DE102020209061A1 - Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit Hoch- oder Volllast, stöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis und mit teilweise geschlossenem Drosselventil - Google Patents

Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit Hoch- oder Volllast, stöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis und mit teilweise geschlossenem Drosselventil Download PDF

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Abstract

Es ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, die einen Verbrennungsmotor 1, einen Frischgasstrang 5 und einen Abgasstrang 11 umfasst, vorgesehen. In den Frischgasstrang 5 sind ein Frischgasverdichter 6 eines Abgasturboladers sowie, stromab des Frischgasverdichters 6, ein Drosselventil 8 integriert. In den Abgasstrang 11 sind eine Abgasturbine 12 des Abgasturboladers sowie, stromab der Abgasturbine 12, eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung 13 integriert. Der Verbrennungsmotor 1 wird mit Hoch- oder Volllast und mit stöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis betrieben, wobei gleichzeitig das Drosselventil 8 in eine teilweise geschlossene Stellung gestellt wird. Das Frischgas, das dem Verbrennungsmotor 1 zugeführt werden soll, wird demnach trotz des Hoch-/Volllastbetriebs gezielt gedrosselt. Die aus dieser Drosselung resultierende Verringerung der Füllung des oder der Brennräume 2 des Verbrennungsmotors 1 wird durch einen höheren Ladedruck, der mittels des Frischgasverdichters 6 bewirkt wird, ausgeglichen. Die entsprechend höhere Verdichtung des Frischgases bedingt eine vergrößerte Antriebsleistung für den Frischgasverdichter 6, die mittels der Abgasturbine 12 bereitgestellt wird. Diese vergrößerte Abtriebsleistung der Abgasturbine 12 führt zu einer weitergehenden Entspannung des durch die Abgasturbine 12 geführten Abgasstroms mit entsprechend reduzierter Abgastemperatur. Dadurch wird eine thermische Überlastung der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 13 vermieden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie eine für die Durchführung eines solchen Verfahrens geeignete Brennkraftmaschine. Die Brennkraftmaschine kann insbesondere als Antriebsquelle eines Kraftfahrzeugs vorgesehen sein.
  • Bei einem Betrieb einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer mobilen Brennkraftmaschine, wie beispielsweise einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, ist es von besonderer Bedeutung, dass die Brennkraftmaschine möglichst geringe Mengen an Schadstoffen emittiert. Um dies zu erreichen, umfassen Brennkraftmaschinen, zumindest solche von Kraftfahrzeugen, Abgasnachbehandlungssysteme, mit denen das von dem jeweiligen Verbrennungsmotor der Brennkraftmaschinen erzeugte Abgas nachbehandelt wird, um den Schadstoffgehalt des Abgases durch Filterung und/oder durch chemische Umwandlung zu reduzieren.
  • Die derzeit üblichen Abgasnachbehandlungssysteme oder zumindest einzelne Abgasnachbehandlungsvorrichtungen davon weisen eine temperaturabhängige Wirksamkeit auf. Demnach muss eine solche Abgasnachbehandlungsvorrichtung auf eine definierte Mindesttemperatur, die sogenannten Anspring- oder Light-Off-Temperatur erwärmt worden sein, um eine ausreichende Wirksamkeit aufzuweisen. Einzelne Abgasbehandlungsvorrichtungen können auch mit dem Überschreiten einer jeweiligen Maximaltemperatur eine abnehmende Wirksamkeit aufweisen. Zudem stellt sich bei einer in den Abgasstrang einer Brennkraftmaschine integrierten Abgasnachbehandlungsvorrichtung das Problem einer ausreichend langen Betriebslebensdauer, die durch ein Überschreiten einer Maximaltemperatur für diese Abgasnachbehandlungsvorrichtung in relevantem Maße gesenkt wird. Um eine zu schnelle Alterung oder eine direkte Beschädigung von in den Abgasstrang einer Brennkraftmaschine integrierten Abgasnachbehandlungsvorrichtungen zu vermeiden, können Maßnahmen vorgesehen sein, die ein Überschreiten zulässiger Maximaltemperaturen vermeiden. Zu diesen Maßnahmen zählt die weit verbreitete Anfettung der Kraftstoff-Frischgas-Gemischmengen, die während eines Hoch- und insbesondere Volllastbetriebs einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine mit Ottomotor, in den Brennräumen verbrannt werden. Durch den dann vorliegenden Überschuss an Kraftstoff wird einerseits die Kühlwirkung durch die Verdampfung des mit einem Überschuss und folglich in einer relativ großen Menge vorliegenden Kraftstoffs genutzt. Andererseits kann durch einen solchen fetten Hoch-/Volllastbetrieb sichergestellt werden, dass das von dem Verbrennungsmotor erzeugte Abgas, das anschließend durch eine oder mehrere Abgasnachbehandlungsvorrichtungen geführt wird, im Wesentlichen keinen Sauerstoff aufweist, der zu einer exothermen Reaktion in den Abgasnachbehandlungsvorrichtungen führen könnte. Anderenfalls könnte eine solche exotherme Reaktion zu einer Erwärmung der Abgasnachbehandlungsvorrichtung(en) auf Temperaturen führen, die größer sind als die Temperatur des die Abgasnachbehandlungsvorrichtung(en) durchströmenden Abgases. Nachteilig an einem fetten Hoch-/Volllastbetrieb einer Brennkraftmaschine können relativ schlechte Schadstoffemissionen sein.
  • Neben einer Abgasnachbehandlung kommen auch Maßnahmen zur Anwendung, durch die bereits die Schadstoffrohemissionen eines Verbrennungsmotors einer Brennkraftmaschine möglichst gering gehalten werden. Weit verbreitet ist beispielsweise die sogenannte Abgasrückführung, bei der Abgas, das während Verbrennungsvorgängen in den Brennräumen des Verbrennungsmotors erzeugt wurde, innerhalb der Brennräume zurückgehalten oder unmittelbar zurückgesaugt wird (interne Abgasrückführung) oder das in die Brennräume zurückgeführt wird (externe Abgasrückführung). Mittels einer solchen Abgasrückführung wird erreicht, dass das für eine (nachfolgende) Verbrennung mit Kraftstoff in den Brennräumen vorgesehene Frischgas nur relativ wenig Sauerstoff umfasst, wodurch sich relativ niedrige Verbrennungsmaximaltemperaturen einstellen. Dies kann sich insbesondere positiv hinsichtlich der Klopfneigung, des Wirkungsgrades und der Stickoxidrohemissionen des Verbrennungsmotors auswirken.
  • Weiterhin ist es bekannt, in die Brennräume einer Brennkraftmaschine Wasser einzuspritzen, was ebenfalls dazu dient, die Brennraumtemperaturen gering zu halten. Diese Wirkung wird dadurch erzielt, dass für das Verdampfen des eingespritzten Wassers Wärmeenergie erforderlich ist, die den Brennraumgasen entzogen wird. Dies bewirkt eine entsprechende Kühlung der Brennraumgase und damit auch des Abgases. Ein entsprechendes Verfahren ist in der DE 10 2012 202 220 A1 beschrieben.
  • Die DE 10 2006 045 422 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, die bei Volllast mit einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Gemisch und in dem (gesamten) Betriebsbereich unterhalb der Volllast mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch betrieben wird, wobei in zumindest einem Teilbereich dieses unterhalb der Volllast liegenden Betriebsbereichs dem Luft-Kraftstoff-Gemisch ein Kühlmittel, insbesondere Wasser, zugegeben wird.
  • Die DE 10 2015 016 369 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei der Frischgas mittels eines in einen Frischgasstrang der Brennkraftmaschine integrierten Frischgasverdichters überverdichtet und das überverdichtete Frischgas anschließend mittels einer Drosselvorrichtung in Form einer Turbine, die anstelle der üblicherweise vorgesehenen Drosselklappe in den Frischgasstrang integriert ist, auf den für das Einbringen in die Brennräume vorgesehenen Druck entspannt wird. Durch die Überverdichtung des Frischgases mittels des Frischgasverdichters kann eine relativ große Wärmemenge des Frischgases mittels eines sich an den Frischgasverdichter anschließenden Ladeluftkühlers abgeführt werden, was dazu führt, dass das Frischgas, das nach der Entspannung mittels der als Drosselvorrichtung vorgesehenen Turbine in die Brennräume eingebracht wird, eine vergleichsweise niedrige Temperatur aufweist.
  • Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, während eines Hoch- und insbesondere Volllastbetriebs einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine mit einem als Ottomotor ausgebildeten Verbrennungsmotor, eine thermische Überlastung einer in einen Abgasstrang der Brennkraftmaschine integrierten Abgasnachbehandlungsvorrichtung zu vermeiden, ohne dass sich dies negativ auf die Schadstoffemissionen des Verbrennungsmotors auswirkt.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Eine für die Durchführung eines solchen Verfahrens geeignete Brennkraftmaschine ist Gegenstand des Patentanspruchs 4. Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und bevorzugte Ausgestaltungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und/oder ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
  • Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine vorgesehen, wobei die Brennkraftmaschine zumindest einen Verbrennungsmotor, einen Frischgasstrang zum Zuführen von Frischgas, das zumindest teilweise aus Umgebungsluft besteht, zu dem Verbrennungsmotor und einen Abgasstrang zum Abführen von Abgas von dem Verbrennungsmotor und zum Einleiten zumindest eines Teils dieses Abgases in die Umgebung umfasst. In den Frischgasstrang sind zumindest ein Frischgasverdichter eines Abgasturboladers sowie, stromab des Frischgasverdichters, ein Drosselventil, beispielsweise in Form eines Klappenventils, integriert. In den Abgasstrang sind zumindest eine Abgasturbine des Abgasturboladers sowie, stromab der Abgasturbine, eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung integriert. Erfindungsgemäß wird der Verbrennungsmotor (zumindest zeitweise) mit einer relativ hohen Last (Hochlast), die insbesondere mindestens Dreiviertel der Volllast betragen kann, und insbesondere mit Volllast sowie mit stöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis betrieben, wobei gleichzeitig das Drosselventil in eine teilweise geschlossene (und folglich nicht in die weitestmöglich geöffnete) Stellung gestellt wird.
  • Das Frischgas, das dem Verbrennungsmotor zugeführt werden soll, wird demnach trotz des Hoch-/Volllastbetriebs, in dem üblicherweise keine beziehungsweise eine geringstmögliche Drosselung des Frischgasstroms durch eine möglichst weitgehende Öffnung des Drosselventils vorgesehen ist, bewusst gedrosselt. Die aus dieser Drosselung resultierende Verringerung der Füllung des oder der Brennräume des Verbrennungsmotors wird durch eine höhere Verdichtung des Frischgases beziehungsweise einen höheren Ladedruck, der mittels des Frischgasverdichters bewirkt wird, ausgeglichen, um eine definierte Füllung und folglich eine definierte Volllastleistung des Verbrennungsmotors zu realisieren. Eine solche höhere Verdichtung des Frischgases bedingt eine entsprechend vergrößerte Antriebsleistung für den Frischgasverdichter, die mittels der Abgasturbine bereitgestellt wird. Diese vergrößerte Abtriebsleistung der Abgasturbine führt zu einer weitergehenden Entspannung des durch die Abgasturbine geführten Abgasstroms, was eine entsprechend reduzierte Temperatur des Abgases stromab der Abgasturbine bewirkt. Dieses Abgas, das trotz des Hoch-/Volllastbetriebs des Verbrennungsmotors relativ kalt ist, wird dann durch die stromab der Abgasturbine in den Abgasstrang integrierte Abgasnachbehandlungsvorrichtung, die beispielsweise als Dreiwegekatalysator ausgebildet sein kann, geführt, ohne dass dies zu einer thermischen Überlastung der Abgasnachbehandlungsvorrichtung führt. Gleichzeitig wird durch das stöchiometrische Verbrennungsluftverhältnis ein relativ gutes Schadstoffemissionsverhalten der Brennkraftmaschine auch während des Hoch-/Volllastbetriebs des Verbrennungsmotors gewährleistet.
  • Ein Betrieb des Verbrennungsmotors mit Volllast entspricht einem Betrieb in einem Betriebspunkt, der auf der Volllastkurve des Betriebsbereichs des Verbrennungsmotors liegt. Eine solche Volllastkurve stellt eine obere Grenze des Betriebsbereichs des Verbrennungsmotors dar, wobei innerhalb des Betriebsbereichs alle im Betrieb des Verbrennungsmotors realisierbaren Betriebspunkte liegen. Jeder dieser Betriebspunkte stellt dabei ein Kombination aus einer Betriebsdrehzahl des Verbrennungsmotors und einer Last beziehungsweise eines von dem Verbrennungsmotor abgegebenen Drehmoments dar. In einem den Betriebsbereich wiedergebenden Betriebskennfeld kann die Last bzw. das Drehmoment als effektiver Brennraummitteldruck wiedergegeben werden. Seitlich ist der Betriebsbereich durch die minimale und die maximale Betriebsdrehzahl begrenzt.
  • Ein „stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis“ ist erfindungsgemäß praktisch auch dann gegeben, wenn von dem theoretisch exakten stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (Ä = 1) geringfügig, beispielsweise im Bereich 0,95 ≤ λ ≤ 1,05 oder 0,98 ≤ λ ≤ 1,02, und/oder temporär, insbesondere kurzzeitig (< 1s), abgewichen wird. Eine solche Abweichung kann sich einerseits ungewollt aufgrund von Regelschwankungen ergeben oder aber auch gewollt eingestellt werden.
  • Als „Dreiwegekatalysator“ wird erfindungsgemäß eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung verstanden, die eine katalytische Umwandlung zumindest der Schadstoffe HC (Kohlenwasserstoffe), CO (Kohlenmonoxid) und NOx (Stickoxide) in H2O (Wasser), CO2 (Kohlendioxid) und N2 (Stickstoff) bewirkt.
  • Für eine automatisierte Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine, die zumindest die genannten Komponenten umfasst, weiterhin eine entsprechend eingerichtete Steuerungsvorrichtung (insbesondere in Form einer zentralen Motorsteuerung) aufweisen.
  • Bei dem Verbrennungsmotor einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann es sich insbesondere um einen (fremdgezündeten und quantitätsgeregelten) Ottomotor oder um einen Verbrennungsmotor handeln, der zumindest zeitweise einem Ottomotor entsprechend betreibbar ist.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass bei dem Betrieb des Verbrennungsmotors mit Hoch- oder Volllast Abgas aus dem Abgasstrang über eine Abgasrückführleitung geführt und in den Frischgasstrang eingeleitet wird, wodurch dieses Abgas in den oder die Brennräume des Verbrennungsmotors zurückgeführt wird. Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann dementsprechend eine Abgasrückführleitung, die den Abgasstrang mit dem Frischgasstrang gasführend verbindet, umfassen, wobei in die Abgasrückführleitung ein aktiv ansteuerbares Abgasrückführventil integriert und vorzugsweise auch ein Abgaskühler sind. Durch eine solche Abgasrückführung können relativ niedrige Verbrennungsmaximaltemperaturen realisiert werden, was sich einerseits positiv hinsichtlich der Stickoxidrohemissionen des Verbrennungsmotors auswirken kann und andererseits zu relativ geringen Abgastemperaturen führt, was sich positiv hinsichtlich des Ziels, auch während des Hoch-/Volllastbetriebs des Verbrennungsmotors eine thermische Überlastung der Abgasnachbehandlungsvorrichtung zu vermeiden, auswirkt.
  • Weiterhin kann bei dem Betrieb des Verbrennungsmotors mit Hoch- oder Volllast eine sich von dem Kraftstoff, der zum Betreiben des Verbrennungsmotors genutzt wird, unterscheidende Flüssigkeit, insbesondere eine inerte Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, in den Frischgasstrang und/oder in einen oder mehrere Brennräume des Verbrennungsmotors eingebracht werden. Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann dementsprechend eine in den Frischgasstrang oder in den Verbrennungsmotors, insbesondere in den oder die Brennräume des Verbrennungsmotors integrierte Flüssigkeitsinjektionsvorrichtung, die mit einem die Flüssigkeit lagernden Flüssigkeitsreservoir fluidleitend verbunden ist, umfassen.
  • Als „inert“ wird eine Flüssigkeit verstanden, die kein Kraftstoff ist und die folglich bei der Verbrennung von Gemischmengen in dem oder den Brennräumen des Verbrennungsmotors, die Kraftstoff, Frischgas (insbesondere Luft, gegebenenfalls mit rückgeführtem Abgas) sowie die inerte Flüssigkeit umfassen, keine Freisetzung von Wärmeenergie bewirkt. Vielmehr bindet die inerte Flüssigkeit durch Verdampfen Wärmeenergie, die durch das Verbrennen des Kraftstoffs mit dem Sauerstoff des Frischgases freigesetzt wurde.
  • Möglich ist auch, eine nicht inerte Flüssigkeit, z.B. Alkohol, einzubringen. Aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften ist Alkohol in der Lage das Brenngas zu kühlen, Energie zuzuführen und gleichzeitig aufgrund seiner hohen Motoroktanzahl dem Klopfen entgegenzuwirken.
  • In den Frischgasstrang einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann, stromab des Frischgasverdichters, vorzugsweise ein Ladeluftkühler integriert sein. Der Ladeluftkühler kann dabei insbesondere in Form eines Wärmetauschers, insbesondere als Gas-GasWärmetauscher oder Gas-Flüssigkeit-Wärmetauscher, ausgestaltet sein oder einen solchen Wärmetauscher umfassen. Alternativ oder ergänzend kann der Ladeluftkühler auch eine Expansionsvorrichtung, insbesondere in der Form einer Turbine, umfassen. Mittels eines solchen Ladeluftkühlers kann in vorteilhafter Weise eine (Vor-)Kühlung des dem Verbrennungsmotor zuzuführenden Frischgases realisiert 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 einer Zeichnung dargestellten Ausgestaltungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigt, in vereinfachter Darstellung:
    • 1: eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine.
  • Die 1 zeigt eine zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens verwendbare Brennkraftmaschine. Diese weist einen Verbrennungsmotor 1 auf, in dem eine Mehrzahl von Brennräumen 2 ausgebildet sind. Im Betrieb der Brennkraftmaschine wird in bekannter Weise in definierter Reihenfolge in den Brennräumen 2, die teilweise von Zylindern 3 des Verbrennungsmotors 1 sowie von darin beweglich geführten Kolben 4 begrenzt sind, Gemischmengen verbrannt, wobei die so erzeugten Druckerhöhungen in den Brennräumen 2 dazu genutzt werden, die Kolben 4 zu bewegen. Diese Bewegungen der Kolben 4 werden unter Zwischenschaltung von Pleueln (nicht dargestellt) in eine Drehbewegung einer Kurbelwelle (nicht dargestellt) gewandelt, wobei die Führung der Kolben 4 über die Pleuel mittels der Kurbelwelle gleichzeitig zu einer zyklischen Hin-und-Her-Bewegung der Kolben 4 führt.
  • Die zur Verbrennung in den Brennräumen 2 vorgesehenen Gemischmengen umfassen einerseits Frischgas, das vollständig oder hauptsächlich aus Umgebungsluft besteht, die aus der Umgebung angesaugt wird, und das dem Verbrennungsmotor 1, gesteuert mittels Einlassventilen 18 des Verbrennungsmotors 1, über einen Frischgasstrang 5 zugeführt wird. Das Frischgas wird dabei über einen in den Frischgasstrang 5 integrierten Frischgasverdichter 6 eines Abgasturboladers geführt, mittels dessen eine Verdichtung des Frischgases bewirkt werden kann. Das Frischgas wird anschließend über einen Ladeluftkühler 7 geführt, um eine Erhöhung der Temperatur des Frischgases, die sich infolge der Verdichtung eingestellt hat, zumindest teilweise wieder rückgängig zu machen. Eine Einstellung und insbesondere Regelung des dem Verbrennungsmotor 1 zugeführten Frischgasmassenstroms erfolgt mittels einer stromab des Frischgasverdichters 6 und auch stromab des Ladeluftkühlers 7 in den Frischgasstrang 5 integrierten Drosselventils 8, das mittels einer Steuerungsvorrichtung 22 ansteuerbar ist.
  • Die Gemischmengen umfassen weiterhin Kraftstoff, der direkt mittels Kraftstoffinjektoren 9 in die Brennräume 2 eingebracht und mittels Zündvorrichtungen 10 gezündet und damit verbrannt werden kann. Die Aktivzeiten der Kraftstoffinjektoren 9 und damit die einzelnen Kraftstoffmengen werden mittels der Steuerungsvorrichtung 22 variabel eingestellt. Anstelle oder zusätzlich zu dem Einbringen von Kraftstoff direkt in die Brennräume 2 kann dieser auch in den Frischgasstrang 5 und insbesondere in ein Saugrohr des Frischgasstrangs 5, d.h. in den letzten Abschnitt des Frischgasstrangs 5, an den sich unmittelbar der Verbrennungsmotor 1 anschließt und in dem eine Aufteilung des Frischgases auf die einzelnen Brennräume 2 erfolgt, vorgesehen sein.
  • Das bei der Verbrennung der Frischgas-Kraftstoff-Gemischmengen in den Brennräumen 2 entstandene Abgas wird, gesteuert mittels Auslassventilen 19, aus den Brennräumen 2 abgeführt und in einen Abgasstrang 11 übergeführt. Das Abgas durchströmt dann eine in den Abgasstrang 11 integrierte Abgasturbine 12 des Abgasturboladers, die mittels einer Welle 21 drehantreibend mit dem Frischgasverdichter 6 verbunden ist. Anschließend durchströmt das Abgas eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung 13, die als Dreiwegekatalysator oder als Vierwegekatalysator (ein Dreiwegekatalysator mit integriertem Partikelfilter) ausgebildet sein kann, bevor das Abgas zumindest teilweise in die Umgebung abgeführt wird.
  • Ein Teil des Abgases, das über den Abgasstrang 11 geführt wird, kann bedarfsweise über eine Abgasrückführleitung 14 geführt und in den Frischgasstrang 5 eingeleitet werden. Diese Abgasrückführleitung 14, in die ein mittels der Steuerungsvorrichtung 22 ansteuerbares Abgasrückführventil 15 und ein Abgaskühler 16 integriert sind, zweigt stromab der Abgasturbine 12 und stromauf der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 13 aus dem Abgasstrang 11 ab und mündet stromauf des Frischgasverdichters 6 in den Frischgasstrang 5. Eine Abzweigung der Abgasrückführleitung stromab der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 13 ist ebenfalls möglich.
  • Die Brennkraftmaschine kann eine Flüssigkeitsinjektionsvorrichtung umfassen, die jeweils einen mittels der Steuerungsvorrichtung 22 ansteuerbaren Flüssigkeitsinjektor 17 je Brennraum 2 aufweist und die mit einem Flüssigkeitsreservoir 20, das eine sich von dem Kraftstoff unterscheidenden Flüssigkeit lagernd aufnimmt, fluidleitend verbunden ist. Mittels der Flüssigkeitsinjektionsvorrichtung kann Wasser bedarfsweise in die Brennräume 2 eingespritzt werden. Alternativ zu der Nutzung von separaten Wasserinjektoren 17 kann ein Einspritzen von Wasser auch vermischt mit Kraftstoff über die Kraftstoffinjektoren 9 beziehungsweise über kombinierte Kraftstoff-Wasser-Injektoren erfolgen.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass während eines Hoch-/Volllastbetriebs des Verbrennungsmotors 1, der mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis durchgeführt wird, das Drosselventil 8 in eine teilweise geschlossene Stellung gestellt ist. Das Frischgas, das dem Verbrennungsmotor 1 zugeführt werden soll, wird demnach trotz des Hoch-/Volllastbetriebs bewusst gedrosselt. Die aus dieser Drosselung resultierende Verringerung der Füllung der Brennräume 2 wird durch eine höhere Verdichtung beziehungsweise einen höheren Ladedruck, der mittels des Frischgasverdichters 6 bewirkt wird, ausgeglichen. Eine solche höhere Verdichtung des Frischgases bedingt eine entsprechend große Antriebsleistung für den Frischgasverdichter 6, die mittels der Abgasturbine 12 bereitgestellt wird. Die relativ große Abtriebsleistung der Abgasturbine 12 führt zu einer relativ weitgehenden Entspannung des durch die Abgasturbine 12 geführten Abgasstroms, was eine entsprechend reduzierte Temperatur des Abgases stromab der Abgasturbine 12 bewirkt. Dadurch wird eine thermische Überlastung der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 13 vermieden. Gleichzeitig wird durch das stöchiometrische Verbrennungsluftverhältnis ein relativ gutes Schadstoffemissionsverhalten der Brennkraftmaschine auch während des Hoch-/Volllastbetriebs des Verbrennungsmotors 1 gewährleistet.
  • Während des Hoch-/Volllastbetriebs des Verbrennungsmotors 1 kann vorgesehen sein, Abgas über die Abgasrückführleitung 14 zu führen und damit als Teil des Frischgases in die Brennräume 2 zurückzuführen. Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, Wasser mittels der Wasserinjektoren 17 in die Brennräume 2 einzuspritzen. Beide Maßnahmen bewirken eine relativ niedrige Temperatur des von dem Verbrennungsmotor 1 erzeugten Abgases, was sich positiv hinsichtlich des Ziels, bei einem Vollastbetrieb des Verbrennungsmotors 1 eine thermische Überlastung der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 13 zu vermeiden, ohne von einem Betrieb mit stöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis abzuweichen, auswirkt.
  • Die erfindungsgemäße(n) Maßnahme(n) ermöglichen einen Betrieb des Verbrennungsmotors 1 mit stöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis im gesamten Betriebskennfeld, d.h. bei sämtlichen Kombinationen aus Last und Drehzahl, des Verbrennungsmotors 1. Auch kann im gesamten Betriebskennfeld oder aber nur in einem Teilbereich davon eine Abgasrückführung realisiert werden. Eine Einspritzung einer inerten Flüssigkeit und insbesondere von Wasser kann ebenfalls im gesamten Betriebskennfeld vorgesehen sein. Bevorzugt ist eine solche Einspritzung jedoch nur in einem oder mehreren Teilbereichen des Betriebskennfelds, insbesondere in einem oder mehreren Teilbereichen, der/die durch relativ hohe Lasten und/oder Drehzahlen gekennzeichnet ist/sind, gegebenenfalls ausschließlich bei einem Hoch-/Volllastbetrieb, vorgesehen. Dies ist darin begründet, dass eine solche Flüssigkeitsbeziehungsweise Wasserinjektion, ebenso wie eine relativ hohe Abgasrückführrate, negative Auswirkungen auf das Betriebsverhalten des Verbrennungsmotors 1 haben kann. Zudem bedingt ein relativ intensiver Gebrauch der Flüssigkeits- beziehungsweise Wassereinspritzung einen entsprechend großen Vorrat an der Flüssigkeit beziehungsweise an dem Wasser.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Verbrennungsmotor
    2
    Brennraum
    3
    Zylinder
    4
    Kolben
    5
    Frischgasstrang
    6
    Frischgasverdichter
    7
    Ladeluftkühler
    8
    Drosselventil
    9
    Kraftstoffinjektor
    10
    Zündvorrichtung
    11
    Abgasstrang
    12
    Abgasturbine
    13
    Abgasnachbehandlungsvorrichtung
    14
    Abgasrückführleitung
    15
    Abgasrückführventil
    16
    Abgaskühler
    17
    Flüssigkeitsinjektor
    18
    Einlassventil
    19
    Auslassventil
    20
    Flüssigkeitsreservoir
    21
    Welle
    22
    Steuerungsvorrichtung
  • 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 102012202220 A1 [0005]
    • DE 102006045422 A1 [0006]
    • DE 102015016369 A1 [0007]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, die einen Verbrennungsmotor (1), einen Frischgasstrang (5) und einen Abgasstrang (11) umfasst, wobei in den Frischgasstrang (5) ein Frischgasverdichter (6) eines Abgasturboladers sowie, stromab des Frischgasverdichters (6), ein Drosselventil (8) und in den Abgasstrang (11) eine Abgasturbine (12) des Abgasturboladers sowie, stromab der Abgasturbine (12), eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung (13) integriert sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (1) mit Hoch- oder Volllast und mit stöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird, wobei das Drosselventil (8) in eine teilweise geschlossene Stellung gestellt ist.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Betrieb des Verbrennungsmotors (1) mit Hoch- oder Volllast Abgas aus dem Abgasstrang (11) über eine Abgasrückführleitung (14) geführt und in den Frischgasstrang (5) eingeleitet wird.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Betrieb des Verbrennungsmotors (1) mit Hoch- oder Volllast eine inerte Flüssigkeit in den Frischgasstrang (5) und/oder in einen oder mehrere Brennräume (2) des Verbrennungsmotors (1) eingebracht wird.
  4. Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor (1), einem Frischgasstrang (5) und einem Abgasstrang (11), wobei in den Frischgasstrang (5) ein Frischgasverdichter (6) eines Abgasturboladers sowie, stromab des Frischgasverdichters (6), ein Drosselventil (8) und in den Abgasstrang (11) eine Abgasturbine (12) des Abgasturboladers sowie, stromab der Abgasturbine (12), eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung (13) integriert sind, gekennzeichnet durch eine Steuerungsvorrichtung (22), die zur automatisierten Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.
  5. Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Abgasrückführleitung (14), die den Abgasstrang (11) mit dem Frischgasstrang (5) gasführend verbindet, wobei in die Abgasrückführleitung (14) ein Abgasrückführventil (15) integriert ist.
  6. Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in die Abgasrückführleitung (4) ein Abgaskühler (16) integriert ist.
  7. Brennkraftmaschine gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, gekennzeichnet durch eine in den Frischgasstrang (5) oder in den Verbrennungsmotor (1) integrierte Flüssigkeitsinjektionsvorrichtung, die mit einem eine inerte Flüssigkeit lagernden Flüssigkeitsreservoir (20) fluidleitend verbunden ist.
  8. Brennkraftmaschine gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungsvorrichtung (13) ein Drei- oder Vierwegekatalysator ist.
  9. Brennkraftmaschine gemäß einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (1) als Ottomotor ausgebildet ist.
  10. Brennkraftmaschine gemäß einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in den Frischgasstrang (5), stromab des Frischgasverdichters (6), ein Ladeluftkühler (7) integriert ist.
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