DE102020208983A1

DE102020208983A1 - Brennkraftmaschine mit Abgasrückführleitung und Heizvorrichtung

Info

Publication number: DE102020208983A1
Application number: DE102020208983.3A
Authority: DE
Inventors: Christian Klüting; Christian Heimermann; Marcel Wiegel; Aiko Mork
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2020-07-17
Filing date: 2020-07-17
Publication date: 2022-01-20

Abstract

Es ist eine Brennkraftmaschine vorgesehen, die zumindest einen Verbrennungsmotor 1, einen Frischgasstrang 5, einen Abgasgasstrang 11 und eine Abgasrückführleitung 18, die aus dem Abgasstrang 11 abzweigt und in den Frischgasstrang 5 mündet, aufweist, wobei in die Abgasrückführleitung 18 ein Abgaskühler 20 integriert ist. Weiterhin ist in die Abgasrückführleitung 18 stromab des Abgaskühlers 20 oder in eine optional vorgesehene Bypassleitung 23, die aus dem Abgasstrang 11 oder stromauf des Abgaskühlers 20 aus der Abgasrückführleitung 18 abzweigt und die in den Frischgasstrang 5 oder stromab des Abgaskühlers 20 in die Abgasrückführleitung 18 mündet, eine Heizvorrichtung 20, die ein elektrisches Heizelement oder einen Brenner umfasst, integriert. Zumindest zeitweise während einer Warmlaufphase und insbesondere unmittelbar mit einem Kaltstart der Brennkraftmaschine kann Abgas über die Abgasrückführleitung 18 in den Frischgasstrang 5 überführt werden, wobei dieses Abgas mittels der Heizvorrichtung 22 erwärmt wird. Dadurch kann ein Ausfallen von Kondensat aus diesem Abgas wirksam verhindert werden. Bevorzugt wird das Abgas dabei auch über die Bypassleitung 23 geführt, um eine Kühlung mittels des Abgaskühlers 20 zu vermeiden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor, einem Frischgasstrang zum Zuführen von Frischgas zu dem Verbrennungsmotor, einem Abgasgasstrang zum Abführen von Abgas von dem Verbrennungsmotor und einer Abgasrückführleitung, die aus dem Abgasstrang abzweigt und in den Frischgasstrang mündet, wobei in die Abgasrückführleitung ein Abgaskühler integriert ist.
Bei einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer solchen mit einem als Dieselmotor ausgebildeten Verbrennungsmotor, dient eine Abgasrückführung primär einem Geringhalten des Anteils an Stickoxiden im Abgas, indem durch das rückgeführte Abgas die Anteile des jeweils in einem Arbeitstakt in den Brennräumen umsetzbaren Sauerstoffs und damit die Brennraumtemperaturen relativ gering gehalten werden. Dabei wird einerseits zwischen einer internen Abgasrückführung, bei der Abgase gezielt innerhalb der Brennräume zurückgehalten oder unmittelbar nach dem Ausstoßen wieder zurückgeführt werden (möglich sowohl auf der Abgas- als auch auf der Ansaugseite), und einer externen Abgasrückführung, bei der eine Rückführung von Abgas aus dem Abgasstrang in den Frischgasstrang über mindestens eine entsprechende Abgasrückführleitung erfolgt, unterschieden. Eine externe Abgasrückführung wird bei mittels eines Abgasturboladers aufgeladenen Brennkraftmaschinen weiterhin noch in eine Hochdruck-Abgasrückführung, eine Niederdruck-Abgasrückführung oder in eine diagonale Abgasrückführung unterschieden. Bei einer Hochdruck-Abgasrückführung zweigt die dazugehörige Abgasrückführleitung stromauf der Abgasturbine des Abgasturboladers aus dem Abgasstrang ab und mündet stromab des Frischgasverdichters des Abgasturboladers in den Frischgasstrang. Bei einer Niederdruck-Abgasrückführung zweigt die Abgasrückführleitung dagegen stromab der Abgasturbine aus dem Abgasstrang ab und mündet stromauf des Frischgasverdichters in den Frischgasstrang. Bei einer diagonalen Abgasrückführung zweigt die Abgasrückführleitung stromauf der Abgasturbine aus dem Abgasstrang ab und mündet stromauf des Frischgasverdichters in den Frischgasstrang.
Besonders relevant kann eine Abgasrückführung nach einem Kaltstart einer Brennkraftmaschine, bei der diese ausgehend von einer relativ niedrigen und insbesondere im Wesentlichen der Umgebungstemperatur entsprechenden Temperaturen betrieben wird (Warmlaufphase), sein, weil dann in den Abgasstrang der Brennkraftmaschine integrierte Abgasnachbehandlungskomponenten, die einer Reduzierung von Stickoxiden in dem Abgas dienen, insbesondere Stickoxid-Speicherkatalysatoren und SCR-Katalysatoren, noch keine oder zumindest eine noch verringerte Wirksamkeit aufweisen. Gleichzeitig ist jedoch eine Abgasrückführung nach einem solchen Kaltstart nicht oder nur unter Inkaufnahme von möglichen Problemen durchführbar, weil einerseits das von dem Verbrennungsmotor ausgestoßene Abgas üblicherweise eine relativ niedrige Temperatur aufweist und gleichzeitig der Abgasstrang sowie die Abgasrückführleitung, ebenso wie Kühlmittel, das zur Kühlung des Abgases einen in die Abgasrückführleitung integrierten Abgaskühler durchströmt, ebenfalls relativ niedrige Temperaturen aufweisen. Dies kann dazu führen, dass aus dem rückzuführenden Abgas Kondensat, hauptsächlich in Form von Wasser, gegebenenfalls in Kombination mit Kohlenwasserstoffen und Partikeln, ausfällt. Die sich so ergebenden Wassertröpfchen, die dann von dem rückzuführenden Abgas mitgetragen werden, können zu einer Beschädigung von nachgelagerten Komponenten des Abgasrückführsystems und des Frischgasstrangs bis hin zu einem Wasserschlag und damit zu einem kapitalen Schaden des Verbrennungsmotors führen. Bei der Ausgestaltung des Abgasrückführsystems zur Realisierung einer Niederdruck-Abgasrückführung oder einer diagonalen Abgasrückführung besteht die Gefahr einer Beschädigung insbesondere für das Laufrad des Frischgasverdichters.
Zur Realisierung eines ausreichenden Schutzes für die entsprechenden Komponenten wird daher üblicherweise eine Niederdruck-Abgasrückführung unmittelbar nach einem Kaltstart einer Brennkraftmaschine und damit zumindest in einer ersten Phase während eines Warmlaufbetriebs einer Brennkraftmaschine nicht durchgeführt. Während dieser Phase kann eine solche Brennkraftmaschine daher relativ hohe Stickoxidrohemissionen aufweisen.
Die DE 10 2011 109 221 A1 beschreibt eine Brennkraftmaschine mit einer Niederdruck-Abgasrückführung, wobei in die dazugehörige Abgasrückführleitung ein Abgaskühler sowie, stromab davon, ein Wasserabscheider integriert sind. Aus dem Wasserabscheider geht eine Abführleitung ab, mittels der in dem Wasserabscheider abgeschiedenes Kondensat in den Abgasstrang der Brennkraftmaschine geführt werden kann. In diese Abführleitung sind ein Kondensatsammelbehälter sowie ein Steuerventil integriert. In einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine, in dem keine Abgasrückführung durchgeführt wird, soll Abgas über die Abgasrückführleitung bis in den Wasserabscheider und von diesem über die Abführleitung in den Abgasstrang zurückgeführt werden, um den Wasserabscheider und den Kondensatsammelbehälter zu spülen, indem darin noch vorhandenes Kondensat durch die Erwärmung mittels des Abgases verdampft wird. Damit dieses Abgas, das für ein Spülen des Wasserabscheiders und des Kondensatsammelbehälters genutzt wird, eine möglichst hohe Temperatur aufweist, kann dieses unter Umgehung des Abgaskühlers über eine entsprechende Bypassleitung geführt werden.
Die DE 10 2018 111 698 A1 beschreibt eine Brennkraftmaschine mit einer Niederdruck-Abgasrückführung, wobei in die dazugehörige Abgasrückführleitung ein Abgaskühler sowie, stromab davon, ein Wasserabscheider integriert sind. Aus dem Wasserabscheider geht eine Abführleitung ab, die zu einem Wassereinspritzsystem führt, mittels dessen in dem Wasserabscheider abgeschiedenes Kondensat in die Brennräume der Brennkraftmaschine eingebracht werden kann, um eine Leistungssteigerung für die Brennkraftmaschine zu realisieren. Stromab des Wasserabscheiders geht aus der Abgasrückführleitung zudem eine Rezirkulationsleitung ab, die stromab des Abzweigs der Abgasrückführleitung in den Abgasstrang der Brennkraftmaschine mündet. Dadurch wird ermöglicht, Abgas über den Abschnitt der Abgasrückführleitung, der den Abgaskühler sowie den Wasserabscheider integriert, und anschließend über die Rezirkulationsleitung zu führen, um Kondensat für die Wassereinspritzung zu generieren, auch wenn keine Abgasrückführung, d.h. kein Überführen von Abgas in den Frischgasstrang vorgesehen ist.
Die DE 10 2010 048 465 A1 offenbart ein Verfahren zur Abführung von Kondensat aus einem Abgasrückführpfad einer Brennkraftmaschine, wobei aufgrund eines Druckunterschieds zwischen einem in dem Abgasrückführpfad angeordneten Kondensatsammelbereich und einem Kondensatabführbereich angesammeltes Kondensat zumindest teilweise aus dem Kondensatsammelbereich in den Kondensatabführbereich abgeführt wird, wenn in dem Kondensatsammelbereich ein höherer Druck als in dem Kondensatabführbereich herrscht. Als Abgasrückführpfad wird dabei wohl nicht nur die Abgasrückführleitung, die den Abgasstrang mit dem Frischgasstrang der Brennkraftmaschine verbindet, verstanden, sondern der gesamte Pfad, den das rückzuführende Abgas bis zum Erreichen des Verbrennungsmotors der Brennkraftmaschine zurücklegt. Die den Kondensatsammelbereich und den Kondensatabführbereich ausbildende Kondensatsammelvorrichtung ist nämlich bei den in der DE 10 2010 048 465 A1 konkret offenbarten Brennkraftmaschinen jeweils stromab eines Ladeluftkühlers und damit auch stromab eines Frischgasverdichters in den Frischgasstrang und damit nicht in die Abgasrückführleitung integriert.
Die DE 10 2005 002 518 A1 beschreibt eine Brennkraftmaschine mit einer Niederdruck-Abgasrückführung, wobei in die dazugehörige Abgasrückführleitung, die stromab einer Abgasturbine eines Abgasturboladers aus dem Abgasstrang der Brennkraftmaschine abgeht, ein Abgaskühler integriert ist. Stromauf des Abgaskühlers geht aus der Abgasrückführleitung eine den Abgaskühler umgehende Bypassleitung ab, in die ein Wärmetauscher integriert ist, durch den zudem, als weiteres Wärmetauschmedium, Abgas geführt werden kann, das stromauf der Abgasturbine aus dem Abgasstrang abgezweigt wurde. Mittels dieses Abgasstroms kann das rückzuführende Abgas erwärmt werden, wenn dieses über die Bypassleitung geführt wird. Dadurch soll eine Kaltstartphase der Brennkraftmaschine verkürzt werden können.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, bei einer Brennkraftmaschine möglichst kurzfristig, d.h. möglichst schnell und vorzugsweise unmittelbar nach einem Kaltstart eine externe Abgasrückführung zu ermöglichen, ohne dass damit die Gefahr einer Beschädigung von Komponenten der Brennkraftmaschine durch ausgefallenes Kondensat besteht.
Diese Aufgabe ist bei einer Brennkraftmaschine gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine ist Gegenstand des Patentanspruchs 12. 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.
Erfindungsgemäß ist eine Brennkraftmaschine vorgesehen, die zumindest einen Verbrennungsmotor, einen Frischgasstrang zum Zuführen von Frischgas zu dem Verbrennungsmotor, einen Abgasgasstrang zum Abführen von Abgas von dem Verbrennungsmotor und eine Abgasrückführleitung, die aus dem Abgasstrang abzweigt und in den Frischgasstrang mündet, aufweist, wobei in die Abgasrückführleitung ein Abgaskühler integriert ist. Erfindungsgemäß ist in die Abgasrückführleitung stromab des Abgaskühlers oder in eine optional vorgesehene Bypassleitung, die aus dem Abgasstrang oder stromauf des Abgaskühlers aus der Abgasrückführleitung abzweigt und die in den Frischgasstrang oder stromab des Abgaskühlers in die Abgasrückführleitung mündet, eine Heizvorrichtung, die ein elektrisches Heizelement oder einen Brenner umfasst, integriert.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zeitweise während einer Warmlaufphase, d.h. in der Betriebsphase, die zwischen einem Kaltstart der Brennkraftmaschine und dem Erreichen eines definierten Betriebstemperaturbereichs liegt, vorzugsweise unmittelbar mit einem Kaltstart der Brennkraftmaschine Abgas über die Abgasrückführleitung in den Frischgasstrang überführt wird, wobei dieses Abgas mittels der Heizvorrichtung erwärmt wird. Durch das Erwärmen des rückzuführenden Abgases und der daraus folgenden Erhöhung des Taupunkts des Abgases mittels der Heizvorrichtung kann ein Ausfallen von Kondensat aus diesem Abgas wirksam verhindert und damit eine Beschädigung von Komponenten der Brennkraftmaschine, insbesondere von Komponenten eines die Abgasrückführleitung umfassenden Abgasrückführsystems oder des Frischgasstrangs, die der Heizvorrichtung in Strömungsrichtung des rückzuführenden Abgases nachgelagert sind, vermieden werden.
Sofern eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine die optional vorgesehene Bypassleitung umfasst, kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass zumindest zeitweise während der Warmlaufphase das rückzuführende Abgas zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig über die Bypassleitung geführt wird, wodurch eine Kühlung des Abgases mittels des auf diese Weise zumindest teilweise umgangenen Abgaskühlers vermieden werden kann. Dies wirkt sich ebenfalls vorteilhaft hinsichtlich der Vermeidung von ausfallendem Kondensat aus. Dadurch kann auch ermöglicht werden, die Heizvorrichtung mit einer relativ geringen Heizleistung und damit kostengünstig auszugestalten oder zumindest mit einer relativ geringen Heizleistung zu betreiben, weil eine mögliche Kühlwirkung des Abgaskühlers durch die Heizvorrichtung nicht kompensiert werden muss. Dies kann sich vorteilhaft auf den Kraftstoffverbrauch und damit die Kohlendioxidemissionen der Brennkraftmaschine auswirken
Als „Kaltstart“ wird erfindungsgemäß eine Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine oder zumindest des Verbrennungsmotors der Brennkraftmaschine verstanden, wobei eine als Betriebstemperatur definierte Temperatur der Brennkraftmaschine, beispielsweise eine Temperatur eines Kühlmittels eines den Verbrennungsmotor integrierenden Kühlsystems, die beispielsweise unmittelbar stromab des Verbrennungsmotors gemessen wird, unterhalb eines definierten Betriebstemperaturbereichs, in dem die Betriebstemperatur dauerhaft während eines Normalbetriebs der Brennkraftmaschine liegen soll, liegt. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass bei einer Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine mit einer Betriebstemperatur, die zumindest im Wesentlichen der Umgebungstemperatur entspricht, von einem Kaltstart ausgegangen wird.
Als „Heizvorrichtung“ wird grundsätzlich eine Vorrichtung verstanden, die primär oder ausschließlich dafür vorgesehen ist, durch die Erzeugung und Übertragung von Wärmeenergie das rückzuführende Abgas zu erwärmen, d.h. eine Temperaturerhöhung zu bewirken. Bevorzugt ist die Heizvorrichtung dabei derart ausgebildet, dass diese lediglich Wärmeenergie in das rückzuführende Abgas überträgt, ohne dabei die chemische Zusammensetzung des Abgases zu verändern.
Bei dem Verbrennungsmotor einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann es sich insbesondere um einen (selbstzündenden und qualitätsgeregelten) Dieselmotor handeln. Ebenso besteht die Möglichkeit, dass es sich bei dem Verbrennungsmotor um einen (fremdgezündeten und quantitätsgeregelten) Ottomotor oder um eine Kombination daraus, d.h. z.B. um einen Verbrennungsmotor mit homogener Kompressionszündung, handelt. Der Verbrennungsmotor kann dabei sowohl mit Flüssigkraftstoff (d.h. Diesel oder Benzin) als auch mit einem gasförmigen Kraftstoff (insbesondere Erdgas, LNG, Wasserstoff oder LPG) betrieben werden.
Besonders bevorzugt kann eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mindestens einen Kondensatabscheider umfassen, der vorzugsweise stromab des Abgaskühlers in die Abgasrückführleitung oder in die Bypassleitung integriert ist. Gegebenenfalls kann auch mindestens ein in die Abgasrückführleitung sowie mindestens ein in die Bypassleitung integrierter Kondensatabscheider vorgesehen sein. Mittels eines solchen Kondensatabscheiders kann bereits ausgefallenes Kondensat gezielt aus dem rückzuführenden Abgas abgeschieden und, gegebenenfalls nach einer Zwischenspeicherung, abgeführt werden. Das rückzuführende Abgas kann auf diese Weise mit einer möglichst geringen Feuchtigkeit in den Frischgasstrang überführt werden, wodurch auch ermöglicht wird, die Heizvorrichtung mit einer relativ geringen maximalen Heizleistung auszugestalten oder zu betreiben. Weiterhin kann ein solcher Kondensatabscheider auch in einem Normalbetrieb der Brennkraftmaschine (d.h. mit innerhalb des Betriebstemperaturbereichs liegender Betriebstemperatur) bei gleichzeitiger Durchführung einer Abgasrückführung vorteilhaft für ein Abscheiden von Kondensat aus dem rückzuführenden Abgas genutzt werden. Dabei kann ein Abscheiden von Kondensat mittels des Kondensatabscheiders ausreichend sein, um eine Beschädigung einer dem Kondensatabscheider nachgelagerten Komponente des Abgasrückführsystems oder des Frischgasstrangs, insbesondere den Frischgasverdichter, durch ausgefallenes Kondensat zu verhindern. Die Heizvorrichtung wird während eines solchen Normalbetriebs vorzugsweise nicht in Betrieb genommen, da das rückzuführende Abgas dann ohnehin eine ausreichend hohe Temperatur aufweist, um ein weiteres Ausfallen von Kondensat (stromab des Kondensatabscheider sein) zu vermeiden. Zudem kann während eines Normalbetriebs das rückzuführende Abgas ohnehin eine so hohe Temperatur aufweisen, dass es vorteilhaft ist, dieses mittels des Abgaskühlers zu kühlen, um die sich anschließenden Komponenten der Brennkraftmaschine und insbesondere des Frischgasstrangs vor einer thermischen Überlastung durch das rückzuführende Abgas zu schützen. Weiterhin ermöglicht ein relativ kaltes, rückgeführtes Abgas tendenziell eine relativ große Abgasrückführrate mit den entsprechend positiven Auswirkungen hinsichtlich der Schadstoffrohemissionen des Verbrennungsmotors. Ein Erwärmen des Abgases mittels der Heizvorrichtung könnte sich diesbezüglich nachteilig auswirken.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die Abgasrückführleitung zur Durchführung einer (externen) Niederdruck-Abgasrückführung ausgelegt ist, so dass eine entsprechende erfindungsgemäße Brennkraftmaschine einen in den Frischgasstrang integrierten Frischgasverdichter und eine in den Abgasstrang integrierte Abgasturbine umfasst, wobei die Abgasrückführleitung stromab der Abgasturbine aus dem Abgasstrang abzweigt und stromauf des Frischgasverdichters in den Frischgasstrang mündet. Die Gefahr eines Ausfallens von Kondensat aus dem rückzuführenden Abgas kann nämlich insbesondere bei einer solchen Niederdruck-Abgasrückführung bestehen, da das rückzuführende Abgas aufgrund der zuvor erfolgten Entspannung in der Abgasturbine einen relativ niedrigen Druck und eine relativ niedrige Temperatur aufweist. Zudem ist die Gefahr eines Ausfallens von Kondensat stromab des Frischgasverdichters sowie stromab eines gegebenenfalls vorhandenen Ladeluftkühlers relativ groß.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorgesehen sein, dass die Heizvorrichtung und/oder der Kondensatabscheider an einer Stelle stromab der Mündung der Bypassleitung in die Abgasrückführleitung integriert ist/sind. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise die Nutzung der Heizvorrichtung und/oder des Kondensatabscheiders unabhängig davon, ob das rückzuführende Abgas über den Abgaskühler oder über die Bypassleitung geführt wird.
Das elektrische Heizelement einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorzugsweise ein Konvektionsheizelement oder ein Mikrowellenheizelement oder ein Strahlungsheizelement sein, wobei die Heizvorrichtung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine auch mehrere Heizelemente, insbesondere auch unterschiedlicher Art, umfassen kann.
Als „Konvektionsheizelement“ wird ein Heizelement verstanden, dessen Heizwirkung zumindest hauptsächlich auf Konvektion beruht. Die Heizwirkung eines „Strahlungsheizelements“ beruht dagegen zumindest hauptsächlich auf Wärmestrahlung, während ein „Mikrowellenheizelement“ Mikrowellenstrahlung, d.h. elektromagnetische Wellen in einem Frequenzbereich zwischen 1 GHz und 300 GHz, erzeugt, deren Heizwirkung zumindest primär auf einer Schwingungsanregung von Molekülen, insbesondere Wassermolekülen, beruht.
Ein Strahlungsheizelement sowie ein Mikrowellenheizelement kann im Vergleich zu einem Konvektionsheizelement den Vorteil einer relativ geringen thermischen Masse aufweisen. Zudem ist für ein Aufheizen von Abgas mittels eines Strahlungsheizelements oder eines Mikrowellenheizelements kein direkter Kontakt und insbesondere auch kein möglichst großflächiger Kontakt erforderlichen, so dass sich deren Integration nicht oder nur geringfügig negativ hinsichtlich des Strömungswiderstands für das Abgas auswirken kann
Bei einer Ausgestaltung des oder zumindest eines Heizelements der Heizvorrichtung als Strahlungsheizelement kann dieses vorzugsweise ein IR-Strahlungsheizelement sein, das somit Heizstrahlung im Infrarotbereich (Frequenzbereich zwischen 300 GHz und 400 THz) erzeugt. Ein solches IR-Strahlungsheizelement kann sich durch eine relativ geringe Verschmutzungsempfindlichkeit auszeichnen.
Bei einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, die zumindest ein Mikrowellenheizelement umfasst, kann besonders bevorzugt vorgesehen sein, dass dieses Mikrowellenstrahlung mit einer Frequenz von 1 GHz bis 4 GHz erzeugt, da Wasser Mikrowellenstrahlung mit einer solchen Frequenz besonders gut absorbiert, so dass dementsprechend die Trocknungsbeziehungsweise Verdampfungswirkung dieser Mikrowellenstrahlung besonders hoch ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit Konvektionsheizelement kann vorgesehen sein, dass dieses als elektrisches Widerstandsheizelement ausgebildet ist. Dieses kann weiterhin bevorzugt eine gitterförmige Struktur und somit eine Vielzahl von durch Begrenzungswände der Struktur begrenzte Durchgangsöffnungen, die für eine Durchströmung durch das Abgas vorgesehen sind, aufweist. Dabei können die Öffnungsquerschnitt beispielsweise rechteckigen und insbesondere quadratischen Öffnungsquerschnitte aufweisen. Besonders bevorzugt kann dann noch vorgesehen sein, dass sich die Durchgangsöffnungen bezüglich der Strömungsrichtung des Abgases verengen und/oder die gitterförmige Struktur Begrenzungswände umfasst, die bezüglich der Strömungsrichtung des Abgases (in dem das Konvektionsheizelement aufnehmenden Abschnitt der Abgasrückführleitung oder der Bypassleitung) schräg angeordnet sind. Dadurch kann eine besonders intensive Anlagerung von bereits ausgefallenen Kondensattropfen an den Begrenzungswänden realisiert werden, was ein Verdampfen des Kondensats durch den Wärmeübergang von dem Konvektionsheizelement begünstigt (durch direkte Beheizung).
Gemäß einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit Konvektionsheizelement kann vorgesehen sein, dass das Heizelement, insbesondere bei einer Ausgestaltung als Konvektionsheizelement oder als Strahlungsheizelement, auf eine Pyrolysetemperatur beheizbar ist, um ein (temporäres) Freibrennen von Ablagerungen, die sich zuvor auf dem Heizelement abgelagert haben, zu ermöglichen. Die konkrete Höhe der Pyrolysetemperatur hängt dabei von den Ablagerungen (insbesondere Kohlenwasserstoff und Ruß) ab. Ein solches Freibrennen kann vorzugsweise dann durchgeführt werden, wenn das Heizelement nicht von Abgas durchströmt wird.
Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann weiterhin einen stromab des Frischgasverdichters in den Frischgasstrang integrierten Ladeluftkühler aufweisen, der mittels eines Ladeluftkühlerbypasses umgehbar ist, der hinsichtlich des über diesen führbaren Frischgasmassenstroms steuerbar bzw. einstellbar ist (bis hin zu einem Unterbinden eines solchen Frischgasmassenstroms). Steuerbar ist in solcher Ladeluftkühler beispielsweise mittels eines in den Ladeluftkühlerbypass integrierten Steuerventils. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine kann dann dadurch gekennzeichnet sein, dass zumindest zeitweise während der Warmlaufphase Frischgas zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig über den Ladeluftkühlerbypass geführt wird. Durch ein bedarfsweises Führen des Frischgases über den Ladeluftkühlerbypass kann gegebenenfalls ein Ausfallen von Kondensat in dem Frischgas, das mit einer (in diesem Betriebszustand der Brennkraftmaschine nicht erforderlichen) Kühlung des Frischgases in dem Ladeluftkühler verbunden wäre, vermieden werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein radbasiertes und nicht schienengebundenes Kraftfahrzeug (vorzugsweise ein PKW oder ein LKW), mit einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine. Dabei kann der Verbrennungsmotor der Brennkraftmaschine insbesondere zur (direkten oder indirekten) Bereitstellung der Fahrantriebsleistung für das Kraftfahrzeug vorgesehen sein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausgestaltungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt, jeweils in vereinfachter Darstellung:

1: eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine gemäß einer ersten Ausgestaltungsform;
2: eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine gemäß einer zweiten Ausgestaltungsform; und
3: eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine gemäß einer dritten Ausgestaltungsform.

Die 1 bis 3 zeigen erfindungsgemäße Brennkraftmaschinen. Diese umfassen jeweils einen Verbrennungsmotor 1, der beispielhaft in Form eines Hubkolbenmotors mit vier in Reihe angeordneten Zylinderöffnungen 2 ausgebildet ist. Die Zylinderöffnungen 2 begrenzen mit darin geführten Hubkolben 3 und einem Zylinderkopf (nicht gezeigt) jeweils einen Brennraum 4. Diesen Brennräumen 4 wird im Betrieb des Verbrennungsmotors 1 und damit der Brennkraftmaschine Frischgas über einen Frischgasstrang 5 zugeführt. Bei dem Frischgas handelt es sich zumindest hauptsächlich um Luft, die aus der Umgebung angesaugt und anschließend über einen Luftfilter 6, einen Luftmassensensor 7 zur Messung des Luftmassenstroms, einen Frischgasverdichter 8 zur Verdichtung des Frischgases und einen Ladeluftkühler 9 zur bedarfsweisen Rückkühlung des durch die Verdichtung erwärmten Frischgases (Ladeluft) geführt wird. Der Ladeluftkühler 9 ist bedarfsweise mittels eines Ladeluftkühlerbypasses 25, in den ein Steuerventil 26 integriert ist, umgehbar. Der Frischgasverdichter 8 ist Teil eines Abgasturboladers, der weiterhin eine Abgasturbine 10 umfasst, die in einen Abgasstrang 11 der Brennkraftmaschine integriert ist. Abgas, das bei der Verbrennung von Gemischmengen, die aus dem Frischgas sowie aus beispielsweise direkt über Kraftstoffinjektoren (nicht dargestellt) in die Brennräume 4 eingespritztem Kraftstoff bestehen, entstanden ist, wird über den Abgasstrang 11 abgeführt und dabei zunächst durch die Abgasturbine 10 und anschließend durch ein Abgasnachbehandlungssystem 12 geführt. Das Abgasnachbehandlungssystem 12 weist eine erste Abgasnachbehandlungsvorrichtung 13 auf, die beispielsweise in Kombination, d.h. innerhalb eines Gehäuses, einen Oxidationskatalysator sowie einen Partikelfilter umfassen kann, sowie eine zweite Abgasnachbehandlungsvorrichtung 14, die beispielsweise in Kombination einen (SCR-)Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden sowie einen Sperrkatalysator zur Umwandlung von Reduktionsmittel, das durch Schlupf den SCR-Katalysator passiert hat, umfassen kann. Stromab des Abgasnachbehandlungssystems 12 beziehungsweise der zweiten Abgasnachbehandlungsvorrichtung 14 sind in den Abgasstrang 11 noch eine Abgasklappe 15, d.h. ein als Klappenventil ausgebildetes Drosselventil, sowie ein Schalldämpfer 16 integriert.
Die Brennkraftmaschinen umfassen weiterhin jeweils eine erste Abgasrückführleitung 17 sowie eine zweite Abgasrückführleitung 18. Die erste Abgasrückführleitung 17 zweigt stromauf der Abgangsturbine 10 aus dem Abgasstrang 11 ab und mündet stromab des Frischgasverdichters 8 und auch stromab des Ladeluftkühlers 9 in den Frischgasstrang 5. Diese erste Abgasrückführleitung 17 ist demnach für die Durchführung einer sogenannten Hochdruck-Abgasrückführung ausgelegt, wobei eine Freigabe einer Strömung von Abgas über diese erste Abgasrückführleitung 17 sowie eine Mengensteuerung dieser Abgasströmung mittels eines in die erste Abgasrückführleitung 17 integrierten Abgasrückführventils 19 durchführbar ist. In die erste Abgasrückführleitung 17 kann ein zusätzlicher Abgaskühler (nicht dargestellt), gegebenenfalls mit dazugehöriger Bypassleitung, integriert sein.
Die zweite Abgasrückführleitung 18 zweigt dagegen stromab der Abgasturbine 10 und konkret in dem zwischen den Abgasnachbehandlungsvorrichtungen 13, 14 liegenden Abschnitt aus dem Abgasstrang 11 ab und mündet stromauf des Frischgasverdichters 8 sowie stromab des Luftmassensensors 7 in den Frischgasstrang 5. Die zweite Abgasrückführleitung 18 ist demnach für die Durchführung einer Niederdruck-Abgasrückführung ausgelegt, wobei wiederum eine Freigabe einer Strömung von Abgas über die zweite Abgasrückführleitung 18 sowie eine Mengensteuerung dieser Abgasströmung mittels eines in die zweite Abgasrückführleitung 18 integrierten Abgasrückführventils 19 durchführbar ist. Möglich ist auch eine Integration eines Abgasrückführventils zur bedarfsweisen Freigabe der zweiten Abgasrückführleitung 18 sowie eines davon separierten Abgasrückführventils zur Mengensteuerung.
In die jeweilige zweite Abgasrückführleitung 18 jeder der Brennkraftmaschinen gemäß den 1 bis 3 ist weiterhin ein Abgaskühler 20, ein Kondensatabscheider 21 sowie, stromab des Kondensatabscheiders 21, eine Heizvorrichtung 22 integriert. Der Abgaskühler 20 kann dabei flüssigkeitsgekühlt ausgeführt sein, so dass dieser beziehungsweise eine Wärmetauschseite davon von einem flüssigen Kühlmittel durchströmt wird, wobei dieses Kühlmittel in einem Kühlsystem der Brennkraftmaschine zirkuliert.
Bei den Brennkraftmaschinen gemäß den 1 und 2 ist weiterhin eine Bypassleitung 23 vorgesehen, die stromauf des Abgaskühlers 20 aus der zweiten Abgasrückführleitung 18 abzweigt und stromab des Abgaskühlers 20 sowie stromauf des Kondensatabscheiders 21 wieder in die zweite Abgasrückführleitung 14 mündet. Das Abgasrückführventil 19 der Brennkraftmaschinen gemäß den 1 und 2 ist dabei jeweils derart ausgebildet, dass mittels diesem auch eine bedarfsweise Verteilung von Abgas auf den den Abgaskühler 20 umfassenden Abschnitt der zweiten Abgasrückführleitung 18 und/oder die Bypassleitung 23 möglich ist.
Bei der Brennkraftmaschine gemäß der 2 ist der Abgaskühler 20 und die Bypassleitung 23 in einem Bauteil kombiniert ausgebildet beziehungsweise diese sind innerhalb desselben Gehäuses angeordnet, wodurch eine kompakte Ausgestaltung für die Brennkraftmaschine realisiert werden kann. Um bei dieser kombinierten Ausgestaltung eine ungewollte Kühlung der Bypassleitung durch das die entsprechende Wärmetauschseite des Abgaskühlers 20 durchströmende Kühlmittel zu vermeiden, ist vorgesehen, die Bypassleitung 23 durch geeignete Maßnahmen gegenüber dieser Wärmetauschseite des Abgaskühlers 20 zu isolieren, beispielsweise durch einen luftgefüllten Isolierspalt oder durch eine Isolationsschicht aus einem relativ schlecht Wärme leitenden Werkstoff, beispielsweiseaus aus einer Keramik mit relativ geringer Dichte beziehungsweise mit relativ großem Porenvolumen.
Im Betrieb der Brennkraftmaschinen gemäß den 1 bis 3 ist zumindest zeitweise ein Rückführen von Abgas über die erste Abgasrückführleitung 17 und/oder die zweite Abgasrückführleitung 18 vorgesehen, so dass das dem Verbrennungsmotor 1 zugeführte Frischgas neben Luft auch das rückgeführte Abgas als Bestandteil umfasst. Eine solche Abgasrückführung ermöglicht in bekannter Weise eine Reduktion der Schadstoff- und insbesondere der Stickoxidemissionen des Verbrennungsmotors 1.
Um auch während einer Warmlaufphase und insbesondere unmittelbar nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine eine Niederdruck-Abgasrückführung (über die zweite Abgasrückführleitung 18) durchführen zu können, ohne dass die Gefahr einer Beschädigung des Frischgasverdichters 8 durch in dem rückzuführenden Abgas ausgefallenes Kondensat zu riskieren, ist vorgesehen, dass zumindest dann die Heizvorrichtung 22, die ein elektrisches Heizelement oder einen Brenner umfasst, in Betrieb genommen wird, um sicherzustellen, dass Wasser, insbesondere in Form von Wasserdampf, das noch Bestandteil des die Heizvorrichtung 22 durchströmenden Abgases ist und das folglich nicht zuvor in dem Kondensatabscheider 21 abgeschieden wurde und somit später noch ausfallen könnte, infolge eines durch die Heizwirkung der Heizvorrichtung 22 erhöhten Taupunkts des Abgases zumindest beim Durchströmen des Frischgasverdichters 8 noch dampfförmig vorliegt.
Bei den Brennkraftmaschinen gemäß den 1 und 2 ist ergänzend vorgesehen, dass bei der Durchführung einer Niederdruck-Abgasrückführung während einer Warmlaufphase des Verbrennungsmotors 1 das rückzuführende Abgas zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig über die jeweilige Bypassleitung 23 geführt wird, wodurch eine Kühlung dieses Abgases mittels des Abgaskühlers 20, der dann aufgrund eines noch relativ kalten Kühlmittels eine besonders große Kühlleistung aufweisen würde, vermieden wird. Dadurch kann verhindert werden, dass die Kühlwirkung des Abgaskühlers 20 durch die Heizvorrichtung 22 kompensiert werden muss, um sicherzustellen, dass das den Frischgasverdichter 8 durchströmende Abgas ausreichend warm ist und damit einen Taupunkt aufweist, der ein Ausfallen von Kondensat in ausreichendem Maße verhindert. Andererseits kann sich durch ein Führen von Abgas über die Bypassleitung 23 die Menge des in dem Kondensatabscheider 21 anfallenden Kondensats verringern, was zu einem erhöhten Anteil an Wasser in dem Abgas, das in den Frischgasstrang 5 überführt wird, führen kann.
Der Kondensatabscheider 22 einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann neben einem Abscheideteil, der für ein Abscheiden, insbesondere für ein trägheitsbasiertes Abscheiden des Kondensats aus dem Abgas (beispielsweise durch ein mehrfaches Umlenken oder durch ein Führen des Abgases in einer Drallströmung) zuständig ist, einen Sammelteil zur Zwischenspeicherung abgeschiedenen Kondensats sowie ein Ablassventil aufweisen, um das zwischengespeicherte Kondensat bedarfsweise abzuführen. Das Ablassventil kann dabei entweder aktiv, d.h. in Abhängigkeit von einer entsprechenden aktiven Ansteuerung, oder passiv aufgrund des Vorliegens von bestimmten Betriebsparametern des Ablassventils geöffnet werden beziehungsweise öffnen. Ein passives Öffnen kann beispielswese druckbasiert erfolgen, so dass das Ablassventil beispielsweise bei einem definierten Öffnungsdruck öffnet, wobei der auf dem Ablassventil lastenden Druck durch eine entsprechend große Wassersäule des Kondensats ausgeübt wird. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass das Ablassventil einen Schwimmer umfasst, der das Ablassventil bei einem ausreichend hohen Stand des Kondensats in dem Sammelteil öffnet. Ein Vorteil eines solchen Schwimmer-Ablassventils liegt in einer relativ geringen Empfindlichkeit gegenüber den auf den Ventilkörper wirkenden Gasdruckänderungen.
Ein durch ein Öffnen des jeweiligen Ablassventils erfolgendes Abführen von Kondensat aus dem Kondensatabscheider 21 erfolgt vorzugsweise in den Abgasstrang 11. Dabei kann das Kondensat insbesondere in einen Abschnitt des Abgasstrangs 11, der stromab des Abgasnachbehandlungssystems 12 gelegen ist, eingeleitet werden, um eine Beeinträchtigung der Funktion und/oder der Lebensdauer des Abgasnachbehandlungssystems 12 oder aber auch der Abgasturbine 10 durch das Kondensat zu vermeiden. Eine entsprechende Kondensatrückführleitung 24 ist in der 1 dargestellt. Ein Vorteil einer solchen Rückführung von Kondensat in den Abgasstrang 11 ist, dass diese quasi jederzeit erfolgen kann, was die Verwendung eines passiven Ablassventils ermöglichen kann. Grundsätzlich besteht jedoch auch die Möglichkeit, das Kondensat, insbesondere dann, wenn die Brennkraftmaschine nicht in Betrieb ist, unmittelbar in die Umgebung abzuführen, was jedoch bedingen kann, dieses Kondensat aufzufangen, um eine ungewollte Kontamination der Umgebung mit dem Kondensat, das neben Wasser auch schädliche Bestandteil umfassen kann, zu vermeiden.
Bezugszeichenliste

1: Verbrennungsmotor
2: Zylinderöffnung
3: Hubkolben
4: Brennraum
5: Frischgasstrang
6: Luftfilter
7: Luftmassensensor
8: Frischgasverdichter
9: Ladeluftkühler
10: Abgasturbine
11: Abgasstrang
12: Abgasnachbehandlungssystem
13: erste Abgasnachbehandlungsvorrichtung
14: zweite Abgasnachbehandlungsvorrichtung
15: Abgasklappe
16: Schalldämpfer
17: erste Abgasrückführleitung
18: zweite Abgasrückführleitung
19: Abgasrückführventil
20: Abgaskühler
21: Kondensatabscheider
22: Heizvorrichtung
23: Bypassleitung
24: Kondensatrückführleitung
25: Ladeluftkühlerbypass
26: Steuerventil

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 102011109221 A1 [0005]
DE 102018111698 A1 [0006]
DE 102010048465 A1 [0007]
DE 102005002518 A1 [0008]

Claims

Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor (1), einem Frischgasstrang (5) zum Zuführen von Frischgas zu dem Verbrennungsmotor (1), einem Abgasgasstrang (11) zum Abführen von Abgas von dem Verbrennungsmotor (1) und einer Abgasrückführleitung (18), die aus dem Abgasstrang (11) abzweigt und in den Frischgasstrang (5) mündet, wobei in die Abgasrückführleitung (18) ein Abgaskühler (20) integriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass in die Abgasrückführleitung (18) stromab des Abgaskühlers (20) oder in eine Bypassleitung (23), die aus dem Abgasstrang (11) oder stromauf des Abgaskühlers (20) aus der Abgasrückführleitung (18) abzweigt und die in den Frischgasstrang (5) oder stromab des Abgaskühlers (20) in die Abgasrückführleitung (18) mündet, eine Heizvorrichtung (22) integriert ist, die ein elektrisches Heizelement oder einen Brenner umfasst.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Kondensatabscheider (21), der stromab des Abgaskühlers (20) in die Abgasrückführleitung (18) oder in die Bypassleitung (23) integriert ist.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen in den Frischgasstrang (5) integrierten Frischgasverdichter (8) und eine in den Abgasstrang (11) integrierte Abgasturbine (10), wobei die Abgasrückführleitung (18) stromab der Abgasturbine (10) aus dem Abgasstrang (11) abzweigt und stromauf des Frischgasverdichters (8) in den Frischgasstrang (5) mündet.
Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (22) und/oder der Kondensatabscheider (21) an einer Stelle stromab der Mündung der Bypassleitung (23) in die Abgasrückführleitung (18) integriert ist.
Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Heizelement ein Konvektionsheizelement oder ein Mikrowellenheizelement oder ein Strahlungsheizelement ist.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungsheizelement ein IR-Strahlungsheizelement ist.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrowellenheizelement Mikrowellen mit einer Frequenz von zwischen 1 GHz und 4 GHz erzeugt.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Konvektionsheizelement eine gitterförmige Struktur aufweist.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die gitterförmige Struktur Durchgangsöffnungen ausbildet, die sich bezüglich der Strömungsrichtung des Abgases verengen.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die gitterförmige Struktur Begrenzungswände umfasst, die bezüglich der Strömungsrichtung des Abgases schräg angeordnet sind.
Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement auf eine Pyrolysetemperatur beheizbar ist.
Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen stromab eines/des Frischgasverdichters (8) in den Frischgasstrang (5) integrierten Ladeluftkühler (9), der mittels eines steuerbaren Ladeluftkühlerbypasses (25) umgehbar ist.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zeitweise während einer Warmlaufphase der Brennkraftmaschine Abgas über die Abgasrückführleitung (18) in den Frischgasstrang (5) überführt wird, wobei dieses Abgas mittels der Heizvorrichtung (22) erwärmt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zeitweise während der Warmlaufphase das rückzuführende Abgas über die Bypassleitung (23) geführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 13 oder 14 zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zeitweise während der Warmlaufphase Frischgas zumindest teilweise über den Ladeluftkühlerbypass (25) geführt wird.