DE102020208986A1

DE102020208986A1 - Brennkraftmaschine mit Niederdruck-Abgasrückführleitung, zwei Teilsträngen des Frischgasstrangs und Frischgas-Abgas-Wärmetauscher

Info

Publication number: DE102020208986A1
Application number: DE102020208986.8A
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 20 aufweist. Der Frischgasstrang 5 ist dabei in einem Abschnitt in mindestens zwei Teilstränge 5a,5b unterteilt, wobei ein erster Teilstrang 5a eine erste Wärmetauschseite eines Wärmetauschers 18 integriert, dessen zweite Wärmetauschseite in den Abgasstrang 11 integriert ist. Der zweite Teilstrang 5b schließt den Wärmetauscher 18 dagegen aus. Eine Verteilung von Frischgas auf den ersten Teilstrang 5a und den zweiten Teilstrang 5b ist mittels einer Frischgasverteilvorrichtung möglich. Erfindungsgemäß mündet die Abgasrückführleitung 20 in den ersten Teilstrang 5a des Frischgasstrangs 5. Mittels einer solchen Brennkraftmaschine ist es möglich, Abgas, das in den Verbrennungsmotor 1 zurück geführt werden soll und das dazu in den Frischgasstrang 5 überführt wird, zumindest bedarfsweise in Frischgas einzuleiten, das mittels des Wärmetauschers 18 unter Nutzung von Abwärme des Abgases vorgewärmt wurde oder das, zusammen mit dem rückzuführenden Abgas, noch vorgewärmt werden wird. Dadurch kann verhindert werden, dass das in den Frischgasstrang 5 überführte Abgas in relevanter Menge ausgefallenes Kondensat umfasst, das zu einer Beschädigung von stromauf der Mündung der Abgasrückführleitung 20 in den Frischgasstrang 5 integrierten Komponenten, insbesondere einem Frischgasverdichter 8, führen könnte.

Description

Die Erfindung betrifft 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 Abgasrückführleitung, die aus dem Abgasstrang abzweigt und in den Frischgasstrang mündet. Die Erfindung betrifft auch einen Wärmetauscher, der bei einer solchen Brennkraftmaschine für einen Wärmetausch zwischen Abgas und Frischgas der Brennkraftmaschine vorgesehen sein kann.
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 der Anteil des jeweils in einem Arbeitstakt in den Brennräumen umsetzbaren Sauerstoffs gering gehalten sowie eine Erhöhung der Wärmekapazität der Gasgemischs in den Brennräumen erhöht wird. Dies begrenzt in vorteilhafter Weise die Brennraumspitzentemperaturen und damit die Stickoxidausbildung. 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 Abgasturboladern 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 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), 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 so entstehenden Wassertropfen, 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 besteht zusätzlich 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 10 2016 113 555 A1 offenbart eine Brennkraftmaschine mit einer Abgasrückführleitung die aus einem Abgaskrümmer der Brennkraftmaschine abgeht, wobei ein in die Abgasrückführleitung integriert Abgaskühler mittels eines Wärmeabschirmblechs gegenüber dem Abgaskrümmer der Brennkraftmaschine abgeschirmt ist.
Die DE 35 18 493 A1 beschreibt eine Brennkraftmaschine mit einer Abgasrückführleitung die aus einem Abgaskrümmer der Brennkraftmaschine abgeht, und mit einer Ansauglufthutze, die den Abgaskrümmer unter Ausbildung eines Spalts umgibt, wobei von der Ansauglufthutze eine Frischgasleitung zu einem Saugrohr der Brennkraftmaschine verläuft. In einem Abschnitt umgibt diese Frischgasleitung die Abgasrückführleitung koaxial. Nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine soll Luft, die über eine Öffnung der Ansauglufthutze angesaugt wird, durch einen Übergang von Wärmeenergie des Abgases im Bereich des Abgaskrümmers sowie der Abgasrückführleitung vorgewärmt werden.
Die DE 10 2011 076 136 A1 offenbart ebenfalls eine Brennkraftmaschine mit einem doppelwandigen Abgaskrümmer, wobei Abgas über einen innen liegenden Hohlraum des Abgaskrümmers und Frischgas über den außen liegenden Hohlraum führbar ist. Dieser außen liegende Hohlraum ist mittels einer ersten Verbindungsleitung mit einem Abschnitt des Frischgasstrangs, der stromauf eines Frischgasverdichters gelegen ist, sowie mittels einer zweiten Verbindungsleitung mit einem Abschnitt des Frischgasstrangs, der stromab des Frischgasverdichters gelegen ist, verbunden. Weiterhin ist der außen liegende Hohlraum über einen Ventil mit der Umgebung verbunden. Bei dieser Brennkraftmaschine soll in Abhängigkeit von dem Verhältnis zwischen dem Druck in dem Frischgasstrang und dem Umgebungsdruck entweder Frischgas zur Vorwärmung über die erste Verbindungsleitung in den außen liegenden Hohlraum und von diesem über die zweite Verbindungsleitung wieder in den Frischgasstrang zurückgeführt werden oder das Frischgas wird zur Kühlung des Abgaskrümmers über die zweite Verbindungsleitung in den außen liegenden Hohlraum und von diesen in die Umgebung abgeführt. Eine dazu vergleichbare Brennkraftmaschine ist aus der US 2015/0316003 A1 bekannt.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, bei einer Brennkraftmaschine möglichst kurzfristig, d.h. möglichst schnell und vorzugsweise unmittelbar nach einem Kaltstart eine externe Abgasrückführung durchzuführen, wobei die Gefahr einer Beschädigung von Komponenten der Brennkraftmaschine durch ausgefallenes Kondensat minimiert sein soll.
Diese Aufgabe ist bei einer Brennkraftmaschine gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Ein in vorteilhafter Weise bei einer solchen Brennkraftmaschine einsetzbarer Wärmetauscher sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine sind Gegenstände der Patentansprüche 8 und 11. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sowie des erfindungsgemäßen Wärmetauschers 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 (erste) Abgasrückführleitung, die aus dem Abgasstrang abzweigt und die in den Frischgasstrang mündet, aufweist. Der Frischgasstrang ist dabei in einem Abschnitt in mindestens zwei Teilstränge unterteilt, wobei ein erster Teilstrang eine erste Wärmetauschseite eines Wärmetauschers integriert, dessen zweite Wärmetauschseite in den Abgasstrang integriert ist. Der zweite Teilstrang schließt den Wärmetauscher dagegen aus, d.h. dieser umfasst den Wärmetauscher nicht beziehungsweise umgeht diesen. Eine Verteilung von Frischgas auf den ersten Teilstrang und/oder den zweiten Teilstrang ist mittels einer Frischgasverteilvorrichtung möglich. Dabei kann vorgesehen sein, das Frischgas ausschließlich über den ersten Teilstrang oder den zweiten Teilstrang zu führen. Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass eine variable Verteilung von Frischgas auf den ersten Teilstrang und den zweiten Teilstrang mittels der Frischgasverteilvorrichtung durchführbar ist. Erfindungsgemäß mündet die (erste) Abgasrückführleitung stromauf oder, vorzugsweise, stromab (bezüglich der Strömungsrichtung von Gas in dem ersten Teilstrang in Richtung des Verbrennungsmotors) des Wärmetauschers in den ersten Teilstrang.
Mittels einer solchen Brennkraftmaschine ist es möglich, Abgas, das in den Verbrennungsmotor zurück geführt werden soll und das dazu in den Frischgasstrang überführt wird, zumindest bedarfsweise in Frischgas einzuleiten, das mittels des Wärmetauschers unter Nutzung von Abwärme des Abgases vorgewärmt wurde oder das, zusammen mit dem rückzuführenden Abgas, noch vorgewärmt werden wird. Dadurch kann verhindert werden, dass das in den Frischgasstrang überführte Abgas in relevanter Menge ausgefallenes Kondensat umfasst, das zu einer Beschädigung von stromauf der Mündung der ersten Abgasrückführleitung in den Frischgasstrang integrierten Komponenten, insbesondere einem Frischgasverdichter, führen könnte.
Eine solche Ausgestaltung einer Brennkraftmaschine ermöglicht daher die Durchführung einer Abgasrückführung auch zumindest zeitweise während einer Warmlaufphase, d.h. in der Betriebsphase, die zwischen einem Kaltstart der Brennkraftmaschine und dem Erreichen eines definierten Betriebstemperaturbereichs liegt, und insbesondere unmittelbar nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine, da durch das Einleiten des rückzuführenden Abgases in das erwärmte Frischgas Kondensat, das in dem rückzuführenden Abgases während der Durchströmung der ersten Abgasrückführleitung ausgefallen ist, wieder verdampft oder zumindest ein erneutes oder zusätzliches Ausfallen von Kondensat in dem Frischgasstrang ab der Mündung der ersten Abgasrückführleitung verhindert werden kann. Ein Ausfallen des Kondensats in der (ersten) Abgasrückführleitung kann während einer Warmlaufphase der Brennkraftmaschine insbesondere darin begründet sein, dass von dem Verbrennungsmotor dann noch relativ kaltes Abgas erzeugt wird. Zusätzlich dazu begünstigt die Kühlwirkung eines vorzugsweise in die (erste) Abgasrückführleitung integrierten Abgaskühlers, der während der Warmlaufphase von einem noch relativ kalten Kühlmittel durchströmt werden kann, ebenfalls ein Ausfallen von Kondensat in dem rückzuführenden Abgas. Ein solcher Abgaskühler kann vorzugsweise mittels eines Bypasses bedarfsweise umgehbar sein.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sieht demnach vor, dass zumindest zeitweise während einer Warmlaufphase der Brennkraftmaschine Frischgas zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig (d.h. nicht auch über den zweiten Teilstrang) über den ersten Teilstrang des Frischgasstrangs geführt wird und Abgas über die erste Abgasrückführleitung und/oder über eine optional vorgesehene, zweite Abgasrückführleitung in den ersten Teilstrang des Frischgasstrangs eingeleitet wird.
Eine solche zweite Abgasrückführleitung zweigt ebenfalls aus dem Abgasstrang ab und mündet stromab oder, vorzugsweise, stromauf des Wärmetauschers in den ersten Teilstrang des Frischgasstrangs. Besonders bevorzugt kann dabei vorgesehen sein, dass die zweite Abgasrückführleitung, bezogen auf den Wärmetauscher, auf der anderen Seite im Vergleich zu der ersten Abgasrückführleitung in den ersten Teilstrang des Frischgasstrangs mündet, so dass die Möglichkeit besteht, Abgas bedarfsweise in Frischgas einzuleiten, das den Wärmetauscher bereits durchströmt hat oder noch durchströmen wird. Dementsprechend kann eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine auch eine Abgasverteilvorrichtung, insbesondere in Form von jeweils einem in die Abgasrückführleitungen integrierten Abgasrückführventil, zur bedarfsweise Verteilung von rückzuführendem Abgas auf die erste Abgasrückführleitung und/oder die zweite Abgasrückführleitung umfassen. Dabei kann auch eine Abgasrückführweiche in einen gemeinsamen Abzweig der ersten Abgasrückführleitung und der zweiten Abgasrückführleitung integriert sein, um eine kombinierte Mengensteuerung von Abgasströmungen über die beiden Abgasrückführleitungen zu realisieren.
Die erste Abgasrückführleitung und die zweite Abgasrückführleitung können sich in vorteilhafter Weise auch dahingehend unterscheiden, dass in die erste Abgasrückführleitung ein Abgaskühler integriert ist, während die zweite Abgasrückführleitung einen solchen nicht umfasst. In diesem Fall kann durch ein Führen von rückzuführendem Abgas über die zweite Abgasrückführleitung ein intensives Kühlen des rückzuführenden Abgases, das insbesondere bei einer Abgasrückführung während einer Warmlaufphase der Brennkraftmaschine nachteilig sein kann, vermieden werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die erste Abgasrückführleitung und/oder die zweite Abgasrückführleitung stromab einer Abgasturbine aus dem Abgasstrang abgeht und der erste Teilstrang und der zweite Teilstrang des Frischgasstrangs stromauf eines Frischgasverdichters wieder zusammengeführt sind. Die erste Abgasrückführleitung und/oder die zweite Abgasrückführleitung ist/sind demnach für die Durchführung einer Niederdruck-Abgasrückführung ausgelegt. Insbesondere bei einer solchen Niederdruck-Abgasrückführung ist eine Vermeidung des Einleitens von ausgefallenem Kondensat in den Frischgasstrang über rückzuführendes Abgas aufgrund der nachgeschalteten Durchströmung des Frischgasverdichters von besonderer Bedeutung.
Während eines Normalbetriebs der Brennkraftmaschine (d.h. mit innerhalb des Betriebstemperaturbereichs liegender Betriebstemperatur) kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass zeitweise Frischgas zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig (d.h. nicht auch über den erste Teilstrang) über den zweiten Teilstrang des Frischgasstrangs geführt wird und Abgas über die erste Abgasrückführleitung und/oder die zweite Abgasrückführleitung in den ersten Teilstrang des Frischgasstrangs eingeleitet wird. Während eines Normalbetriebs soll dem Verbrennungsmotor daher zumindest teilweise und vorzugsweise ausschließlich Frischgas zugeführt werden, das nicht in dem Wärmetauscher erwärmt wurde. Eine Verteilung des rückzuführenden Abgases auf die erste Abgasrückführleitung und/oder die zweite Abgasrückführleitung kann dabei insbesondere in Abhängigkeit einer definiert einzustellenden Temperatur des in den Frischgasstrang einzuleitenden Abgases erfolgen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit zweiter Abgasrückführleitung kann vorgesehen sein, dass in die Mündung der zweiten Abgasrückführleitung ein Steuerventil integriert ist, wobei in Abhängigkeit von der Stellung des Steuerventils Frischgas oder Abgas (ggf. jeweils mit einstellbarem Massenstrom) oder Frischgas und Abgas in einem variablen Verhältnis über die erste Wärmetauschseite des Wärmetauschers führbar ist. Dies ermöglicht eine besonders genaue Einstellung des Frischgases, das dem Verbrennungsmotor beziehungsweise einem vorzugsweise in den Frischgasstrang integrierten Frischgasverdichter zugeführt wird, hinsichtlich der Temperatur und des Anteils an Abgas in diesem Frischgas.
Ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher, der insbesondere als Wärmetauscher einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine zum Einsatz kommen kann, umfasst zumindest eine erste Rohrleitung zur Führung von Abgas eines/des Verbrennungsmotors der Brennkraftmaschine, eine zweite Rohrleitung, die die erste Rohrleitung zumindest abschnittsweise und vorzugsweise vollumfänglich umschließt, um einen vorzugsweise geschlossen umlaufenden Ringkanal zur Führung von Frischgas für den Verbrennungsmotor auszubilden, und einer dritten Rohrleitung, die die zweite Rohrleitung zumindest abschnittsweise und vorzugsweise vollumfänglich umschließt, um einen vorzugsweise geschlossen umlaufenden, isolierenden Ringspalt auszubilden. Trotz einer relativ einfachen konstruktiven Ausgestaltung dieses Wärmetauschers kann durch den isolierenden Ringspalt in vorteilhafter Weise der Wärmeübergang von dem Abgas auf das Frischgas beschränkt werden, wodurch eine möglichst hohe Heizleistung des Wärmetauschers für das Frischgas realisiert werden kann.
Ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher kann vorzugsweise Wärmeübertragungswände aufweisen, die sich von der Außenfläche der ersten Rohrleitung (insbesondere in radialer und/oder axialer Richtung) in den Ringkanal zur Führung von Frischgas erstrecken, wodurch die für einen Wärmeübergang nutzbare Fläche und damit der Wärmeübergang an sich vergrößert werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorgesehen sein, dass der Wärmetauscher in einen Abgaskrümmer des Abgasstrangs integriert ist. Als „Abgaskrümmer“ wird erfindungsgemäß der sich unmittelbar an den Verbrennungsmotor anschließende Abschnitt des Abgasstrangs verstanden, der eine Mehrzahl von Einlassöffnungen ausbildet, die für eine fluidleitende Verbindung mit einzelnen Auslasskanälen, die dem oder den einzelnen Brennräumen des Verbrennungsmotors zugeordnet sind, vorgesehen sind, und der eine oder mehrere (insbesondere maximal zwei oder drei) Auslassöffnungen aufweist, die für eine fluidleitende Verbindung mit einem sich an den Abgaskrümmer anschließenden Abschnitt des Abgasstrangs vorgesehen sind. Durch eine Integration des Wärmetauschers einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in den Abgaskrümmer kann ausgenutzt werden, dass das den Abgaskrümmer und damit den Wärmetauscher durchströmende Abgas eine noch relativ hohe Temperatur aufweist, wodurch eine entsprechend hohe Heizleistung des Wärmetauschers realisiert werden kann. Hinzu kommt, dass der Wärmetauscher nach einem Kaltstart aufgrund einer Anordnung möglichst nahe an dem Verbrennungsmotor möglichst schnell eine Wärmeübertragungsleistung bereitstellen kann. Ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher kann demnach vorzugsweise als Abgaskrümmer für die Brennkraftmaschine ausgestaltet sein.
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.
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.
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 Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

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

Die 1 und 2 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 teilweise 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 bedarfsweise mittels eines Ladeluftkühlerbypasses 34 mit dazugehörigen Bypassventil 35 umgehbaren 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 ein Schalldämpfer 16 integriert.
Der Frischgasstrang 5 ist in einem Abschnitt, der zwischen dem Luftmassensensor 7 und dem Frischgasverdichter 8 gelegen ist, in zwei Teilstränge 5a, 5b unterteilt, wobei in die Aufteilung der zwei Teilstränge 5a, 5b ein Steuerventil 17 in Form eines 3/2-Wegeventil integriert ist, so dass, in Abhängigkeit von der Schaltstellung des Steuerventils 17 (in einer Funktion als Frischgasverteilvorrichtung) Frischgas ausschließlich über einen ausgewählten der Teilstränge 5a, 5b geführt wird. Das Steuerventil 17 kann jedoch auch derart ausgebildet sein, dass eine beliebige Aufteilung von Frischgas auf die zwei Teilstränge 5a, 5b realisiert werden kann. Ein erster (5a) der Teilstränge 5a, 5b führt über eine erste Wärmetauschseite eines Wärmetauschers 18, dessen zweite Wärmetauschseite in den Abgasstrang 11 und konkret in einen Abgaskrümmer 19 des Abgasstrangs 11 integriert ist. Der zweite Teilstrang 5b schließt diesen Wärmetauscher 18 dagegen aus und führt folglich direkt von dem Steuerventil 17 zu dem Frischgasverdichter 8, wobei eine Vereinigung mit dem ersten Teilstrang 5a unmittelbar stromauf des Frischgasverdichters 8 vorgesehen ist.
Die Brennkraftmaschinen umfassen weiterhin jeweils eine (erste) Niederdruck-Abgasrückführleitung 20 und eine Hochdruck-Abgasrückführleitung 21. Die Brennkraftmaschine gemäß der 2 weist zusätzlich noch eine zweite Niederdruck-Abgasrückführleitung 22 auf.
Die Hochdruck-Abgasrückführleitung 21 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. Eine Freigabe einer Strömung von Abgas über die Hochdruck-Abgasrückführleitung 21 sowie eine Mengensteuerung dieser Abgasströmung ist mittels eines in die Hochdruck-Abgasrückführleitung 21 integrierten Abgasrückführventils 23 durchführbar.
Die erste Niederdruck-Abgasrückführleitung 20 und, bei der Brennkraftmaschine gemäß der 2, die zweite Niederdruck-Abgasrückführleitung 22 zweigen dagegen jeweils stromab der Abgasturbine 10 und konkret aus dem zwischen den Abgasnachbehandlungsvorrichtungen 13, 14 liegenden Abschnitt aus dem Abgasstrang 11 ab und münden jeweils in den ersten Teilstrang 5a des Frischgasstrangs 5, wobei die erste Niederdruck-Abgasrückführleitung 20 stromab des Wärmetauschers 18 und die zweite Niederdruck-Abgasrückführleitung 22 stromauf des Wärmetauschers 18 in den ersten Teilstrang 5a des Frischgasstrangs 5 münden. Die erste Niederdruck-Abgasrückführleitung 20 der Brennkraftmaschine gemäß der 1 mündet dabei seitlich in eine Strahlpumpe 31, um ein Ansaugen von Abgas über die erste Niederdruck-Abgasrückführleitung 20 mittels Luft, die den ersten Teilstrang 5a des Frischgasstrangs 5 durchströmt, zu unterstützen. Ein solche Strahlpumpe 31 kann auch bei der Brennkraftmaschine gemäß der 2 im Bereich der Mündung der ersten Niederdruck-Abgasrückführleitung 20 und/oder der zweiten Niederdruck-Abgasrückführleitung 22 vorgesehen sein.
Eine Freigabe einer Strömung von Abgas über die erste Niederdruck-Abgasrückführleitung 20 und/oder die zweite Niederdruck-Abgasrückführleitung 22 sowie eine Mengensteuerung dieser Abgasströme ist ebenfalls mittels eines in die jeweilige Niederdruck-Abgasrückführleitung 20, 22 integrierten Abgasrückführventils 23 durchführbar. Bei der Brennkraftmaschine gemäß der 2 kann das als Abgasrückführventil 23 dienende Steuerventil (ggf. in Kombination mit einem weiteren Steuerventil, das in den ersten Teilstrang 5a integriert ist) ergänzend derart ausgebildet sein, dass mittels diesem auch der Massenstrom an Frischgas durch den ersten Teilstrang 5a des Frischgasstrangs 5 veränderbar (ggf. bis hin zu absperrbar) ist.
In die erste Niederdruck-Abgasrückführleitung 20 sind weiterhin ein Abgaskühler 24 mit dazugehörigem Kühlerbypass 32 und Bypassventil 35 und ein Kondensatabscheider 25 integriert. Der Abgaskühler 24 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 (nicht dargestellt) der Brennkraftmaschine zirkuliert, das auch den Verbrennungsmotor 1 beziehungsweise Kühlkanäle des Verbrennungsmotors 1 integriert. Möglich ist aber auch eine Integration des Abgaskühlers 24 in ein Kühlsystem oder zumindest einen Kühlkreis, das den Verbrennungsmotor 1 nicht integriert, insbesondere in ein Niedertemperaturkühlsystem.
Im Betrieb der Brennkraftmaschinen gemäß den 1 und 2 ist zumindest zeitweise ein Rückführen von Abgas über die erste Niederdruck-Abgasrückführleitung 20 und/oder die zweite Niederdruck-Abgasrückführleitung 22, gegebenenfalls jeweils in Kombination mit einem Rückführen von Abgas über die Hochdruck-Abgasrückführleitung 21, 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 Stickoxidrohemissionen 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 Kondensat, das in dem rückzuführenden Abgas ausgefallen ist, einhergeht, ist vorgesehen, dass zumindest in einer ersten, unmittelbar nach dem Kaltstart liegenden Phase der Warmlaufphase die als Teil des Frischgases vorgesehene Luft ausschließlich über den ersten Teilstrang 5a des Frischgasstrangs 5 geführt wird, wodurch Abgas, das über die erste Niederdruck-Abgasrückführleitung 20 und/oder die zweite Niederdruck-Abgasrückführleitung 22 geführt wurde, in Luft eingeleitet wird, das entweder bereits aufgrund einer Durchströmung des Wärmetauschers 18 vorgewärmt wurde oder aufgrund einer noch erfolgende Durchströmung des Wärmetauschers 18 noch vorgewärmt werden wird. Dadurch kann erreicht werden, dass in dem Abgas enthaltene Feuchtigkeit, die bei der Einleitung in die Luft bereits als Kondensat ausgefallen ist, wieder verdampft. Zudem kann ein weiteres Ausfallen von Kondensat in dem Frischgasstrang 5 zumindest bis zum Erreichen des Frischgasverdichters 8 vermieden werden.
Während eines Normalbetriebs der jeweiligen Brennkraftmaschine, d.h. wenn eine Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine einen definierten Betriebstemperaturbereich erreicht hat, kann dagegen vorgesehen sein, die als Teil des Frischgases vorgesehene Luft ausschließlich über den zweiten Teilstrang 5b des Frischgasstrangs 5 zu führen. Abgas, das dann bedarfsweise über die erste Niederdruck-Abgasrückführleitung 20 und/oder die zweite Niederdruck-Abgasrückführleitung 22 geführt wurde, wird dann über den stromabwärts der jeweiligen Mündung der Niederdruck-Abgasrückführleitungen 20, 22 liegenden Abschnitt des ersten Teilstrangs 5a des Frischgasstrangs 5 bis zu der Strömung der Luft in dem zweiten Teilstrang 5b des Frischgasstrangs 5 geführt und dort in diese Luft eingeleitet. Eine bedarfsgerechte Verteilung von Abgas auf die erste Niederdruck-Abgasrückführleitung 20 und die zweite Niederdruck-Abgasrückführleitung 22 kann für eine gezielte Konditionierung des Abgases, insbesondere hinsichtlich der Temperatur, genutzt werden.
Der Kondensatabscheider 25 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, noch 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 lastende Druck durch eine entsprechend große Wassersäule des Kondensats aufgebracht ist. 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 Druckänderungen.
Ein durch ein Öffnen des jeweiligen Ablassventils erfolgendes Abführen von Kondensat aus dem Kondensatabscheider 25 kann vorzugsweise in den Abgasstrang 11 erfolgen. 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. 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, beispielsweise während einer Wartung der Brennkraftmaschine, 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.
Die 3 zeigt in vereinfachter Darstellung eine bevorzugte Ausgestaltungform für den Wärmetauscher 18 einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, beispielsweise einer Brennkraftmaschine gemäß den 1 und 2. Dieser Wärmetauscher 18 umfasst eine erste Rohrleitung 26 zur Führung von Abgas des Verbrennungsmotors 1 der Brennkraftmaschine, eine zweite Rohrleitung 27, die die erste Rohrleitung 26 vollumfänglich umschließt, um einen Ringkanal 28 zur Führung von Frischgas für den Verbrennungsmotor auszubilden, und einer dritten Rohrleitung 29, die die zweite Rohrleitung 27 vollumfänglich umschließt, um einen isolierenden, vorzugsweise mit Luft gefüllten Ringspalt 30 auszubilden. Weiterhin sind Wärmeübertragungswände 33 vorgesehen, die sich von der Außenfläche der ersten Rohrleitung 26 in radialer und axialer Richtung bezüglich der ersten Rohrleitung 26 in den Ringkanal 28 zur Führung von Frischgas erstrecken, wodurch die für einen Wärmeübergang nutzbare Fläche und damit der Wärmeübergang an sich vergrößert werden kann. Insbesondere bei der bevorzugten Ausgestaltung des Wärmetauschers 18 als Abgaskrümmer 19 der Brennkraftmaschine, wie dies auch bei den Brennkraftmaschinen gemäß den 1 und 2 vorgesehen ist, können die Rohrleitungen 26, 27, 29 auch komplexe Mantelgeometrien aufweisen.
Bezugszeichenliste

1: Verbrennungsmotor
2: Zylinderöffnung
3: Hubkolben
4: Brennraum
5: Frischgasstrang
5a: erster Teilstrang des Frischgasstrangs
5b: zweiter Teilstrang des Frischgasstrangs
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: Steuerventil
18: Wärmetauscher
19: Abgaskrümmer
20: erste Niederdruck-Abgasrückführleitung
21: Hochdruck-Abgasrückführleitung
22: zweite Niederdruck-Abgasrückführleitung
23: Abgasrückführventil
24: Abgaskühler
25: Kondensatabscheider
26: erste Rohrleitung des Wärmetauschers
27: zweite Rohrleitung des Wärmetauschers
28: Ringkanal zur Führung von Frischgas
29: dritte Rohrleitung des Wärmetauschers
30: isolierender Ringspalt
31: Strahlpumpe
32: Abgaskühlerbypass
33: Wärmeübertragungswand
34: Ladeluftkühlerbypasses
35: Bypassventil

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 102016113555 A1 [0005]
DE 3518493 A1 [0006]
DE 102011076136 A1 [0007]
US 2015/0316003 A1 [0007]

Claims

Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor (1), einem Frischgasstrang (5) zum Zuführen von Frischgas zu dem Verbrennungsmotor (1), einem Abgasstrang (11) zum Abführen von Abgas von dem Verbrennungsmotor (1) und einer (ersten) Abgasrückführleitung (20), die aus dem Abgasstrang (11) abzweigt und in den Frischgasstrang (5) mündet, wobei der Frischgasstrang (5) in einem Abschnitt in mindestens zwei Teilstränge (5a, 5b) unterteilt ist, wobei ein erster Teilstrang (5a) eine erste Wärmetauschseite eines Wärmetauschers (18) integriert, dessen zweite Wärmetauschseite in den Abgasstrang (11) integriert ist, und der zweite Teilstrang (5b) den Wärmetauscher (18) ausschließt und wobei eine Verteilung von Frischgas auf den ersten Teilstrang (5a) und den zweiten Teilstrang (5b) mittels einer Frischgasverteilvorrichtung möglich ist, dadurch gekennzeichnet, dass die (erste) Abgasrückführleitung (20) in den ersten Teilstrang (5a) mündet.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zweite Abgasrückführleitung (20, 22), die aus dem Abgasstrang (11) abzweigt und die in den ersten Teilstrang (5a) des Frischgasstrangs (5) mündet.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in die erste Abgasrückführleitung (20) ein Abgaskühler (24) integriert ist und/oder dass in die zweite Abgasrückführleitung (22) kein Abgaskühler integriert ist.
Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Abgasrückführleitung (20) stromab des Wärmetauschers (18) in den ersten Teilstrang (5a) mündet und/oder dass die zweite Abgasrückführleitung (22) stromauf des Wärmetauschers (18) in den ersten Teilstrang (5a) mündet.
Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Mündung der ersten Abgasrückführleitung (20) und/oder der zweiten Abgasrückführleitung (22) ein Steuerventil integriert ist, wobei in Abhängigkeit von der Schaltstellung des Steuerventils Frischgas oder Abgas oder Frischgas und Abgas in einem variablen Verhältnis über die erste Wärmetauschseite des Wärmetauschers (18) führbar ist.
Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Abgasrückführleitung (20) und/oder die zweite Abgasrückführleitung (22) stromab einer Abgasturbine (10) aus dem Abgasstrang (11) abgeht und der erste Teilstrang (5a) und der zweite Teilstrang (5b) des Frischgasstrangs (5) stromauf eines Frischgasverdichters (8) wieder zusammengeführt sind.
Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (18) in einen Abgaskrümmer (19) des Abgasstrangs (11) integriert ist.
Wärmetauscher (18) für eine Brennkraftmaschine mit einer ersten Rohrleitung (26) zur Führung von Abgas eines Verbrennungsmotors (1) der Brennkraftmaschine, einer zweiten Rohrleitung (27), die die erste Rohrleitung (26) umschließt, um einen Ringkanal (28) zur Führung von Frischgas für den Verbrennungsmotor (1) auszubilden, und einer dritten Rohrleitung (29), die die zweite Rohrleitung (27) umschließt, um einen isolierenden Ringspalt (30) auszubilden.
Wärmetauscher gemäß Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Ausgestaltung als Abgaskrümmer (19) für die Brennkraftmaschine.
Wärmetauscher gemäß Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch Wärmeübertragungswände, die sich von der Außenfläche der ersten Rohrleitung (26) in den Ringkanal (28) zur Führung von Frischgas erstrecken.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Warmlaufphase der Brennkraftmaschine Frischgas über den ersten Teilstrang (5a) des Frischgasstrangs (5) geführt wird und Abgas über die erste Abgasrückführleitung (20) und/oder die zweite Abgasrückführleitung (22) in den ersten Teilstrang (5a) des Frischgasstrangs (5) eingeleitet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Normalbetriebs der Brennkraftmaschine Frischgas über den zweiten Teilstrang (5b) des Frischgasstrangs (5) geführt wird und Abgas über die erste Abgasrückführleitung (20) und/oder die zweite Abgasrückführleitung (22) in den ersten Teilstrang (5a) des Frischgasstrangs (5) eingeleitet wird.