DE202016102656U1

DE202016102656U1 - Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung umfassend einen Kühler

Info

Publication number: DE202016102656U1
Application number: DE202016102656.3U
Authority: DE
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2016-04-14
Filing date: 2016-05-19
Publication date: 2016-06-09
Anticipated expiration: 2026-05-20

Abstract

Brennkraftmaschine mit – mindestens einem Zylinder, – einem Ansaugsystem zur Versorgung des mindestens einen Zylinders mit Ladeluft, – einem Abgasabführsystem (1) zur Abführung der Abgase, und – einer Abgasrückführung (2), die eine Rückführleitung (2a) umfasst, welche unter Ausbildung eines Knotenpunktes (1a) von dem Abgasabführsystem (1) abzweigt und in das Ansaugsystem mündet, wobei in der Rückführleitung (2a) ein Kühler (3) vorgesehen ist, der einen Kühlmittel (3c) führenden Kern (3a) aufweist, welcher in einen ersten Kühlmittelkreislauf (3b) eingebunden ist und der Wärmeübertragung zwischen Abgas und Kühlmittel (3c) dient, dadurch gekennzeichnet, dass – der Kühler (3) im Bereich des Kerns (3a) in das Abgasabführsystem (1) hineinragt, und – mindestens ein Kühlmittel (6c) führender Kühlmittelmantel (6a) im Kühler (3) vorgesehen ist, der zwischen dem Kühlmittel (3c) führenden Kern (3a) und dem Abgas führenden Abgasabführsystem (1) angeordnet und in einen zweiten Kühlmittelkreislauf (6b) eingebunden ist, wobei der mindestens eine Kühlmittelmantel (6a) zur Ausbildung des zweiten Kühlmittelkreislaufs (6b) über eine Abführleitung (6d) zum Abführen des Kühlmittels (6c) und eine Zuführleitung (6e) zum Zuführen des Kühlmittels (6c) verfügt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit

– mindestens einem Zylinder,
– einem Ansaugsystem zur Versorgung des mindestens einen Zylinders mit Ladeluft,
– einem Abgasabführsystem zur Abführung der Abgase, und
– einer Abgasrückführung, die eine Rückführleitung umfasst, welche unter Ausbildung eines Knotenpunktes von dem Abgasabführsystem abzweigt und in das Ansaugsystem mündet, wobei in der Rückführleitung ein Kühler vorgesehen ist, der einen Kühlmittel führenden Kern aufweist, welcher in einen ersten Kühlmittelkreislauf eingebunden ist und der Wärmeübertragung zwischen Abgas und Kühlmittel dient.

Eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine insbesondere Dieselmotoren, aber auch Ottomotoren und Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, sowie Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
Bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen ist man ständig bemüht, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren. Zudem wird eine Reduzierung der Schadstoffemissionen angestrebt, um zukünftige Grenzwerte für Schadstoffemissionen einhalten zu können.
Brennkraftmaschinen werden zunehmend häufig mit einer Aufladung ausgestattet, wobei die Aufladung in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung ist, bei dem die für den motorischen Verbrennungsprozess benötigte Ladeluft verdichtet wird, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Ladeluftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden.
Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Wird der Hubraum reduziert, lässt sich bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Die Aufladung einer Brennkraftmaschine unterstützt folglich die Bemühungen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.
Durch eine geeignete Getriebeauslegung kann zusätzlich ein sogenanntes Downspeeding realisiert werden, wodurch ebenfalls ein geringerer spezifischer Kraftstoffverbrauch erzielt wird. Beim Downspeeding wird der Umstand ausgenutzt, dass der spezifische Kraftstoffverbrauch bei niedrigen Drehzahlen regelmäßig niedriger ist, insbesondere bei höheren Lasten.
Bei gezielter Auslegung der Aufladung können auch Vorteile bei den Abgasemissionen erzielt werden. So können mittels geeigneter Aufladung beispielsweise beim Dieselmotor die Stickoxidemissionen ohne Einbußen beim Wirkungsgrad verringert werden. Gleichzeitig können die Kohlenwasserstoffemissionen günstig beeinflusst werden. Die Emissionen an Kohlendioxid, die direkt mit dem Kraftstoffverbrauch korrelieren, nehmen mit sinkendem Kraftstoffverbrauch ebenfalls ab.
Um zukünftige Grenzwerte für Schadstoffemissionen einzuhalten, sind aber weitere Maßnahmen erforderlich. Im Mittelpunkt der Entwicklungsarbeiten steht dabei unter anderem die Reduzierung der Stickoxidemissionen, die insbesondere bei den Dieselmotoren von hoher Relevanz sind. Da die Bildung der Stickoxide nicht nur einen Luftüberschuss, sondern auch hohe Temperaturen erfordert, besteht ein Konzept zur Senkung der Stickoxidemissionen darin, Verbrennungsprozesse mit niedrigeren Verbrennungstemperaturen zu entwickeln.
Dabei ist die Abgasrückführung (AGR), d. h. die Rückführung von Verbrennungsgasen von der Auslassseite auf die Einlassseite, zielführend, bei der mit zunehmender Abgasrückführrate die Stickoxidemissionen deutlich gesenkt werden können. Die Abgasrückführrate x_AGR bestimmt sich dabei zu x_AGR = m_AGR/(m_AGR + m_Frischluft), wobei m_AGR die Masse an zurückgeführtem Abgas und m_Frischluft die zugeführte Frischluft bezeichnet. Der via Abgasrückführung bereitgestellte Sauerstoff ist gegebenenfalls zu berücksichtigen.
Um eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen zu erzielen, können hohe Abgasrückführraten erforderlich werden, die in der Größenordnung von x_AGR ≈ 60% bis 70% und mehr liegen können. Derart hohe Rückführraten können eine Kühlung des rückzuführenden Abgases erforderlich machen, mit der die Temperatur des Abgases gesenkt und die Dichte des Abgases gesteigert wird, so dass eine größere Abgasmasse zurückgeführt werden kann. Folglich wird eine Abgasrückführung regelmäßig mit einem Kühler ausgestattet. Auch die Abgasrückführung der Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, verfügt über einen in der Rückführleitung angeordneten Kühler, d. h. einen AGR-Kühler, der einen Kühlmittel führenden Kern aufweist, welcher der Wärmeübertragung zwischen Abgas und Kühlmittel dient.
Probleme können sich beim Einleiten des rückgeführten Abgases in das Ansaugsystem ergeben, wenn die Temperatur des rückgeführten heißen Abgases abnimmt und sich Kondensat bildet.
Zum einen kann sich Kondensat bilden, wenn das rückgeführte heiße Abgas im Ansaugsystem mit kühler Frischluft zusammentrifft und gemischt wird. Das Abgas kühlt sich ab, wohingegen die Temperatur der Frischluft angehoben wird. Die Temperatur der Mischung aus Frischluft und rückgeführtem Abgas, d. h. die Temperatur der Verbrennungsluft, liegt unterhalb der Abgastemperatur des rückgeführten Abgases. Im Rahmen der Abkühlung des Abgases können zuvor noch gasförmig im Abgas bzw. in der Verbrennungsluft enthaltene Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, auskondensieren, wenn die Tautemperatur einer Komponente der gasförmigen Verbrennungsluftströmung unterschritten wird. Es kommt zu einer Kondensatbildung in der freien Verbrennungsluftströmung, wobei häufig Verunreinigungen in der Verbrennungsluft den Ausgangspunkt für die Bildung von Kondensattröpfchen bilden.
Zum anderen kann sich Kondensat bilden, wenn das rückgeführte heiße Abgas bzw. die Verbrennungsluft auf die Innenwandung des Ansaugsystems trifft, da die Wandtemperatur in der Regel unterhalb der Tautemperatur der relevanten gasförmigen Komponenten liegt.
Kondensat und Kondensattröpfchen sind unerwünscht und führen zu einer erhöhten Geräuschemission im Ansaugsystem, gegebenenfalls zur Beschädigung der Laufschaufeln eines im Ansaugsystem angeordneten Verdichterlaufrades eines Laders bzw. eines Abgasturboladers. Letzteres ist mit einer Verminderung des Wirkungsgrades des Verdichters verbunden.
Auch hinsichtlich der Problematik der vorstehend beschriebenen Kondensatbildung kann ein AGR-Kühler zielführend bzw. hilfreich sein. Die Kühlung des rückzuführenden Abgases im Rahmen der Rückführung hat den vorteilhaften Effekt, dass sich das Kondensat nicht erst im Ansaugsystem, sondern bereits beim Rückführen bildet und im Rahmen der Rückführung abgeschieden werden kann.
Nachteilig an den AGR-Kühlern nach dem Stand der Technik ist, dass die Abgasenergie, d. h. die dem Abgas im Kühler mittels Kühlmittel entzogene Wärme, prinzipbedingt nur anfällt und nutzbar ist, wenn Abgas zurückgeführt wird. Ist die Abgasrückführung deaktiviert, so dass kein Abgas zurückgeführt wird, bleibt die Abgasenergie des heißen Abgases nach dem Stand der Technik ungenutzt. Könnte diese Abgasenergie genutzt werden, ließen sich weitere Wirkungsgradvorteile bei der Brennkraftmaschine erzielen.
Die Energie des heißen Abgases könnte beispielsweise genutzt werden, um die Reibleistung und damit den Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine zu reduzieren. Hierbei könnte eine zügige Erwärmung des Motoröls mittels Abgaswärme, insbesondere nach einem Kaltstart, zielführend sein. Eine schnelle Erwärmung des Motoröls während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine sorgt für eine entsprechend schnelle Abnahme der Viskosität des Öls und damit für eine Verringerung der Reibung bzw. Reibleistung, insbesondere in den mit Öl versorgten Lagern, beispielsweise den Lagern der Kurbelwelle.
Das Öl könnte beispielsweise mittels Heizvorrichtung aktiv erwärmt werden. Ein kühlmittelbetriebener Ölkühler kann dazu in der Warmlaufphase zweckentfremdet und zum Erwärmen des Öls genutzt werden.
Grundsätzlich kann einer schnellen Erwärmung des Motoröls zur Reduzierung der Reibleistung auch Vorschub geleistet werden durch eine schnelle Aufheizung der Brennkraftmaschine selbst, die wiederum dadurch unterstützt, d. h. forciert, wird, dass der Brennkraftmaschine während der Warmlaufphase möglichst wenig Wärme entzogen wird.
Insofern kann es bei einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine auch zielführend sein, dem Kühlmittel der Motorkühlung Wärme zu zuführen, insbesondere in der Warmlaufphase bzw. nach einem Kaltstart. Zur Erwärmung des Kühlmittels der Motorkühlung könnte die Abgasenergie genutzt werden.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, bei der sich die Abgasenergie effektiver nutzen lässt als nach Stand der Technik und die hinsichtlich des Wirkungsgrades weiter verbessert ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Brennkraftmaschine mit

– mindestens einem Zylinder,
– einem Ansaugsystem zur Versorgung des mindestens einen Zylinders mit Ladeluft,
– einem Abgasabführsystem zur Abführung der Abgase, und
– einer Abgasrückführung, die eine Rückführleitung umfasst, welche unter Ausbildung eines Knotenpunktes von dem Abgasabführsystem abzweigt und in das Ansaugsystem mündet, wobei in der Rückführleitung ein Kühler vorgesehen ist, der einen Kühlmittel führenden Kern aufweist, welcher in einen ersten Kühlmittelkreislauf eingebunden ist und der Wärmeübertragung zwischen Abgas und Kühlmittel dient, und die dadurch gekennzeichnet ist, dass
– der Kühler im Bereich des Kerns in das Abgasabführsystem hineinragt, und
– mindestens ein Kühlmittel führender Kühlmittelmantel im Kühler vorgesehen ist, der zwischen dem Kühlmittel führenden Kern und dem Abgas führenden Abgasabführsystem angeordnet und in einen zweiten Kühlmittelkreislauf eingebunden ist, wobei der mindestens eine Kühlmittelmantel zur Ausbildung des zweiten Kühlmittelkreislaufs über eine Abführleitung zum Abführen des Kühlmittels und eine Zuführleitung zum Zuführen des Kühlmittels verfügt.

Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ragt der AGR-Kühler im Bereich des Kerns in das Abgasabführsystem hinein, so dass der Kühlmittel führende Kern zumindest bereichsweise von heißem Abgas umströmt bzw. mit heißem Abgas beaufschlagt wird und zwar auch dann, wenn die Abgasrückführung deaktiviert ist und gar kein Abgas zurückgeführt wird. Dies hat den vorteilhaften Effekt, dass die Abgasenergie des heißen Abgases jederzeit genutzt werden kann, d. h. nutzbar ist.
Die Abgasenergie kann beispielsweise in der Warmlaufphase bzw. nach einem Kaltstart genutzt werden, um das Motoröl der Brennkraftmaschine zu erwärmen und damit die Reibleistung der Brennkraftmaschine zu mindern. Bei einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine kann die Abgasenergie genutzt werden, um das Kühlmittel der Motorkühlung zu erwärmen und damit die Aufheizung der Brennkraftmaschine zu beschleunigen. Beide Maßnahmen verbessern bzw. erhöhen den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine.
Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang auch, dass nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine gemäß dem Stand der Technik regelmäßig kein Abgas zurückgeführt wird, da sich beim Einleiten des rückgeführten Abgases in das noch kalte Ansaugsystem unvermeidbar und besonders viel Kondensat bilden würde. Folglich kann die Abgasenergie des heißen Abgases insbesondere nach einem Kaltstart nicht genutzt werden, obwohl gerade nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine Bedarf besteht, das Motoröl bzw. die Brennkraftmaschine gezielt zu erwärmen.
Im Gegensatz dazu kann die Abgasenergie des heißen Abgases erfindungsgemäß auch bei deaktivierter Abgasrückführung genutzt werden und zwar aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung des AGR-Kühlers im Abgasabführsystem der Brennkraftmaschine. Auch bei deaktivierter Abgasrückführung kann Wärme vom Abgas auf das Kühlmittel des Kerns übertragen werden, wobei das durch den Kühler strömende bzw. zirkulierende Kühlmittel die Wärme aus dem Inneren des Kühlers abführt und einer vorgebbaren Verwendung zuführt, wodurch der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine erhöht wird. Insoweit lässt sich die Abgasenergie, die dem Abgas des Abgasabführsystems immanent ist, nach dem Stand der Technik nicht, aber erfindungsgemäß nutzen. Der kühlmittelführende Kern des Kühlers gehört zu einem ersten Kühlmittelkreislauf, d. h. der Kern ist in diesen ersten Kühlmittelkreislauf eingebunden. Vorzugsweise ist der erste Kühlmittelkreislauf Teil der Motorkühlung, soweit die Brennkraftmaschine mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet ist.
Zwischen dem Kühlmittel führenden Kern und dem Abgas führenden Abgasabführsystem ist im Kühler mindestens ein Kühlmittelmantel eines zweiten Kühlmittelkreislaufs angeordnet, der sowohl mit Kühlmittel befüllt als auch von Kühlmittel befreit, d. h. entleert werden kann. Der mindestens eine Kühlmittelmantel ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung als zwischen dem Kern und dem Abgasabführsystem liegend bzw. angeordnet anzusehen, falls eine virtuelle Verbindungslinie, die den Kern mit dem Abgasabführsystem auf kürzestem Wege verbindet, den mindestens einen Kühlmittelmantel durchdringt.
Der mindestens eine Kühlmittelmantel hat primär die Aufgabe, den Kühlmittel führenden Kern und das Abgas führende Abgasabführsystem wärmetechnisch miteinander zu koppeln bzw. wärmetechnisch voneinander zu trennen, d. h. zu entkoppeln.
Ein mit Kühlmittel befüllter Kühlmittelmantel dient als Wärmebrücke, so dass Wärme vom Abgas via dem im Kühlmittelmantel befindlichen Kühlmittel in das Kühlmittel des Kerns übertragen wird bzw. werden kann. Der Kühler wird bei deaktivierter Abgasrückführung aktiviert, so dass Kühlmittel durch den Kern strömt bzw. geführt wird und die vom Kühlmittel des ersten Kühlmittelkreislaufs im Kern aufgenommene Wärme einer vorgebbaren Verwendung zugeführt werden kann. Vorzugsweise zirkuliert das im Kühlmittelmantel befindliche Kühlmittel dabei nicht im zweiten Kühlmittelkreislauf, sondern ruht. Das Kühlmittel steht im Kühlmittelmantel bzw. im zweiten Kühlmittelkreislauf, da es nicht dem Wärmetransport mittels Kühlmittelzirkulation, sondern der Wärmeleitung dient, nämlich der Wärmeleitung vom Abgas in das Kühlmittel des Kerns. Sollte dabei allerdings die Gefahr einer Überhitzung des Kühlmittels bestehen, die eine Verdampfung von Kühlmittel zur Folge haben kann, kann es notwendig sein bzw. werden, das Kühlmittel im zweiten Kühlmittelkreislauf zirkulieren zu lassen, um die in das Kühlmittel eingebrachte Wärme an anderer Stelle wieder zu entziehen, d. h. abzuführen.
Ein von Kühlmittel befreiter, d. h. zumindest teilweise entleerter Kühlmittelmantel fungiert als Wärmebarriere, welche die Wärmeübertragung vom Abgas in das Kühlmittel des Kerns erschwert bzw. verhindert. Es kann sinnvoll sein, den Wärmeeintrag in das Kühlmittel des Kerns zu blockieren bzw. zu erschweren, damit keine Wärme in den ersten Kühlmittelkreislauf, beispielsweise die Flüssigkeitskühlung der Brennkraftmaschine, eingetragen wird. Dies bietet sich an, falls die Flüssigkeitskühlung der Brennkraftmaschine bereits stark beansprucht ist, beispielsweise bei Volllast.
Der mindestens eine Kühlmittelmantel verfügt über eine Abführleitung zum Abführen des Kühlmittels und eine Zuführleitung zum Zuführen des Kühlmittels.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine löst die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, nämlich eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, bei der sich die Abgasenergie effektiver nutzen lässt als nach Stand der Technik und die hinsichtlich des Wirkungsgrades weiter verbessert ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der erste Kühlmittelkreislauf und der zweite Kühlmittelkreislauf fluidisch – vorzugsweise dauerhaft – voneinander getrennt sind.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Aufladung vorgesehen ist. Es wird Bezug genommen auf die im Zusammenhang mit der Aufladung bereits genannten Vorteile und gemachten Ausführungen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst.
Vorliegend wird für die Aufladung ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind. Der heiße Abgasstrom wird der Turbine zugeführt und entspannt sich unter Energieabgabe in der Turbine, wodurch die Welle in Drehung versetzt. Die vom Abgasstrom an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird. Vorteilhafterweise wird ein Ladeluftkühler stromabwärts des Verdichters im Ansaugsystem vorgesehen, mit dem die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in den mindestens einen Zylinder gekühlt wird. Der Kühler senkt die Temperatur und steigert damit die Dichte der Ladeluft, so dass auch der Kühler zu einer besseren Füllung der Zylinder, d. h. zu einer größeren Luftmasse, beiträgt. Es erfolgt gewissermaßen eine Verdichtung durch Kühlung.
Der Vorteil eines Abgasturboladers beispielsweise im Vergleich zu einem mechanischen Lader besteht darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine erforderlich ist. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie unmittelbar von der Brennkraftmaschine bezieht, die verfügbare Leistung also mindert und damit den Wirkungsgrad nachteilig beeinflusst, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase.
Um einem Drehmomentabfall bei niedrigen Drehzahlen entgegen wirken zu können, sind besonders Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen mindestens zwei Abgasturbolader vorgesehen sind. Wird die Motorendrehzahl nämlich verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis. Dies hat zur Folge, dass zu niedrigeren Drehzahlen hin das Ladedruckverhältnis ebenfalls abnimmt, was gleichbedeutend ist mit einem Drehmomentabfall.
Durch Einsatz mehrerer Abgasturbolader, beispielsweise mehrerer in Reihe oder parallel geschalteter Abgasturbolader, kann die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine spürbar verbessert werden.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Rückführleitung stromabwärts des Verdichters in das Ansaugsystem mündet.
Bei einer sogenannten Hochdruck-AGR wird das Abgas stromabwärts des Verdichters in das Ansaugsystem eingebracht. Um das für eine Rückführung erforderliche Druckgefälle zwischen dem Abgasabführsystem und dem Ansaugsystem bereitzustellen bzw. sicherzustellen, wird das Abgas vorzugsweise und regelmäßig stromaufwärts der zugehörigen Turbine aus dem Abgasabführsystem entnommen. Die Hochdruck-AGR hat den Vorteil, dass das Abgas den Verdichter nicht passiert und daher vor der Rückführung keiner Abgasnachbehandlung, beispielsweise in einem Partikelfilter, unterzogen werden muss. Ablagerungen im Verdichter, welche die Geometrie des Verdichters, insbesondere die Strömungsquerschnitte, verändern und auf diese Weise den Wirkungsgrad des Verdichters verschlechtern, sind nicht zu befürchten. Eine Kondensatbildung erfolgt – wenn überhaupt – stromabwärts des Verdichters, der die ihm zugeführte Ladeluft im Rahmen der Kompression auch erhitzt und einer Kondensatbildung auf diese Weise vorbeugt bzw. entgegen wirkt.
Vorteilhaft können in diesem Zusammenhang auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen die Rückführleitung stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem mündet.
Beim Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung und gleichzeitiger Verwendung einer Hochdruck-AGR kann sich ein Konflikt ergeben, wenn das rückgeführte Abgas stromaufwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem entnommen wird und zum Antrieb der Turbine nicht mehr zur Verfügung steht.
Bei einer Steigerung der Abgasrückführrate nimmt der in die Turbine eingeleitete Abgasstrom gleichzeitig ab. Der verminderte Abgasmassenstrom durch die Turbine bedingt ein kleineres Turbinendruckverhältnis, wodurch das Ladedruckverhältnis ebenfalls abnimmt, was gleichbedeutend ist mit einem kleineren Verdichtermassenstrom. Neben dem abnehmenden Ladedruck können sich zusätzlich Probleme beim Betrieb des Verdichters hinsichtlich der Pumpgrenze einstellen. Nachteile können sich auch bei den Schadstoffemissionen ergeben, beispielsweise hinsichtlich der Rußbildung bei Dieselmotoren während einer Beschleunigung.
Aus diesem Grunde sind Konzepte erforderlich, die ausreichend hohe Ladedrücke bei gleichzeitig hohen Abgasrückführraten sicherstellen. Einen Lösungsansatz bietet die sogenannte Niederdruck-AGR, mit der Abgas in das Ansaugsystem zurückgeführt wird, welches die Turbine bereits durchströmt hat. Hierzu umfasst die Niederdruck-AGR eine Rückführleitung, die stromabwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem abzweigt. Die Rückführleitung mündet vorzugsweise stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem, um das für eine Rückführung erforderliche Druckgefälle zwischen dem Abgasabführsystem und dem Ansaugsystem realisieren zu können.
Zur Generierung des erforderlichen Druckgefälles kann auch ein Absperrelement im Abgasabführsystem vorgesehen werden, um das Abgas zu stauen und den Abgasdruck zu erhöhen, und/oder ein Absperrelement im Ansaugsystem vorgesehen werden, um einlassseitig den Druck stromaufwärts des Verdichters zu senken. Beide Maßnahmen sind energetisch nachteilig. Insbesondere die einlassseitige Drosselung der Ladeluft stromaufwärts des Verdichters muss mit Blick auf die Aufladung der Brennkraftmaschine als nachteilig angesehen werden.
Das mittels Niederdruck-AGR rückgeführte Abgas wird stromaufwärts des Verdichters mit Frischluft gemischt. Die auf diese Weise erzeugte Mischung aus Frischluft und rückgeführtem Abgas bildet die Ladeluft, die dem Verdichter zugeführt und verdichtet wird, wobei die komprimierte Ladeluft vorzugsweise stromabwärts des Verdichters in einem Ladeluftkühler gekühlt wird.
Da Abgas durch den Verdichter hindurchgeführt wird, wird das Abgas stromabwärts der Turbine vorzugsweise einer Abgasnachbehandlung unterzogen. Die Niederdruck-AGR kann auch mit einer Hochdruck-AGR kombiniert werden.
Vorteilhaft können aus den bereits genannten Gründen somit Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen die Rückführleitung stromaufwärts der Turbine unter Ausbildung des Knotenpunktes vom Abgasabführsystem abzweigt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Turbine eines vorgesehenen Abgasturboladers eine variable Turbinengeometrie aufweist, die eine weitergehende Anpassung an den Betrieb der Brennkraftmaschine durch Verstellen der Turbinengeometrie bzw. des wirksamen Turbinenquerschnittes gestattet. Dabei sind im Eintrittsbereich der Turbine verstellbare Leitschaufeln zur Beeinflussung der Strömungsrichtung angeordnet. Im Gegensatz zu den Laufschaufeln des umlaufenden Laufrades rotieren die Leitschaufeln nicht mit der Welle der Turbine.
Verfügt die Turbine über eine feste unveränderliche Geometrie, sind die Leitschaufeln nicht nur stationär, sondern zudem völlig unbeweglich im Eintrittsbereich angeordnet, d. h. starr fixiert, falls überhaupt eine Leiteinrichtung vorgesehen ist. Bei einer variablen Geometrie hingegen sind die Leitschaufeln zwar stationär angeordnet, aber nicht völlig unbeweglich, sondern um ihre Achse drehbar, so dass auf die Anströmung der Laufschaufeln Einfluss genommen werden kann.
Durch Verstellen der Turbinengeometrie kann Einfluss genommen werden auf den Abgasdruck stromaufwärts der Turbine, damit auf das Druckgefälle zwischen Abgasabführsystem und Ansaugsystem und somit auf die Rückführrate der Hochdruck-AGR.
Vorteilhaft können ebenfalls aus bereits genannten Gründen Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen die Rückführleitung stromabwärts der Turbine unter Ausbildung des Knotenpunktes vom Abgasabführsystem abzweigt.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen ein Behältnis zur Bevorratung des Kühlmittels des zweiten Kühlmittelkreislaufs vorgesehen ist, welches via Abführleitung und via Zuführleitung mit dem mindestens einen Kühlmittelmantel des zweiten Kühlmittelkreislaufs zumindest verbindbar ist.
Wird der Kühlmittelmantel von Kühlmittel befreit, d. h. zumindest teilweise via Abführleitung entleert, kann das Kühlmittel im Behältnis bevorratet werden; gegebenenfalls auch entlüftet werden. Wird der Kühlmittelmantel nicht mehr als Wärmebarriere benötigt oder soll ein mit Kühlmittel befüllter Kühlmittelmantel die Wärmeübertragung vom Abgas in das Kühlmittel als Wärmebrücke erleichtern bzw. ermöglichen, wird der Kühlmittelmantel via Zuführleitung mit Kühlmittel aus dem Behältnis befüllt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen in der Abführleitung ein erstes Absperrelement angeordnet ist. Das geöffnete erste Absperrelement ermöglicht das Entleeren des mindestens einen Kühlmittelmantels, d. h. das Abführen von Kühlmittel. Ein verschlossenes erstes Absperrelement verhindert ein Ablaufen von Kühlmittel in das Behältnis und ein Zirkulieren von Kühlmittel im zweiten Kühlmittelkreislauf via dem Behältnis.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen in der Zuführleitung ein zweites Absperrelement angeordnet ist. Das geöffnete zweite Absperrelement ermöglicht ein Befüllen des mindestens einen Kühlmittelmantels mit Kühlmittel aus dem Behältnis, d. h. das Zuführen von Kühlmittel.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen im zweiten Kühlmittelkreislauf eine Pumpe zur Förderung des Kühlmittels vorgesehen ist. Die Pumpe kann zum Entleeren des mindestens einen Kühlmittelmantels bzw. zum Füllen des mindestens einen Kühlmittelmantels aktiviert und verwendet werden. Die Pumpe kann auch dazu dienen, das Kühlmittel im zweiten Kühlmittelkreislauf zirkulieren zu lassen. Letzteres sollte aus energetischen Gründen nur dann erfolgen, falls ein akuter Bedarf besteht.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Pumpe in der Abführleitung angeordnet ist.
Ist ein Behältnis zur Bevorratung des Kühlmittels des zweiten Kühlmittelkreislaufs vorgesehen, sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen eine Bypassleitung zur Umgehung des Behältnisses vorgesehen ist, die von der Abführleitung abzweigt und in die Zuführleitung mündet.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen in der Bypassleitung ein Wärmetauscher angeordnet ist, welcher der Wärmeabfuhr aus dem Kühlmittel dient.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Wärmetauscher ein Radiator ist, der dem Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreislaufs durch Zuführen von Luft Wärme infolge Konvektion entzieht. Vorteilhafterweise ist der Radiator mit einem leistungsstarken Gebläse zur Unterstützung der Luftkühlung bzw. des Wärmeübergangs infolge Konvektion ausgestattet.
Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen der Wärmetauscher ein kühlmittelbetriebener Wärmetauscher ist, der dem Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreislaufs unter Verwendung einer Flüssigkeit Wärme entzieht, wobei die Wärme vom Kühlmittel in die Flüssigkeit eingebracht wird.
Als Flüssigkeit für den kühlmittelbetriebenen Wärmetauscher kann auch das Kühlmittel des ersten Kühlmittelkreislaufs dienen bzw. verwendet werden. Dann sind die Kühlmittelkreisläufe, d. h. der erste Kühlmittelkreislauf und der zweite Kühlmittelkreislauf, wärmetechnisch nochmals miteinander verbunden, d. h. gekoppelt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen in der Bypassleitung ein drittes Absperrelement stromaufwärts des Wärmetauschers angeordnet ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen in der Bypassleitung ein viertes Absperrelement stromabwärts des Wärmetauschers angeordnet ist.
Das Öffnen des dritten und vierten Absperrelements dient der Freigabe der Bypassleitung, falls das Kühlmittel des zweiten Kühlmittelkreislaufs zirkulieren und den mindestens einen Kühlmittelmantel durchströmen soll. Dabei sind das erste und zweite Absperrelement geschlossen. Die Bypassleitung zweigt vorzugsweise stromaufwärts des ersten Absperrelementes von der Abführleitung ab und mündet vorzugsweise stromabwärts des zweiten Absperrelementes in die Zuführleitung.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen stromaufwärts des Knotenpunktes mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem im Abgasabführsystem vorgesehen ist, insbesondere falls das rückgeführte Abgas ansaugseitig durch einen Verdichter hindurchgeführt wird.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen zur Nachbehandlung des Abgases ein Partikelfilter als Abgasnachbehandlungssystem vorgesehen ist.
Zur Minimierung der Rußemission wird vorliegend ein regenerativer Partikelfilter eingesetzt, der die Rußpartikel aus dem Abgas herausfiltert und speichert, wobei diese Rußpartikel im Rahmen der Regeneration des Filters intermittierend verbrannt werden. Die zur Regeneration des Partikelfilters erforderlichen Temperaturen liegen bei nicht vorhandener katalytischer Unterstützung bei etwa 550°C. Regelmäßig wird daher auf zusätzliche Maßnahmen zurückgegriffen, um eine Regeneration des Filters unter allen Betriebsbedingungen zu gewährleisten.
Die Regeneration des Filters trägt Wärme in das Abgas ein und erhöht die Abgastemperatur und damit die Abgasenthalpie. Am Austritt des Filters steht somit ein energiereiches Abgas zur Verfügung, das in der erfindungsgemäßen Weise genutzt werden kann.
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen zur Nachbehandlung des Abgases ein Oxidationskatalysator als Abgasnachbehandlungssystem vorgesehen ist.
Zwar findet auch ohne zusätzliche Maßnahmen bei einem ausreichend hohen Temperaturniveau und dem Vorhandensein genügend großer Sauerstoffmengen eine Oxidation der unverbrannten Kohlenwasserstoffe und von Kohlenmonoxid im Abgasabführsystem statt. Diese Reaktionen kommen aber aufgrund der stromabwärts schnell abnehmenden Abgastemperatur und der infolgedessen rapide sinkenden Reaktionsgeschwindigkeit schnell zum Erliegen. Daher kommen katalytische Reaktoren zum Einsatz, die unter Verwendung katalytischer Materialien eine Oxidation auch bei niedrigen Temperaturen sicherstellen. Sollen zusätzlich Stickoxide reduziert werden, kann dies beim Ottomotor durch den Einsatz eines Dreiwegkatalysators erreicht werden.
Die Oxidation ist eine exotherme Reaktion, wobei die freigesetzte Wärme die Temperatur und damit die Enthalpie des Abgases erhöht. Am Austritt des Oxidationskatalysators steht somit ein energiereicheres Abgas zur Verfügung. Insofern ist das Vorsehen eines Oxidationskatalysators insbesondere auch im Hinblick auf die erfindungsgemäße Nutzung der Abgasenergie sinnvoll und vorteilhaft.
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen zur Nachbehandlung des Abgases ein Speicherkatalysator als Abgasnachbehandlungssystem vorgesehen ist.
Zur Reduzierung der Stickoxide können selektive Katalysatoren eingesetzt werden, bei denen gezielt Reduktionsmittel in das Abgas eingebracht wird, um die Stickoxide selektiv zu vermindern. Als Reduktionsmittel kommen neben Ammoniak und Harnstoff auch unverbrannte Kohlenwasserstoffe zum Einsatz.
Die Stickoxidemissionen können auch mit Speicherkatalysatoren reduziert werden. Dabei werden die Stickoxide zunächst während eines mageren Betriebs der Brennkraftmaschine im Katalysator absorbiert, d. h. gesammelt und gespeichert, um dann während einer Regenerationsphase beispielsweise mittels eines unterstöchiometrischen Betriebs der Brennkraftmaschine bei Sauerstoffmangel freigesetzt und reduziert zu werden.
Der im Abgas enthaltene Schwefel wird ebenfalls im Speicherkatalysator absorbiert und muss im Rahmen einer sogenannten Entschwefelung regelmäßig entfernt werden. Hierfür sind Temperaturen zwischen 600°C und 700°C erforderlich.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Abgasrückführung mit einem Absperrelement ausgestattet ist, das als AGR-Ventil fungiert und der Einstellung der Rückführrate, d. h. der rückgeführten Abgasmenge dient.
Die Verwendung eines Kombiventils gestattet die Bemessung der rückgeführten Abgasmenge und gleichzeitig die Drosselung der angesaugten Frischluftmenge.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Absperrelement stromabwärts des Kühlers in der Rückführleitung angeordnet ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Bypassleitung zur Umgehung des Kühlers vorgesehen ist, die den AGR-Kühler überbrückt und mit der das via Abgasrückführung rückgeführte Abgas bei Umgehung des Kühlers in das Ansaugsystem eingeleitet werden kann.
Es kann sinnvoll sein, den AGR-Kühler zu überbrücken, beispielsweise um zu vermeiden, dass zusätzlich Wärme in die Flüssigkeitskühlung der Brennkraftmaschine eingetragen wird. Eine derartige Vorgehensweise bietet sich an, falls die Flüssigkeitskühlung der Brennkraftmaschine bereits stark beansprucht ist, beispielsweise bei Volllast. Wird die Abgasrückführung im Rahmen einer Motorbremse genutzt, ist es ebenfalls sinnvoll, das heiße Abgas ungekühlt zurückzuführen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen zur Ausbildung einer Motorkühlung eine Flüssigkeitskühlung vorgesehen ist.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinderkopf der Brennkraftmaschine zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit mindestens einem im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist.
Eine Flüssigkeitskühlung erweist sich insbesondere bei aufgeladenen Motoren als vorteilhaft, da die thermische Belastung aufgeladener Motoren im Vergleich zu herkömmlichen Brennkraftmaschinen deutlich höher ist. Verfügt der Zylinderkopf über einen integrierten Abgaskrümmer ist dieser thermisch höher belastet als ein herkömmlicher Zylinderkopf, der mit einem externen Krümmer ausgestattet ist. Es werden erhöhte Anforderungen an die Kühlung gestellt.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Flüssigkeitskühlung den ersten Kühlmittelkreislauf umfasst, in welchem der Kühler angeordnet ist.
Ist der AGR-Kühler in den Kühlkreislauf der Motorkühlung eingebunden, müssen viele zur Ausbildung eines Kreislaufs erforderlichen Bauteile und Aggregate grundsätzlich nur in einfacher Ausfertigung vorgesehen werden, da diese sowohl für den Kühlkreislauf des AGR-Kühlers als auch für den der Motorkühlung verwendet werden können, was zu Synergien und Kosteneinsparungen führt, aber auch eine Gewichtsersparnis mit sich bringt.
So werden vorzugsweise nur eine Pumpe zur Förderung des Kühlmittels und ein Behältnis zur Bevorratung des Kühlmittels vorgesehen. Die von der Brennkraftmaschine und im AGR-Kühler an das Kühlmittel abgegebene Wärme kann dem Kühlmittel in einem gemeinsamen Wärmetauscher entzogen werden.
Die vom Kühlmittel im AGR-Kühler aufgenommene Abgasenergie bzw. Abgaswärme lässt sich auf diese Weise ebenfalls einfacher nutzen, beispielsweise zur Erwärmung der Brennkraftmaschine bzw. des Motoröls.
Zum Betreiben einer Brennkraftmaschine einer zuvor beschriebenen Art wird

– der mindestens eine Kühlmittelmantel mit Kühlmittel befüllt, und
– der Kühler bei deaktivierter Abgasrückführung aktiviert, in der Art, dass Kühlmittel durch den Kern geführt wird, so dass Wärme vom Abgas via dem in dem mindestens einen Kühlmittelmantel befindlichen Kühlmittel in das Kühlmittel des Kerns übertragen wird.

Vorteilhaft ist es, den Kühler in der Warmlaufphase bzw. nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine zu aktivieren.
Insbesondere nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine besteht Bedarf, das Motoröl bzw. die Brennkraftmaschine gezielt zu erwärmen. Aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung des AGR-Kühlers im Abgasabführsystem der Brennkraftmaschine kann das heiße Abgas auch bei deaktivierter Abgasrückführung genutzt werden.
D. h. trotz deaktivierter Abgasrückführung in der Warmlaufphase kann Wärme vom Abgas auf das Kühlmittel des Kerns übertragen werden. Das durch den Kern strömende Kühlmittel führt die Wärme aus dem Inneren des Kühlers ab und einer vorgebbaren Verwendung zu.
Vorteilhaft ist es zudem, bei fehlendem Bedarf den mindestens einen Kühlmittelmantel durch Abführen des Kühlmittels zumindest teilweise zu entleeren, vorzugsweise weitestgehend zu entleeren.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1 schematisch ein Fragment des Abgasabführsystems einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine mitsamt Abgasrückführung und Kühlmittelkreisläufen.
1 zeigt schematisch ein Fragment des Abgasabführsystems 1 einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine mitsamt Abgasrückführung 2 und Kühlmittelkreisläufen 3b, 6b.
Die Brennkraftmaschine verfügt über ein Abgasabführsystem 1 zum Abführen der Abgase aus den Zylindern.
Die Brennkraftmaschine ist mit einer Abgasrückführung 2 ausgestattet. Zur Ausbildung der Abgasrückführung 2 ist eine Rückführleitung 2a vorgesehen, die unter Ausbildung eines Knotenpunktes 1a vom Abgasabführsystem 1 abzweigt und in das Ansaugsystem mündet und in der ein Kühler 3 angeordnet ist, der bei aktivierter Abgasrückführung 2 die Temperatur im heißen rückzuführenden Abgas senkt bevor das rückgeführte Abgas im Ansaugsystem mit Frischluft gemischt wird.
In der Rückführleitung 2a ist des Weiteren ein als AGR-Ventil 4 fungierendes Absperrelement 4 angeordnet, das der Einstellung der rückgeführten Abgasmenge dient. Die Abgasrückführung 2 verfügt optional über eine Bypassleitung zur Überbrückung des Kühlers 3 (nicht dargestellt).
Der Kühler 3 weist einen Austrittskonus 3d sowie einen Kühlmittel 3c führenden Kern 3a auf, wobei der Kern 3a in einen ersten Kühlmittelkreislauf 3b eingebunden ist und der durch den Kern 3a zirkulierende bzw. geführte Kühlmittelstrom 3c dem heißen Abgas Wärme entzieht. Die vom Abgas auf das Kühlmittel 3c übertragene Wärme wird einer vorgebbaren Verwendung zugeführt, d. h. die Abgasenergie wird nutzbar gemacht bzw. genutzt. Der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine wird dadurch erhöht.
Der Kühler 3 ragt im Bereich des Kerns 3a in das Abgasabführsystem 1 hinein, so dass der Kühlmittel 3c führende Kern 3a bereichsweise von heißem Abgas umströmt bzw. mit heißem Abgas beaufschlagt wird und zwar auch dann, wenn die Abgasrückführung 2 deaktiviert ist und gar kein Abgas zurückgeführt wird. Aufgrund dieser Anordnung des AGR-Kühlers 3 im Abgasabführsystem 1 kann das heiße Abgas auch bei deaktivierter Abgasrückführung 2 genutzt werden.
Die Anordnung des Kühlers 3 ermöglicht zudem das Weglassen eines Eintrittskonus, der nach dem Stand der Technik vorzusehen ist, um den kleinen Querschnitt der Rückführleitung 2a auf den größeren Querschnitt des Kerns 3a zu erweitern. Das Weglassen des Eintrittskonus ermöglicht eine kompakte Bauweise der Abgasrückführung 2 im Ganzen und ein dichtes Packaging im Motorraum.
Im Kühler 3 ist darüber hinaus ein Kühlmittel 6c führender Kühlmittelmantel 6a eines zweiten Kühlmittelkreislauf 6b vorgesehen, der zwischen dem Kühlmittel 3c führenden Kern 3a und dem Abgas führenden Abgasabführsystem 1 angeordnet ist. Zur Ausbildung des zweiten Kühlmittelkreislaufs 6b ist eine Abführleitung 6d zum Abführen des Kühlmittels 6c und eine Zuführleitung 6e zum Zuführen des Kühlmittels 6c vorgesehen sowie ein Behältnis 8 zur Bevorratung des Kühlmittels 6c, wobei das Behältnis 8 via Abführleitung 6d und via Zuführleitung 6e mit dem Kühlmittelmantel 6a verbindbar ist.
Der Kühlmittelmantel 6a soll den Kühlmittel 3c führenden Kern 3a und das Abgas führende Abgasabführsystem 1 wärmetechnisch miteinander koppeln bzw. voneinander trennen. Hierzu kann der Kühlmittelmantel 6a des zweiten Kühlmittelkreislaufs 6b entweder mit Kühlmittel 6c befüllt oder von Kühlmittel 6c befreit und entleert werden.
Ein mit Kühlmittel 6c befüllter Kühlmittelmantel 6a dient als Wärmebrücke dem Wärmeeintrag vom Abgas in das Kühlmittel 3c des Kerns 3a. Das im Kühlmittelmantel 6a befindliche Kühlmittel 6c zirkuliert dabei vorzugsweise nicht im zweiten Kühlmittelkreislauf 6b.
Ein von Kühlmittel 6c befreiter, d. h. zumindest teilweise entleerter Kühlmittelmantel 6a dient als Wärmebarriere, welche den Wärmeeintrag vom Abgas in das Kühlmittel 3c des Kerns 3a erschweren bzw. hemmen soll.
In der Abführleitung 6d ist ein erstes Absperrelement 7a und in der Zuführleitung 6e ein zweites Absperrelement 7b angeordnet. Ein Öffnen des ersten Absperrelementes 7a ermöglicht das Ablassen von Kühlmittel 6c in das Behältnis 8, d. h. ein Entleeren des Kühlmittelmantels 6a. Ein Verschließen des ersten Absperrelement 7a verhindert ein Ablaufen von Kühlmittel in das Behältnis 8 und ein Zirkulieren von Kühlmittel 6c im zweiten Kühlmittelkreislauf 6b via dem Behältnis 8. Das geöffnete zweite Absperrelement 7b ermöglicht ein Befüllen des Kühlmittelmantels 6a mit Kühlmittel 6c aus dem Behältnis 8.
Zur Förderung des Kühlmittels 6c im zweiten Kühlmittelkreislauf 6b ist eine Pumpe 9 in der Abführleitung 6d vorgesehen, die dem Entleeren bzw. dem Befüllen des Kühlmittelmantels 6a sowie dem Zirkulieren des Kühlmittels 6c im zweiten Kühlmittelkreislauf 6b dienen kann.
Vorliegend ist eine Bypassleitung 10 zur Umgehung des Behältnisses 8 vorgesehen, die zwischen der Pumpe 9 und dem ersten Absperrelement 7a von der Abführleitung 6d abzweigt und stromabwärts des zweiten Absperrelementes 7b in die Zuführleitung 6e mündet.
In der Bypassleitung 10 ist ein als Wärmetauscher 11 fungierender Radiator 11a angeordnet, der dem Kühlmittel 6c des zweiten Kühlmittelkreislaufs 6b durch Zuführen von Luft Wärme infolge Konvektion entzieht.
Sollte das im befüllten Kühlmittelmantel 6a befindliche Kühlmittel 6c überhitzen und die Gefahr einer Verdampfung von Kühlmittel 6c bestehen, kann das Kühlmittel 6c im zweiten Kühlmittelkreislauf 6b via Bypassleitung 10 zirkulieren, um die vom Abgas in das Kühlmittel 6c eingebrachte Wärme im Radiator 11a abzuführen. In der Bypassleitung 10 ist ein drittes Absperrelement 7c stromaufwärts und ein viertes Absperrelement 7d stromabwärts des Wärmetauschers 11 angeordnet. Das Öffnen des dritten und vierten Absperrelements 7c, 7d dient der Freigabe der Bypassleitung 10, falls das Kühlmittel 6c des zweiten Kühlmittelkreislaufs 6b zirkulieren und den Kühlmittelmantel 6a durchströmen soll. Das erste und zweite Absperrelement 7a, 7b sind dabei geschlossen.
Stromaufwärts des Knotenpunktes 1a ist zur Nachbehandlung des Abgases ein Partikelfilter 5a als Abgasnachbehandlungssystem 5 vorgesehen.
Bezugszeichenliste

1: Abgasabführsystem
1a: Knotenpunkt
2: Abgasrückführung
2a: Rückführleitung
3: Kühler, AGR-Kühler
3a: Kern des Kühlers
3b: erster Kühlmittelkreislauf
3c: Kühlmittel, Kühlmittelstrom
3d: Austrittsgehäuse, Austrittskonus
4: Absperrelement, AGR-Ventil
5: Abgasnachbehandlungssystem
5a: Partikelfilter
6a: Kühlmittelmantel
6b: zweiter Kühlmittelkreislauf
6c: Kühlmittel
6d: Abführleitung
6e: Zuführleitung
7a: erstes Absperrelement
7b: zweites Absperrelement
7c: drittes Absperrelement
7d: viertes Absperrelement
8: Behältnis
9: Pumpe
10: Bypassleitung
11: Wärmetauscher
11a: Radiator
AGR: Abgasrückführung
m_AGR: Masse an zurückgeführtem Abgas
m_Frischluft: Masse an zugeführter Frischluft bzw. Verbrennungsluft
x_AGR: Abgasrückführrate

Claims

Brennkraftmaschine mit – mindestens einem Zylinder, – einem Ansaugsystem zur Versorgung des mindestens einen Zylinders mit Ladeluft, – einem Abgasabführsystem (1) zur Abführung der Abgase, und – einer Abgasrückführung (2), die eine Rückführleitung (2a) umfasst, welche unter Ausbildung eines Knotenpunktes (1a) von dem Abgasabführsystem (1) abzweigt und in das Ansaugsystem mündet, wobei in der Rückführleitung (2a) ein Kühler (3) vorgesehen ist, der einen Kühlmittel (3c) führenden Kern (3a) aufweist, welcher in einen ersten Kühlmittelkreislauf (3b) eingebunden ist und der Wärmeübertragung zwischen Abgas und Kühlmittel (3c) dient, dadurch gekennzeichnet, dass – der Kühler (3) im Bereich des Kerns (3a) in das Abgasabführsystem (1) hineinragt, und – mindestens ein Kühlmittel (6c) führender Kühlmittelmantel (6a) im Kühler (3) vorgesehen ist, der zwischen dem Kühlmittel (3c) führenden Kern (3a) und dem Abgas führenden Abgasabführsystem (1) angeordnet und in einen zweiten Kühlmittelkreislauf (6b) eingebunden ist, wobei der mindestens eine Kühlmittelmantel (6a) zur Ausbildung des zweiten Kühlmittelkreislaufs (6b) über eine Abführleitung (6d) zum Abführen des Kühlmittels (6c) und eine Zuführleitung (6e) zum Zuführen des Kühlmittels (6c) verfügt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Behältnis (8) zur Bevorratung des Kühlmittels (6c) des zweiten Kühlmittelkreislaufs (6b) vorgesehen ist, welches via Abführleitung (6d) und via Zuführleitung (6e) mit dem mindestens einen Kühlmittelmantel (6a) des zweiten Kühlmittelkreislaufs (6b) zumindest verbindbar ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abführleitung (6d) ein erstes Absperrelement (7a) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zuführleitung (6e) ein zweites Absperrelement (7b) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Kühlmittelkreislauf (6b) eine Pumpe (9) zur Förderung des Kühlmittels (6c) vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (9) in der Abführleitung (6d) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bypassleitung (10) zur Umgehung des Behältnisses (8) vorgesehen ist, die von der Abführleitung (6d) abzweigt und in die Zuführleitung (6e) mündet.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Bypassleitung (10) ein Wärmetauscher (11) angeordnet ist, welcher der Wärmeabfuhr aus dem Kühlmittel (6c) dient.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Bypassleitung (10) ein drittes Absperrelement (7c) stromaufwärts des Wärmetauschers (11) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Bypassleitung (10) ein viertes Absperrelement (7d) stromabwärts des Wärmetauschers (11) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts des Knotenpunktes (1a) mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem (5) im Abgasabführsystem (1) vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Nachbehandlung des Abgases ein Partikelfilter (5a) als Abgasnachbehandlungssystem (5) vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Nachbehandlung des Abgases ein Oxidationskatalysator als Abgasnachbehandlungssystem (5) vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführung (2) mit einem Absperrelement (4) ausgestattet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrelement (4) stromabwärts des Kühlers (3) in der Rückführleitung (2a) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bypassleitung zur Umgehung des Kühlers (3) vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung einer Motorkühlung eine Flüssigkeitskühlung vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitskühlung den ersten Kühlmittelkreislauf (3b) umfasst, in welchem der Kühler (3) angeordnet ist.