DE102020213702A1

DE102020213702A1 - Brennkraftmaschine mit Heizvorrichtung im Abgasstrang

Info

Publication number: DE102020213702A1
Application number: DE102020213702.1A
Authority: DE
Inventors: Ekkehard Pott; Christopher Gessenhardt
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2020-10-30
Filing date: 2020-10-30
Publication date: 2022-05-05

Abstract

Eine Brennkraftmaschine 1 umfasst einen Verbrennungsmotor 2, einen Frischgasstrang 13, einen Abgasstrang 17, in den eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung 20, 21 und ein Steuerventil 26 integriert sind, sowie eine Abgasrückführleitung 23, die stromab der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 20, 21 und stromauf des Steuerventils 26 aus dem Abgasstrang 17 abzweigt und die in den Frischgasstrang 13 mündet. In die Abgasrückführleitung 23 sind ein Abgasrückführventil 25 und ein Abgaskühler 9 integriert, wobei der Abgaskühler 9 zudem in ein Kühlsystem der Brennkraftmaschine integriert ist. In den Abgasstrang 17 ist weiterhin eine Heizvorrichtung 29 mit einem Wärmeerzeuger 32 und einer Gasfördervorrichtung 31 integriert, wobei der Wärmeerzeuger 32 stromauf der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 20, 21 angeordnet oder in die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 20, 21 integriert ist. Die Brennkraftmaschine 1 ermöglicht, mittels der Heizvorrichtung 29 erzeugte Wärmeenergie einerseits für eine Erwärmung der Abgasnachhandlungsvorrichtung 20, 21 und andererseits, über den Abgaskühler 9, für eine Erwärmung des Kühlmittels des Kühlsystems zu nutzen. Gleichzeitig kann der Abgaskühler 9 dazu genutzt werden, über die Abgasrückführleitung 23 in den Frischgasstrang 13 einzuleitendes und in den Verbrennungsmotor 2 rückzuführendes Abgas zu kühlen. Durch die Gasfördervorrichtung 31 der Heizvorrichtung 29 kann eine solche Erwärmung auch während eines Nichtbetriebs des Verbrennungsmotors 1 realisiert werden.

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, wobei in den Abgasstrang eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung und ein Steuerventil integriert sind, und mit einer Abgasrückführleitung, die stromab der Abgasnachbehandlungsvorrichtung und stromauf des Steuerventils aus dem Abgasstrang abzweigt und die in den Frischgasstrang mündet. In die Abgasrückführleitung sind ein Abgasrückführventil und eine erste Wärmetauschseite eines Abgaskühlers integriert, wobei eine zweite Wärmetauschseite des Abgaskühlers in ein Kühlsystem der Brennkraftmaschine integriert ist.
Eine solche Brennkraftmaschine ist aus der DE 10 2009 058 609 A1 bekannt. Der Abgaskühler dient primär dazu, das rückzuführende Abgas soweit abzukühlen, dass eine thermische Überlastung eines Verdichters, der stromab der Mündung der Abgasrückführleitung in den Frischgasstrang integriert ist, vermieden wird. Die Erwärmung des Kühlmittels, die infolge eines Wärmeübergangs bei der Kühlung des rückzuführenden Abgases erfolgt, kann jedoch auch dazu genutzt werden, den Verbrennungsmotor nach einem Kaltstart möglichst schnell auf Betriebstemperatur zu bringen. Ebenso kann diese Wärmeenergie ein möglichst schnelles Ansprechen eines ebenfalls in das Kühlsystem integrierten Heizungswärmetauschers bewirken, über den Luft, die dem Innenraum eines die Brennkraftmaschine umfassenden Kraftfahrzeugs zugeführt werden soll, erwärmt werden kann. Bei der Brennkraftmaschine gemäß der DE 10 2009 058 609 A1 ist weiterhin eine Abzweigleitung vorgesehen, die stromab des Abgaskühlers aus der Abgasrückführleitung abzweigt und über die bedarfsweise ein Teil des durch den Abgaskühler geführten Abgases in die Umgebung abgeführt werden kann. Diese Ausgestaltung ermöglicht, das gesamte von dem Verbrennungsmotor erzeugte Abgas über den Abgaskühler zu führen, um möglichst viel Wärmeenergie des Abgases in das Kühlmittel überführen zu können, wobei lediglich ein Teil dieses Abgases für eine Rückführung über den Frischgasstrang in den Verbrennungsmotor vorgesehen ist.
Um eine wirkungsvolle Erwärmung des Kühlmittels mittels des Abgases in dem Abgaskühler zu realisieren muss diesem ein ausreichend großer Abgasmassenstrom mit ausreichend hoher Temperatur zugeführt werden. Dies ist nicht immer, insbesondere nicht unmittelbar nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine gewährleistet. Zudem kann während eines Nichtbetriebs des Verbrennungsmotors das Kühlmittel des Kühlsystems mittels des Abgaskühlers nicht temperiert werden.
Die DE 10 2004 061 809 A1 offenbart eine Brennkraftmaschine, bei der in den Abgasstrang stromauf einer Abgasnachhandlungsvorrichtung ein Brenner und stromab der Abgasnachhandlungsvorrichtung ein Wärmetauscher integriert sind. Die von dem Brenner freigesetzte Wärmeenergie soll einerseits genutzt werden, um die Abgasnachhandlungsvorrichtung möglichst schnell auf Betriebstemperatur zu erwärmen oder diese trotz eines Nichtbetriebs des Verbrennungsmotors auf Betriebstemperatur zu halten. Weiterhin kann von dem Brenner freigesetzte Wärmeenergie mittels des Wärmetauschers genutzt werden, um Kühlmittel eines Kühlsystems der Brennkraftmaschine zu erwärmen, wodurch der Verbrennungsmotor möglichst schnell auf Betriebstemperatur gebracht werden kann oder um diesen während eines Nichtbetriebs auf Betriebstemperatur zu halten. Auch kann das erwärmte Kühlmittel vorteilhaft in einem Heizungswärmetauscher zur Erwärmung von Luft, die einem Innenraum eines die Brennkraftmaschine umfassenden Kraftfahrzeugs zugeführt werden soll, zu nutzen.
Der zusätzliche, in den Abgasstrang integrierte Wärmetauscher stellt einen erheblichen konstruktiven Mehraufwand dar, der sich negativ nicht nur hinsichtlich der Herstellungskosten sondern auch hinsichtlich des Bauraumbedarfs sowie des Gewichts der Brennkraftmaschine auswirkt.
Die DE 3 920 159 A1 thematisiert eine Ausnutzung der bei einer katalytischen Umsetzung eines Reaktionsgemischs frei werdenden Energie zu Heizzwecken. Ein Anwendungsbereich ist dabei die Beheizung von Kraftfahrzeugen unter Ausnutzung der in dem Katalysator entstehenden Wärme. Hierzu wird der Katalysator selbst als Wärmetauscher ausgestaltet oder einem solchen vorgeschaltet. In dem Wärmetauscher wird ein Wärmeträgerfluid, das in einem offenen oder geschlossenen Kreislauf strömt, aufgeheizt. Durch eine elektrische Beheizung des Katalysators auf die zur Umsetzung nötige Temperatur vor Betriebsbeginn wird der Schadstoffausstoß minimiert und gleichzeitig schnell Wärme zu Heizzwecken verfügbar gemacht. Eine Luftzuführeinrichtung und eine Brennstoffeindüsung ermöglichen die Einstellung eines beliebigen Reaktionsgemisches, was bei einem nicht betriebenen Verbrennungsmotor der Kraftfahrzeuge sogar einen Betrieb als Standheizung ermöglicht.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Brennkraftmaschine anzugeben, die auf möglichst vorteilhafte Weise sowohl eine Temperierung einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung sowie eine Standheizungsfunktionalität aufweist.
Diese Aufgabe wird mittels einer Brennkraftmaschine gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Brennkraftmaschine sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Kraftfahrzeugs sind Gegenstände der Patentansprüche 7 und 9. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sowie des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 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, wobei in den Abgasstrang zumindest eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung und ein (aktiv ansteuerbares) Steuerventil integriert sind, und eine Abgasrückführleitung umfasst. Die Abgasrückführleitung zweigt stromab der Abgasnachbehandlungsvorrichtung und stromauf des Steuerventils aus dem Abgasstrang ab und mündet in den Frischgasstrang. In die Abgasrückführleitung ist zumindest ein (aktiv ansteuerbares) Abgasrückführventil und eine erste Wärmetauschseite eines Abgaskühlers integriert, wobei eine zweite Wärmetauschseite des Abgaskühlers in ein Kühlsystem der Brennkraftmaschine integriert ist. In dem Kühlsystem kann ein Kühlmittel zirkulierend gefördert werden, wobei das Kühlsystem vorzugsweise auch den Verbrennungsmotor beziehungsweise Kühlkanäle, die insbesondere in einem Zylindergehäuse und/oder in einem Zylinderkopf des Verbrennungsmotors ausgebildet sind, integrieren kann. Erfindungsgemäß gekennzeichnet ist eine solche Brennkraftmaschine durch eine in den Abgasstrang integrierte Heizvorrichtung mit einem Wärmeerzeuger und mit einer Gasfördervorrichtung, wobei der Wärmeerzeuger stromauf der Abgasnachbehandlungsvorrichtung angeordnet oder in die Abgasnachbehandlungsvorrichtung integriert ist.
Eine solche Brennkraftmaschine ermöglicht, in der Heizvorrichtung erzeugte Wärmeenergie einerseits für eine bedarfsweise Temperierung beziehungsweise Erwärmung der Abgasnachhandlungsvorrichtung und andererseits, über den Abgaskühler, für eine bedarfsweise Temperierung beziehungsweise Erwärmung des Kühlmittels des Kühlsystems zu nutzen. Gleichzeitig kann der Abgaskühler dazu verwendet werden, über die Abgasrückführleitung in den Frischgasstrang einzuleitendes und in den Verbrennungsmotor rückzuführendes Abgas zu kühlen, um eine thermische Überlastung von in den Frischgasstrang integrierten Komponenten, insbesondere eines Frischgasverdichters, zu vermeiden.
Dadurch, dass die Heizvorrichtung auch eine Gasfördervorrichtung umfasst, kann eine solche Temperierung beziehungsweise Erwärmung auch in einem Nichtbetrieb des Verbrennungsmotors realisiert werden. Dies ermöglicht, die Abgasnachhandlungsvorrichtung und gegebenenfalls auch den Verbrennungsmotor während des Nichtbetriebs zu temperieren beziehungsweise insbesondere innerhalb eines jeweils vorgegebenen Betriebstemperaturbereichs zu halten. Hinsichtlich der Abgasnachbehandlungseinrichtung kann dies insbesondere ein Halten der Temperatur oberhalb der dazugehörigen Anspringtemperatur (Light-off-Temperatur), ab der von einer ausreichenden Wirksamkeit der Abgasnachhandlungsvorrichtung ausgegangen wird, bedeuten. Ebenso kann eine Innenraumheizfunktionalität während des Nichtbetriebs des Verbrennungsmotors realisiert werden, wenn, wie dies vorzugsweise vorgesehen ist, bei einem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug, das zumindest eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine umfasst, das Kühlsystem zudem einen Heizungswärmetauscher aufweist. Eine erste Wärmetauschseite des Heizungswärmetauschers ist dabei von dem Kühlmittel des Kühlsystems und einen zweite Wärmetauschseite des Heizungswärmetauschers von Luft durchströmbar, wobei diese Luft einem Innenraum des Kraftfahrzeugs zuführbar ist. Eine zusätzliche Heizvorrichtung, die während eines Nichtbetriebs des Verbrennungsmotors zur Beheizung des Innenraums vorgesehen ist, kann dadurch vermieden werden.
Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine beziehungsweise ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug ermöglicht demnach die Realisierung einer Standheizungsfunktionalität, wobei sich dies nicht nur auf eine Beheizung des Innenraums des Kraftfahrzeugs sondern grundsätzlich auch auf die mittels der Heizvorrichtung beheizbare Abgasnachhandlungsvorrichtung sowie auf sämtliche mittels des Kühlmittels des Kühlsystems temperierbare Komponenten, insbesondere den Verbrennungsmotor, während eines Nichtbetriebs des Verbrennungsmotors bezieht. Um diese Standheizungsfunktionalität umzusetzen ist gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass während eines Nichtbetriebs des Verbrennungsmotors zumindest die Heizvorrichtung betrieben wird, wobei Wärmeenergie in dem Abgaskühler auf das Kühlmittel des Kühlsystems übertragen wird. Dadurch wird neben der Temperierung der Abgasnachhandlungsvorrichtung auch eine Erwärmung des Kühlmittels des Kühlsystems und damit eine Temperierung von weiteren, in das Kühlsystem integrierten Komponenten, insbesondere dem Verbrennungsmotor, ermöglicht. Vorzugsweise ist zudem vorgesehen, dass gleichzeitig auch Luft über den Heizungswärmetauscher geführt wird, wodurch die Standheizungsfunktionalität auch für die Beheizung des Innenraums des Kraftfahrzeugs ermöglicht wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorgesehen sein, dass der Wärmeerzeuger ein elektrisches Heizelement und/oder einen Brenner umfasst. Ein solcher Brenner weist dabei zumindest eine Brennstoffzufuhr und eine Oxidationsvorrichtung, d.h. eine beliebige Vorrichtung zur exothermen, thermischen Oxidation von aus der Brennstoffzufuhr stammendem Brennstoff, auf. Die thermische Oxidation kann dabei mit sichtbarer Flamme oder auch flammenlos erfolgen. Insbesondere für eine flammenlose thermische Oxidation kann auch die Verwendung eines Katalysators innerhalb der Oxidationsvorrichtung sinnvoll sein, um eine relativ und insbesondere möglichst niedrige Oxidationstemperatur zu realisieren. Es ist jedoch auch eine flammenlose thermische Oxidation ohne Katalysator möglich. Insbesondere dann, wenn die Oxidationsvorrichtung einen Katalysator umfasst, kann es sinnvoll sein, diesen außerhalb einer Hauptleitung des Abgasstrangs, über die während des Betriebs des Verbrennungsmotors das Abgas oder zumindest der Großteil davon geführt wird, zu integrieren. Dazu kann die Oxidationsvorrichtung beispielsweise in eine Zuleitung, die sich zwischen der Brennstoffzufuhr und dem Abgasstrang beziehungsweise der Hauptleitung davon erstreckt, oder in eine parallel zu einem Abschnitt der Hauptleitung geführte Nebenleitung des Abgasstrangs integriert sein.
Die Brennstoffzufuhr kann vorzugsweise einen Brennstofftank zur Zwischenlagerung des Brennstoffs und/oder einen Brennstoffgenerator zur Herstellung des Brennstoffs umfassen. Sofern der Brennstoff identisch zu dem Kraftstoff ist, der für den Betrieb des Verbrennungsmotors vorgesehen ist, kann ein Kraftstofftank der Brennkraftmaschine auch als Brennstofftank der Brennstoffzufuhr genutzt werden. Der für eine Nutzung in dem Brenner vorgesehene Brennstoff kann sich jedoch auch von dem für den Betrieb des Verbrennungsmotors vorgesehenen Kraftstoff unterscheiden. Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass der Brennstoff Wasserstoff (H₂) ist oder zumindest zeitweise Wasserstoff in reiner Form umfasst, was sich vorteilhaft auf das Schadstoffemissionsverhalten der Brennkraftmaschine, insbesondere während der Realisierung einer Standheizungsfunktionalität, auswirken kann. Dementsprechend kann die Brennstoffzufuhr vorzugsweise als Wasserstoffzufuhr ausgestaltet sein oder eine solche zumindest umfassen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann eine Verbindungsleitung vorgesehen sein, die stromab des Abgaskühlers und stromauf des Abgasrückführventils aus der Abgasrückführleitung abzweigt und die stromab des Abzweigs der Abgasrückführleitung in den Abgasstrang mündet. Diese Verbindungsleitung ermöglicht, zumindest einen Teil des Gases, vorzugsweise das gesamte Gas, das über den Abgaskühler geführt wurde, um das Kühlmittel des Kühlsystems zu erwärmen, über den letzten, sich an die Mündung der Verbindungsleitung anschließenden Abschnitt des Abgasstrangs in die Umgebung abzuführen. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn in diesen letzten Abschnitt des Abgasstrangs eine weitere Abgasnachhandlungsvorrichtung integriert ist, wodurch das Gas vor der Einleitung in die Umgebung möglichst umfassend nachbehandelt werden kann. Um sicherzustellen, dass Gas lediglich bedarfsweise über die Verbindungsleitung geführt wird, kann vorzugsweise in diese ein Steuerventil integriert sein. Dabei kann dieses Steuerventil auch identisch zu demjenigen des Abgasstrangs sein, wenn dieses eine Steuerventil in die Mündung der Verbindungsleitung integriert ist.
Bei dem Verbrennungsmotor einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann es sich beispielsweise 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 (z.B. Erdgas, Wasserstoff, LNG oder LPG) betrieben werden.
Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug kann insbesondere ein radbasiertes und nicht schienengebundenes Kraftfahrzeug (vorzugsweise ein PKW oder ein LKW) sein. Dabei kann der Verbrennungsmotor der Brennkraftmaschine insbesondere zur (direkten oder indirekten) Bereitstellung der Fahrantriebsleistung für das Kraftfahrzeug vorgesehen sein.
Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug kann insbesondere auch ein Hybridfahrzeug sein, das neben dem Verbrennungsmotor auch einen elektrischen Traktionsmotor umfasst. Das Hybridfahrzeug kann dabei insbesondere derart ausgestaltet sein, dass mittels des elektrischen Traktionsmotors bedarfsweise die gesamte für den Antrieb des Kraftfahrzeugs vorgesehene Fahrantriebsleistung bereitgestellt werden kann. Da während eines solchen elektromotorischen Antriebs der Verbrennungsmotor vorzugsweise nicht betrieben werden sollte, um einen Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors zu vermeiden, kann mittels der Heizvorrichtung gleichzeitig einerseits die Abgasnachhandlungsvorrichtung und der Verbrennungsmotor sowie andere Komponenten der Brennkraftmaschine auf Betriebstemperatur gehalten sowie andererseits eine Innenraumbeheizung des Kraftfahrzeugs aufrecht gehalten werden. Das Aufrechthalten der Betriebstemperaturen kann sich dabei vorteilhaft auf den Kraftstoffverbrauch sowie auf das Schadstoffemissionsverhalten der Brennkraftmaschine noch einer erneuten Inbetriebnahme des Verbrennungsmotors auswirken, was insbesondere bei einem Hybridfahrzeug aufgrund einer regelmäßigen In- und Außerbetriebnahme des Verbrennungsmotors von Bedeutung sein kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausgestaltungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt, jeweils in vereinfachter Darstellung:

1: ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug;
2: eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine gemäß einer ersten Ausgestaltungsform; und
3: eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine gemäß einer zweiten Ausgestaltungsform.

Die 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug mit einer (erfindungsgemäßen) Brennkraftmaschine 1. Die Brennkraftmaschine 1 umfasst einen Verbrennungsmotor 2, der im Betrieb die Antriebsleistung für den Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs zur Verfügung stellt. Das Kraftfahrzeug umfasst weiterhin ein Kühlsystem mit einem oder mehreren Kühlkreisen, wobei das Kühlsystem der Kühlung einzelner Komponenten der Brennkraftmaschine 1, unter anderem des Verbrennungsmotors 2, eines Motorölkühlers 3, eines Getriebeölkühlers 4 und eines Abgaskühlers 9, dient. In dem Kühlsystem zirkuliert ein flüssiges Kühlmittel, das im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 Wärmeenergie von den zu kühlenden Komponenten aufnimmt. Die Wärmeenergie wird dann in einem Kühlmittelkühler 5 sowie, zumindest zeitweise, in einem Heizungswärmetauscher 6 durch Wärmeübergang auf Umgebungsluft wieder abgekühlt, so dass dieses wieder zu den zu kühlenden Komponenten rezirkuliert werden kann. In dem Kühlmittelkühler 5 erfolgt der Wärmeübergang von dem Kühlmittel auf die Umgebungsluft (Kühlluft) ausschließlich mit dem Ziel der Kühlung des Kühlmittels. Der Wärmeübergang in dem Heizungswärmetauscher 6 erfolgt dagegen primär mit dem Ziel der Temperierung von Umgebungsluft, die anschließend einem Innenraum 7 des Kraftfahrzeugs zugeführt werden soll. Der Transport des Kühlmittels in dem Kühlsystem erfolgt mittels einer Kühlmittelpumpe 8, die direkt von dem Verbrennungsmotor 2 oder auch separat von einem dazugehörigen Elektromotor (nicht dargestellt) angetrieben sein kann.
Die 2 und 3 zeigen jeweils eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1, wie sie als Teil eines Kraftfahrzeugs gemäß beispielsweise der 1 zum Einsatz kommen kann. In dem Verbrennungsmotor 2 der Brennkraftmaschine 1 sind eine Mehrzahl von Brennräumen 10 ausgebildet. Im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 wird in bekannter Weise in definierter Reihenfolge in den Brennräumen 10, die teilweise von Zylinderöffnungen 11 des Verbrennungsmotors 2 sowie von darin beweglich geführten Kolben 12 begrenzt sind, Gemischmengen verbrannt, wobei die so erzeugten Druckerhöhungen in den Brennräumen 10 dazu genutzt werden, die Kolben 12 zu bewegen. Diese Bewegungen der Kolben 12 werden unter Zwischenschaltung von Pleueln (nicht dargestellt) in eine Drehbewegung einer Kurbelwelle (nicht dargestellt) gewandelt, wobei die Führung der Kolben 12 über die Pleuel mittels der Kurbelwelle gleichzeitig zu einer zyklischen Hin-und-Her-Bewegung der Kolben 12 führt.
Die zur Verbrennung in den Brennräumen 10 vorgesehenen Gemischmengen umfassen einerseits Frischgas, das vollständig oder hauptsächlich aus Umgebungsluft besteht, die aus der Umgebung angesaugt wird, und das, nach einer Filterung in einem Luftfilter 35, dem Verbrennungsmotor 2, gesteuert mittels Einlassventilen (nicht dargestellt) des Verbrennungsmotors 2, über einen Frischgasstrang 13 zugeführt wird. Das Frischgas wird dabei über einen in den Frischgasstrang 13 integrierten Frischgasverdichter 14 eines Abgasturboladers geführt, mittels dessen eine Verdichtung des Frischgases bewirkt werden kann. Das Frischgas kann anschließend über einen Ladeluftkühler (nicht dargestellt) geführt werden, 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 2 zugeführten Frischgasmassenstroms erfolgt mittels eines stromab des Frischgasverdichters 14 in den Frischgasstrang 13 integrierten Drosselventils 15, das mittels einer Steuerungsvorrichtung 36 ansteuerbar ist.
Die Gemischmengen umfassen weiterhin Kraftstoff, der direkt mittels Kraftstoffinjektoren 16 in die Brennräume 10 eingebracht und, bei einer fremdzündenden Ausgestaltung des Verbrennungsmotors 2, mittels Zündvorrichtungen (nicht dargestellt) gezündet und damit verbrannt werden kann.
Das bei der Verbrennung der Frischgas-Kraftstoff-Gemischmengen in den Brennräumen 10 entstandene Abgas wird, gesteuert mittels Auslassventilen (nicht dargestellt), aus den Brennräumen 10 abgeführt und in einen Abgasstrang 17 überführt. Das Abgas durchströmt dann eine in den Abgasstrang 17 integrierte Abgasturbine 18 des Abgasturboladers, die mittels einer Welle 19 drehantreibend mit dem Frischgasverdichter 14 verbunden ist. Anschließend durchströmt das Abgas eine erste Abgasnachbehandlungsvorrichtung 20, die einen Katalysator, beispielsweise einen Dreiwegekatalysator, umfasst. Anschließend durchströmt das Abgas eine zweite Abgasnachbehandlungsvorrichtung 21, beispielsweise in Form eines Partikelfilters, sowie, zumindest teilweise, eine dritte Abgasnachhandlungsvorrichtung 22, die ebenfalls einen Katalysator, beispielsweise einen Dreiwegekatalysator, umfasst. Daraufhin wird dieses Abgas in die Umgebung abgeführt.
Ein Teil des Abgases, das in den Abgasstrang 17 überführt wird, kann bedarfsweise über eine Abgasrückführleitung 23 geführt und in den Frischgasstrang 13 eingeleitet werden. Diese Abgasrückführleitung 23, in die ein Abgasfilter 24, ein Abgaskühler 9 beziehungsweise eine erste Wärmetauschseite davon sowie ein mittels der Steuerungsvorrichtung 36 ansteuerbares Abgasrückführventil 25 integriert sind, zweigt stromab der Abgasturbine 18 sowie stromab der ersten und zweiten Abgasnachhandlungsvorrichtungen 20, 21 und stromauf eines in Form eines Klappenventils ausgebildeten ersten Steuerventils 26 sowie stromauf der dritten Abgasnachbehandlungsvorrichtung 22, die stromab des ersten Steuerventils 26 angeordnet ist, aus dem Abgasstrang 17 ab. Die Abgasrückführleitung 23 mündet stromauf des Frischgasverdichters 14 in den Frischgasstrang 13.
Bei der Brennkraftmaschine gemäß der 2 ist weiterhin eine Verbindungsleitung 27 vorgesehen, die stromab des Abgaskühlers 9 und stromauf des Abgasrückführventils 25 aus der Abgasrückführleitung 23 abzweigt und die stromab des Abzweigs der Abgasrückführleitung 23 sowie stromauf des ersten Steuerventils 26 in den Abgasstrang 17 mündet. In die Verbindungsleitung 27 ist ein zweites Steuerventil 28 integriert.
Die Brennkraftmaschinen gemäß den 1 und 2 umfassen weiterhin jeweils eine Heizvorrichtung 29, die über eine Zuleitung 30 fluidleitend mit einem Abschnitt des Abgasstrangs 17, der zwischen der Abgasturbine 18 und der ersten Abgasnachhandlungsvorrichtung 20 gelegen ist, verbunden ist. Die Heizvorrichtung 29 umfasst eine Gasfördervorrichtung 31, beispielsweise in Form eines Gebläses, sowie einen Wärmeerzeuger 32. Der Wärmeerzeuger 32 kann beispielsweise als Brenner ausgestaltet sein, wobei dieser Brenner eine Brennstoffzufuhr 33 und eine Oxidationsvorrichtung 34 umfasst. Mittels der Heizvorrichtung 29 kann bedarfsweise eine Strömung eines Heißgases erzeugt werden, wobei dieses Heißgas nach einer Einleitung in den Abgasstrang 17 die erste Abgasnachhandlungsvorrichtung 20 und die zweite Abgasnachhandlungsvorrichtung 21 durchströmt und anschließend bedarfsweise zumindest über einen ersten Abschnitt der Abgasrückführleitung 23, , u.a. den Abgaskühler 9 umfasst, geführt werden kann. Mittels des Heißgases kann bedarfsweise eine Erwärmung der ersten und zweiten Abgasnachbehandlungsvorrichtungen 20, 21 und gegebenenfalls auch der dritten Abgasnachhandlungsvorrichtung 22 realisiert werden, wenn zumindest ein Teil des Heißgases infolge einer zumindest teilweisen Öffnungsstellung des ersten Steuerventils 26 auch über die dritte Abgasnachhandlungsvorrichtung 22 geführt wird. Andererseits kann mittels des Heißgases unter Verwendung des Abgaskühlers 9 bedarfsweise auch Kühlmittel eines Kühlsystems eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs, beispielsweise eines Kraftfahrzeugs gemäß der 1, erwärmt werden, wobei das Kühlmittel eine zweite Wärmetauschseite des Abgaskühlers 9 durchströmt,.
Mittels der Heizvorrichtung 29 kann in vorteilhafter Weise eine Standheizungsfunktionalität realisiert werden, wobei bei dann nicht betriebenem Verbrennungsmotor 2 sowohl die erste und zweite Abgasnachhandlungsvorrichtung 20, 21 als auch, über das Kühlmittel des Kühlsystems, der Verbrennungsmotor 2 sowie andere in das Kühlsystem integrierte Komponenten der Brennkraftmaschine 1 oder eines diese umfassenden Kraftfahrzeugs erwärmt oder warmgehalten werden können. Dies wirkt sich vorteilhaft auf den Kraftstoffverbrauch sowie auf das Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine 1 nach einer erneuten Inbetriebnahme des Verbrennungsmotors 2 aus. Da vorzugsweise zudem ein Heizungswärmetauscher 6 in das Kühlsystem eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs integriert ist, umfasst die Standheizungsfunktionalität, die mittels der Heizvorrichtung 29 realisierbar ist, auch eine Beheizung des Innenraums 7 des Kraftfahrzeugs.
Die Standheizungsfunktionalität muss sich dabei nicht ausschließlich auf einen Nichtbetrieb oder einen Stillstand des Kraftfahrzeugs beziehen. Vielmehr kann diese auch sinnvoll umgesetzt werden, wenn der Verbrennungsmotor 2 bei betriebenem Kraftfahrzeug nicht betrieben wird. Dies kann beispielsweise im Stillstand des Kraftfahrzeugs aufgrund einer Start-/Stopp-Automatik oder sogar während einer Fahrt des Kraftfahrzeugs, beispielsweise in einem Segelbetrieb, in dem der nicht betriebene Verbrennungsmotor 2 von dem Rest des Antriebsstrang abgekoppelt ist, oder in einem elektromotorischen Antrieb des Kraftfahrzeugs bei einer Ausgestaltung als Hybridfahrzeug vorgesehen sein. Und schließlich besteht auch die Möglichkeit, die Heizvorrichtung 29 in Betrieb zu nehmen, wenn während eines Betriebs des Verbrennungsmotors 2 über das von diesem erzeugte Abgas keine ausreichende Wärmeenergie zur Verfügung gestellt wird, um eine ausreichend schnelle Erwärmung oder ein Warmhalten der Abgasnachbehandlungseinrichtungen 20, 21, 22 und/oder von in das Kühlsystem integrierten Komponenten zu gewährleisten. Dies kann beispielsweise bei einem relativ lange andauernden Schubbetrieb des Verbrennungsmotors 2 infolge einer Bergabfahrt des Kraftfahrzeugs der Fall sein.
Während der Realisierung einer Standheizungsfunktionalität soll infolge des Nichtbetriebs des Verbrennungsmotors 2 kein Abgas zu diesem zurückgeführt werden. Um dennoch das von der Heizvorrichtung 29 erzeugte Heißgas in dem Abgaskühler 9 zur Erwärmung des Kühlmittels nutzen zu können, kann bei der Brennkraftmaschine 1 gemäß der 2 das in die Verbindungsleitung 27 integrierte, zweite Steuerventil 28 zumindest teilweise geöffnet werden. Das Heißgas kann dadurch, nach der Durchströmung des Abgaskühlers 9, über die Verbindungsleitung 27 in den Abgasstrang 17 zurückgeführt werden kann. Bei der Brennkraftmaschine 1 gemäß der 3, die eine solche Verbindungsleitung 27 nicht umfasst, strömt das Heißgas dagegen nach der Einleitung in den Frischgasstrang 13 über den Luftfilter 35 in die Umgebung. Das Heißgas strömt dabei folglich entgegengesetzt zu derjenigen Richtung, in der das Frischgas während des Betriebs des Verbrennungsmotors 2 durch den Frischgasstrang 13 strömt, durch den Anfangsabschnitt des Frischgasstrangs 13. Eine Strömung des Heißgases über den Verbrennungsmotor 2 ist infolge von dessen Nichtbetrieb vollständig oder zumindest weitestgehend versperrt. Ergänzend dazu kann auch das stromab der Mündung der Abgasrückführleitung 23 angeordnete Drosselventil weitestmöglich geschlossen werden.
Bezugszeichenliste

1: Brennkraftmaschine
2: Verbrennungsmotor
3: Motorölkühler
4: Getriebeölkühler
5: Kühlmittelkühler
6: Heizungswärmetauscher
7: Innenraum
8: Kühlmittelpumpe
9: Abgaskühler
10: Brennraum
11: Zylinderöffnung
12: Kolben
13: Frischgasstrang
14: Frischgasverdichter
15: Drosselventil
16: Kraftstoffinjektor
17: Abgasstrang
18: Abgasturbine
19: Welle
20: erste Abgasnachbehandlungsvorrichtung
21: zweite Abgasnachbehandlungsvorrichtung
22: dritte Abgasnachhandlungsvorrichtung
23: Abgasrückführleitung
24: Abgasfilter
25: Abgasrückführventil
26: erstes Steuerventil
27: Verbindungsleitung
28: zweites Steuerventil
29: Heizvorrichtung
30: Zuleitung
31: Gasfördervorrichtung
32: Wärmeerzeuger
33: Brennstoffzufuhr
34: Oxidationsvorrichtung
35: Luftfilter
36: Steuerungsvorrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009058609 A1 [0002]
DE 102004061809 A1 [0004]
DE 3920159 A1 [0006]

Claims

Brennkraftmaschine (1) mit - einem Verbrennungsmotor (2), - einem Frischgasstrang (13) zum Zuführen von Frischgas zu dem Verbrennungsmotor (2), - einem Abgasstrang (17) zum Abführen von Abgas von dem Verbrennungsmotor (2), wobei in den Abgasstrang (17) eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung (20, 21) und ein Steuerventil (26) integriert sind, und - einer Abgasrückführleitung (23), die stromab der Abgasnachbehandlungsvorrichtung (20, 21) und stromauf des Steuerventils (26) aus dem Abgasstrang (17) abzweigt und die in den Frischgasstrang (13) mündet, wobei in die Abgasrückführleitung (23) ein Abgasrückführventil (25) und eine erste Wärmetauschseite eines Abgaskühlers (9) integriert sind, wobei eine zweite Wärmetauschseite des Abgaskühlers (9) in ein Kühlsystem der Brennkraftmaschine (1) integriert ist, gekennzeichnet durch eine in den Abgasstrang (17) integrierte Heizvorrichtung (29) mit einem Wärmeerzeuger (32) und einer Gasfördervorrichtung(31), wobei der Wärmeerzeuger (32) stromauf der Abgasnachbehandlungsvorrichtung (20, 21) angeordnet oder in die Abgasnachbehandlungsvorrichtung (20, 21) integriert ist.
Brennkraftmaschine (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeerzeuger (32) ein elektrisches Heizelement und/oder einen Brenner mit einer Brennstoffzufuhr (33) und einer Oxidationsvorrichtung (34) umfasst.
Brennkraftmaschine (1) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidationsvorrichtung (34) einen Katalysator umfasst.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzufuhr (33) als Wasserstoffzufuhr ausgestaltet ist.
Brennkraftmaschine (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Verbindungsleitung (27), die stromab des Abgaskühlers (9) und stromauf des Abgasrückführventils (25) aus der Abgasrückführleitung (23) abzweigt und die stromab des Abzweigs der Abgasrückführleitung (23) in den Abgasstrang (17) mündet.
Brennkraftmaschine (1) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in die Verbindungsleitung (27) ein Steuerventil (28) integriert ist.
Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem einen Heizungswärmetauscher (6) umfasst, wobei eine erste Wärmetauschseite des Heizungswärmetauschers (6) von Kühlmittel des Kühlsystems durchströmbar ist und einen zweite Wärmetauschseite des Heizungswärmetauschers (6) von Luft durchströmbar ist, die einem Innenraum (7) des Kraftfahrzeugs zuführbar ist.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 oder zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs gemäß Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Nichtbetriebs des Verbrennungsmotors (2) die Heizvorrichtung (29) betrieben wird, wobei Wärmeenergie in dem Abgaskühler (9) auf ein/das Kühlmittel des Kühlsystems übertragen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 9 zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass während des Nichtbetriebs des Verbrennungsmotors (2) zudem Luft über den Heizungswärmetauscher (6) geführt wird.