DE102020208989A1

DE102020208989A1 - Brennkraftmaschine mit Abgasrückführleitung und CO2/H2O-Anreicherungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102020208989A1
Application number: DE102020208989.2A
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

Eine Brennkraftmaschine umfasst einen Verbrennungsmotor 1, einen Frischgasstrang 5, einen Abgasstrang 11 und eine Abgasrückführleitung 17, die aus dem Abgasstrang 11 abzweigt und in den Frischgasstrang 5 mündet. In die Abgasrückführleitung 17 ist eine Anreichungsvorrichtung zur Einbringung von Kohlendioxid und/oder Wasser und vorzugsweise auch eine Heizvorrichtung integriert, wobei die Anreicherungsvorrichtung und die Heizvorrichtung kombiniert in Form eines Brenners 22 ausgebildet sein können. Eine solche Brennkraftmaschine ermöglicht, über die Abgasrückführleitung 17 geführtes Abgas mit Kohlendioxid und/oder Wasser anzureichern, wodurch eine Erhöhung der spezifischen Wärmekapazität dieses Abgases erreicht werden kann. Dies kann sich vorteilhaft hinsichtlich der Stickoxidrohemissionen des Verbrennungsmotors 1 auswirken. Zudem kann durch ein Erwärmen des Abgases mittels der Heizvorrichtung und der daraus folgenden Erhöhung des Taupunkts ein Ausfallen von Kondensat aus dem Abgas wirksam verhindert und damit eine Beschädigung von Komponenten der Brennkraftmaschine, insbesondere von Komponenten eines die Abgasrückführleitung 17 umfassenden Abgasrückführsystems oder des Frischgasstrangs, die der Heizvorrichtung in Strömungsrichtung des rückzuführenden Abgases nachgelagert sind, vermieden werden. Dadurch wird die Durchführung einer Abgasrückführung auch während einer Warmlaufphase und insbesondere unmittelbar nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine ermöglicht.

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.
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 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 wesentliche 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 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 oder eine diagonale 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 2004 052 015 A1 offenbart eine Brennkraftmaschine mit einer Niederdruck-Abgasrückführleitung, in die ein Abgaskühler integriert ist, sowie mit einem in einen Abgasstrang der Brennkraftmaschine integrierten Partikelfilter, dem für eine Regeneration des Partikelfilters ein Brenner zugeordnet ist.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, bei einer Brennkraftmaschine mittels einer externen Abgasrückführung Stickoxidemissionen möglichst weitgehend zu reduzieren.
Diese Aufgabe ist bei einer Brennkraftmaschine gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine ist Gegenstand des Patentanspruchs 9. 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 Abgasstrang zum Abführen von Abgas von dem Verbrennungsmotor und eine Abgasrückführleitung, die aus dem Abgasstrang abzweigt und in den Frischgasstrang mündet, umfasst. Dabei ist in die Abgasrückführleitung eine Anreichungsvorrichtung zur Einbringung von Kohlendioxid und/oder Wasser, insbesondere Wasserdampf, in die Abgasrückführleitung integriert.
Eine solche Brennkraftmaschine ermöglicht im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine, dass zumindest temporär während eines Betriebs der Brennkraftmaschine Abgas über die Bypassleitung in den Frischgasstrang geführt und dieses Abgas durch einen Betrieb der Anreichungsvorrichtung mit Kohlendioxid und/oder Wasser angereichert wird.
Durch eine solche Anreicherung von über die Abgasrückführleitung zu führendem Abgas mit Kohlendioxid und/oder Wasser kann eine Erhöhung der spezifischen Wärmekapazität (c, insbesondere c_p) erreicht werden, wodurch im Ergebnis eine Verringerung der Brennraumspitzentemperaturen und damit der Stickoxidrohemissionen des Verbrennungsmotors realisiert werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorgesehen sein, dass in die Abgasrückführleitung zudem eine Heizvorrichtung integriert ist. Als „Heizvorrichtung“ wird dabei eine Vorrichtung verstanden, die primär oder ausschließlich dafür vorgesehen ist, durch die Erzeugung und Einbringung von Wärmeenergie das über die Abgasrückführleitung geführte Abgas zu erwärmen, d.h. eine Temperaturerhöhung zu bewirken.
Durch ein Erwärmen von über die Abgasrückführleitung geführtem Abgas und der daraus folgenden Erhöhung der Temperatur dieses Abgases (über den dazugehörigen Taupunkt) mittels der Heizvorrichtung kann ein Ausfallen von Kondensat in diesem Abgas wirksam verhindert oder zumindest vermindert 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.
Eine solche Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ermöglicht daher in vorteilhafter Weise 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. Dies ist darin begründet, dass durch das Erwärmen des rückzuführenden Abgases, das während der Warmlaufphase üblicherweise eine relativ niedrige Temperatur aufweist, mittels der Heizvorrichtung Kondensat, das in diesem Abgas bereits ausgefallen ist, wieder verdampft werden kann oder zumindest ein erneutes oder zusätzliches Ausfallen von Kondensat in dem Abgas verhindert werden kann. Ein erfindungsgemäßes Verfahren kann daher gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dadurch gekennzeichnet sein, dass zumindest zeitweise während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine Abgas über die Bypassleitung in den Frischgasstrang geführt und dieses Abgas mittels der Heizvorrichtung erwärmt 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.
Während eines Normalbetriebs der Brennkraftmaschine (d.h. mit innerhalb des Betriebstemperaturbereichs liegender Betriebstemperatur) kann dagegen vorgesehen sein, dass zumindest zeitweise Abgas über die Abgasrückführleitung in den Frischgasstrang geführt wird, wobei dieses Abgas nicht mittels der Heizvorrichtung erwärmt wird. Vorzugsweise kann dabei sogar vorgesehen sein, dass dieses rückzuführende Abgas gekühlt wird, so dass in die Abgasrückführleitung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine vorzugsweise ein Abgaskühler integriert sein kann. Durch eine Kühlung des über die Abgasrückführleitung geführten Abgases kann eine thermische Überlastung von in den Frischgasstrang der Brennkraftmaschine integrierten Komponenten und insbesondere des vorzugsweise vorgesehenen Frischgasverdichters vermieden werden. Eine zu hohe Temperatur von rückgeführtem Abgas kann zudem die Ausbildung von Stickoxiden befördern. Alternativ oder ergänzend kann in die Abgasrückführleitung auch ein Kondensatabscheider integriert sein, was insbesondere in Kombination mit dem vorzugsweise vorgesehenen Abgaskühler sinnvoll sein kann, um Kondensat, das infolge der Kühlung des rückzuführenden Abgases mittels des Abgaskühlers ausgefallen ist, abzuführen. Eine Unterschreitung des Taupunkts in dem Abgaskühler kann dabei ohne Schaden des Abgaskühlers sicher beherrscht werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorgesehen sein, dass die Anreichungsvorrichtung und die Heizvorrichtung (kombiniert) in Form eines Brenners, der zur Erzeugung oder Einleitung von Brenngasen in der oder in die Abgasrückführleitung vorgesehen und dementsprechend ausgelegt ist, ausgebildet sind. Dies stellt eine konstruktiv einfache Möglichkeit dar, Abgas, das über die Abgasrückführleitung geführt wird, mit Kohlendioxid und/oder Wasser anzureichern sowie gleichzeitig zu erwärmen. Da die Brenngase dabei als Teil des Frischgases in den oder die Brennräume des Verbrennungsmotors eingeleitet werden, geht mit deren Erzeugung auch kein zusätzliches Emissionsproblem der Brennkraftmaschine einher.
Ein solcher Brenner kann vorzugsweise einen Brennstoffinjektor zur Einbringung von Brennstoff in die Abgasrückführleitung, eine Zündvorrichtung zur Zündung des Brennstoffs in der Abgasrückführleitung und Mittel zum Zuführen von Sauerstoff in die Abgasrückführleitung umfassen. Die Erzeugung eines brennfähigen Gemischs und dessen Entflammung kann folglich vorzugsweise innerhalb der Abgasrückführleitung und damit auch innerhalb der Strömung des durch diese geführten Abgases erfolgen, was eine konstruktiv einfache Möglichkeit einer Integration eines Brenners darstellt. Alternativ besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Gemischbildung und gegebenenfalls auch die Entflammung außerhalb der Abgasrückführleitung durchzuführen und das brennfähige Gemisch oder sogar die bereits entzündeten Brenngase in die Abgasrückführleitung beziehungsweise in das durch diese geführte Abgas einzuleiten.
Die Mittel zum Zuführen von Sauerstoff, sofern vorhanden, können vorzugsweise eine Verbindungsleitung umfassen, die den Frischgasstrang mit der Abgasrückführleitung verbindet. Dabei kann diese Verbindungsleitung vorzugsweise stromab eines Luftfilters aus dem Frischgasstrang abzweigen, was ermöglicht, dem Brenner bereits mittels des Luftfilters gereinigtes Frischgas, das zumindest primär aus Luft mit dem entsprechenden Sauerstoffanteil besteht, zuzuführen. Ergänzend oder alternativ kann die Verbindungsleitung auch stromab eines vorzugsweise in den Frischgasstrang integrierten Frischgasverdichters aus dem Frischgasstrang abzweigen, wodurch eine Druckerhöhung für das Frischgas, die mittels des Frischgasverdichters bewirkt wurde, zur Förderung des Frischgases über die Verbindungsleitung genutzt werden kann. Gegebenenfalls kann es sinnvoll sein, dass die Verbindungsleitung stromauf der Mündung der Abgasrückführleitung in den Frischgasstrang aus dem Frischgasstrang abgeht, wodurch erreicht werden kann, dass dem Brenner ausschließlich Luft zugeführt wird. Vorzugsweise können auch mehrere dieser Verbindungsleitungen oder mehrere Teilstränge der Verbindungsleitung vorgesehen sein, die an unterschiedlichen Stellen aus dem Frischgasstrang abzweigen.
Ergänzend oder alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die Mittel zum Zuführen von Sauerstoff, sofern vorhanden, eine Gasfördervorrichtung, beispielsweise in Form eines Gebläses beziehungsweise eines Ventilator, umfasst, wodurch ein Zuführen von Sauerstoff, insbesondere als Bestandteil von Luft, zu dem Brenner ermöglicht oder zumindest unterstützt werden kann. Zu der Gasfördervorrichtung kann eine Bypassleitung, insbesondere mit einem darin integrierten Rückschlagventil, das bei einem Überdruck stromauf der Gasfördervorrichtung im Vergleich zu stromab der Gasfördervorrichtung öffnet, vorgesehen sein, was ermöglicht, die Gasfördervorrichtung nur in Betrieb nehmen zu müssen, wenn kein ausreichendes Druckgefälle vorliegt.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorgesehen sein, dass die Abgasrückführleitung stromauf eines solchen Frischgasverdichters in den Frischgasstrang mündet. Weiterhin bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Abgasrückführleitung stromab einer Abgasturbine aus dem Abgasstrang abgeht. Die Abgasrückführleitung kann demnach insbesondere für die Durchführung einer diagonalen Abgasrückführung oder einer Niederdruck-Abgasrückführung ausgelegt sein. Insbesondere bei einer solchen diagonalen oder 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. Dies kann zumindest bei einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, die eine Heizvorrichtung umfasst, durch ein bedarfsweises Erwärmen des rückzuführenden Abgases selbst während einer Warmlaufphase der Brennkraftmaschine erreicht werden.
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 eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigt in vereinfachter Darstellung:

1: eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine.

Die 1 zeigt eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine. Diese umfasst 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 27 mit dazugehörigem Bypassventil 28 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.
Die Brennkraftmaschine umfasst weiterhin eine Niederdruck-Abgasrückführleitung 17 und eine Hochdruck-Abgasrückführleitung 18.
Die Hochdruck-Abgasrückführleitung 18 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 18 sowie eine Mengensteuerung dieser Abgasströmung ist mittels eines in die Hochdruck-Abgasrückführleitung 18 integrierten Abgasrückführventils 19a durchführbar.
Die Niederdruck-Abgasrückführleitung 17 zweigt dagegen stromab der Abgasturbine 10 und konkret aus dem zwischen den Abgasnachbehandlungsvorrichtungen 13, 14 liegenden Abschnitt aus dem Abgasstrang 11 ab und mündet stromauf des Frischgasverdichters 8, konkret in den zwischen dem Luftmassensensor 7 und dem Frischgasverdichter 8 liegenden Abschnitt, in den Frischgasstrang 5.
Eine Freigabe einer Strömung von Abgas über die Niederdruck-Abgasrückführleitung 17 sowie eine Mengensteuerung einer solchen Abgasströmung ist mittels eines in die Niederdruck-Abgasrückführleitung 17 integrierten Abgasrückführventils 19b durchführbar.
In die Niederdruck-Abgasrückführleitung 17 sind weiterhin ein Abgaskühler 20, ein Kondensatabscheider 21 und ein Brenner 22 integriert.
Der Brenner 22 dient dazu, Abgas, das über die Niederdruck-Abgasrückführleitung 17 geführt wird, mit Kohlendioxid und Wasserdampf anzureichern sowie dazu, dieses Abgas zu erwärmen. Dadurch kann, als Folge einer Erhöhung der Wärmekapazität des dem Verbrennungsmotor 1 zugeführten Frischgases sowie als Folge eines reduzierten Sauerstoffgehalts dieses Frischgases, die Spitzentemperaturen der Verbrennungsprozesse innerhalb der Brennräume 4, gering gehalten werden, was sich in entsprechend geringen Stickoxidrohemissionen des Verbrennungsmotors 1 auswirken kann. Hierzu umfasst der Brenner 22 einen Brennstoffinjektor 23, mittels dessen Brennstoff, beispielsweise derjenige Kraftstoff, mit dem auch der Verbrennungsmotor 1 betreibbar ist, in die Niederdruck-Abgasrückführleitung 17 einbringbar ist, sowie eine Zündvorrichtung 24, mittels der der Brennstoff entflammbar ist (z.B. eine Flammstartglühkerze). Der für ein solches Entflammen sowie für ein möglichst vollständiges Verbrennen des Brennstoffs erforderliche Sauerstoff wird über eine Verbindungsleitung 25 zugeführt, die stromauf einer in diese integrierten, vorzugsweise elektromotorisch antreibbaren Gasfördervorrichtung 26 in zwei Teilstränge 25a, 25b aufteilt ist, von denen ein erster Teilstrang 25a stromab des Frischgasverdichters 8 und konkret in dem zwischen dem Frischgasverdichter 8 und dem Ladeluftkühler 9 liegenden Abschnitt aus dem Frischgasstrang 5 abzweigt und der zweite Teilstrang 25b in dem zwischen dem Luftmassensensor 7 und der Mündung der Niederdruck-Abgasrückführleitung 17 liegenden Abschnitt aus dem Frischgasstrang 5 abzweigt. Für ein bedarfsgerechte Aufteilung von Frischgas auf die zwei Teilstränge 25a, 25b sind in diese jeweils ein Regulierungsventil 29 integriert. Anstelle dieser zwei Regulierungsventile 29 kann jedoch ein einzelnen Regulierungsventil (nicht dargestellt), beispielsweise in Form eines 3-Wege-Proportionalventils in die Zusammenführung der zwei Teilstränge 25a, 25b integriert sein. Zudem kann in den zweite Teilstrang 25b noch ein zusätzliches Rückschlagventil (nicht dargestellt) integriert sein, um ein Rückströmen von Frischgas, das zuvor über die erste Teilstrang 25a geführt wurde, über den zweiten Teilstrang 25b zu vermeiden.
Die Verbindungsleitung 25 mündet im Bereich des Brenners 22 in die Niederdruck-Abgasrückführleitung 17. Die Gasfördervorrichtung 26 gewährleistet, dass stets ein Führen von Frischgas über die Verbindungsleitung 25 möglich ist. Liegt jedoch ein für ein solches Führen von Frischgas ausreichendes Druckgefälle über der Gasfördervorrichtung 26 ohnehin vor, kann die Gasfördervorrichtung 26 deaktiviert werden oder bleiben und Frischgas über eine Bypassleitung 30 geführt werden, die dann durch ein Öffnen eines Rückschlagventils 31 freigegeben ist.
Der Abgaskühler 20 kann 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 weiterhin bevorzugt auch den Verbrennungsmotor 1 beziehungsweise Kühlkanäle des Verbrennungsmotors 1 integrieren kann. Möglichst 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.
Der Kondensatabscheider 21 kann neben einem Abscheideteil, der für ein Abscheiden, insbesondere für ein trägheitsbasiertes Abscheiden von Kondensat 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 für ein bedarfsweises Abführen des zwischengespeicherten Kondensats aufweisen. 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 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 Änderungen des auf den Ventilkörper wirkenden Drucks.
Ein durch ein Öffnen des Ablassventils erfolgendes Abführen von Kondensat aus dem Kondensatabscheider 21 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.
Im Betrieb der Brennkraftmaschine ist zumindest zeitweise ein Rückführen von Abgas über die Niederdruck-Abgasrückführleitung 17 , gegebenenfalls in Kombination mit einem Rückführen von Abgas über die Hochdruck-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 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 das Abgas durch einen Betrieb des Brenners 22 erwärmt sowie mit Kohlendioxid und Wasserdampf angereichert wird. Durch das Erwärmen des Abgases kann erreicht werden, dass darin enthaltene Feuchtigkeit, die bei der Durchströmung der Niederdruck-Abgasrückführleitung 17 im Bereich des Brenners 22 bereits als Kondensat ausgefallen ist, wieder verdampft. Zudem kann ein weiteres Ausfallen von Kondensat aufgrund der höheren Temperatur des erwärmten Abgases vermieden werden. Durch die Anreicherung des Abgases mit Kohlendioxid und Wasserdampf kann zudem dessen spezifische Wärmekapazität erhöht werden, was ich vorteilhaft hinsichtlich der Stickoxidrohemissionen des Verbrennungsmotors 1 auswirkt.
Während eines Normalbetriebs der jeweiligen Brennkraftmaschine, d.h. wenn eine Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine einen definierten Betriebstemperaturbereich erreicht hat, kann dagegen vorgesehen sein, dass der Brenner 22 bei der Durchführung einer Niederdruck-Abgasrückführung nicht in Betrieb genommen ist und folglich Abgas, das über die Niederdruck-Abgasrückführleitung 17 geführt wird, nicht erwärmt und auch nicht mit Kohlendioxid und Wasserdampf angereichert wird. Vielmehr kann dann dieses über die Niederdruck-Abgasrückführleitung 17 geführte Abgas mittels des Abgaskühlers 20 gekühlt werden, wodurch eine thermische Überlastung des Frischgasverdichters 8 durch das in dem Normalbetrieb gegebenenfalls relativ heiße Abgas vermieden werden kann. Zudem kann sich eine verringerte Temperatur des rückzuführenden Abgases positiv hinsichtlich eines Geringhaltens der Sickoxidemissionen auswirken. Kondensat, das infolge einer Kühlung mittels des Abgaskühlers 20 in dem über die Niederdruck-Abgasrückführleitung 17 geführten Abgas ausfällt, kann mittels des Kondensatabscheiders 21 abgeschieden und abgeführt werden.
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: Niederdruck-Abgasrückführleitung
18: Hochdruck-Abgasrückführleitung
19: Abgasrückführventil
19a: Abgasrückführventil der Hochdruck-Abgasrückführleitung
19b: Abgasrückführventil der Niederdruck-Abgasrückführleitung
20: Abgaskühler
21: Kondensatabscheider
22: Brenner
23: Brennstoffinjektor
24: Zündvorrichtung
25: Verbindungsleitung
25a: erster Teilstrang der Verbindungsleitung
25b: zweiter Teilstrang der Verbindungsleitung
26: Gasfördervorrichtung
27: Ladeluftkühlerbypass
28: Bypassventil
29: Regulierungsventil
30: Bypassleitung zur Gasfördervorrichtung
31: Rückschlagventil der Bypassleitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004052015 A1 [0005]

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 Abgasrückführleitung (17), die aus dem Abgasstrang (11) abzweigt und in den Frischgasstrang (5) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass in die Abgasrückführleitung (17) eine Anreicherungsvorrichtung zur Einbringung von Kohlendioxid und/oder Wasser in die Abgasrückführleitung (17) integriert ist.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die Abgasrückführleitung (17) eine Heizvorrichtung integriert ist.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anreichungsvorrichtung und die Heizvorrichtung in Form eines Brenners (22) zur Erzeugung oder Einleitung von Brenngasen in der oder in die Abgasrückführleitung (17) ausgebildet sind.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (22) einen Brennstoffinjektor (23) zur Einbringung von Brennstoff in die Abgasrückführleitung (17), eine Zündvorrichtung (24) zur Zündung des Brennstoffs in der Abgasrückführleitung (17) und Mittel zum Zuführen von Sauerstoff in die Abgasrückführleitung (17) umfasst.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Zuführen von Sauerstoff eine Verbindungsleitung (25), die aus dem Frischgasstrang (5) abzweigt, und/oder eine Gasfördervorrichtung (26) umfassen.
Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführleitung (17) stromauf eines Frischgasverdichters (8) in den Frischgasstrang (5) mündet.
Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführleitung (17) stromab einer Abgasturbine (10) aus dem Abgasstrang (11) abzweigt.
Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Abgasrückführleitung (17) ein Abgaskühler (20) und/oder ein Kondensatabscheider (21) integriert ist.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Abgas über die Abgasrückführleitung (17) in den Frischgasstrang (5) geführt und dieses Abgas durch einen Betrieb der Anreicherungsvorrichtung mit Kohlendioxid und/oder Wasser angereichert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 9 zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 2 oder einem der von Anspruch 2 abhängigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Warmlaufphase der Brennkraftmaschine Abgas über die Abgasrückführleitung (17) in den Frischgasstrang (5) geführt und dieses Abgas mittels der Heizvorrichtung erwärmt wird.