DE202017104328U1

DE202017104328U1 - Aufgeladene Brennkraftmaschine mit Niederdruck-Abgasrückführung und Kondensatabscheidung

Info

Publication number: DE202017104328U1
Application number: DE202017104328.2U
Authority: DE
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2017-06-02
Filing date: 2017-07-20
Publication date: 2017-08-09
Anticipated expiration: 2027-07-21

Abstract

Aufgeladene Brennkraftmaschine mit – einem Ansaugsystem (1) zum Zuführen von Ladeluft, – einem Abgasabführsystem (2) zum Abführen von Abgas, – mindestens einem Abgasturbolader (3), der eine im Abgasabführsystem (2) angeordnete Turbine (3a) und einen im Ansaugsystem (1) angeordneten Verdichter (3b) umfasst, und – einer Abgasrückführung (4) umfassend eine Rückführleitung (4a), die vom Abgasabführsystem (2) stromabwärts der Turbine (3a) unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes (5a) abzweigt und stromaufwärts des Verdichters (3b) unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes (5b) in das Ansaugsystem (1) mündet, wobei in der Rückführleitung (4a) ein Kühler (6) und ein AGR-Ventil (7) zur Einstellung der rückgeführten Abgasmenge vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Entwässerungsleitung (8) vorgesehen ist, die von der Rückführleitung (4a) unter Ausbildung eines Entnahmepunktes (8a) abzweigt und stromabwärts des ersten Knotenpunktes (5a) in das Abgasabführsystem (2) unter Ausbildung eines Einleitpunktes (8b) mündet.

Description

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit

– einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft,
– einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas,
– mindestens einem Abgasturbolader, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst, und
– einer Abgasrückführung umfassend eine Rückführleitung, die vom Abgasabführsystem stromabwärts der Turbine unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes abzweigt und stromaufwärts des Verdichters unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes in das Ansaugsystem mündet, wobei in der Rückführleitung ein Kühler und ein AGR-Ventil zur Einstellung der rückgeführten Abgasmenge vorgesehen sind.

Eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch 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.
In den letzten Jahren hat sich eine Entwicklung hin zu aufgeladenen Motoren vollzogen, wobei die wirtschaftliche Bedeutung dieser Motoren für die Automobilbauindustrie weiter ständig zunimmt.
Die Aufladung ist in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung, bei dem die für den motorischen Verbrennungsprozess benötigte Luft verdichtet wird, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse 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 verringert, lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist.
Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Brennkraftmaschinen, 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.
Häufig 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 wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich 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 eine Verdichtung durch Kühlung.
Der Vorteil eines Abgasturboladers im Vergleich zu einem – mittels Hilfsantrieb antreibbaren – Lader besteht darin, dass ein Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase nutzt, während ein Lader die für seinen Antrieb erforderliche Energie direkt oder indirekt von der Brennkraftmaschine bezieht und damit, zumindest solange die Antriebsenergie nicht aus einer Energierückgewinnung stammt, den Wirkungsgrad nachteilig beeinflusst, d. h. mindert.
Falls es sich nicht um einen mittels Elektromaschine, d. h. elektrisch antreibbaren Lader handelt, ist regelmäßig eine mechanische bzw. kinematische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen dem Lader und der Brennkraftmaschine erforderlich, die auch das Packaging im Motorraum beeinflusst.
Der Vorteil eines Laders gegenüber einem Abgasturbolader besteht darin, dass der Lader stets den angeforderten Ladedruck generieren und zur Verfügung stellen kann und zwar unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine. Das gilt insbesondere für einen Lader, der mittels Elektromaschine elektrisch antreibbar und daher unabhängig von der Drehzahl der Kurbelwelle ist.
Nach dem Stand der Technik bereitet es nämlich Schwierigkeiten, die Leistung mittels Abgasturboaufladung in allen Drehzahlbereichen zu steigern. Es wird ein stärkerer Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet. Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis bzw. der Turbinenleistung abhängt. Wird die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis bzw. einer kleineren Turbinenleistung. Folglich nimmt das Ladedruckverhältnis zu niedrigeren Drehzahlen hin ebenfalls ab. Dies ist gleichbedeutend mit einem Drehmomentabfall.
Die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, verfügt zwecks Aufladung über mindestens einen Abgasturbolader, wobei weitere Verdichter vorgesehen werden können und zwar sowohl mittels Hilfsantrieb antreibbare Lader als auch Verdichter weiterer Abgasturbolader.
Bei gezielter Auslegung der Aufladung können nicht nur Vorteile beim Kraftstoffverbrauch, d. h. dem Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine, sondern auch 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 ohnehin ab.
Um zukünftige Grenzwerte für Schadstoffemissionen einhalten zu können, sind neben der Aufladung 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 niedrigen 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_Luft), wobei m_AGR die Masse an zurückgeführtem Abgas und m_Luft die zugeführte Luft bezeichnet. Der via Abgasrückführung bereitgestellte Sauerstoff ist gegebenenfalls zu berücksichtigen.
Um eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen zu erzielen, sind hohe Abgasrückführraten erforderlich, die in der Größenordnung von x_AGR ≈ 60% bis 70% und mehr liegen können. Derart hohe Rückführraten erfordern regelmäßig eine Kühlung des rückzuführenden Abgases.
Auch die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist mit mindestens einer Abgasrückführung ausgestattet, bei der die stromabwärts der Turbine unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes vom Abgasabführsystem abzweigende Rückführleitung unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem mündet. Bei dieser Abgasrückführung handelt es sich somit um eine Niederdruck-AGR, bei der Abgas auf die Einlassseite zurückgeführt wird, welches eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine bereits durchströmt hat. In der Rückführleitung sind ein Kühler und ein AGR-Ventil zur Einstellung der rückgeführten Abgasmenge vorgesehen.
Der Vorteil der Niederdruck-AGR gegenüber einer Hochdruck-AGR, bei der das rückzuführende Abgas stromaufwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem entnommen wird und zum Antrieb der Turbine nicht mehr zur Verfügung steht, ist, dass unabhängig von der momentanen Abgasrückführrate das gesamte Abgas der Brennkraftmaschine an der Turbine zur Verfügung steht für den einlassseitigen Ladedruckaufbau. Ein verminderter Abgasmassenstrom durch die Turbine bedingt nämlich ein kleineres Turbinendruckverhältnis und damit ein kleineres Ladedruckverhältnis, was gleichbedeutend ist mit einem kleineren Verdichtermassenstrom. Neben dem abnehmenden Ladedruck können sich zusätzliche Probleme beim Betrieb des Verdichters hinsichtlich der Pumpgrenze des Verdichters einstellen. Nachteile können sich auch bei den Schadstoffemissionen ergeben, beispielsweise hinsichtlich der Rußbildung bei Dieselmotoren während einer Beschleunigung.
Das mittels Niederdruck-AGR auf die Einlassseite zurückgeführte 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 stromabwärts des Verdichters vorzugsweise in einem Ladeluftkühler gekühlt wird.
Dabei ist es unschädlich, dass im Rahmen der Niederdruck-AGR Abgas durch den Verdichter hindurchgeführt wird, da in der Regel Abgas verwendet wird, welches stromabwärts der Turbine einer Abgasnachbehandlung, insbesondere im Partikelfilter, unterzogen wurde. Ablagerungen im Verdichter, welche die Geometrie des Verdichters, insbesondere die Strömungsquerschnitte, verändern und auf diese Weise den Wirkungsgrad des Verdichters verschlechtern, sind daher nicht zu befürchten.
Dennoch können sich bei zugeschalteter Abgasrückführung Probleme ergeben, wenn Abgas stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem eingeleitet wird. Es kann sich nämlich Kondensat bilden. Dabei sind mehrere Szenarien von Relevanz.
Zum einen kann sich Kondensat bilden, wenn rückgeführtes heißes Abgas 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 Ladelufttemperatur, liegt unterhalb der Abgastemperatur des rückgeführten Abgases. Im Rahmen der Abkühlung des Abgases können zuvor noch gasförmig im Abgas enthaltene Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, auskondensieren, wenn die Tautemperatur einer Komponente der gasförmigen Ladeluftströmung unterschritten wird.
Es kommt zu einer Kondensatbildung in der freien Ladeluftströmung, wobei häufig Verunreinigungen in der Ladeluft den Ausgangspunkt für die Bildung von Kondensattröpfchen bilden.
Zum anderen kann sich Kondensat bilden, wenn heißes Abgas bzw. die Ladeluft auf die Innenwandung des Ansaugsystems trifft, da die Wandtemperatur in der Regel unterhalb der Tautemperatur der relevanten gasförmigen Komponenten liegt.
Die Problematik der Kondensatbildung verschärft sich mit zunehmender Rückführrate, da mit der Zunahme der rückgeführten Abgasmenge die Anteile der einzelnen Abgaskomponenten in der Ladeluft zwangsläufig zunehmen, insbesondere der Anteil des im Abgas enthaltenen Wassers. Nach dem Stand der Technik wird daher die mittels Niederdruck-AGR rückgeführte Abgasmenge häufig begrenzt, um das Auskondensieren zu unterbinden bzw. zu vermindern. Die notwendige Begrenzung der Niederdruck-AGR einerseits und die für eine deutliche Absenkung der Stickoxidemissionen erforderlichen hohen Abgasrückführraten andererseits führen zu unterschiedlichen Zielsetzungen bei der Bemessung der rückgeführten Abgasmenge. Die gesetzlichen Anforderungen an die Reduzierung der Stickoxidemissionen verdeutlichen die hohe Relevanz dieses Problems für die Praxis.
Kondensat und Kondensattröpfchen sind unerwünscht und führen zu einer erhöhten Geräuschemission im Ansaugsystem, gegebenenfalls zur Beschädigung der Schaufeln des mindestens einen Verdichterlaufrades, d. h. des Verdichters. Letzteres ist mit einer Verminderung des Wirkungsgrades des Verdichters verbunden.
Im Rahmen der Abkühlung des rückzuführenden Abgases kann sich auskondensiertes Wasser in der Rückführleitung bzw. dem Kühler sammeln, insbesondere bei deaktivierter Abgasrückführung, d. h. geschlossenem AGR-Ventil, falls die Rückführleitung bzw. der Kühler mit Abgas beaufschlagt ist. Dieses Kondensat kann dann bei Aktivierung der Abgasrückführung in größeren Mengen und insbesondere schlagartig in das Ansaugsystem gelangen, wodurch nicht nur eine schwere Störung des Betriebs der Brennkraftmaschine, sondern auch eine irreversible Beschädigung, insbesondere des Verdichters, hervorgerufen werden kann.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich der Problematik der Kondensatbildung bei der Abgasrückführung verbessert ist, insbesondere in Bezug auf die Abscheidung bzw. Entsorgung des gebildeten Kondensats.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit
– einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft,
– einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas,
– mindestens einem Abgasturbolader, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst, und
– einer Abgasrückführung umfassend eine Rückführleitung, die vom Abgasabführsystem stromabwärts der Turbine unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes abzweigt und stromaufwärts des Verdichters unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes in das Ansaugsystem mündet, wobei in der Rückführleitung ein Kühler und ein AGR-Ventil zur Einstellung der rückgeführten Abgasmenge vorgesehen sind,
die dadurch gekennzeichnet ist, dass
– eine Entwässerungsleitung vorgesehen ist, die von der Rückführleitung unter Ausbildung eines Entnahmepunktes abzweigt und stromabwärts des ersten Knotenpunktes in das Abgasabführsystem unter Ausbildung eines Einleitpunktes mündet.
Die Abgasrückführung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist mit einer Entwässerungsleitung ausgestattet, die von der Rückführleitung unter Ausbildung eines Entnahmepunktes abzweigt und stromabwärts des ersten Knotenpunktes, an welchem die Rückführleitung vom Abgasabführsystem abzweigt, unter Ausbildung eines Einleitpunktes in das Abgasabführsystem mündet.
Die Entwässerungsleitung dient dem Abscheiden bzw. dem Entsorgen des in der Rückführleitung gebildeten bzw. befindlichen Kondensats, bevor das Kondensat bei aktivierter Abgasrückführung am zweiten Knotenpunkt stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem eingebracht werden kann und auf diese Weise in das Ansaugsystem gelangt.
Damit wird die Problematik der Kondensatbildung während der Abgasrückführung entschärft bzw. eliminiert. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine verstärken diesen Effekt noch wie im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erläutert wird.
Aus der Rückführleitung stammendes Kondensat gelangt nicht in das Ansaugsystem, so dass weder eine erhöhte Geräuschemission im Ansaugsystem noch eine Beschädigung, insbesondere der Laufradschaufeln des Verdichters, zu befürchten bzw. zu beobachten ist.
Eine geeignete Wahl des Entnahmepunktes, an welchem die Entwässerungsleitung von der Rückführleitung abzweigt, verhindert, dass bei deaktivierter Abgasrückführung in der Rückführleitung bzw. dem Kühler gesammeltes Kondensat beim Öffnen des AGR-Ventils, gegebenenfalls in größeren Mengen und schlagartig, in das Ansaugsystem gelangt. Eine dadurch hervorgerufene Störung des Betriebs der Brennkraftmaschine bzw. eine Beschädigung des Verdichters sind nicht zu befürchten.
Dadurch wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine aufgeladene Brennkraftmaschine bereitgestellt, die hinsichtlich der Problematik der Kondensatbildung bei der Abgasrückführung verbessert ist, insbesondere in Bezug auf die Abscheidung bzw. Entsorgung des gebildeten Kondensats.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das AGR-Ventil stromabwärts des Kühlers in der Rückführleitung angeordnet ist. Dann kann bei deaktivierter Abgasrückführung keine aus dem Ansaugsystem stammende Frischluft in den Kühler gelangen und den Kühler auskühlen, der vorliegend dauerhaft mit heißem Abgas beaufschlagt ist. Das geschlossene AGR-Ventil dient als Sperre gegen das Eindringen von kühler Frischluft, wobei der Kühler durch das Anordnen des AGR-Ventils stromabwärts des Kühlers dauerhaft mit dem Abgasabführsystem verbunden ist. Die dauerhafte Beaufschlagung des Kühlers sowie der Rückführleitung stromaufwärts des AGR-Ventils mit heißen Abgas heizt diesen Teil der Abgasrückführung auf, wodurch einer Kondensatbildung durch Wandkontakt entgegen gewirkt wird. Es wird sogar der Verdampfung von zuvor bereits gebildetem Kondensat Vorschub geleistet.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Entwässerungsleitung stromabwärts des Kühlers von der Rückführleitung unter Ausbildung eines Entnahmepunktes abzweigt.
Bei der Kühlung des rückzuführenden Abgases im Kühler kann im Abgas befindliches gasförmiges Wasser auskondensieren und sich als flüssiges Wasser im Kühler oder in der Rückführleitung stromabwärts des Kühlers sammeln. Um die Flüssigkeit abführen bzw. entsorgen zu können, erweist sich die vorstehende Ausführungsform, bei der die Entwässerungsleitung stromabwärts des Kühlers abzweigt, als vorteilhaft.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Entwässerungsleitung stromaufwärts des AGR-Ventils unter Ausbildung eines Entnahmepunktes von der Rückführleitung abzweigt.
Diese Ausführungsform gewährleistet, dass auch bei deaktivierter Abgasrückführung, d. h. geschlossenem AGR-Ventil, auskondensiertes Wasser via Entwässerungsleitung abgeführt bzw. entsorgt werden kann. Ist kein weiteres Absperrelement vorgesehen, insbesondere nicht in der Entwässerungsleitung angeordnet und geschlossen, wird die Entwässerungsleitung bei in Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine dauerhaft mit Abgas beaufschlagt, d. h. von Abgas durchströmt. Dies verhindert ein Auskühlen der Abgasrückführung stromaufwärts des AGR-Ventils und ein Auskühlen der Entwässerungsleitung sowie ein Ansammeln von Kondensat.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Entwässerungsleitung zwischen dem AGR-Ventil und dem Kühler unter Ausbildung eines Entnahmepunktes von der Rückführleitung abzweigt.
Diese Ausführungsform vereinigt die Vorteile der vorstehenden Ausführungsformen, falls das AGR-Ventil stromabwärts des Kühlers in der Rückführleitung angeordnet ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen in der Entwässerungsleitung ein Absperrelement angeordnet ist.
Das Absperrelement dient der Freigabe bzw. dem Versperren der Entwässerungsleitung. Eine freigegebene Entwässerungsleitung dient dem Abführen bzw. Entsorgen von auskondensiertem Wasser. Das Versperren der Entwässerungsleitung ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn das erforderliche treibende Druckgefälle über die Entwässerungsleitung nicht vorliegt.
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen in der Entwässerungsleitung kein Absperrelement angeordnet ist.
Ist kein Absperrelement in der Entwässerungsleitung angeordnet, wird die Entwässerungsleitung, falls diese stromaufwärts des AGR-Ventils von der Rückführleitung abzweigt, bei in Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine dauerhaft mit Abgas beaufschlagt und von Abgas durchströmt. Ein Auskühlen der Abgasrückführung sowie der Entwässerungsleitung und ein Ansammeln von Kondensat unterbleiben. Es sollten dann aber Maßnahmen getroffen werden, um das erforderliche treibende Druckgefälle über die Entwässerungsleitung zu gewährleisten, beispielsweise indem ein Druckgefälle im Abgasabführsystem zwischen dem ersten Knotenpunkt der Rückführleitung und dem Einleitpunkt der Entwässerungsleitung generiert wird.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen zwischen der Turbine und dem ersten Knotenpunkt mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem im Abgasabführsystem angeordnet ist.
Mittels Abgasrückführung wird vorzugsweise Abgas durch den Verdichter hindurchgeführt, das einer Abgasnachbehandlung, insbesondere in einem Partikelfilter, unterzogen wurde. Auf diese Weise können Ablagerungen im Verdichter, welche die Geometrie des Verdichters, insbesondere die Strömungsquerschnitte, verändern und den Wirkungsgrad des Verdichters verschlechtern, vermieden werden.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang daher auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen zwischen der Turbine und dem ersten Knotenpunkt ein Partikelfilter als Abgasnachbehandlungssystem im Abgasabführsystem angeordnet ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen zwischen dem ersten Knotenpunkt und dem Einleitpunkt mindestens ein drosselndes Element im Abgasabführsystem angeordnet ist.
Das drosselnde Element dient der Generierung eines Druckgefälles im Abgasabführsystem zwischen dem ersten Knotenpunkt und dem Einleitpunkt. Damit wird der Ausbildung eines treibenden Druckgefälles über die Entwässerungsleitung Vorschub geleistet, welches erforderlich ist, um Kondensat abführen bzw. entsorgen zu können. Dies kann besonders sinnvoll sein, falls kein Absperrelement in der Entwässerungsleitung angeordnet ist.
Das drosselnde Element dient aber auch der Generierung eines Druckgefälles zwischen dem Abgasabführsystem und dem Ansaugsystem, im Besonderen zwischen dem ersten Knotenpunkt und dem zweiten Knotenpunkt der Rückführleitung. Dieses Druckgefälle wird für die Abgasrückführung benötigt, insbesondere für höhere Abgasrückführraten.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang daher auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen zwischen dem ersten Knotenpunkt und dem Einleitpunkt ein Schalldämpfer als drosselndes Element im Abgasabführsystem angeordnet ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen im Ansaugsystem ein Drosselelement angeordnet ist.
Das Drosselelement kann beim Ottomotor zur Laststeuerung dienen. Durch Verstellen des Drosselelementes kann der Druck der angesaugten Luft hinter dem Drosselelement mehr oder weniger stark reduziert werden. Bei konstantem Brennraumvolumen kann auf diese Weise über den Druck der angesaugten Luft die Luftmasse, d. h. die Quantität eingestellt werden.
Beim Dieselmotor kann das Drosselelement verwendet werden, um beim Abschalten ein Schütteln des Dieselmotors zu mindern bzw. zu unterdrücken.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Drosselelement stromaufwärts des zweiten Knotenpunktes im Ansaugsystem angeordnet ist.
Auf diese Weise kann das Drosselelement bei der Generierung eines Druckgefälles zwischen dem ersten Knotenpunkt und dem zweiten Knotenpunkt der Rückführleitung mitwirken, welches als treibendes Druckgefälle für die Abgasrückführung benötigt wird.
Um die Drehmomentcharakteristik der aufgeladenen Brennkraftmaschine zu verbessern, kann es vorteilhaft sein, zwei oder mehr Abgasturbolader vorzusehen, beispielsweise mehrere in Reihe geschaltete Abgasturbolader. Durch das in Reihe Schalten von zwei Abgasturboladern, von denen ein Abgasturbolader als Hochdruckstufe und ein Abgasturbolader als Niederdruckstufe dient, kann das Verdichterkennfeld in vorteilhafter Weise aufgeweitet werden und zwar sowohl hin zu kleineren Verdichterströmen als auch hin zu größeren Verdichterströmen.
Insbesondere ist bei dem als Hochdruckstufe dienenden Abgasturbolader ein Verschieben der Pumpgrenze hin zu kleineren Verdichterströmen möglich, wodurch auch bei kleinen Verdichterströmen hohe Ladedruckverhältnisse erzielt werden können, was im unteren Drehzahlbereich die Drehmomentcharakteristik deutlich verbessert. Erreicht wird dies durch eine Auslegung der Hochdruckturbine auf kleine Abgasmassenströme und Vorsehen einer Bypassleitung, mit der bei zunehmendem Abgasmassenstrom zunehmend Abgas an der Hochdruckturbine vorbeigeführt wird.
Die Drehmomentcharakteristik kann des Weiteren durch mehrere parallel angeordnete Turbolader, d. h. durch mehrere parallel angeordnete Turbinen mit kleinerem Turbinenquerschnitt verbessert werden, wobei mit steigender Abgasmenge Turbinen sukzessive zugeschaltet werden.
Ein Verschieben der Pumpgrenze hin zu kleineren Ladeluftströmen ist auch bei parallel angeordneten Turboladern möglich, so dass bei kleinen Ladeluftmengen ausreichend hohe Ladedrücke bereitgestellt werden können, um auf diese Weise eine befriedigende Drehmomentcharakteristik der Brennkraftmaschine bei niedrigen Drehzahlen zu gewährleisten.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1 schematisch eine Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine.
1 zeigt schematisch eine Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine, die mit einem Abgasturbolader 3 ausgestattet ist. Der Abgasturbolader 3 umfasst eine im Abgasabführsystem 2 angeordnete Turbine 3a und einen im Ansaugsystem 1 angeordneten Verdichter 3b. Das heiße Abgas entspannt sich in der Turbine 3a unter Energieabgabe, wodurch die Welle des Abgasturboladers 3 in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine 3a und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters 3b genutzt. Der Verdichter 3b komprimiert die Ladeluft und führt die komprimierte Ladeluft via Ansaugsystem 1, in welchem zwecks Laststeuerung ein Drosselelement 10 angeordnet ist, den Zylindern zu, wodurch die Brennkraftmaschine aufgeladen wird.
Die Brennkraftmaschine ist mit einer Niederdruck-AGR 4 ausgestattet, bei der stromabwärts der Turbine 3a Abgas aus dem Abgasabführsystem 2 entnommen und stromaufwärts des Verdichters 3b in das Ansaugsystem 1 eingeleitet wird.
Diese Abgasrückführung 4 umfasst eine Rückführleitung 4a, die vom Abgasabführsystem 2 stromabwärts der Turbine 3a unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes 5a abzweigt und stromaufwärts des Verdichters 3b unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes 5b in das Ansaugsystem 1 mündet, wobei in der Rückführleitung 4a ein Kühler 6 und ein AGR-Ventil 7 zur Einstellung der rückgeführten Abgasmenge vorgesehen sind. Das AGR-Ventil 7 ist bei der in 1 dargestellten Ausführungsform stromabwärts des Kühlers 6 angeordnet.
Eine Entwässerungsleitung 8 zweigt zwischen dem AGR-Ventil 7 und dem Kühler 6 unter Ausbildung eines Entnahmepunktes 8a von der Rückführleitung 4a ab und mündet stromabwärts des ersten Knotenpunktes 5a unter Ausbildung eines Einleitpunktes 8b in das Abgasabführsystem 2.
Die Entwässerungsleitung 8 dient dem Abführen bzw. Entsorgen von Kondensat, insbesondere flüssigem Wasser, welches sich im Rahmen der Abgasrückführung 4 bzw. bei der Kühlung des rückzuführenden Abgases im Kühler 6 gebildet hat.
Infolge der Anordnung des AGR-Ventils 7 stromabwärts des Kühlers 6 sind der Kühler 6 und die Entwässerungsleitung 8 dauerhaft mit dem Abgasabführsystem 2 verbunden. Die dauerhafte Beaufschlagung des Kühlers 6 sowie der Rückführleitung 4 stromaufwärts des AGR-Ventils 7 mit heißen Abgas erwärmt diesen Teil der Abgasrückführung 4, wodurch einer Kondensatbildung sowie einem Ansammeln von gebildetem Kondensat entgegen gewirkt wird.
Zwischen dem ersten Knotenpunkt 5a und dem Einleitpunkt 8b ist ein Schalldämpfer 11a als drosselndes Element 11 im Abgasabführsystem 2 angeordnet, welches ein Druckgefälle im Abgasabführsystem 2 zwischen dem ersten Knotenpunkt 5a und dem Einleitpunkt 8b generiert. Dies dient der Ausbildung eines treibenden Druckgefälles über die Entwässerungsleitung 8 hinweg und damit der Kondensatabführung und ist vorliegend besonders vorteilhaft, da in der Entwässerungsleitung 8 gemäß 1 kein Absperrelement angeordnet ist.
Der Schalldämpfer 11a trägt aber auch zu einem Druckgefälle zwischen dem Abgasabführsystem 2 und dem Ansaugsystem 1 bei, welches für die Rückführung 4 heißer Abgase benötigt wird.
Ein Partikelfilter 9a, der als Abgasnachbehandlungssystem 9 zwischen der Turbine 3a und dem ersten Knotenpunkt 5a im Abgasabführsystem 2 angeordnet ist, reinigt das Abgas und sorgt dafür, dass kein unbehandeltes Abgas dem Verdichter 3b zugeführt wird bzw. via Entwässerungsleitung 8 in die Umgebung gelangt.
Bezugszeichenliste

1: Ansaugsystem
2: Abgasabführsystem
3: Abgasturbolader
3a: Turbine
3b: Verdichter
4: Abgasrückführung
4a: Rückführleitung
5a: erster Knotenpunkt
5b: zweiter Knotenpunkt
6: Kühler
7: AGR-Ventil zur Einstellung der rückgeführten Abgasmenge
8: Entwässerungsleitung
8a: Entnahmepunkt aus der Rückführleitung
8b: Einleitpunkt in das Abgasabführsystem
9: Abgasnachbehandlungssystem
9a: Partikelfilter
10: Drosselelement, Drossel
11: drosselndes Element
11a: Schalldämpfer
AGR: Abgasrückführung
m_AGR: Masse an zurückgeführtem Abgas
m_Frischluft: Masse an zugeführter Frischluft
x_AGR: Abgasrückführrate

Claims

Aufgeladene Brennkraftmaschine mit – einem Ansaugsystem (1) zum Zuführen von Ladeluft, – einem Abgasabführsystem (2) zum Abführen von Abgas, – mindestens einem Abgasturbolader (3), der eine im Abgasabführsystem (2) angeordnete Turbine (3a) und einen im Ansaugsystem (1) angeordneten Verdichter (3b) umfasst, und – einer Abgasrückführung (4) umfassend eine Rückführleitung (4a), die vom Abgasabführsystem (2) stromabwärts der Turbine (3a) unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes (5a) abzweigt und stromaufwärts des Verdichters (3b) unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes (5b) in das Ansaugsystem (1) mündet, wobei in der Rückführleitung (4a) ein Kühler (6) und ein AGR-Ventil (7) zur Einstellung der rückgeführten Abgasmenge vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Entwässerungsleitung (8) vorgesehen ist, die von der Rückführleitung (4a) unter Ausbildung eines Entnahmepunktes (8a) abzweigt und stromabwärts des ersten Knotenpunktes (5a) in das Abgasabführsystem (2) unter Ausbildung eines Einleitpunktes (8b) mündet.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das AGR-Ventil (7) stromabwärts des Kühlers (6) in der Rückführleitung (4a) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Entwässerungsleitung (8) stromabwärts des Kühlers (6) von der Rückführleitung (4a) unter Ausbildung eines Entnahmepunktes (8a) abzweigt.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entwässerungsleitung (8) stromaufwärts des AGR-Ventils (7) unter Ausbildung eines Entnahmepunktes (8a) von der Rückführleitung (4a) abzweigt.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entwässerungsleitung (8) zwischen dem AGR-Ventil (7) und dem Kühler (6) unter Ausbildung eines Entnahmepunktes (8a) von der Rückführleitung (4a) abzweigt.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Entwässerungsleitung (8) ein Absperrelement angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Entwässerungsleitung (8) kein Absperrelement angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Turbine (3a) und dem ersten Knotenpunkt (5a) mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem (9) im Abgasabführsystem (2) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Turbine (3a) und dem ersten Knotenpunkt (5a) ein Partikelfilter (9a) als Abgasnachbehandlungssystem (9) im Abgasabführsystem (2) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Knotenpunkt (5a) und dem Einleitpunkt (8b) mindestens ein drosselndes Element (11) im Abgasabführsystem (2) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Knotenpunkt (5a) und dem Einleitpunkt (8b) ein Schalldämpfer (11a) als drosselndes Element (11) im Abgasabführsystem (2) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Ansaugsystem (1) ein Drosselelement (10) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselelement (10) stromaufwärts des zweiten Knotenpunktes (5b) im Ansaugsystem (1) angeordnet ist.