstellung sind die Sekundärluftventile 64a, 64b geöffnet, so dass Sekundärluft aus der Sekundärluftleitung 61 im Bereich der Abgaskrümmer 51, 52 in die Abgasanlage 5 einströmen kann. In einer zweiten Schaltstellung sind die Sekundärluftventile 64a, 64b geschlossen, so dass das Einströmen von Sekundärluft aus der Sekundärluftleitung 61 in die Abgasanlage 5 verhindert werden kann. In der geschlossenen Stellung der Sekundärluftventile 64a, 64b können die Sekundärluftleitung 61 sowie das AGR-Ventil 62 darüber hinaus auch vor Beschädigungen durch hohe Abgastemperaturen geschützt werden, da durch das Schließen der Sekundärluftventile 64a, 64b ein Einströmen von Abgasen in das Sekundärluftsystem 60 wirksam verhindert werden kann. Die Steuereinheit zur Regelung des Sekundärluftmasse (AGR-Ventil 62) hat zusätzlich zur Regelung der Sekundärluftmasse noch die Aufgabe im geschlossenen Zustand ein ungewolltes Überströmen der Frischluft auf eine Abgasseite zu verhindern. Aus diesen Grund ist das AGR-Ventil so ausgebildet, dass eine mechanische Abdichtung Richtung Frischluft erfolgt und somit eine fluidische Kommunikation ausgeschlossen ist.
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Unmittelbar nach dem Start der Brennkraftmaschine 1 befindet sich diese in einer so genannten Kaltstartphase, in der sie noch nicht mit ihrer Soll-Betriebstemperatur arbeitet. Das bedeutet, dass die Abgasreinigungsvorrichtung 10 ebenfalls nicht mit ihrer Soll-Betriebstemperatur arbeitet. Während der Kaltstartphase der Brennkraftmaschine 1 wird daher gefiltertes und von dem Verdichter 30 verdichtetes Frischgas über die Sekundärluftleitung 61 die stromaufwärts hinter dem Ladeluftkühler 41 vom Frischgasstrang 4 abzweigt, bei geöffneten Sekundärluftventilen 64a, 64b in die Abgasanlage 5 eingeblasen. Vorzugsweise erfolgt die Einblasung des Frischgases in die Abgaskrümmer 51, 52 und somit in die den Zylindern 23a, 23b, 23c, 24a, 24b, 24c zugeordneten Abgaskanäle des Antriebsaggregats 2. Dadurch wird in Verbindung mit unverbranntem Kraftstoffüberschuss aus der Verbrennung in der Abgasanlage 5 zwischen den Auslassventilen des Antriebsaggregats 2 der Brennkraftmaschine 1 und dem Abgaskatalysator 11 eine Nachreaktion ausgelöst. Auf diese Weise wird der Abgaskatalysator 11 schneller auf seine Betriebstemperatur gebracht und die vorhandenen Abgasemissionen werden nachoxidiert. Ferner kann dadurch auch der Partikelfilter 12 regeneriert werden.
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Unter Bezugnahme auf 2 ist dort ein zweites Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine 1 dargestellt. Dieses basiert im Hinblick auf seinen grundlegenden Aufbau auf dem ersten Ausführungsbeispiel und unterscheidet sich von diesem lediglich dadurch, dass die Sekundärluftleitung 61 nicht erst zwischen dem Ladeluftkühler 41 und der Motor-Drosselklappe 42 vom Frischgasstrang 4 abzweigt, sondern bereits stromaufwärts vor dem Ladeluftkühler 41. Dadurch wird erreicht, dass bei Aktivierung des Sekundärluftsystems 60 die Temperatur der in die Abgasanlage 5 eingeleiteten Sekundärluft höher ist als im ersten Ausführungsbeispiel. Dieses führt somit zu einer höheren Einleittemperatur der Sekundärluft in das Abgas der Brennkraftmaschine 1, so dass die Reaktionsfreudigkeit ebenfalls erhöht ist.
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Die Berechnung des Sekundärluftmassenstroms kann in den beiden vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen auch sensorlos über den modellierten Druck im Auslasskanal stromabwärts hinter dem AGR-Ventil 62 durchgeführt werden, so dass das zweite Drucksensormittel 68 weggelassen werden kann. Für die Berechnung des Sekundärluftmassenstroms ist stets das erste Drucksensormittel 63 vor dem AGR-Ventil 62 erforderlich.
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Unter Bezugnahme auf 3 ist dort ein drittes Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine 1 dargestellt. Der grundlegende konstruktive Aufbau weist ebenfalls zahlreiche Gemeinsamkeiten mit den beiden vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen auf, so dass an dieser Stelle auf die Beschreibung dieser Gemeinsamkeiten verzichtet werden soll. Nachfolgend sollen daher nur die Unterschiede näher erläutert werden, die sich allesamt auf die andersartige Ausgestaltung des Sekundärluftsystems 60 beziehen.
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Die Sekundärluftleitung 61 zweigt - wie im Ausführungsbeispiel gemäß 2 - zwischen dem Verdichter 30 und dem Ladeluftkühler 41 vom Frischgasstrang 4 ab. Eine Drosselklappe ist in der Sekundärluftleitung 61 nicht vorgesehen. Ferner sind auch keine Sekundärluftventile vorgesehen, um die Sekundärluftzufuhr in die Abgasanlage 5 freizugeben beziehungsweise wieder zu beenden. Ferner ist in der Sekundärluftleitung 61 ein Drucksensormittel 69 vorgesehen.
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In diesem Ausführungsbeispiel wird die Sekundärluftzufuhr durch zwei regelbare Sekundärluftventile 65a, 65b gesteuert, die jeweils in Strömungsrichtung der Sekundärluft vor den Abgaskrümmern 50, 51 der Zylinderbänke 20, 21 des Antriebsaggregats 2 angeordnet sind. Diese regelbaren Sekundärluftventile 65a, 65b sind an die Steuerungseinrichtung 9 angeschlossen, können von dieser angesteuert werden und sind so ausgebildet, dass sie eine kontinuierliche Öffnungsverstellung von einer vollständig geschlossenen in eine vollständig geöffnete Stellung ermöglichen. Aus funktionaler Sicht bilden die beiden regelbaren Sekundärluftventile 65a, 65b somit Steuerungsmittel zur Steuerung des Sekundärluftmassenstroms und können somit die Funktion der Sekundärluft-Drosselklappe 62 des Ausführungsbeispiels gemäß 1 und 2 übernehmen. Ferner ermöglichen die beiden regelbaren Sekundärluftventile 65a, 65b ein Freigeben und Schließen der Sekundärluftzufuhr in die Abgasanlage 5 und übernehmen somit auch die Funktion der Sekundärluftventile 64a, 64b der Ausführungsbeispiele gemäß 1 und 2. Dadurch können in diesem Ausführungsbeispiel die Sekundärluft-Drosselklappe 62 sowie die beiden Sekundärluftventile 64a, 64b, die in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen vorgesehen sind, in vorteilhafter Weise entfallen. Die Funktionen der Sekundärluft-Drosselklappe 62 sowie der Sekundärluftventile 64a, 64b werden somit vollständig von den regelbaren Sekundärluftventilen 65a, 65b übernommen, die ebenfalls an die Steuerungseinrichtung 9 angeschlossen sind und von dieser gesteuert werden können. Vorzugsweise können die regelbaren Sekundärluftventile 65a, 65b stufenlos regelbar ausgeführt sein und eine Lagerückmeldung aufweisen. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die regelbaren Sekundärluftventile 65a, 65b im geschlossenen Zustand von der Frischluftseite her druckdicht ausgeführt sind.
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Stromabwärts ist hinter jedem der beiden regelbaren Sekundärluftventile 65a, 65b jeweils ein Drucksensormittel 66a, 66b angeordnet. Diese Drucksensormittel 66a, 66b sind zusammen mit dem Drucksensormittel 69 in der Sekundärluftleitung 61 dazu eingerichtet, den Sekundärluftmassenstrom zu berechnen und eine Systemdiagnose des Sekundärluftsystems 60 durchzuführen. Die Drucksensormittel 66a, 66b, 69 sind an die zentrale Steuerungseinrichtung 9 angeschlossen und ermöglichen insbesondere eine On-Board-Diagnose des Sekundärluftsystems 60. In einer alternativen Ausführungsform kann die Berechnung des Sekundärluftmassenstroms auch sensorlos über den modellierten Druck im Auslasskanal durchgeführt werden. Für die Berechnung des Sekundärluftmassenstroms ist das Drucksensormittel 69 in der Sekundärluftleitung 61 vorgesehen, welches insbesondere auch zur Diagnose des Leitungssystems verwendet werden kann. Die Drucksensormittel 66a, 66b können in dieser Variante dann weggelassen werden.
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Während der Kaltstartphase der Brennkraftmaschine 1 wird auch in diesem Ausführungsbeispiel gefiltertes und von dem Verdichter 30 verdichtetes Frischgas über die Sekundärluftleitung 61, die in Strömungsrichtung vor dem Ladeluftkühler 41 vom Frischgasstrang 4 abzweigt, bei zumindest teilweise geöffneten Sekundärluftventilen 65a, 65b in die Abgasanlage 5 eingeblasen. Vorzugsweise erfolgt die Einblasung des Frischgases wiederum in die Abgaskrümmer 51, 52 und somit in die den Zylindern 23a, 23b, 23c, 24a, 24b, 24c zugeordneten Abgaskanäle des Antriebsaggregats 2. Dadurch wird in Verbindung mit unverbranntem Kraftstoffüberschuss aus der Verbrennung in der Abgasanlage 5 zwischen den Auslassventilen des Antriebsaggregats 2 der Brennkraftmaschine 1 und dem Abgaskatalysator 11 eine Nachreaktion ausgelöst. Auf diese Weise wird der Abgaskatalysator 11 schneller auf seine Betriebstemperatur gebracht und die vorhandenen Abgasemissionen werden nachoxidiert. Ferner wird dadurch auch eine Regeneration des Partikelfilters 12 ermöglicht.
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Die Komponenten des Sekundärluftsystems 60 der Brennkraftmaschine 1 gemäß 3 können in vorteilhafter Weise nicht nur während der Kaltstartphase verwendet werden, sondern auch in einem volllastnahen Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1. Dieses soll nachfolgend unter Bezugnahme auf 4 näher erläutert werden. Hierbei wird das Sekundärluftsystem 60 der Brennkraftmaschine 1 in einer zweiten Betriebsart nunmehr als Abgasrückführungssystem verwendet.
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Die Motor-Drosselklappe 44 ist in diesem Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 sehr weit geöffnet und bei hohen Motordrehzahlen ist der Druck des Frischgases hinter dem Verdichter 30 niedriger als der Druck der Abgase in der Abgasleitung 50 vor der Turbine 31 des Abgasturboladers 3. Die regelbaren Sekundärluftventile 65a, 65b des Sekundärluftsystems 60 sind weitgehend geöffnet. Das heiße, über die Sekundärluftleitung 61 rückgeführte Abgas, dessen Strömungsrichtung in 4 durch entsprechende Pfeile symbolisiert wurde, wird zusammen mit dem Frischgas hinter dem Verdichter 30 des Abgasturboladers 3 mittels des Ladeluftkühlers 41 gekühlt und anschließend dem Primärluftsystem 42 zugeführt. Bei einer ausreichenden Dimensionierung des Ladeluftkühlers 41 kann somit durch das inerte, gekühlte Abgas eine Verbesserung der Klopfgrenze sowie eine Verringerung der NOx-Emissionen und eine niedrigere Abgastemperatur durch die neue Brennraumgaszusammensetzung (Isentropenkoeffizienten) erreicht werden.
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Unter Bezugnahme auf 5 soll nachfolgend ein viertes Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine 1 näher erläutert werden. Dieses Ausführungsbeispiel stellt eine Weiterbildung des dritten Ausführungsbeispiels dar und baut auf diesem auf.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Einleitstelle für das Abgas des Antriebsaggregats 2 entweder schaltbar oder permanent vor einem zweiten Ladeluftkühler 45 hinter der Motor-Drosselklappe 44 positioniert. Dadurch ist nicht nur im volllastnahen Bereich sondern auch in einem Teillastbereich der Brennkraftmaschine 1 eine Abgasrückführung möglich. Dadurch ergeben sich Vorteile beim Kraftstoffverbrauch und bei Schadstoffemissionen, insbesondere bei NOx-Emissionen. Das Sekundärluftsystem 60 weist in diesem Ausführungsbeispiel ein zusätzliches schaltbares Ventilmittel 67 auf, das so ausgebildet ist und mittels der Steuerungseinrichtung 9 derart geschaltet werden kann, dass während der Kaltstartphase der Brennkraftmaschine 1 in einer ersten Schaltstellung verdichtete Sekundärluft über die Sekundärluftleitung 61 der Abgasanlage 5 zugeführt werden kann und in einer zweiten Schaltstellung das Abgas aus dem Antriebsaggregat 2 zurückgeführt und vor dem zweiten Ladeluftkühler 45 in die Primärluftleitung 43 eingeleitet werden kann.
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Anstelle der bei den Ausführungsbeispielen gemäß 3 bis 5 vorhandenen regelbaren Sekundärluftventile 65a, 65b können in alternativen Ausführungsbeispielen auch Abgasrückführventile vorgesehen sein, welche ebenfalls die Sekundärluftzufuhr steuern können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015015484 B3 [0005]
