DE102020208984A1

DE102020208984A1 - Brennkraftmaschine mit zwei Niederdruck-Abgasrückführleitungen

Info

Publication number: DE102020208984A1
Application number: DE102020208984.1A
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 mit einem Verbrennungsmotor 1, einem Frischgasstrang 5, einem Abgasstrang 11 zum Abführen von Abgas von dem Verbrennungsmotor 1 und einer ersten Abgasrückführleitung 17, die stromab einer Abgasturbine 10 aus dem Abgasstrang 11 abzweigt und die stromauf eines Frischgasverdichters 8 in den Frischgasstrang 5 mündet, vorgesehen, wobei in die erste Abgasrückführleitung 17 ein Abgaskühler 22 integriert ist. Gekennzeichnet ist eine solche Brennkraftmaschine durch eine zweite Abgasrückführleitung 18, die stromab der ersten Abgasrückführleitung aus dem Abgasstrang abzweigt und die in den Frischgasstrang mündet. Ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zeitweise während einer Warmlaufphase und vorzugsweise unmittelbar mit einem Kaltstart der Brennkraftmaschine Abgas zumindest auch, vorzugsweise ausschließlich über die zweite Abgasrückführleitung 18 geführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor, einem Frischgasstrang zum Zuführen von Frischgas zu dem Verbrennungsmotor, einem Abgasstrang zum Abführen von Abgas aus dem Verbrennungsmotor und einer ersten Abgasrückführleitung, die stromab einer Abgasturbine aus dem Abgasstrang abzweigt und stromauf eines Frischgasverdichters 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, 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 Abgasturboladern aufgeladenen Brennkraftmaschinen weiterhin noch in eine Hochdruck-Abgasrückführung und eine Niederdruck-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.
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 Temperatur 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, 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, ausfällt. Die so entstehenden Wassertropfen, die dann von dem rückzuführenden Abgas mitgetragen werden, können zu einer Beschädigung von nachgelagerten Komponenten des Abgasrückführsystems und des Frischgasstrangs führen. Bei der Ausgestaltung des Abgasrückführsystems zur Realisierung einer Niederdruck-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 Stickoxidemissionen aufweisen.
Die DE 11 2007 003 296 A1 und die DE 10 2018 110 663 A1 beschreiben jeweils eine Brennkraftmaschine mit einer Hochdruck- Abgasrückführung und einer Niederdruck-Abgasrückführung, in die jeweils ein Abgaskühler integriert ist.
Die DE 10 2017 205 697 A1 offenbart eine Brennkraftmaschine mit einer Niederdruck-Abgasrückführung, wobei die dazugehörige Abgasrückführleitung an dem auslassseitigen Ende eines Partikelfilters aus dem Abgasstrang abzweigt. In den dafür vorgesehenen Abzweigtrichter kann ein Filterelement integriert sein, an dem feste und/oder flüssige Abgasbestandteile abgeschieden werden können, um ein Versotten der Niederdruck-Abgasrückführung zu vermeiden.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, bei einer Brennkraftmaschine möglichst kurzfristig nach einem Kaltstart eine externe Abgasrückführung durchzuführen, 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 15. 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 mit einem Verbrennungsmotor, einem Frischgasstrang zum Zuführen von Frischgas zu dem Verbrennungsmotor, einem Abgasstrang zum Abführen von Abgas von dem Verbrennungsmotor und einer ersten Abgasrückführleitung, die stromab (bezüglich der Strömungsrichtung von Abgas in dem Abgasstrang ausgehend von dem Verbrennungsmotor) einer Abgasturbine aus dem Abgasstrang abzweigt und stromauf (bezüglich der Strömungsrichtung von Frischgas in dem Frischgasstrang in Richtung des Verbrennungsmotors) eines Frischgasverdichters in den Frischgasstrang mündet, wobei in die erste Abgasrückführleitung ein Abgaskühler integriert ist, vorgesehen. Die erste Abgasrückführleitung ist demnach für die Durchführung einer gekühlten Niederdruck-Abgasrückführung ausgelegt. Erfindungsgemäß gekennzeichnet ist eine solche Brennkraftmaschine durch eine zweite Abgasrückführleitung, die stromab der ersten Abgasrückführleitung aus dem Abgasstrang abzweigt und die in den Frischgasstrang mündet.
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, und vorzugsweise unmittelbar nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine Abgas zumindest auch, vorzugsweise ausschließlich (d.h. nicht auch über die erste Abgasrückführleitung) über die zweite Abgasrückführleitung geführt wird.
Als „Kaltstart“ wird erfindungsgemäß eine Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine oder zumindest des Verbrennungsmotors der Brennkraftmaschine verstanden, wobei eine als Betriebstemperatur definierte Temperatur der Brennkraftmaschine oder des Verbrennungsmotors, 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.
Durch die Abzweigung der zweiten Abgasrückführleitung relativ weit stromab in dem Abgasstrang kann das über diese geführte Abgas eine lediglich noch relativ geringe Feuchtigkeit aufweisen, weil das Abgas bereits relativ stark abgekühlt ist und demnach die darin enthaltene Feuchtigkeit, insbesondere Wasser, bereits zu einem Großteil innerhalb des Abgasstrangs abgeschieden worden sein kann. Das über die zweite Abgasrückführleitung geführte Abgas kann demnach auch unmittelbar nach einem Kaltstart in den Frischgasstrang überführt werden, wobei die Gefahr einer Beschädigung der darin integrierten Komponenten, die stromab der Mündung der zweiten Abgasrückführleitung angeordnet sind, durch erst dann ausgefallenes Kondensat vermieden werden kann.
Während eines Normalbetriebs der Brennkraftmaschine (d.h. mit innerhalb des Betriebstemperaturbereichs liegender Betriebstemperatur) und bei gleichzeitiger Durchführung einer Abgasrückführung kann dagegen vorzugsweise vorgesehen sein, dass das rückzuführende Abgas ausschließlich über die erste Abgasrückführleitung (d.h. nicht auch über die zweite Abgasrückführleitung) in den Frischgasstrang überführt wird, wodurch Vorteile ausgenutzt werden können, die sich aus der Anordnung der Abzweigung der ersten Abgasrückführleitung an einer relativ weit stromauf gelegenen Stelle des Abgasstrangs ergeben können. Diese Vorteile können insbesondere dann zum Tragen kommen, wenn, wie dies vorzugsweise vorgesehen ist, die erste Abgasrückführleitung stromauf einer Abgasklappe und die zweite Abgasrückführleitung stromab der Abgasklappe aus dem Abgasstrang abzweigt und/oder die erste Abgasrückführleitung stromauf zumindest einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung eines Abgasnachbehandlungssystems und die zweite Abgasrückführleitung stromab dieser Abgasnachbehandlungsvorrichtung, vorzugsweise stromab des gesamten Abgasnachbehandlungssystems aus dem Abgasstrang abzweigt. Im ersten Fall kann sich der höhere Abgasdruck stromauf der Abgasklappe positiv auf das Führen des Abgases über die (erste) Abgasrückführleitung auswirken. Im zweiten Fall wird durch ein Abzweigen des rückzuführenden Abgases stromauf der zumindest einen Abgasnachbehandlungsvorrichtung während des Normalbetriebs nur ein Teil des gesamten Abgasmassenstroms über die Abgasnachbehandlungsvorrichtung geführt, wodurch diese gegebenenfalls kleiner dimensioniert und/oder die Intervalle, nach denen eine Regeneration dieser Abgasnachbehandlungsvorrichtung erforderlich wird, verlängert werden kann. Zudem verbessert ein Abzweigen des rückzuführenden Abgases stromauf der zumindest einen Abgasnachbehandlungsvorrichtung während des Normalbetriebs das Ansprechverhalten der Abgasrückführung in einem Betrieb der Brennkraftmaschine mit wechselnden Betriebsparametern bezüglich Last und Drehzahl.
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.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorgesehen sein, dass die erste Abgasrückführleitung und die zweite Abgasrückführleitung zumindest einen gemeinsamen Abschnitt ausbilden. Dabei kann besonders bevorzugt vorgesehen sein, dass die erste Abgasrückführleitung und die zweite Abgasrückführleitung gemeinsam in den Frischgasstrang münden. Dadurch kann der konstruktive Aufwand sowie der Bauraumaufwand für die Integration der zweiten Abgasrückführleitung in eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine relativ gering gehalten werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens das während der Warmlaufphase über die zweite Abgasrückführleitung geführte Abgas nicht über den Abgaskühler geführt wird, um zu vermeiden, dass dessen Kühlwirkung, die in der Warmlaufphase aufgrund eines relativ kalten Kühlmittels, das als Wärmetauschmedium den Abgaskühler durchströmt, ein Ausfallen von Kondensat in dem Abgas begünstigt. Dementsprechend kann bei einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, bei der die erste Abgasrückführleitung und die zweite Abgasrückführleitung zumindest einen gemeinsamen Abschnitt ausbilden, vorgesehen sein, dass der Abgaskühler stromauf (bezüglich der Strömungsrichtung von rückzuführendem Abgas in der/den Abgasrückführleitung(en)) einer Zusammenführung der ersten Abgasrückführleitung und der zweiten Abgasrückführleitung (ab der diese einen oder den gemeinsamen Abschnitt ausbilden) angeordnet ist oder der Abgaskühler in dem gemeinsamen Abschnitt angeordnet und eine Bypassleitung vorgesehen ist, die stromauf des Abgaskühlers aus der zweiten Abgasrückführleitung, vorzugsweise aus dem gemeinsamen Abschnitt, abzweigt und die stromab des Abgaskühlers in die erste Abgasrückführleitung oder in die zweite Abgasrückführleitung, vorzugsweise in den gemeinsamen Abschnitt, mündet. Beide Varianten ermöglichen demnach eine (gegebenenfalls bedarfsweise) Umgehung des Abgaskühlers zumindest dann, wenn Abgas über die zweite Abgasrückführleitung geführt wird.
Gemäß einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorgesehen sein, dass die zweite Abgasrückführleitung aus einem Schalldämpfer, insbesondere einem Endschalldämpfer des Abgasstrangs abzweigt. Als „Schalldämpfer“ wird erfindungsgemäß ein Abschnitt des Abgasstrangs verstanden, der gezielt dafür ausgelegt ist, das Mündungsgeräusch des Abgasstrangs durch den Luftschall, den das aus dem Abgasstrang austretende Abgas erzeugt, zumindest hinsichtlich der Schalldruckspitzen zu reduzieren. Hierzu kann ein solcher Schalldämpfer Prallwände und/oder Querschnittserweiterungen und/oder Querschnittsverringerungen zur gezielten Erzeugung von Schallreflexion (in der Funktion eines Reflexionsschalldämpfers) und/oder einen für eine Durchströmung mittels des Abgases vorgesehenen Einbau, beispielsweise aus einem porösen Material oder aus Steinwolle, Glaswolle oder Glasfasern, aufweisen, der die Schallenergie teilweise absorbiert und dabei in Wärme umwandelt (in der Funktion eines Absorptionsschalldämpfers). Ein solcher Schalldämpfer kann aufgrund der die Schalldämpfung bewirkenden Wechselwirkung mit dem Abgas, insbesondere infolge einer relativ großflächigen Kühlung des Abgases und/oder durch eine lokale Reduktion des Abgasdrucks und der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases infolge einer Querschnittserweiterung, ein Ausfallen von Kondensat in dem Abgas begünstigen, so dass ein solcher Schalldämpfer als Kondensatabscheider genutzt werden kann. Folglich kann aus einem solchen Schalldämpfer relativ trockenes Abgas abgezweigt und über die zweite Abgasrückführleitung geführt werden.
Da sich ausgefallenes Kondensat in dem Abgasstrang üblicherweise schwerkraftbedingt in einem unteren Abschnitt davon sammelt, kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass die zweite Abgasrückführleitung oberseitig, d.h. an einer in einer vorgesehenen Betriebsposition der Brennkraftmaschine (insbesondere bei einem die Brennkraftmaschine umfassenden Kraftfahrzeugs, das waagerecht ausgerichtet ist) oben gelegenen Stelle aus dem Abgasstrang, insbesondere aus dem Schalldämpfer, abzweigt. Dadurch kann gewährleistet werden, dass das ausgefallene Kondensat nicht oder in einem möglichst geringen Umfang von dem in die zweite Abgasrückführleitung überführten Abgas mitgenommen wird.
Sofern bei einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine vorgesehen ist, dass die erste Abgasrückführleitung und die zweite Abgasrückführleitung separiert voneinander in den Frischgasstrang münden, kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass die zweite Abgasrückführleitung stromauf der ersten Abgasrückführleitung in den Frischgasstrang mündet. Dadurch kann gewährleistet werden, dass Kondensat, das in dem über die zweite Abgasrückführleitung geführten Abgas ausgefallen ist, noch in dem Frischgasstrang abgeschieden werden kann, bevor dieses den Frischgasverdichter durchströmt. Dabei kann besonders bevorzugt vorgesehen sein, dass die zweite Abgasrückführleitung in einen Luftfilter des Frischgasstrangs mündet, der, vergleichbar zu einem Schalldämpfer, funktional als Kondensatabscheider wirken kann. Dabei kann auch in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass in den Luftfilter ein Kondensatablaufventil, insbesondere ein passives Kondensatablaufventil, beispielsweise in Form eines Schwimmerventils, integriert ist.
Unabhängig davon kann in die erste Abgasrückführleitung und/oder in die zweite Abgasrückführleitung und/oder in den Schalldämpfer ein Kondensatabscheider, d.h. eine Vorrichtung die zumindest hauptsächlich und vorzugsweise ausschließlich dafür ausgelegt ist, in dem Abgas ausgefallenes Kondensat abzuscheiden sowie gegebenenfalls auch zwischenzuspeichern und bedarfsweise abzuführen, integriert ist. Besonders bevorzugt kann ein solcher Kondensatabscheider zumindest in die erste Abgasrückführleitung oder in einen gemeinsamen Abschnitt der ersten Abgasrückführleitung und der zweiten Abgasrückführleitung integriert sein, wobei dieser dann weiterhin bevorzugt stromab des Abgaskühlers angeordnet ist, so dass mittels des Kondensatabscheiders Kondensat auch aus Abgas, das über die erste Abgasrückführleitung geführt wird, abgeschieden werden kann. Dies gilt insbesondere für Kondensat, das in dem Abgas aufgrund einer Kühlung mittels des Abgaskühlers ausgefallen ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorgesehen sein, dass die zweite Abgasrückführleitung und insbesondere die Rohrleitungen davon zumindest teilweise aus Kunststoff, insbesondere aus einem thermoplastischen Kunststoff ausgebildet sind, wodurch eine kostengünstige und auch hinsichtlich des Gewichts optimierte Ausgestaltung der Brennkraftmaschine realisiert werden kann. Eine Ausgestaltung der zweiten Abgasrückführleitung aus einem Kunststoff, der üblicherweise nicht ausreichend temperaturfest für eine Führung von Abgas einer Brennkraftmaschine ist, ist erfindungsgemäß dadurch ermöglicht, dass diese relativ weit stromabwärts gelegen aus dem Abgasstrang abzweigt und folglich Abgas, das über diese zweite Abgasrückführleitung geführt wird, bereits relativ stark abgekühlt ist. Dies gilt insbesondere, wenn lediglich während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine Abgas über die zweite Abgasrückführleitung (insgesamt, d.h. nicht nur über einen gegebenenfalls vorgesehenen gemeinsamen Abschnitt mit der ersten Abgasrückführleitung) geführt wird, weil das während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine von dem Verbrennungsmotor erzeugte Abgas üblicherweise eine nur relativ niedrige Temperatur aufweist.
Gemäß einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorgesehen sein, dass die zweite Abgasrückführleitung zumindest abschnittsweise ansteigend, d.h. entgegen der Schwerkraftrichtung verlaufend ausgebildet ist und/oder in einem Abschnitt vergrößerte Öffnungsquerschnitte (d.h. zumindest gemittelt sind die Öffnungsquerschnitte in diesem Abschnitt größer als in dem Rest der zweiten Abgasrückführleitung) aufweist, wodurch eine Kondensatsabscheidefunktionalität dieses Abschnitts der zweiten Abgasrückführleitung realisiert werden kann, die insbesondere in einer reduzierten Strömungsgeschwindigkeit und verringerten Turbulenzen des Abgases begründet sein kann.
Eine Kondensatsabscheidefunktionalität (eines Abschnitts) der zweiten Abgasrückführleitung kann weiterhin bevorzugt dadurch realisiert beziehungsweise verstärkt werden, dass die zweite Abgasrückführleitung zumindest abschnittsweise außenseitig Kühlrippen, d.h. sich von der Außenseite des Mantels der zweiten Abgasrückführleitung erstreckende, flächige Körper aufweist, die aufgrund eines großflächigen Kontakts mit der Umgebungsluft einen relativ großen Wärmeübergang bewirken.
Gemäß einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorgesehen sein, dass die erste Abgasrückführleitung und/oder die zweite Abgasrückführleitung zumindest abschnittsweise, insbesondere in einem mündungsseitig gelegenen Abschnitt thermisch isoliert sind, d.h. strukturelle Mittel umfassen, die zumindest primär, insbesondere ausschließlich für die Realisierung eines relativ schlechten Wärmeübergangs auf die Umgebung(sluft) vorgesehen sind. Eine thermische Isolierung kann insbesondere stromab eines gegebenenfalls in die jeweilige Abgasrückführleitung integrierten Kondensatabscheiders vorgesehen sein.
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 in einem 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 Frischgasmassenstroms, einen Frischgasverdichter 8 zur Verdichtung des Frischgases und einen Ladeluftkühler 9 zur bedarfsweisen Rückkühlung des durch die Verdichtung erwärmten Frischgases (Ladeluft) geführt wird. 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 mindestens ein Schalldämpfer 16 integriert.
Die Brennkraftmaschinen umfassen weiterhin jeweils eine erste Abgasrückführleitung 17, eine zweite Abgasrückführleitung 18 und eine dritte Abgasrückführleitung 19. Die dritte Abgasrückführleitung 19 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 dritte Abgasrückführleitung 19 ist demnach für die Durchführung einer sogenannten Hochdruck-Abgasrückführung ausgelegt, wobei eine Freigabe einer Strömung von Abgas über diese dritte Abgasrückführleitung 19 sowie eine Mengensteuerung dieser Abgasströmung mittels eines in die dritte Abgasrückführleitung 19 integrierten Abgasrückführventils 20 durchführbar ist.
Die erste Abgasrückführleitung 17 und die zweite Abgasrückführleitung 18 zweigen dagegen jeweils stromab der Abgasturbine 10 ab und münden stromauf des Frischgasverdichters 8 in den Frischgasstrang 5. Die erste Abgasrückführleitung 17 und die zweite Abgasrückführleitung 18 sind demnach für die Durchführung einer Niederdruck-Abgasrückführung ausgelegt, wobei wiederum eine Freigabe einer Strömung von Abgas über die erste Abgasrückführleitung 17 und die zweite Abgasrückführleitung 18 sowie eine Mengensteuerung dieser Abgasströmungen mittels eines in die jeweilige Abgasrückführleitung 17, 18 integrierten Abgasrückführventils 20 durchführbar ist. Konkret ist vorgesehenen, dass die jeweilige erste Abgasrückführleitung 17 der Brennkraftmaschinen in dem zwischen den Abgasnachbehandlungsvorrichtungen 13, 14 liegenden Abschnitt aus dem Abgasstrang 11 abzweigt sowie stromab des Luftmassensensors 7 in den Frischgasstrang 5 mündet. Die zweite Abgasrückführleitung 18 geht dagegen jeweils oberseitig aus dem Schalldämpfer 16 ab und mündet entweder gemeinsam mit der ersten Abgasrückführleitung 17, mit der diese dann einen gemeinsamen Abschnitt 21 ausbildet, ebenfalls zwischen dem Luftmassensensor 7 und dem Frischgasverdichter 8 in den Frischgasstrang 5 (vgl. 1) oder diese mündet in den Luftfilter 6 (vgl. 2 und 3).
In die jeweilige erste Abgasrückführleitung 17 jeder der Brennkraftmaschinen gemäß den 1 bis 3 sind weiterhin ein Abgaskühler 22 und ein Kondensatabscheider 23 integriert. Der Abgaskühler 22 kann dabei flüssigkeitsgekühlt ausgeführt sein, so dass dieser beziehungsweise eine Wärmetauschseite davon von einem flüssigen Kühlmittel durchströmt wird, wobei dieses Kühlmittel vorzugsweise in einem Kühlsystem der Brennkraftmaschine zirkuliert, das auch den Verbrennungsmotor 1 beziehungsweise Kühlkanäle des Verbrennungsmotors 1 integriert. Zumindest bei den Brennkraftmaschinen gemäß den 2 und 3 wird die Funktion eines Kondensatabscheiders dagegen von dem Schalldämpfer 16 und dem Luftfilter 6 übernommen sowie gegebenenfalls durch eine Ausgestaltung der zweiten Abgasrückführleitung 18 realisiert, die in einem Abschnitt, der insbesondere in der Nähe der Abzweigung aus dem Schalldämpfer 16 gelegen sein kann, einen vergrößerten Strömungsquerschnitt aufweist und die zudem in diesem Abschnitt ansteigend verlaufend ausgebildet ist. Bevorzugt kann zudem vorgesehen sein, dass die zweite Abgasrückführleitung 18 außenseitig jeweils Kühlrippen 28 aufweist, um eine möglichst große Kühlwirkung für die zweite Abgasrückführleitung 18 aufgrund eines Wärmeübergangs auf die Umgebungsluft zu realisieren, was ebenfalls ein Ausfallen und Abscheiden von Kondensat aus dem durch diese geführten Abgas unterstützt. Ergänzend dazu kann auch vorgesehen sein, in den Schalldämpfer 16 einen Kondensatabscheider 23 zu integrieren, insbesondere auch, um die Möglichkeit zu erhalten, in dem Schalldämpfer 16 abgeschiedenes Kondensat gezielt abzuführen.
Bei der Brennkraftmaschine gemäß der 1 erfolgt die Zusammenführung der ersten Abgasrückführleitung 17 und der zweiten Abgasrückführleitung 18, ab der diese den bis zu der Mündung in den Frischgasstrang 5 reichenden gemeinsamen Abschnitt 21 ausbilden, stromauf des Abgaskühlers 22. Ein in diese Zusammenführung integriertes Steuerventil 24, beispielsweise in Form eines 3/2-Wege-Venils, ermöglicht, Abgas über entweder die erste Abgasrückführleitung 17 oder die zweite Abgasrückführleitung 18 zu führen. Gegebenenfalls kann das Steuerventil 24 auch so ausgebildet sein, dass mittels diesem Abgas in einem festgelegten oder variablen Verhältnis über sowohl die erste Abgasrückführleitung 17 als auch die zweite Abgasrückführleitung 18 geführt wird. Weiterhin kann das Steuerventil 24 derart ausgebildet sein, dass von diesem die Funktion des Abgasrückführventils 20 übernommen wird. Alternativ zu dem Steuerventil 24 (und dem AGR-Ventil 20 in dem gemeinsamen Abschnitt 21) können auch zwei AGR-Ventile 20, beispielsweise proportionale 2/2-Wege-Ventile, in jede der Abgasrückführleitungen 17, 18 (außerhalb des gemeinsamen Abschnitts 21) integriert sein (in der 1 gestrichelt eingezeichnet).
Da bei der Brennkraftmaschine gemäß der 1 der Abgaskühler 22 in dem gemeinsamen Abschnitt 21 der erste Abgasrückführleitung 17 und der zweiten Abgasrückführleitung 18 angeordnet ist, ist weiterhin eine Bypassleitung 25 vorgesehen, die stromauf des Abgaskühlers 22 aus dem gemeinsamen Abschnitt abzweigt und stromab des Abgaskühlers 22 sowie stromauf des Kondensatabscheiders 23 wieder in den gemeinsamen Abschnitt mündet.
Im Betrieb der Brennkraftmaschinen gemäß den 1 bis 3 ist zumindest zeitweise ein Rückführen von Abgas über die erste Abgasrückführleitung 17 oder die zweite Abgasrückführleitung 18, gegebenenfalls jeweils in Kombination mit einem Rückführen von Abgas über die dritte Abgasrückführleitung 19, 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 durchführen zu können, ohne dass damit in erheblichem Maße die Gefahr einer Beschädigung des Frischgasverdichters 8 durch in dem rückzuführenden Abgas ausgefallenes Kondensat einhergeht, ist vorgesehen, dass zumindest in einer ersten, unmittelbar nach dem Kaltstart liegenden Phase der Warmlaufphase das rückzuführende Abgas ausschließlich über die zweite Abgasrückführleitung 18 sowie, bedarfsweise, über die dritte Abgasrückführleitung 19 geführt wird. Da das über die zweite Abgasrückführleitung 18 geführte Abgas an einer relativ weit stromabwärts gelegenen Stelle des Abgasstrangs 5 und konkret aus dem eine Kondensatabscheidefunktion aufweisenden Schalldämpfer 16 abgezweigt wird, weist dieses Abgas bereits eine relativ geringe Feuchtigkeit auf, da ein Großteil davon aufgrund der zuvor in dem Abgasstrang 5 erfolgenden Abkühlung sowie aufgrund der Durchströmung der Vielzahl von darin integrierten Komponenten (mit den damit verbundenen Strömungsumlenkungen und Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit aufgrund von Querschnittsänderungen) bereits abgeschieden wurde. Hinzu kommt, dass in diesem rückzuführenden Abgas noch verbliebene Feuchtigkeit entweder bis zum Erreichen des Frischgasverdichters 8 nicht mehr ausfällt, was insbesondere darin begründet ist, dass dieses Abgas den Abgaskühler 22 nicht durchströmt, weil dieser entweder nicht in die zweite Abgasrückführleitung 18 integriert ist (vgl. 2 und 3) oder mittels der Bypassleitung 25 durch ein Öffnen des darin integrierten Bypassventils 26 umgangen wird. Zudem kann eine relativ geringe Menge an Kondensat, das noch in dem über die zweite Abgasrückführleitung geführten Abgas ausgefallen ist, in dem Kondensatabscheider der Brennkraftmaschine gemäß der 1 oder, bei den Brennkraftmaschinen gemäß den 2 und 3, in dem auch eine Kondensatabscheidefunktion aufweisenden Luftfilter 6 abgeschieden werden.
Während eines Normalbetriebs der jeweiligen Brennkraftmaschine, d.h. wenn eine Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine einen definierten Betriebstemperaturbereich erreicht hat, kann dagegen vorgesehen sein, Abgas ausschließlich über die erste Abgasrückführleitung 17 und/oder die dritte Abgasrückführleitung 19 in den Frischgasstrang 5 zu überführen.
Der Kondensatabscheider 23 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 Auslassventil aufweisen, um das zwischengespeicherte Kondensat bedarfsweise abzuführen. Das Auslassventil kann dabei entweder aktiv, d.h. in Abhängigkeit von einer entsprechenden aktiven Ansteuerung, oder passiv aufgrund des Vorliegens von bestimmten Betriebsparametern des Auslassventils geöffnet werden beziehungsweise öffnen. Ein passives Öffnen kann beispielswese druckbasiert erfolgen, so dass das Auslassventil beispielsweise bei einem definierten Öffnungsdruck öffnet, wobei der auf dem Auslassventil lastenden Druck durch eine entsprechend große Wassersäule des Kondensats ausgeübt wird. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass das Auslassventil einen Schwimmer umfasst, der das Auslassventil bei einem ausreichend hohen Stand des Kondensats in dem Sammelteil öffnet. Ein Vorteil eines solchen Schwimmer-Auslassventils liegt in einer relativ geringen Empfindlichkeit gegenüber den auf den Ventilkörper wirkenden Druckänderungen.
Die Brennkraftmaschine gemäß der 3 unterscheidet sich von derjenigen der 2 lediglich darin, dass in die zweite Abgasrückführleitung 18 eine beispielsweise als Wirkdruckgeber ausgebildete und insbesondere auf einer Messblende beruhende Messvorrichtung 27 zur Bestimmung des über die zweite Abgasrückführleitung 18 geführten Abgasmassenstroms integriert ist. Durch eine Messung dieses Abgasmassenstroms mittels der Messvorrichtung 27 kann der Abgasmassenstrom, der über die zweite Abgasrückführleitung 18 strömt, und damit die Abgasrückführung insgesamt geregelt werden, was insbesondere aufgrund der Mündung der zweiten Abgasrückführleitung 18 stromauf des Luftmassensensors 7 von Bedeutung ist, da dieser gegebenenfalls nicht zwischen der über diesen geführten Luft und dem Abgas unterscheiden kann.
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: dritte Abgasrückführleitung
20: Abgasrückführventil
21: gemeinsamer Abschnitt der ersten Abgasrückführleitung und der zweiten Abgasrückführleitung
22: Abgaskühler
23: Kondensatabscheider
24: Steuerventil
25: Bypassleitung
26: Bypassventil
27: Messvorrichtung
28: Kühlrippe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 112007003296 A1 [0005]
DE 102018110663 A1 [0005]
DE 102017205697 A1 [0006]

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 ersten Abgasrückführleitung (17), die stromab einer Abgasturbine (10) aus dem Abgasstrang (11) abzweigt und die stromauf eines Frischgasverdichters (8) in den Frischgasstrang (5) mündet, wobei in die erste Abgasrückführleitung (17) ein Abgaskühler (22) integriert ist, gekennzeichnet durch eine zweite Abgasrückführleitung (18), die stromab der ersten Abgasrückführleitung (17) aus dem Abgasstrang (11) abzweigt und die in den Frischgasstrang (5) mündet.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Abgasrückführleitung (17) und die zweite Abgasrückführleitung (18) zumindest einen gemeinsamen Abschnitt (21) ausbilden.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die erste Abgasrückführleitung (17) und die zweite Abgasrückführleitung (18) gemeinsam in den Frischgasstrang (5) münden.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskühler (23) stromauf einer Zusammenführung der ersten Abgasrückführleitung (17) und der zweiten Abgasrückführleitung (18) angeordnet ist oder der Abgaskühler (23) in dem gemeinsamen Abschnitt (21) angeordnet und eine Bypassleitung (25) vorgesehen ist, die stromauf des Abgaskühlers (23) aus der zweiten Abgasrückführleitung (18) abzweigt und die stromab des Abgaskühlers (23) in die erste Abgasrückführleitung (17) oder in die zweite Abgasrückführleitung (18) mündet.
Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Abgasrückführleitung (17) stromauf einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung (14) und die zweite Abgasrückführleitung (18) stromab der Abgasnachbehandlungsvorrichtung (14) aus dem Abgasstrang (11) abzweigt.
Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Abgasrückführleitung (18) aus einem Schalldämpfer (16) des Abgasstrangs (11) abzweigt.
Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Abgasrückführleitung (18) oberseitig aus dem Abgasstrang (11) abzweigt.
Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Abgasrückführleitung (18) stromauf der ersten Abgasrückführleitung (17) in den Frischgasstrang (5) mündet.
Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Abgasrückführleitung (18) in einen Luftfilter (6) des Frischgasstrangs (5) mündet.
Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die erste Abgasrückführleitung (17) und/oder in die zweite Abgasrückführleitung (18) und/oder in den Schalldämpfer (16) ein Kondensatabscheider (23) integriert ist.
Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Abgasrückführleitung (18) zumindest teilweise aus Kunststoff ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Abgasrückführleitung (18) zumindest abschnittsweise ansteigend verlaufend ausgebildet ist und/oder in einem Abschnitt vergrößerte Öffnungsquerschnitte aufweist.
Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Abgasrückführleitung (18) zumindest abschnittsweise außenseitig Kühlrippen (28) aufweist.
Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Abgasrückführleitung (17) und/oder die zweite Abgasrückführleitung (18) zumindest abschnittsweise thermisch isoliert sind.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zeitweise während einer Warmlaufphase der Brennkraftmaschine Abgas über die zweite Abgasrückführleitung (18) geführt wird.