WO2019144170A1 - Verfahren zur steuerung einer abgastemperatur einer brennkraftmaschine - Google Patents

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Hans Felix Seitz
Rolf Dreisbach
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Definitions

  • the invention relates to a method for controlling an exhaust gas temperature of an internal combustion engine having at least a first group and a second group of cylinders, wherein at least the first group with a first exhaust manifold having an exhaust gas recirculation loop, which connects the first exhaust manifold with a suction pipe, and wherein the first exhaust manifold and a second exhaust manifold with a - in particular symmetrical - turbocharger of a Abgastur- boladers are flow-connected and in a flow connection of the first exhaust manifold a control - in particular a flap - is arranged, said control is at least partially closed in at least a first part load range of the internal combustion engine and an injection quantity of the first group of cylinders is reduced to at least a subset of a first injection quantity.
  • an internal combustion engine with two groups of cylinders is known.
  • an exhaust gas flow flap is provided in order to produce a sufficiently large exhaust back pressure for the return of exhaust gas in an exhaust gas turbocharger with a sufficiently large flow in the lower speed range.
  • the exhaust gas damper is arranged between the diversion of the exhaust gas recirculation line and the mouth into the turbine of the exhaust gas turbocharger. Since it is not necessary to completely prevent the mass flow through the exhaust gas damper, it is proposed to reduce the installation size of the exhaust gas damper.
  • the exhaust gas recirculation rate is regulated via an exhaust gas recirculation valve in the exhaust gas recirculation line.
  • the reduced mass flow into the turbine of the exhaust gas turbocharger leads to a reduced charge pressure.
  • the resulting lower air ratio increases the exhaust gas temperature.
  • a cylinder deactivation is not provided.
  • Methods for selective cylinder deactivation serve the fuel economy. They are usually used only in internal combustion engines with more than eight cylinders (V8 engines) to guarantee a certain smoothness. For this purpose, usually a variable valve train is necessary, which significantly increases the design complexity and the complexity of the internal combustion engine. In the still active cylinder, a second injection quantity is injected during the time in which at least one group of cylinders is deactivated.
  • the second injection quantity here refers to a set injection quantity, which is set for a cylinder deactivation during normal operation.
  • the power output remains equal to the power output before the cylinder deactivation and the injection quantity is set so that the efficiency is optimal.
  • EGR exhaust gas recirculation
  • Exhaust gas temperature here means the temperature reached by the exhaust gas in an exhaust aftertreatment system downstream of the turbocharger of the exhaust turbocharger. Wherein the exhaust gas mass flow is adjusted back to the inlet by a control.
  • the control element can be, for example, a flap or a valve, this control element being suitable for partially closing off the flow connection, that is to say that the flow connection is at least partially blocked and thus constitutes a flow resistance.
  • the control element can also completely close off the flow connection.
  • the injection quantity is that at the moment considered, since it is variable over time.
  • a first injection quantity is to be understood as an injection quantity of fuel which injects a group of cylinders into the combustion chambers at the design point.
  • the object of the invention is to provide a method which allows rapid heating of the exhaust aftertreatment system and / or prevents cooling of the exhaust aftertreatment system.
  • This object is achieved by a method mentioned in the introduction by the fact that falls below a lower critical exhaust gas temperature at least in the first part-load range, an injection quantity in cylinders of the second group is increased by a substantial part of the first injection quantity, and the injection quantity is higher as a second injection quantity at the same load injected at an exhaust gas temperature above the lower critical exhaust gas temperature.
  • a first partial load range is understood to be a load range in which the internal combustion engine outputs less power than the full-load range.
  • the method serves to control the exhaust gas temperature of an internal combustion engine.
  • the internal combustion engine has a plurality of cylinders, which are divided into a first group and a second group of cylinders.
  • At least one exhaust gas recirculation circuit is provided, wherein the exhaust gas recirculation circuit connects the first exhaust manifold of the first group of cylinders to the intake manifold.
  • An exhaust gas turbocharger is provided, which is fluidly connected to the first exhaust manifold and the second exhaust manifold. It may also be the second exhaust manifold connected to the intake manifold and thus consist of a second exhaust gas recirculation loop.
  • the turbocharger of the turbocharger is ideally symmetrical.
  • a control element is provided which can release, block and control the flow connection.
  • control element In the first part-load range, the control element is at least partially closed and an injection quantity of the first group of cylinders is reduced to a subset of a first injection quantity.
  • an increase in the injection quantity by a substantial part of the first injection quantity represents an increase which is suitable for increasing the exhaust gas temperature so that it adjusts above the lower critical exhaust gas temperature.
  • the injection quantity is increased in this case so much that the total medium pressure is 0 bar when the internal combustion engine is idling, or greater than 0 bar, preferably between 0 bar and 4 bar total medium pressure when the internal combustion engine delivers power in a partial load range.
  • the solution according to the invention is also suitable for use in cold start. This makes it possible to achieve faster-in particular exhaust-desired temperatures during a cold start so that, for example, the exhaust aftertreatment system reaches its required operating temperature more quickly.
  • the injection quantity into the cylinders of the second group is increased to twice, preferably more than twice, the first injection quantity.
  • the exhaust gas temperature can be raised very quickly by the heat released during the combustion of the fuel.
  • the exhaust gas temperature may be increased or decreased when the control adjusts a first amount of exhaust flowing through the exhaust gas recirculation circuit of the first group of cylinders as needed and the amount of hot or cooler gas be controlled or regulated to the exhaust aftertreatment system.
  • first quantity is meant a subset of a total of the exhaust gas from the first group of cylinders.
  • control element is closed in the first partial load range and the first quantity of exhaust gas is the entirety of the exhaust gas. represents gas from the first group of cylinders, which flows over the exhaust gas recirculation loop.
  • the injection quantity into the cylinders of the first group is reduced to such an amount that the mean pressure of these cylinders of the first group is negative.
  • the suction tank of the internal combustion engine is obtained by the recirculated exhaust gases, a heating of the charge air.
  • the injection quantity into the cylinders of the second group is set to such an amount that the mean pressure of these cylinders of the second group is positive and, in particular, corresponds in magnitude to the negative mean pressure of the cylinders of the first group.
  • the second exhaust gas recirculation loop has an exhaust gas recirculation valve and delivers as a second amount, at least a portion of exhaust gas to the intake manifold, wherein the second amount is adjusted via the exhaust gas recirculation valve.
  • the second quantity refers to a partial quantity of the exhaust gas from the second group of cylinders which is returned to the intake manifold.
  • a particularly advantageous operating point in the first part load range with respect to the exhaust gas temperature for the exhaust aftertreatment system adjusts when the first amount is set in the range of about 30% to 50% as a proportion of the total mass flow flowing through the suction pipe, and the second amount is set as a proportion of the total mass flow in the range of 5% to 15%.
  • the total mass flow passing through the suction tube represents the sum of the mass flows to the first group and to the second group of cylinders.
  • the exhaust gas recirculation circuit of the first group of cylinders and the flow connection to the turbine can be connected to one another via a 3/2-way valve as a control element.
  • a second line with an EGR cooler is provided parallel to the exhaust gas recirculation loop of the first group cylinder, with the exhaust gas recirculation loop and the second line being connectable to one another via a 3/2-way valve.
  • the two exhaust gas recirculation circuits can be flowed through in parallel.
  • FIG. 2 shows an internal combustion engine according to the invention in a second embodiment in a schematic representation.
  • FIG. 1 shows an internal combustion engine 1 with at least two groups A, B of cylinders 2, which are connected via gas channels 3 to a suction pipe 4, into which an inlet branch 5 opens.
  • B of cylinders 2 emanates an exhaust manifold 6, 7, wherein the two exhaust manifolds 6, 7 open via connecting lines 18 in each case a flood of a symmetrical turbine 10 of an exhaust gas turbocharger 11.
  • Reference numeral 12 designates a compressor of the exhaust gas turbocharger 11 arranged in the intake branch 5.
  • first exhaust manifold 6 From a first exhaust manifold 6 is an exhaust gas recirculation line 13, which opens into the intake manifold 4 and forms a first exhaust gas recirculation circuit Ci.
  • Reference numeral 14 denotes an exhaust gas recirculation valve.
  • FIG. 2 shows an exhaust gas recirculation circuit C through which different cylinders 2 are connected to the intake manifold 4.
  • the first group A of cylinders 2 is connected to the intake manifold 4 via a first exhaust gas recirculation circuit Ci
  • the second group B of cylinders 2 is connected to the intake manifold 4 via a second exhaust gas recirculation circuit C 2 .
  • the first group A has three cylinders 2 in the illustrated embodiment, and the second group B also has three cylinders 2.
  • An injection quantity can be set differently from cylinder 2 to cylinder 2.
  • the internal combustion engine 1 sucks in cold ambient air via an air line 5 and via the intake manifold 4; a compressor and a charge air cooler can be connected upstream.
  • the cylinders 2 of the first group A suck in 50% of the air quantity from the intake manifold 4 and compress the air.
  • this cylinder 2 of the first group A only a minimum amount of fuel is injected. Combustion occurs and the exhaust gas expands into the first exhaust manifold 6. The combustion taking place in the cylinders 2 of the first group A produces the exhaust gas heated. Due to the losses during compression and gas exchange, the exhaust gas in the first exhaust manifold 6 is additionally heated.
  • this first operating scenario it is possible to specify a desired exhaust gas composition in which the nitrogen oxide formation is reduced to a limit value for a conventional engine operating mode.
  • This limit value can be triggered, for example, by the selection of the driver of a desired mode.
  • connection line 18 between the first exhaust manifold 6 and the turbine 10 is provided ,
  • This connecting line 18 can be controlled either by a 2/2-way valve 19 in front of the turbine 10 or by a 3/2-way valve 20, which divides the mass flow between the connecting line 18 and the first exhaust gas recirculation circuit Ci.
  • exhaust gas recirculation valves 14 are again provided.
  • EGR cooler 22 can be arranged in the exhaust gas recirculation circuits Ci and / or C 2 .
  • this is shown by way of example in the exhaust gas recirculation circuit Ci.
  • the control also takes place, for example, here via a 2/2-way valve 23a or via a 3/2-way valve 23b.
  • the first exhaust manifold 6 When the 2/2-way valve 19 is closed, the first exhaust manifold 6 is not connected via the connecting line 18 to the turbine 10, but only via the first exhaust gas recirculation circuit Ci in short circuit with the intake manifold 4. As a result, the temperature rises in the intake manifold 4.
  • the temperature in the first exhaust manifold 6 in the case of cylinders 2 of the first group A with a reduced injection quantity is in the range above 100 ° C., depending on the injection quantity.
  • the remaining hot exhaust gas mass flow of the cylinders 2 of the second group B flows out of the exhaust manifold 7 via the connecting line 18 to the turbine 10 and to the exhaust aftertreatment system arranged downstream of the turbine 10.
  • the proportion of fresh air intake is 38% (62% is recirculated uncooled gas).
  • the fresh air is drawn in from the environment with ambient temperature (20 ° C).
  • the intake manifold temperature in the lowest partial load operation can be raised to 80 ° C, the exhaust gas temperature at the turbine 10 rises to 230 ° C.
  • This heating effect can be enhanced by activating an engine braking device (decompression brake) of the cylinder 2 which is less fired in the first operating scenario.
  • the decompression increases the losses of the braked cylinders 2, the fired cylinders 2 compensate for the increased "internal engine friction" through higher injection quantities and thus a higher amount of burnt fuel.
  • the flap 15 is completely closed between the diversion of the first exhaust gas recirculation loop Ci and the outlet into the turbine 10.
  • the entire exhaust gas of the cylinder 2 of the first group A is passed through the first exhaust gas recirculation circuit Ci in the intake manifold 4.
  • so much fuel is injected into the cylinders 2 of the first group A that when the exhaust gas recirculation valve 14 is partially closed during combustion in these cylinders 2 of the first group A, a negative mean pressure results.
  • the negative mean pressure results from the high gas pressure in the first exhaust manifold 6.
  • the second operating scenario is advantageous, in particular with a cold internal combustion engine.
  • the component temperature of the internal combustion engine is 25 ° C.
  • a negative mean pressure in the cylinders 2 of the first group A results at low engine speed, in particular at idle -2.38 bar, as these cylinders 2 must push against a back pressure in the first exhaust manifold 6 of 3.3 bar.
  • the exhaust gas of the cylinder 2 of the first group A is heated to 296 ° C. In the suction pipe 4, this raises an advantageously elevated temperature of 135 ° C.
  • the second operating scenario which is advantageous for a cold start of the internal combustion engine, can be developed advantageously by injecting into the cylinders 2 of the second group B so much fuel that the negative medium pressure of the cylinders 2 of the first group A is compensated and dying off the internal combustion engine is prevented.
  • the exhaust gas of the second exhaust gas manifold 7 is advantageously directed to the turbine 10 of the exhaust gas turbocharger 11.
  • the cylinders 2 of the second group B have a positive mean pressure of +2.38 bar and, with the same number of cylinders 2 in the first and second groups A, B, a total mean pressure of 0 bar (idling).
  • the exhaust gas of the cylinder 2 of the second group B is much hotter than during normal engine operation due to the increased injection quantity and the increased charge air temperature.
  • the exhaust gas temperature before the exhaust aftertreatment system 16 thereby increases sharply. In the above example, it is 222 ° C.
  • an activation of the urea dosage in the SCR catalyst is advantageously possible shortly after the cold start.
  • the advantage of this solution according to the invention is that an external burner and / or a variable valve drive can be dispensed with in order to display this heating function after the engine has started.
  • the cylinder 2 of the first group A is still the nitrogen oxide emission of the cylinder 2 of the second group B is reduced by this method due to the recirculated exhaust gas.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Abgastemperatur einer Brennkraftmaschine (1) mit zumindest einer ersten Gruppe (A) und einer zweiten Gruppe (B) von Zylindern (2), wobei zumindest die erste Gruppe (A) mit einem ersten Abgaskrümmer (6) einen Abgasrückführungskreis (C1; C2) aufweist, der den ersten Abgaskrümmer (6) mit einem Saugrohr (4) strömungsverbindet, und wobei der erste Abgaskrümmer (6) und ein zweiter Abgaskrümmer (7) mit einer - insbesondere symmetrischen - Turbine (10) eines Abgasturboladers (11) strömungsverbunden sind und in einer Strömungsverbindung des ersten Abgaskrümmers (6) ein Steuerelement - insbesondere eine Klappe (15) - angeordnet ist, wobei dieses Steuerelement in zumindest einem ersten Teillastbereich der Brennkraftmaschine (1) zumindest teilweise geschlossen wird und eine Einspritzmenge der ersten Gruppe (A) von Zylindern (2) auf eine Teilmenge einer ersten Einspritzmenge reduziert wird. Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren bereitzustellen, mit der ein Steuern der Abgastemperatur einfach möglich ist. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Verfahren bei Unterschreiten einer unteren kritischen Abgastemperatur ausgelöst wird und dabei zumindest in dem ersten Teillastbereich eine Einspritzmenge in Zylindern (2) der zweiten Gruppe (B) um einen wesentlichen Teil der ersten Einspritzmenge erhöht wird, wobei die Einspritzmenge höher ist als eine zweite Einspritzmenge, die bei einer Abgastemperatur oberhalb der unteren kritischen Abgastemperatur eingespritzt wird.

Description

Verfahren zur Steuerung einer Abgastemperatur einer Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Abgastemperatur einer Brennkraftmaschine mit zumindest einer ersten Gruppe und einer zweiten Gruppe von Zylindern, wobei zumindest die erste Gruppe mit einem ersten Abgaskrümmer einen Abgasrückführungskreis aufweist, der den ersten Abgaskrümmer mit einem Saugrohr strömungsverbindet, und wobei der erste Abgaskrümmer und ein zweiter Abgaskrümmer mit einer - insbesondere symmetrischen - Turbine eines Abgastur- boladers strömungsverbunden sind und in einer Strömungsverbindung des ersten Abgaskrümmers ein Steuerelement - insbesondere eine Klappe - angeordnet ist, wobei dieses Steuerelement in zumindest einem ersten Teillastbereich der Brenn- kraftmaschine zumindest teilweise geschlossen wird und eine Einspritzmenge der ersten Gruppe von Zylindern zumindest auf eine Teilmenge einer ersten Einspritz- menge reduziert wird.
Aus der AT 503 869 Bl ist eine Brennkraftmaschine mit zwei Gruppen von Zylin- dern bekannt. Um bei einem Abgasturbolader mit hinreichend großem Durchfluss im unteren Drehzahlbereich einen genügend großen Abgasgegendruck zur Rück- führung von Abgas zu erzeugen, ist eine Abgasstauklappe vorgesehen. Die Abgas- stauklappe ist zwischen der Abzweigung der Abgasrückführleitung und der Mün- dung in die Turbine des Abgasturboladers angeordnet. Da es nicht notwendig ist, den Massenstrom durch die Abgasstauklappe vollständig zu verhindern, wird vor- geschlagen die Einbaugröße der Abgasstauklappe zu verringern. Die Abgasrück- führrate wird über ein Abgasrückführventil in der Abgasrückführleitung geregelt. Der reduzierte Massenstrom in die Turbine des Abgasturboladers führt zu einem reduzierten Ladedruck. Durch das daraus resultierende geringere Luftverhältnis erhöht sich die Abgastemperatur. Eine Zylinderdeaktivierung ist nicht vorgesehen.
Bei Brennkraftmaschinen mit selektiver Zylinderdeaktivierung kommt es bei Schwachlast und im Leerlauf zur Deaktivierung von einer Gruppe von Zylindern. Dadurch wird die Temperatur im Abgasstrang abgesenkt, was wiederum für das Abgasnachbehandlungssystem nachteilig ist, da dieses eine Mindesttemperatur benötigt.
Verfahren zur selektiven Zylinderdeaktivierung dienen der Kraftstoffersparnis. Sie werden üblicherweise erst bei Brennkraftmaschinen mit mehr als acht Zylindern eingesetzt (V8-Motoren), um eine gewisse Laufruhe zu garantieren. Dazu ist übli- cherweise ein variabler Ventiltrieb nötig, was den konstruktiven Aufwand und die Komplexität der Brennkraftmaschinen erheblich erhöht. In die weiterhin aktiven Zylinder wird während der Zeit, in der zumindest eine Gruppe der Zylinder deaktiviert ist, eine zweite Einspritzmenge eingespritzt.
Die zweite Einspritzmenge bezeichnet hier eine eingestellte Einspritzmenge, die für eine Zylinderdeaktivierung auch im normalen Betrieb eingestellt ist. Dabei bleibt die Leistungsabgabe gleich der Leistungsabgabe vor der Zylinderdeaktivie- rung und die Einspritzmenge ist so eingestellt, dass der Wirkungsgrad optimal ist.
Um Stickoxidemissionen zu verringern kommen bei Nutzfahrzeugen und Großmo- toren wie auch bei vielen Personenkraftwagen Systeme zur Abgasrückführung (AGR) zum Einsatz.
Unter Abgastemperatur versteht sich hier die vom Abgas erreichte Temperatur in einem Abgasnachbehandlungssystem stromabwärts der Turbine des Abgasturbo- laders. Wobei der Abgasmassenstrom zurück zum Einlass durch ein Steuerelement eingestellt wird.
Das Steuerelement kann beispielsweise eine Klappe oder ein Ventil sein, wobei dieses Steuerelement dazu geeignet ist die Strömungsverbindung teilweise zu ver- schließen, das heißt, dass die Strömungsverbindung zumindest teilweise blockiert wird und so einen Strömungswiderstand darstellt. Vorteilhaft kann das Steuerele- ment die Strömungsverbindung auch vollständig verschließen.
Die Einspritzmenge ist jene im betrachteten Augenblick, da sie über der Zeit va- riabel ist.
Unter einer ersten Einspritzmenge ist hier eine Einspritzmenge an Kraftstoff zu verstehen, die eine Gruppe von Zylindern im Auslegungspunkt in die Brennkam- mern einspritzt.
Bei vorgesehener selektiver Zylinderdeaktivierung ist es nicht ohne weiteres mög- lich, die nötige Temperatur des Abgasnachbehandlungssystems im niedrigen Last- bereich oder im Leerlauf innerhalb kurzer Zeit bereitzustellen. Das Aufheizen des Abgasnachbehandlungssystems dauert relativ lange. Wenn sich die Abgastem- peratur, sowie dadurch das Abgasnachbehandlungssystem noch nicht auf die nö- tige Temperatur erwärmt haben, kommt es zu erhöhtem Schadstoffausstoß. Auch ein Abkühlen durch Abgasrückführung und Zylinderdeaktivierung während des Be- triebs haben einen negativen Einfluss auf die Effektivität des Abgasnachbehand- lungssystems.
Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren bereitzustellen, das ein schnelles Auf- heizen des Abgasnachbehandlungssystems ermöglicht und/oder ein Abkühlen des Abgasnachbehandlungssystems verhindert. Diese Aufgabe wird durch ein eingangs erwähntes Verfahren erfindungsgemäß da- durch gelöst, dass bei Unterschreiten einer unteren kritischen Abgastemperatur zumindest in dem ersten Teillastbereich eine Einspritzmenge in Zylindern der zwei- ten Gruppe um einen wesentlichen Teil der ersten Einspritzmenge erhöht wird, und die Einspritzmenge höher ist als eine zweite Einspritzmenge bei derselben Last, die bei einer Abgastemperatur oberhalb der unteren kritischen Abgastemperatur eingespritzt wird.
Die Einspritzmenge ist variabel und für jede Gruppe von Zylindern oder sogar für jeden Zylinder einstellbar. Unter einem ersten Teillastbereich versteht sich hier ein Lastbereich in dem die Brennkraftmaschine gegenüber dem Vollastbereich eine geringere Leistung abgibt.
Das Verfahren dient der Steuerung der Abgastemperatur einer Brennkraftma- schine. Die Brennkraftmaschine weist mehrere Zylinder auf, die sich in eine erste Gruppe und in eine zweite Gruppe von Zylinder aufteilen. Es ist zumindest ein Abgasrückführungskreis vorgesehen, wobei der Abgasrückführungskreis den ersten Abgaskrümmer der ersten Gruppe von Zylindern mit dem Saugrohr verbin- det. Es ist ein Abgasturbolader vorgesehen, der mit dem ersten Abgaskrümmer und dem zweiten Abgaskrümmer strömungsverbunden ist. Es kann auch der zweite Abgaskrümmer mit dem Saugrohr verbunden sein und somit ein zweiter Abgasrückführungskreis bestehen. Die Turbine des Abgasturboladers ist idealer- weise symmetrisch ausgeführt. In der Strömungsverbindung vom ersten Abgas- krümmer zur Turbine ist ein Steuerelement vorgesehen, das die Strömungsver- bindung freigeben, sperren und steuern kann.
Im ersten Teillastbereich wird das Steuerelement zumindest teilweise geschlossen und eine Einspritzmenge der ersten Gruppe von Zylindern wird auf eine Teilmenge einer ersten Einspritzmenge reduziert.
Unter einer symmetrischen Turbine des Abgasturboladers versteht sich hier, dass die Fluten zur Turbine gleich ausgelegt sind.
Erfindungsgemäß stellt eine Erhöhung der Einspritzmenge um einen wesentlichen Teil der ersten Einspritzmenge eine solche Erhöhung dar, die geeignet ist, die Ab- gastemperatur so zu erhöhen, dass sie sich oberhalb der unteren kritischen Ab- gastemperatur einstellt. Insbesondere wird die Einspritzmenge hierbei um so viel erhöht, dass der Gesamtmitteldruck 0 bar, wenn sich die Brennkraftmaschine im Leerlauf befindet, oder größer 0 bar, vorzugsweise zwischen 0 bar und 4 bar Ge- samtmitteldruck ist, wenn die Brennkraftmaschine in einem Teillastbereich Leistung abgibt. Durch diese Lösung ist ein schnelles und einfaches Aufheizen des Abgasnachbe- handlungssystems möglich. Weiters wird keine Kühlung für die Abgasrückführung und keine asymmetrische Turbine benötigt.
Die erfindungsgemäße Lösung ist auch für den Einsatz bei Kaltstart geeignet. Da- durch lassen sich bei Kaltstart schneller - insbesondere abgasseitig -gewünschte Temperaturen erreichen, damit beispielsweise das Abgasnachbehandlungssystem seine nötige Betriebstemperatur schneller erreicht.
Es ist günstig, wenn die Einspritzmenge in die Zylinder der zweiten Gruppe auf das Doppelte, vorzugsweise mehr als das Doppelte der ersten Einspritzmenge erhöht wird. Dadurch kann die Abgastemperatur durch die bei der Verbrennung des Kraft - stoffes frei gewordene Wärme sehr schnell angehoben werden.
Bei einer aktivierten ersten Gruppe von Zylindern kann die Abgastemperatur er- höht oder reduziert werden, wenn das Steuerelement eine erste Menge des Abga- ses, die über den Abgasrückführungskreis der ersten Gruppe Zylinder strömt, je nach Bedarf eingestellt und die Menge an heißem oder kühlerem Gas zum Abgas- nachbehandlungssystem gesteuert oder geregelt werden.
Unter erster Menge ist eine Teilmenge einer Gesamtheit des Abgases von der ersten Gruppe der Zylinder zu verstehen.
Um die Brennkraftmaschine schneller auf ihre Betriebstemperatur zu bringen, oder die Betriebstemperatur vor dem Absinken zu bewahren, ist es bei einer besonderen Variante des Verfahrens vorgesehen, dass das Steuerelement in dem ersten Teil- lastbereich geschlossen wird und die erste Menge Abgas die Gesamtheit des Ab- gases von der ersten Gruppe der Zylinder darstellt, die über den Abgasrückfüh- rungskreis strömt.
Insbesondere bei einer kalten Brennkraftmaschine ist es vorteilhaft, wenn die Ein- spritzmenge in die Zylinder der ersten Gruppe auf eine solche Menge reduziert wird, dass der Mitteldruck dieser Zylinder der ersten Gruppe negativ ist. Im Saug- behälter der Brennkraftmaschine ergibt sich durch die rückgeführten Abgase eine Aufheizung der Ladeluft.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die Einspritzmenge in die Zy- linder der zweiten Gruppe auf eine solche Menge eingestellt, dass der Mitteldruck dieser Zylinder der zweiten Gruppe positiv ist und insbesondere betragsmäßig dem negativen Mitteldruck der Zylinder der ersten Gruppe im Wesentlichen entspricht. Um den Druck abgasseitig erhöhen zu können, ist es möglich die Klappe vollständig zu schließen und das Abgas der Zylinder der ersten Gruppe durch den ersten Ab- gasrückführungskreis in das Saugrohr zu leiten und gleichzeitig das Abgasrück- führventil zumindest teilweise zu schließen.
Es ist günstig, wenn ein zweiter Abgasrückführungskreis den zweiten Abgaskrüm- mer mit dem Saugrohr verbindet. Dadurch entsteht der Vorteil, dass die Schad- stoffemissionen weiter reduzierbar sind.
Um flexibler auf Lastwechsel reagieren zu können, ist es vorteilhaft, wenn der zweite Abgasrückführungskreis ein Abgasrückführventil aufweist und als eine zweite Menge, zumindest einen Anteil Abgas zum Saugrohr fördert, wobei die zweite Menge über das Abgasrückführventil eingestellt wird.
Mit zweiter Menge bezeichnet sich hier eine in das Saugrohr zurückgeführte Teil- menge des Abgases von der zweiten Gruppe von Zylindern.
Es ist günstig, wenn das Abgasrückführventil außerhalb des ersten Teillastberei- ches vollständig geöffnet wird.
Ein besonders vorteilhafter Betriebspunkt im ersten Teillastbereich in Hinblick auf die Abgastemperatur für das Abgasnachbehandlungssystem stellt sich ein, wenn die erste Menge als ein Anteil des gesamten Massenstromes, der durch das Saug- rohr strömt im Bereich von ungefähr 30% bis 50% eingestellt wird, und die zweite Menge als ein Anteil des gesamten Massenstromes im Bereich von 5% bis 15% eingestellt wird.
Der gesamte Massenstrom, der durch das Saugrohr strömt, stellt die Summe der Massenströme zur ersten Gruppe und zur zweiten Gruppe von Zylindern dar.
Um die Steuerung flexibler zu gestalten, ist es vorteilhaft, wenn der Abgasrück- führungskreis der ersten Gruppe Zylinder und die Strömungsverbindung zur Tur- bine über ein 3/2-Wegeventil als Steuerelement miteinander verbindbar sind.
Es ist günstig, wenn parallel zu dem Abgasrückführungskreis der ersten Gruppe Zylinder eine zweite Leitung mit einem AGR-Kühler vorgesehen ist, wobei Abgas- rückführungskreis und zweite Leitung über ein 3/2-Wegeventil miteinander ver- bindbar angeordnet sind. Somit sind die beiden Abgasrückführungskreise parallel durchströmbar.
Die Erfindung wird anhand der nicht einschränkenden Figuren näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in einer ersten Ausfüh- rung in einer schematischen Darstellung; und
Fig. 2 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in einer zweiten Aus- führung in einer schematischen Darstellung.
Fig. 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 1 mit zumindest zwei Gruppen A, B von Zy- lindern 2, welche über Gaskanäle 3 mit einem Saugrohr 4 verbunden sind, in das ein Einlassstrang 5 einmündet.
Von jeder Gruppe A, B von Zylindern 2 geht ein Abgaskrümmer 6, 7 aus, wobei die beiden Abgaskrümmer 6, 7 über Verbindungsleitungen 18 in jeweils eine Flut einer symmetrischen Turbine 10 eines Abgasturboladers 11 einmünden. Mit Be- zugszeichen 12 ist ein im Einlassstrang 5 angeordneter Verdichter des Abgastur- boladers 11 bezeichnet.
Von einem ersten Abgaskrümmer 6 geht eine Abgasrückführleitung 13 aus, welche in das Saugrohr 4 einmündet und bildet einen ersten Abgasrückführungskreis Ci. Mit Bezugszeichen 14 ist ein Abgasrückführventil bezeichnet.
In jenem Abgaskrümmer 6, von welchem die Abgasrückführleitung 13 abzweigt, ist zwischen der Abzweigung der Abgasrückführleitung 13 und der Mündung in die Turbine 10 eine Klappe 15 angeordnet. Der Turbine 10 des Abgasturboladers 11 ist ein Abgasnachbehandlungssystem 16 nachgeschaltet. Fig. 2 zeigt einen Abgas- rückführungskreis C, durch den unterschiedliche Zylinder 2 mit dem Saugrohr 4 verbunden sind. Die erste Gruppe A von Zylindern 2 ist über einen ersten Abgas- rückführungskreis Ci mit dem Saugrohr 4 verbunden und die zweite Gruppe B von Zylindern 2 ist über einen zweiten Abgasrückführungskreis C2 mit dem Saugrohr 4 verbunden. Die erste Gruppe A weist in der gezeigten Ausführung drei Zylinder 2 auf und die zweite Gruppe B weist ebenfalls drei Zylinder 2 auf. Eine Einspritz- menge ist von Zylinder 2 zu Zylinder 2 unterschiedlich einstellbar.
Die Brennkraftmaschine 1 saugt über eine Luftleitung 5 und über das Saugrohr 4 kalte Umgebungsluft an, ein Verdichter und ein Ladeluftkühler können vorgeschal- tet sein.
In einem ersten Betriebsszenario zu einem der Ausführungsbeispiele gemäß Figu- ren 1 oder 2 saugen die Zylinder 2 der ersten Gruppe A 50% der Luftmenge aus dem Saugrohr 4 an und verdichten die Luft. In diese Zylinder 2 der ersten Gruppe A wird nur eine Mindestmenge an Kraftstoff eingespritzt. Es kommt zu einer Ver- brennung und die das Abgas expandiert in den ersten Abgaskrümmer 6. Durch die stattfindende Verbrennung in den Zylindern 2 der ersten Gruppe A wird das Abgas erhitzt. Aufgrund der Verluste während der Kompression und im Gaswechsel ist das Abgas im ersten Abgaskrümmer 6 zusätzlich erwärmt.
Durch dieses erste Betriebsszenario ist es möglich, dass eine gewünschte Abgas- zusammensetzung vorgegeben wird, bei der zu einem herkömmlichen Motorbe- triebsmodus die Stickoxidbildung auf einen Grenzwert reduziert wird. Dieser Grenzwert kann beispielsweise durch die Auswahl des Fahrers eines gewünschten Modus ausgelöst werden.
Um die erfindungsgemäße Anordnung auch bei hoher Motorlast oder im herkömm- lichen Motorbetriebsmodus bei "symmetrischer", gleicher Einspritzmenge über alle Zylinder 2, und geringem Kraftstoffverbrauch betreiben zu können, ist eine Ver- bindungsleitung 18 zwischen erstem Abgaskrümmer 6 und der Turbine 10 vorge- sehen.
Diese Verbindungsleitung 18 ist entweder durch ein 2/2-Wegeventil 19 vor der Turbine 10 oder durch ein 3/2-Wegeventil 20, welches den Massenstrom zwischen der Verbindungsleitung 18 und dem ersten Abgasrückführungskreis Ci aufteilt, steuerbar.
Um die Abgasrückführungskreise Ci und C2 generell zu regeln und die Abgasrück- führung (AGR) ausschalten zu können, sind wiederum Abgasrückführventile 14 vorgesehen.
Vorteilhaft können in den Abgasrückführungskreisen Ci und/oder C2 AGR-Kühler 22 angeordnet werden. In Fig. 2 ist dies beispielhaft im Abgasrückführungskreis Ci gezeigt. Diese sind vorteilhaft nur im Betrieb bei hoher Motorlast (das heißt im herkömmlichen Motorbetriebsmodus ohne nötige Anhebung der Abgastemperatur) zuzuschalten. Die Regelung erfolgt beispielsweise auch hier über ein 2/2-Wege- ventil 23a oder über ein 3/2-Wegeventil 23b.
Bei geschlossenem 2/2-Wegeventil 19 ist der erste Abgaskrümmer 6 nicht über die Verbindungsleitung 18 mit der Turbine 10, sondern nur über den ersten Ab- gasrückführungskreis Ci im Kurzschluss mit dem Saugrohr 4 verbunden. Dadurch steigt die Temperatur im Saugrohr 4 an. Im angenommenen Beispiel des Ausfüh- rungsbeispiels liegt die Temperatur im ersten Abgaskrümmer 6 bei Zylindern 2 der ersten Gruppe A mit verringerter Einspritzmenge je nach Einspritzmenge im Be- reich über 100°C.
Um die gewünschte Motorleistung zu erzielen, wird in den restlichen Zylindern 2 (Zylinder 2 der zweiten Gruppe B) mehr Kraftstoff eingespritzt, insbesondere mehr als die doppelte Menge pro Zylinder 2 - im Vergleich zum herkömmlich, d.h. mit gleicher Kraftstoffeinspritzung in allen Zylindern 2, betriebenen Motor bei dersel- ben Last. Die Abgastemperatur dieser gefeuerten Zylinder 2 der zweiten Gruppe B und des nachgeschalteten Abgaskrümmers 7 steigt dadurch stark an. Ein Teil die- ses heißen - im angenommenen Beispiel des Ausführungsbeispiels 230°C - Abga- ses (im Ausführungsbeispiel 12% der durch das Saugrohr 4 geförderten Gas- menge) wird ungekühlt über den zweiten Abgasrückführungskreis C2 in das Saug- rohr 4 rückgeleitet und erhöht dort weiter die Gastemperatur.
Der restliche heiße Abgasmassenstrom der Zylinder 2 der zweiten Gruppe B strömt aus dem Abgaskrümmer 7 über die Verbindungsleitung 18 zur Turbine 10 und zu dem nach der Turbine 10 angeordneten Abgasnachbehandlungssystem.
Im angenommenen Beispiel zum ersten Betriebsszenario beträgt der Anteil der angesaugten kalten Frischluftmenge 38% (62% ist rückgeführtes, ungekühltes Gas). Die Frischluft wird von der Umgebung mit Umgebungstemperatur (20°C) angesaugt. Die Saugrohrtemperatur im niedrigsten Teillastbetrieb kann auf 80°C angehoben werden, die Abgastemperatur an der Turbine 10 steigt auf 230°C.
Dieser Heizeffekt lässt sich noch verstärken, indem eine Motorbremseinrichtung (Dekompressionsbremse) der im ersten Betriebsszenario weniger gefeuerten Zy- linder 2 aktiviert wird. Durch die Dekompression steigen die Verluste der gebrems- ten Zylinder 2, die gefeuerten Zylinder 2 kompensieren die erhöhte "innere Motor- reibung" durch höhere Einspritzmengen und dadurch eine höhere Menge an ver- branntem Kraftstoff.
In einem zweiten vorteilhaften Betriebsszenario zu einem der Ausführungsbei- spiele gemäß Figur 1 oder 2 wird die Klappe 15 zwischen der Abzweigung des ersten Abgasrückführungskreises Ci und der Mündung in die Turbine 10 vollständig geschlossen. Somit wird das gesamte Abgas der Zylinder 2 der ersten Gruppe A durch den ersten Abgasrückführungskreis Ci in das Saugrohr 4 geleitet. Im Ge- gensatz zum ersten Betriebsszenario wird in die Zylinder 2 der ersten Gruppe A so viel Kraftstoff eingespritzt, dass sich bei teilweise geschlossenem Abgasrückführ- ventil 14 bei der Verbrennung in diesen Zylindern 2 der ersten Gruppe A ein ne- gativer Mitteldruck ergibt. Der negative Mitteldruck ergibt sich durch den hohen Gasdruck im ersten Abgaskrümmer 6.
Durch geeignete Steuerung von Abgasrückführventil 14 und Klappe 15 ist somit ein abgasseitiger Druckaufbau möglich.
Das zweite Betriebsszenario ist insbesondere bei kalter Brennkraftmaschine vor- teilhaft. In einem konkreten Beispiel, bei dem die Bauteiltemperatur der Brenn- kraftmaschine 25°C beträgt, ergibt sich bei niedriger Motordrehzahl, insbesondere im Leerlauf, ein negativer Mitteldruck in den Zylindern 2 der ersten Gruppe A von -2,38 bar, da diese Zylinder 2 gegen einen Gegendruck im ersten Abgaskrümmer 6 von 3,3 bar ausschieben müssen. Hierdurch wird das Abgas der Zylinder 2 der ersten Gruppe A auf 296°C aufgeheizt. In dem Saugrohr 4 stellt sich dadurch eine vorteilhaft erhöhte Temperatur von 135°C ein.
Das für einen Kaltstart der Brennkraftmaschine vorteilhafte zweite Betriebsszena- rio kann dadurch vorteilhaft weitergebildet werden, dass in die Zylinder 2 der zwei- ten Gruppe B so viel Kraftstoff eingespritzt wird, dass der negative Mitteldruck der Zylinder 2 der ersten Gruppe A kompensiert wird und ein Absterben der Brenn- kraftmaschine verhindert wird. Hierbei wird vorteilhaft das Abgas des zweiten Ab- gaskrümmers 7 zur Turbine 10 des Abgasturboladers 11 geleitet.
Im vorgenannten Beispiel ergibt sich in den Zylindern 2 der zweiten Gruppe B ein positiver Mitteldruck von +2,38 bar und daraus bei gleicher Anzahl von Zylindern 2 in der ersten und zweiten Gruppe A, B ein Gesamtmitteldruck von 0 bar (Leer- lauf).
Das Abgas der Zylinder 2 der zweiten Gruppe B ist durch die erhöhte Einspritz- menge und die erhöhte Ladelufttemperatur wesentlich heißer als bei normalem Motorbetrieb. Die Abgastemperatur vor dem Abgasnachbehandlungssystem 16 steigt hierdurch stark an. Im vorgenannten Beispiel beträgt sie 222°C. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise kurz nach dem Kaltstart eine Aktivierung der Urea- Dosierung im SCR Katalysator möglich. Vorteil dieser erfindungsgemäßen Lösung ist, dass auf einen externen Brenner und/oder einen variablen Ventiltrieb verzich- tet werden kann, um diese Heizfunktion nach Motorstart darzustellen. Zusätzlich wird durch dieses Verfahren aufgrund des rückgeführten Abgases der Zylinder 2 der ersten Gruppe A noch die Stickoxyd-Emission der Zylinder 2 der zweiten Gruppe B verringert.
Bei Betrieb im Teillastbereich wird im zweiten Betriebsszenario in die Zylinder 2 der zweiten Gruppe B so viel mehr Kraftstoff eingespritzt, dass sich ein positiver Mitteldruck größer 2,38 bar und damit ein positiver Gesamtmitteldruck einstellt.

Claims

PATENTANSPR CHE
1. Verfahren zur Steuerung einer Abgastemperatur einer Brennkraftmaschine
(1) mit zumindest einer ersten Gruppe (A) und einer zweiten Gruppe (B) von Zylindern (2), wobei zumindest die erste Gruppe (A) mit einem ersten Ab- gaskrümmer (6) einen Abgasrückführungskreis (Ci) aufweist, der den ersten Abgaskrümmer (6) mit einem Saugrohr (4) strömungsverbindet, und wobei der erste Abgaskrümmer (6) und ein zweiter Abgaskrümmer (7) mit einer - insbesondere symmetrischen - Turbine (10) eines Abgasturboladers (11) strömungsverbunden sind und in einer Strömungsverbindung des ersten Ab- gaskrümmers (6) ein Steuerelement - insbesondere eine Klappe (15) - an- geordnet ist, wobei dieses Steuerelement in zumindest einem ersten Teillast- bereich der Brennkraftmaschine (1) zumindest teilweise geschlossen wird und eine Einspritzmenge der ersten Gruppe (A) von Zylindern (2) auf eine Teil- menge einer ersten Einspritzmenge reduziert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren bei Unterschreiten einer unteren kritischen Abgas- temperatur ausgelöst wird und dabei zumindest in dem ersten Teillastbereich eine Einspritzmenge in Zylindern (2) der zweiten Gruppe (B) um einen we- sentlichen Teil der ersten Einspritzmenge erhöht wird, wobei die Einspritz- menge höher ist als eine zweite Einspritzmenge bei derselben Last, die bei einer Abgastemperatur oberhalb der unteren kritischen Abgastemperatur ein- gespritzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritz- menge in die Zylinder (2) der zweiten Gruppe (B) auf das Doppelte, vorzugs- weise mehr als das Doppelte der ersten Einspritzmenge erhöht wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement eine erste Menge des Abgases die über den Abgas- rückführungskreis (Ci; C2) der ersten Gruppe (A) Zylinder (2) strömt, ein- stellt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerele- ment in dem ersten Teillastbereich geschlossen wird und die erste Menge Abgas die Gesamtheit des Abgases von der ersten Gruppe (A) der Zylinder
(2) darstellt, die über den Abgasrückführungskreis (Ci; C2) strömt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzmenge in die Zylinder (2) der ersten Gruppe (A) auf eine solche Menge reduziert wird, dass der Mitteldruck dieser Zylinder (2) der ersten Gruppe (A) negativ ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritz- menge in die Zylinder (2) der zweiten Gruppe (B) auf eine solche Menge ein- gestellt wird, dass der Mitteldruck dieser Zylinder (2) der zweiten Gruppe (B) positiv ist und insbesondere betragsmäßig dem negativen Mitteldruck der Zy- linder (2) der ersten Gruppe (A) im Wesentlichen entspricht.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Klappe (15) vollständig geschlossen wird wodurch das Abgas der Zylinder (2) der ersten Gruppe (A) durch den ersten Abgasrückführungskreis (Ci) in das Saugrohr 4 geleitet wird und dass gleichzeitig das Abgasrückführ- ventil (14) zumindest teilweise geschlossen wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Brennkraftmaschine (1) einen zweiten Abgasrückführungskreis (C2) aufweist, der den zweiten Ab- gaskrümmer (7) mit dem Saugrohr (4) verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abgasrückführungskreis (C2) ein Abgasrückführventil (14) aufweist und als eine zweite Menge, zumindest einen Anteil Abgas zum Saugrohr (4) fördert, wobei die zweite Menge über das Abgasrückführventil (14) eingestellt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasrück- führventil (14) außerhalb des ersten Teillastbereiches vollständig geöffnet wird.
10. Verfahren nach den Ansprüchen 3 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Menge als ein Anteil des gesamten Massenstromes, der durch das Saugrohr (4) strömt im Bereich von ungefähr 30% bis 50% eingestellt wird, und die zweite Menge als ein Anteil des gesamten Massenstromes im Bereich von 5% bis 15% eingestellt wird.
11. Brennkraftmaschine (1) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit zumindest einer ersten Gruppe (A) und einer zweiten Gruppe (B) von Zylindern (2), wobei zumindest die erste Gruppe (A) mit einem ersten Abgaskrümmer (6) einen Abgasrückführungskreis (Ci) auf- weist, der den ersten Abgaskrümmer (6) mit einem Saugrohr (4) strömungs- verbindet, und wobei der erste Abgaskrümmer (6) und ein zweiter Abgas- krümmer (7) mit einer - insbesondere symmetrischen - Turbine (10) eines Abgasturboladers (11) strömungsverbunden sind und in einer Strömungsver- bindung des ersten Abgaskrümmers (6) ein Steuerelement - insbesondere eine Klappe (15) - angeordnet ist, nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasrückführungskreis (Ci) der ersten Gruppe (A) Zylinder (2) und die Strömungsverbindung zur Turbine (10) über ein 3/2-Wegeventil (20) als Steuerelement miteinander verbindbar sind.
12. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu dem Abgasrückführungskreis (Ci) der ersten Gruppe (A) Zylinder (2) eine zweite Leitung mit einem AGR-Kühler (22) vorgesehen ist, wobei Abgasrückführungskreis (Ci) und zweite Leitung über ein 3/2-Wegeventil (23) miteinander verbindbar angeordnet sind.
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