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WO2010020265A1 - Flexible nutzung der abgasenergie im betrieb einer brennkraftmaschine - Google Patents

Flexible nutzung der abgasenergie im betrieb einer brennkraftmaschine Download PDF

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Publication number
WO2010020265A1
WO2010020265A1 PCT/EP2008/006846 EP2008006846W WO2010020265A1 WO 2010020265 A1 WO2010020265 A1 WO 2010020265A1 EP 2008006846 W EP2008006846 W EP 2008006846W WO 2010020265 A1 WO2010020265 A1 WO 2010020265A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
exhaust gas
line
exhaust
internal combustion
combustion engine
Prior art date
Application number
PCT/EP2008/006846
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Karl Krebber-Hortmann
Enno Lohse
Original Assignee
Fev Motorentechnik Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fev Motorentechnik Gmbh filed Critical Fev Motorentechnik Gmbh
Priority to PCT/EP2008/006846 priority Critical patent/WO2010020265A1/de
Publication of WO2010020265A1 publication Critical patent/WO2010020265A1/de

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    • F02M26/02—EGR systems specially adapted for supercharged engines
    • F02M26/04—EGR systems specially adapted for supercharged engines with a single turbocharger
    • F02M26/05—High pressure loops, i.e. wherein recirculated exhaust gas is taken out from the exhaust system upstream of the turbine and reintroduced into the intake system downstream of the compressor
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/02—EGR systems specially adapted for supercharged engines
    • F02M26/04—EGR systems specially adapted for supercharged engines with a single turbocharger
    • F02M26/07—Mixed pressure loops, i.e. wherein recirculated exhaust gas is either taken out upstream of the turbine and reintroduced upstream of the compressor, or is taken out downstream of the turbine and reintroduced downstream of the compressor
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an internal combustion engine having a liquid cooling system, which has an air intake line, an exhaust line in which exhaust aftertreatment means are arranged, and a controllable exhaust gas recirculation line from the exhaust line to the air intake line, in which an exhaust gas heat exchanger included in the liquid cooling system is arranged.
  • the invention relates to an internal combustion engine with a liquid cooling system having an air intake line, an exhaust line and an exhaust gas recirculation line from the exhaust gas line to the air intake line, in which an exhaust gas heat exchanger included in the liquid cooling system is arranged.
  • An exhaust gas recirculation device for an internal combustion engine of a motor vehicle is known from DE 297 22 813 U1, with an exhaust gas recirculation line leading away from an exhaust line and leading to the air supply of the internal combustion engine, in which an exhaust gas recirculation valve and an exhaust gas cooler are arranged, which are connected to a circuit for the engine coolant connected.
  • a thermostatic valve is arranged between the exhaust gas cooler and the circuit of the engine coolant, which blocks a flow of the exhaust gas cooler up to a predetermined above the ambient temperature lying minimum temperature of the coolant.
  • an internal combustion engine in which an exhaust gas heat exchanger is arranged in the exhaust gas strut, which is located in the cooling circuit of the internal combustion engine.
  • This can be a heat recovery from the exhaust gas into the coolant.
  • the exhaust gas temperature should be kept in a temperature window for optimum exhaust aftertreatment and at the same time the internal combustion engine to be heated quickly to achieve a friction reduction with a faster heating of the coolant and thus the engine after the cold start.
  • DeNOx catalyst NOx storage catalysts
  • SCR catalyst selective catalytic regeneration catalysts
  • the positioning of DeNOx or SCR catalytic converter in the exhaust system must be based on the maximum temperatures occurring at nominal power. In the lean-tuned partial load range, this leads to a non-optimal temperature operating range of the DeNOx catalyst or of the SCR catalyst. In the lower load range must be throttled accordingly to maintain the temperature, or the fuel-air mixture can not be tuned lean in idle and thus not be low fuel consumption.
  • the fuel-air mixture is sometimes significantly enriched ( ⁇ ⁇ 1) with corresponding additional consumption. This leads in particular to high CO and HC emissions after the three-way catalyst in the substoichiometric operating range.
  • the present invention seeks to propose a method for the flexible use of the exhaust energy and an internal combustion engine with suitable means for both the operating temperature of the engine influenced in a favorable manner and the raw emission of the engine lowered and the exhaust aftertreatment can be optimized ,
  • the solution to this consists in a method for operating an internal combustion engine having a liquid cooling system, which has an air intake line, an exhaust line, are disposed in the means for exhaust aftertreatment, and a controllable exhaust gas recirculation line from the exhaust line to the air intake in which a included in the liquid cooling system exhaust gas heat exchanger is arranged, in which after the cold start of the internal combustion engine, the exhaust gas line is throttled or locked at one point and the exhaust gas flow from the exhaust line through the exhaust gas heat exchanger and back into the exhaust line is performed and the exhaust gas recirculation line is blocked before entering the Luftansaugstrang.
  • the inventive method thus opens up the possibility, in an internal combustion engine having the means for cooled exhaust gas recirculation, according to the invention control the exhaust gas so that an accelerated heating of the cooling water circuit in the internal combustion engine and thus the internal combustion engine altogether after the cold start possible becomes.
  • the internal friction of the internal combustion engine is thereby accelerated reduced, so that the disadvantages that arise in modern internal combustion engines as a result of process efficiency increase in the warm-up behavior, can be limited or canceled.
  • the method according to the invention and the internal combustion engine according to the invention with the abovementioned means are applicable to free-suction gasoline engines as well as to supercharged gasoline engines and supercharged diesel engines, with mixed-gasoline gasoline engines and direct-injection gasoline engines being included.
  • a variably controllable partial flow of the exhaust gas is conducted from the exhaust gas system via the exhaust gas heat exchanger into the air intake line. (Mode 2).
  • An operation of an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger is in particular provided that in the partial load operation of the internal combustion engine, the partial flow is removed from the exhaust gas line in front of the exhaust gas turbocharger and passed through the exhaust gas heat exchanger in the air intake line. (Mode 2)
  • the exhaust system is throttled throttled at a point and the exhaust gas temperature is kept limited to the means for exhaust aftertreatment to a maximum value by a partial flow of the exhaust gas from the exhaust system is passed through the exhaust gas heat exchanger and passed a first variably controllable lower part of the stream into the air intake line and a second variably controllable sub-stream is fed back into the exhaust line.
  • Mode 3 the exhaust system is throttled throttled at a point and the exhaust gas temperature is kept limited to the means for exhaust aftertreatment to a maximum value by a partial flow of the exhaust gas from the exhaust system is passed through the exhaust gas heat exchanger and passed a first variably controllable lower part of the stream into the air intake line and a second variably controllable sub-stream is fed back into the exhaust line.
  • the adjusting temperature of the exhaust gas can be limited and reduced by cooling a partial flow of the exhaust gas, if otherwise exhaust gas temperatures would be reached, which would lead to damage to the components for exhaust aftertreatment ,
  • the product according to the invention is in an internal combustion engine having a liquid cooling system, which has an air intake line, an exhaust line and an exhaust gas recirculation line from the exhaust line to the air intake in which an integrated in the liquid cooling system exhaust heat exchanger is arranged, which is characterized in that in the exhaust gas recirculation line behind the Exhaust gas heat exchanger, a first shut-off and control valve is arranged and that branches off from the exhaust gas recirculation line between the exhaust gas heat exchanger and shut-off Abgasbypass- a line which opens into the exhaust line behind the branch point of the exhaust gas recirculation line and in which a second shut-off and control valve is arranged and that between the branch point the exhaust gas recirculation line and the junction of the exhaust gas bypass line in the exhaust line a throttle and check valve is arranged. It can be provided that the first shut-off valve and the second shut-off valve are combined to form a three-way valve at the point of branching.
  • the internal combustion engine is a free-breathing gasoline engine
  • a three-way catalytic converter before the branch point of Abgasschreib- guide line and a DeNOx and / or SCR catalyst behind the junction of the exhaust gas bypass line is located in the exhaust system.
  • a high-pressure branch of the exhaust gas recirculation line connects the exhaust line in front of the turbine with the inlet to the exhaust gas heat exchanger and a low-pressure branch of the exhaust gas recirculation line the exhaust line behind the turbine with the inlet to the exhaust gas heat exchanger, in the high-pressure branch, a third shut-off and Control valve and the low-pressure branch a fourth shut-off and control valve is arranged. It can be provided that the third shut-off valve and the fourth shut-off valve are combined to form a three-way valve at the point of line merger.
  • a three-way catalytic converter is provided in front of the Ab branch of the exhaust gas recirculation line and a DeNOx and / or SCR catalyst behind the junction of the exhaust gas bypass line in the exhaust line.
  • a diesel oxidation catalyst and / or a diesel particulate filter is to be provided in front of the branch point of the exhaust gas recirculation line and a DeNOx and / or SCR catalyst behind the junction of the exhaust gas bypass line in the exhaust line.
  • a charge air cooler is to be used in the intake manifold.
  • the maximum temperature before a NOx storage catalyst can be maintained even at full load, without enrichment of the fuel-air mixture is required for supercharged gasoline engines.
  • a single integrated line system with control elements in a compact simple and clear design is used.
  • Figure 1 shows an internal combustion engine according to the invention in the form of a macschaugender gasoline engine in a schematic arrangement including the air intake and the exhaust ducts;
  • FIG. 2 shows the internal combustion engine according to FIG. 1 in the cold start mode (mode
  • FIG. 3 shows the internal combustion engine according to FIG. 1 in part-load mode (mode 2);
  • FIG. 4 shows the internal combustion engine according to FIG. 1 in full load mode (mode
  • Figure 5 shows an internal combustion engine according to the invention in the form of a supercharged gasoline engine or as a supercharged diesel engine in a schematic arrangement including the air intake and the exhaust ducts.
  • FIG. 6 shows the internal combustion engine according to FIG. 5 in cold start mode (mode
  • FIG. 7 shows the internal combustion engine according to FIG. 5 in part-load mode (mode 2);
  • FIG. 8 shows the internal combustion engine according to FIG. 5 in full load mode (mode
  • FIG. 9 shows an internal combustion engine according to FIG. 5 in a first modified embodiment with a cooled exhaust manifold
  • FIG. 10 shows an internal combustion engine according to FIG. 5 in a second modified embodiment with cooled exhaust manifold.
  • FIG. 1 shows an internal combustion engine 11 according to the invention in the form of a free-suction four-cylinder engine, which can be understood as a mixture-sucking or direct-injection gasoline engine, with four cylinders being symbolized by circles in plan view.
  • an intake manifold 12 with a throttle valve 13 can be seen, which opens into an intake air collector 14.
  • four intake manifolds 15 lead to the air intake side of the engine.
  • the Lucasansaugstrang total of the aforementioned parts is designated by the reference numeral 16.
  • an exhaust pipe 20 From the exhaust manifold 18, an exhaust pipe 20 first leads into a three-way catalyst 19 and from there via a further section of the exhaust pipe 20 to a catalyst 21 in the form of a DeNOx catalyst or in the form of an SCR catalyst.
  • the exhaust line in total from the aforementioned parts is designated by the reference numeral 23.
  • a controllable throttle and shut-off valve 22 is provided between the catalytic converters 19, 21.
  • an exhaust branch line 24 departs in front of the throttle flap 22, which is branched at a branch point 29 into an exhaust gas recirculation line 25 and into an exhaust gas bypass line 26.
  • an exhaust gas heat exchanger 27th used, on the one hand can be traversed by branched off exhaust gas, on the other hand in an outer cooling water pipe 28 of the engine 11 and is constantly flowed through by the cooling water.
  • exhaust gas recirculation line 25 behind the branch point 29 is an exhaust gas control valve 30.
  • exhaust gas bypass 26 behind the branch 29 is another exhaust control valve 31.
  • the exhaust gas recirculation line 25 is connected via a branching system 32 with the individual air intake 15.
  • a temperature measuring device 33 for the catalyst temperature T4 is indicated.
  • the aforementioned parts in total are referred to as exhaust gas recirculation system 34.
  • FIG. 2 shows the cold start mode of the internal combustion engine, wherein the line sections of the lines 24, 25, 26 through which exhaust gas flows are characterized by thin lines extending parallel to the line branches. The same details are assigned the same numbers as in FIG. 1.
  • FIG. 3 shows the partial load mode of the internal combustion engine according to FIG. The same details are given the same reference numerals as in FIG.
  • the exhaust gas flow through portions of the lines 24, 25, 26 are marked with parallel to the lines running thin lines.
  • the operating mode at low partial load which is driven in particular with an air ratio ⁇ > 1 and thus requires the production of the ignitability, a stratification of the fuel-air mixture in order to ensure the spark plug, an air ratio within the ignition limits.
  • the exhaust control valve 31 is kept closed and the exhaust control valve 30 is opened, so that a return of exhaust gas in the air intake line 16 can take place.
  • the exhaust gas forcibly flows via the exhaust gas heat exchanger 27, so that the cooling water is further heated and cooled exhaust gas is conducted into the intake line 16 to improve the efficiency.
  • no cooled exhaust gas is returned to the exhaust line 23.
  • the blocking flap 22 is partially closed and the part of the exhaust gas stream which is diverted via the exhaust branch line 24 is branched by opening the exhaust gas regulating valve 30 and regulating the exhaust gas regulating valve 31 variably to the line branches 25, 26.
  • the exhaust gas is as previously described returned to the cooling system in the heat exchanger 27 in the intake air system, while for controlling and optimizing the exhaust gas temperature T4 in the catalyst 21, a variable large partial flow of the cooled exhaust gas before the catalyst 21 is returned to the exhaust pipe 20.
  • FIG. 5 shows an internal combustion engine 11 according to the invention in the form of a turbocharged four-cylinder engine, which can be understood as a mixed-intake or direct-injection gasoline engine or as a diesel engine, four cylinders being symbolized by circles in plan view.
  • a Ansaugstut- zen 12 is shown, which is connected via the compressor 42 of an exhaust gas turbocharger 41 with a charge air pipe 45.
  • a charge air cooler 44 which can use ambient air or cooling water of the internal combustion engine as a coolant.
  • a throttle valve 13 can be seen. From the intake air collector 14, four intake manifolds 15 lead to the air intake side of the engine.
  • the charge air line as a whole is designated by the reference numeral 16.
  • an exhaust gas line 20 leads from the exhaust gas collector 18 initially into a three-way catalytic converter 19 (TWC) and from there via a further section of the exhaust gas line 20 to a catalytic converter 21 in the form of a DeNOx - or an SCR catalyst.
  • a diesel oxidation catalyst (DOC) and / or a diesel particulate filter (DPF) replace the three-way catalytic converter 19.
  • the exhaust line in total from the aforementioned parts is designated by the reference numeral 23.
  • a controllable throttle and shut-off valve 22 is provided between the two catalysts.
  • an exhaust branch line 24 branches off in front of the throttle valve 22, which branches off at a branch point 29 into an exhaust gas recirculation line 25 and into an exhaust gas bypass line 26.
  • an exhaust gas heat exchanger 27 is used, which can be traversed on the one hand by diverted exhaust gas, on the other hand in an outer cooling water line 28 of the internal combustion engine 11 is constantly flowed through by the cooling water.
  • a cooling water-air heat exchanger as the main heat exchanger, on which the internal combustion engine 11 also has, is not shown.
  • an exhaust gas control valve 30 In the exhaust gas recirculation line 25 behind the branch point 29 is an exhaust gas control valve 30.
  • exhaust control valve 31 In the exhaust gas bypass 26 behind the branch 29 is another exhaust control valve 31.
  • the exhaust gas recirculation line 25 is connected via a branching system 32 with the individual air intake 15.
  • a low-pressure branch 36 goes behind the turbine, ie with low pressure level of the exhaust pipe 20 to the exhaust branch line 24 from.
  • the high-pressure branch line 35 opens into the low-pressure branch line 36.
  • exhaust control valves 37 and 38 are used in the lines, indicated.
  • FIG. 6 shows the cold start mode of the internal combustion engine, wherein the line sections of the lines 24, 25, 26, 35, 36 through which exhaust gas flows are characterized by thin lines running parallel to the line sections. The same details are given the same numbers as in FIG. 5.
  • the cold start mode no exhaust gas recirculation takes place in the air intake line, which is caused by the exhaust control valve 30 is fully closed.
  • the entire exhaust stream or a partial stream is guided by closing the throttle valve 22 and by opening the exhaust control valves 36 and 31 via the exhaust heat exchanger 27 and immediately back into the exhaust pipe 20 behind the throttle valve 22.
  • the exhaust control valve 37 is closed in this case, so that the exhaust branch line 24 is fed exclusively via the low-pressure branch 36.
  • the cooling water of the internal combustion engine is maximally and as quickly as possible brought to a desired elevated temperature, wherein the exhaust gas is cooled in a permissible manner.
  • the catalyst 21 remains effective
  • FIG. 7 shows the partial load mode of the internal combustion engine according to FIG. 5. The same details are given the same reference numerals as in FIG. The exhaust gas flow through portions of the lines 24, 25, 26, 35, 36 are marked with parallel to the lines extending thin lines.
  • the exhaust control valve 31 is kept closed and the exhaust gas control valve 30 is opened, so that a return of exhaust gas in the air intake line 16 can take place.
  • the exhaust control valve 37 is opened and the exhaust control valve 38 is closed, so that the exhaust branch line 24 is fed exclusively via the high-pressure branch 35.
  • the exhaust gas forcibly flows via the exhaust gas heat exchanger 27, so that the cooling water is further heated up and cooled exhaust gas is led into the intake line 16 in order to improve the efficiency and to reduce the raw emissions.
  • no cooled exhaust gas is returned to the exhaust line 23.
  • FIG. 8 shows the operating mode at high partial load and the operating mode at full load.
  • the same details are given the same reference numbers as in FIG. 5.
  • the sections of the lines 24, 25, 26, 35, 36 through which exhaust gas flows are marked by thin lines running parallel to the lines.
  • the blocking flap 22 is partially closed and the part of the exhaust gas stream which is diverted via the exhaust branch line 24 is branched by opening the exhaust gas regulating valve 30 and regulating the exhaust gas regulating valve 31 variably to the line branches 25, 26.
  • the exhaust gas is fed from the high-pressure branch 35 into the exhaust branch line as described above and after cooling in the heat exchanger 27 in a partial flow in the intake air system, while limiting the exhaust gas temperature T4 a variable large part flow of the cooled exhaust gas cooled in front of the catalyst 21 is returned to the exhaust pipe 20.
  • FIGS. 9 and 10 each show an internal combustion engine 11 according to the invention in the form of a turbocharged four-cylinder engine, which can be understood as a gasoline engine or as a diesel engine, wherein four cylinders are symbolized by circles in plan view.
  • an intake 12 is shown, which is connected via the compressor 42 of an exhaust gas turbocharger 41 with a charge air pipe 45.
  • a charge air cooler 44 which can use ambient air or cooling water of the internal combustion engine as a coolant.
  • a throttle valve 13 can be seen.
  • four intake manifolds 15 lead to the air intake side of the engine.
  • the charge air line as a whole is designated by the reference numeral 16.
  • the exhaust nozzles 17 ' and the exhaust collector 18 ' are enclosed by a cooling water jacket 46, which is exclusively part of an outer coolant circuit 47, which is not connected to the coolant circuit of the internal combustion engine.
  • this outer coolant circuit is a recooler or energy converter 48, with the transferred by the coolant exhaust heat transferred to other media or can be converted directly into electrical or mechanical energy.
  • the exhaust gas collector 18 ' acts on the turbine 43 of the exhaust gas turbocharger 41.
  • an exhaust gas line 20 leads from the exhaust gas collector 18 initially into a three-way catalytic converter 19 (TWC) and from there via a further section of the exhaust gas line 20 to a catalyst 21 in the form a DeNOx or an SCR catalyst.
  • a diesel oxidation catalyst (DOC) and / or a diesel particulate filter (DPF) replace the three-way catalyst 19.
  • the exhaust line in total from the aforementioned parts is designated by the reference numeral 23.
  • a controllable throttle and shut-off valve 22 is provided between the two catalysts.
  • an exhaust branch line 24 branches off in front of the throttle valve 22, which branches off at a branch point 29 into an exhaust gas recirculation line 25 and into an exhaust gas bypass line 26.
  • an exhaust gas heat exchanger 27 is used, which can be traversed by branched off exhaust gas, on the other hand in an outer cooling water line 28 of the internal combustion engine 11 and is constantly flowed through by the cooling water.
  • a cooling water-air heat exchanger as the main heat exchanger, on which the internal combustion engine 11 also has, is not shown.
  • an exhaust gas control valve 30 In the exhaust gas recirculation line 25 behind the branch point 29 is an exhaust gas control valve 30.
  • exhaust control valve 31 In the exhaust gas bypass 26 behind the branch 29 is another exhaust control valve 31.
  • the exhaust gas recirculation line 25 is connected via a branching system 32 with the individual air intake 15.
  • From the exhaust manifold 18 'in front of the turbine 43 leads a high-pressure branch line 35 at high pressure level in the exhaust branch line 24.
  • a low-pressure branch 36 goes behind the turbine, ie with low pressure level of the exhaust pipe 20 to the exhaust branch line 24 off.
  • the high-pressure branch line 35 opens into the low-pressure branch line 36.
  • exhaust control valves 37 and 38 are used in the lines, indicated.

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Abstract

Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine 11 mit einem Flüssigkeitskühlsystem, die einen Luftansaugstrang 16, einen Abgasstrang 23, in dem Mittel zur Abgasnachbehandlung angeordnet sind, und eine steuerbare Abgasrückführleitung 24, 25 vom Abgasstrang 23 zum Luftansaugstrang 16 aufweist, in der ein in das Flüssigkeitskühlsystem einbezogener Abgaswärmetauscher 27 angeordnet ist, bei welchem nach dem Kaltstart der Brennkraftmaschine der Abgasstrang 23 an einer Stelle gedrosselt oder gesperrt wird und der Abgasstrom aus dem Abgasstrang 23 über den Abgaswärmetauscher 27 und zurück in den Abgasstrang 23 geführt wird und die Abgasrückführleitung 25 vor dem Eintritt in den Luftansaugstrang 16 gesperrt wird.

Description

Flexible Nutzung der Abgasenergie im Betrieb einer Brennkraftmaschine
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Flüssigkeitskühlsystem, die einen Luftansaugstrang, einen Abgasstrang, in dem Mit- tel zur Abgasnachbehandlung angeordnet sind, und eine steuerbar Abgasrückführlei- tung vom Abgasstrang zum Luftansaugstrang aufweist, in der ein in das Flüssigkeitskühlsystem einbezogener Abgaswärmetauscher angeordnet ist. Darüberhinaus betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einem Flüssigkeitskühlsystem, die einen Luftansaugstrang, einen Abgasstrang und eine Abgasrückführleitung vom Ab- gasstrang zum Luftansaugstrang aufweist, in der ein in das Flüssigkeitskühlsystem einbezogener Abgaswärmetauscher angeordnet ist.
Aus der DE 297 22 813 U1 ist eine Abgasrückführungseinrichtung für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs bekannt, mit einer von einer Abgasleitung abzwei- genden und zur Luftzuführung des Verbrennungsmotors führenden Abgasrückführleitung, in welcher ein Abgasrückführventil und ein Abgaskühler angeordnet sind, der an einen Kreislauf für das Motorkühlmittel angeschlossen ist.
Hierbei ist zwischen dem Abgaskühler und dem Kreislauf des Motorkühlmittels ein thermostatisches Ventil angeordnet, das bis zu einer vorgegebenen oberhalb der Umgebungstemperatur liegenden Mindesttemperatur des Kühlmittels eine Durchströmung des Abgaskühlers sperrt. Mittels dieser Ausgestaltung der Abgasrückführleitung soll sichergestellt werden, daß nicht aufgrund einer Kühlmittelströmung in den Abgaskühler das Erreichen der Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors verzö- gert wird, bei welcher der Motor bezüglich Verbrauch und Emission günstiger arbeitet, als in kaltem Zustand. Aus der DE 10 2006 033 314 A1 ist ein Wärmetauschersystem mit einem über einen Motorkühlkreislauf gekühlten Verbrennungsmotor bekannt, dem rückgeführtes Abgas und/ oder Ladeluft zugeführt werden kann. Hierbei ist vorgesehen, die Kühlleistung des Wärmetauschersystems so zu begrenzen, daß die Taupunkttemperatur des gekühlten Mediums, also des rückgeführten Abgases oder der Ladeluft, nicht unterschritten wird.
Aus der DE 103 20 801 A1 ist eine Brennkraftmaschine bekannt, bei der im Abgas- sträng ein Abgaswärmetauscher angeordnet ist, der im Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine liegt. Hiermit kann eine Wärmerückgewinnung aus dem Abgas ins Kühlmittel erfolgen. Hierbei soll die Abgastemperatur in einem Temperaturfenster zur optimalen Abgasnachbehandlung gehalten werden und zugleich die Brennkraftmaschine schnell erwärmt werden, um mit einer schnelleren Erwärmung des Kühlmittels und damit des Motors nach dem Kaltstart eine Reibleistungsminderung zu erzielen.
Aus der DE 100 43 621 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit einem in das Flüssigkeitskühlsystem einbezogenen Abgaswärmetauscher bekannt, wobei der Abgaswärmetauscher in einer steuerbaren Bypassleitung im Abgasstrang liegt. Durch eine Abgastemperatur-geregelte Führung des Abgases über den Abgaswärmetauscher sollen Temperaturspitzen im nachgeordneten Stickoxid-Speicherkatalysator vermieden werden.
Bei der Entwicklung von modernen Brennkraftmaschinen stehen niedrige Brennstoff- verbrauche und günstige Abgaswerte weit im Vordergrund. In diesem Zusammenhang wird unabhängig vom Arbeitsverfahren eine Steigerung der Prozeßwirkungsgrade angestrebt und umgesetzt.
Die Steigerung des Prozesswirkungsgrade führt zu einer Verlangsamung des Auf- heizens der Brennkraftmaschine nach dem Kaltstart. Zur Steigerung des Prozesswirkungsgrades und zur Senkung der Rohemissionen ist die Zuführung von gekühltem Abgas zur Verbrennungsluft (AGR) von besonderer Bedeutung. Katalysatoren zur Abgasnachbehandlung, insbesondere NOx-Speicherkatalysatoren (DeNOx-Katalysator) und selektive katalytische Regenerations-Katalysatoren (SCR- Katalysator), zeigen eine ausgeprägte Temperaturabhängigkeit ihrer Konvertierungseffizienz. Die Positionierung von DeNOx oder SCR-Katalysator im Abgassystem muß sich nach den maximal im Bereich der Nennleistung auftretenden Temperaturen richten. Dies führt im mager abgestimmten Teillastbereich zu einem nicht optimalen Temperaturarbeitsbereich des DeNOx-Katalysators bzw. des SCR-Katalysators. Im unteren Lastbereich muß entsprechend angedrosselt werden, um die Temperatur einzuhalten, bzw. kann das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Leerlauf nicht mager abge- stimmt werden und damit nicht verbrauchsgünstig sein.
Zur Einhaltung bestimmter Bauteiltemperaturen im Abgassystem (Katalysatoren und Turbolader) wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch teilweise erheblich angefettet (λ < 1) mit entsprechendem Mehrverbrauch. Dies führt insbesondere zu hohen CO- und HC- Emissionen nach dem Dreiwegekatalysator im unterstöchiometrischen Betriebsbereich.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur flexiblen Nutzung der Abgasenergie und eine Brennkraftmaschine mit hierfür geeigneten Mitteln vorzuschlagen, mit dem sowohl die Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine in günstiger Weise beeinflußt als auch die Rohemission der Brennkraftmaschine gesenkt und die Abgasnachbehandlung optimiert werden kann.
Die Lösung hierfür besteht in einem Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Flüssigkeitskühlsystem, die einen Luftansaugstrang, einen Abgasstrang, in dem Mittel zur Abgasnachbehandlung angeordnet sind, und eine steuerbare Abgas- rückführleitung vom Abgasstrang zum Luftansaugstrang aufweist, in der ein in das Flüssigkeitskühlsystem einbezogener Abgaswärmetauscher angeordnet ist, bei welchem nach dem Kaltstart der Brennkraftmaschine der Abgasstrang an einer Stelle gedrosselt oder gesperrt wird und der Abgasstrom aus dem Abgasstrang über den Abgaswärmetauscher und zurück in den Abgasstrang geführt wird und die Abgas- rückführleitung vor dem Eintritt in den Luftansaugstrang gesperrt wird. (Modus 1) Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit die Möglichkeit eröffnet, bei einer Brennkraftmaschine, die Mittel zur gekühlten Abgasrückführung aufweist, in erfindungsgemäßer Weise das Abgas so zu steuern, daß eine beschleunigte Erwärmung des Kühlwasserkreislaufes in der Brennkraftmaschine und damit der Brennkraftma- schine insgesamt nach dem Kaltstart möglich wird. Durch beschleunigtes Erreichen der Betriebstemperatur wird die innere Reibleistung der Brennkraftmaschine hierbei beschleunigt reduziert, so daß die Nachteile, die sich bei modernen Brennkraftmaschinen in Folge der Prozeßwirkungsgradsteigerung bezüglich des Warmlaufverhaltens ergeben, beschränkt oder aufgehoben werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit den obengenannten Mitteln sind dabei auf freisaugende Ottomotoren ebenso anwendbar wie auf aufgeladene Ottomotoren und aufgeladene Dieselmotoren, wobei gemischansaugende Ottomotoren und direkteinspritzende Ottomotoren eingeschlos- sen sind.
Im Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader ist insbesondere vorgesehen, daß nach dem Kaltstart der Brennkraftmaschine der Abgasstrom hinter dem Abgasturbolader aus dem Abgasstrang entnommen und über den Abgaswärme- tauscher zurück in den Abgasstrang geführt wird. (Modus 1)
Nach einer weiteren Verbesserung des erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, daß im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine ein variabel regelbarer Teilstrom des Abgases aus dem Abgasstrang über den Abgaswärmetauscher in den Luftan- saugstrang geleitet wird. (Modus 2). Mit dieser Verfahrensführung im Teillastbetrieb ist es möglich, eine gekühlte Abgasrückführung zur Steigerung des Prozesswirkungsgrades und zur Senkung der hohen Emissionen nach Erreichen der gewünschten Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine durchzuführen. Hierbei bleibt die Abgastemperatur des nicht zurückgeführten Abgases ungekühlt auf dem im wesent- liehen leistungsabhängigen Normalwert, der innerhalb des für die Abgasnachbehandlung erforderlichen Temperaturfensters liegt.
Ein Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader ist insbesondere vorgesehen, daß im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine der Teilstrom vor dem Abgasturbolader aus dem Abgasstrang entnommen und über den Abgaswärmetauscher in den Luftansaugstrang geführt wird. (Modus 2)
Nach einer weiterführenden Ausführung des Verfahrens ist vorgesehen zumindest bei Vollast und/oder bei hoher Teillast der Brennkraftmaschine der Abgasstrang an einer Stelle regelbar gedrosselt wird und die Abgastemperatur vor den Mitteln zur Abgasnachbehandlung auf einen Höchstwert begrenzt gehalten wird, indem ein Teilstrom des Abgases aus dem Abgasstrang über den Abgaswärmetauscher geführt wird und ein erster variabel regelbarer Unterteilstrom in den Luftansaugstrang geleitet und ein zweiter variabel regelbarer Unterteilstrom in den Abgasstrang zurückgeführt wird. (Modus 3). Mit dieser Verfahrensführung wird zum einen die Abgasrückführung aus den bereits genannten Gründen dargestellt, zum anderen kann die sich einstellende Temperatur des Abgases durch Kühlung eines Teilstroms des Abgases begrenzt und reduziert werden, wenn andernfalls Abgastemperaturen erreicht würden, die zur Schädigung der Bauteile zur Abgasnachbehandlung führen würden.
Zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader ist hierbei vorgesehen, daß zumindest bei Vollast und/oder bei hoher Teillast der Brennkraftmaschine der Teilstrom zum Abgaswärmetauscher dem Abgasstrang vor dem Abgasturbolader entnommen wird. (Modus 3)
Das erfindungsgemäße Erzeugnis liegt in einer Brennkraftmaschine mit einem Flüssigkeitskühlsystem, die einen Luftansaugstrang, einen Abgasstrang und eine Abgas- rückführleitung vom Abgasstrang zum Luftansaugstrang aufweist, in der ein in das Flüssigkeitskühlsystem einbezogener Abgaswärmetauscher angeordnet ist, die sich dadurch auszeichnet, daß in der Abgasrückführleitung hinter dem Abgaswärmetauscher ein erstes Absperr- und Regelventil angeordnet ist und daß von der Abgasrückführleitung zwischen Abgaswärmetauscher und Absperrventil eine Abgasbypass- leitung abzweigt, die in den Abgasstrang hinter der Abzweigstelle der Abgasrückführleitung mündet und in der ein zweites Absperr- und Regelventil angeordnet ist und daß zwischen der Abzweigstelle der Abgasrückführleitung und der Einmündungsstelle der Abgasbypassleitung im Abgasstrang ein Drossel- und Sperrventil angeordnet ist. Hierbei kann vorgesehen sein, daß das erste Absperrventil und das zweite Absperrventil zu einem Dreiwegeventil im Punkt der Leitungsverzweigung vereinigt sind.
Für den Fall, daß die Brennkraftmaschine einen freisaugenden Ottomotor darstellt, ist vorgesehen, daß ein Dreiwegekatalysator vor der Abzweigstelle der Abgasrück- führleitung und ein DeNOx- und/oder SCR-Katalysator hinter der Einmündung der Abgasbypassleitung im Abgasstrang liegt.
Sofern die Brennkraftmaschine einen Abgasturbolader aufweist, ist vorgesehen, daß ein Hochdruckzweig der Abgasrückführleitung den Abgasstrang vor der Turbine mit dem Eintritt zum Abgaswärmetauscher und ein Niederdruckzweig der Abgasrückführleitung den Abgasstrang hinter der Turbine mit dem Eintritt zum Abgaswärmetauscher verbindet, wobei im Hochdruckzweig ein drittes Absperr- und Regelventil und im Niederdruckzweig ein viertes Absperr- und Regelventil angeordnet ist. Hierbei kann vorgesehen sein, daß das dritte Absperrventil und das vierte Absperrventil zu einem Dreiwegeventil im Punkt der Leitungszusammenführung vereinigt sind.
Im Falle eines aufgeladenen Ottomotors ist ein Dreiwegekatalysator vor der Ab- Zweigstelle der Abgasrückführleitung und ein DeNOx- und/oder SCR-Katalysator hinter der Einmündungsstelle der Abgasbypassleitung im Abgasstrang vorzusehen.
Im Falle eines aufgeladenen Dieselmotors ist ein Dieseloxidationskatalysator und/ oder ein Dieselpartikelfilter vor der Abzweigstelle der Abgasrückführleitung und ein DeNOx- und/oder SCR-Katalysator hinter der Einmündungsstelle der Abgasbypassleitung im Abgasstrang vorzusehen. Für aufgeladene Brennkraftmaschinen ist insbesondere ein Ladeluftkühler im Ansaugstrang einzusetzen.
Gemäß dem vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Konzept ist alleine oder in Kombination die Nutzung der thermischen Abgasenergie zum schnellen Aufheizen des Kühlwassers und Motoröls der Brennkraftmaschine nach dem Kaltstart, die Kühlung des Abgasrückführstroms zur Minderung von Kraftstoffverbrauch und NOx- Emissionen im mageren Betriebsmodus (geschichtet oder homogen mager) und die Kühlung des Abgasrückführstroms zur Minderung des Kraftstoffverbrauchs im oberen Lastbereich möglich. Hierbei läßt sich durch Kühlen eines Teilstroms des Abgases im Abgasstrom die höchstzulässige Temperatur vor einem NOx- Speicherkatalysator auch bei Vollastbetrieb einhalten, ohne daß eine Anfettung des Kraftstoff-Luft-Gemisches bei aufgeladenen Ottomotoren erforderlich wird. Es wird hierbei ein einziges integriertes Leitungssystem mit Steuerungselementen in kompakter einfacher und übersichtlicher Bauweise verwendet.
Zwei Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Brennkraftmaschinen sind in den Zeichnungen im Grundaufbau und in verschiedenen Betriebsmodi dargestellt.
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in Ausführung als freisaugender Ottomotor in schematischer Anordnung einschließlich der Luftansaug- und der Abgasführungen;
Figur 2 zeigt die Brennkraftmaschine nach Figur 1 im Kaltstartmodus (Modus
D;
Figur 3 zeigt die Brennkraftmaschine nach Figur 1 im Teillastmodus (Modus 2);
Figur 4 zeigt die Brennkraftmaschine nach Figur 1 im Vollastmodus (Modus
3);
Figur 5 zeigt eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in Ausführung als aufgeladener Ottomotor oder als aufgeladener Dieselmotor in schematischer Anordnung einschließlich der Luftansaug- und der Abgasführungen;
Figur 6 zeigt die Brennkraftmaschine nach Figur 5 im Kaltstartmodus (Modus
D;
Figur 7 zeigt die Brennkraftmaschine nach Figur 5 im Teillastmodus (Modus 2);
Figur 8 zeigt die Brennkraftmaschine nach Figur 5 im Vollastmodus (Modus
3).
Figur 9 zeigt eine Brennkraftmaschine nach Figur 5 in einer ersten abgewandelten Ausführung mit gekühltem Abgaskrümmer;
Figur 10 zeigt eine Brennkraftmaschine nach Figur 5 in einer zweiten abgewan- delten Ausführung mit gekühltem Abgaskrümmer.
In Figur 1 ist eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 11 in Form eines freisaugenden Vierzylindermotors dargestellt, der als gemischansaugender oder direkteinspritzender Ottomotor verstanden werden kann, wobei vier Zylinder in Draufsicht durch Kreise symbolisiert sind. Ansaugseitig ist ein Ansaugstutzen 12 mit einer Drosselklappe 13 erkennbar, die in einen Ansaugluftsammler 14 mündet. Vom Ansaugluftsammler 14 führen vier Ansaugluftkrümmer 15 zur Lufteinlaßseite der Brennkraftmaschine. Der Luftansaugstrang insgesamt aus den zuvor genannten Teilen ist mit der Bezugsziffer 16 bezeichnet.
Auf der gegenüberliegenden Auslaßseite der Brennkraftmaschine 11 sind vier Abgasstutzen 17 erkennbar, die in einen Abgassammler 18 münden. Vom Abgassammler 18 aus führt eine Abgasleitung 20 zunächst in einen Dreiwegekatalysator 19 und von dort über einen weiteren Abschnitt der Abgasleitung 20 zu einem Katalysator 21 in Form eines DeNOx -Katalysators oder in Form eines SCR-Katalysators. Der Abgasstrang insgesamt aus den zuvor genannten Teilen ist mit der Bezugsziffer 23 belegt.
In der Abgasleitung 20 ist zwischen den Katalysatoren 19, 21 eine steuerbare Dros- sei- und Absperrklappe 22 vorgesehen. Von der Abgasleitung 20 geht vor der Drosselklappe 22 eine Abgaszweigleitung 24 ab, die an einer Verzweigungsstelle 29 in eine Abgasrückführleitung 25 und in eine Abgasbypassleitung 26 verzweigt wird. In der Abgasrückführleitung 24 vor der Verzweigung ist ein Abgaswärmetauscher 27 eingesetzt, der einerseits von abgezweigtem Abgas durchströmt werden kann, zum anderen in einer äußeren Kühlwasserleitung 28 der Brennkraftmaschine 11 liegt und ständig vom Kühlwasser durchströmt wird. Ein Kühlwasser-Luft-Wärmetauscher als Hauptwärmetauscher, über den die Brennkraftmaschine 11 ebenfalls verfügt, ist nicht dargestellt. In der Abgasrückführleitung 25 hinter der Verzweigungsstelle 29 liegt ein Abgasregelventil 30. In der Abgasbypassleitung 26 hinter der Verzweigung 29 liegt ein weiteres Abgasregelventil 31. Die Abgasrückführleitung 25 ist über ein Verzweigungssystem 32 mit den einzelnen Luftansaugstutzen 15 verbunden. An dem Katalysator 21 ist eine Temperaturmeßvorrichtung 33 für die Katalysatorentemperatur T4 angedeutet. Die zuvor genannten Teile insgesamt werden als Abgasrückführsystem 34 bezeichnet.
Durch Schließen der Drosselklappe 22 in der Abgasleitung 20 kann ein Teil oder der gesamte Abgasstrom über die Abgasabzweigleitung 24 geführt werden, während in der vollständig geöffneten Stellung der Drosselklappe 22 die Möglichkeit gegeben ist, einen großen Anteil des Abgasstromes unmittelbar zum Katalysator 21 durchzuleiten.
Durch ein veränderliches Öffnen und Schließen der Abgasregelventile 30, 31 ist es dabei möglich, einen wechselnden Anteil von Abgas in den Luftansaugstrang 16 zurückzuführen oder nach Durchlauf durch den Wärmetauscher 27 zurück in den Abgasstrang 23 zu führen.
Weitere Einzelheiten der verschiedenen Steuerungsmöglichkeiten ergeben sich aus den nachfolgenden Figuren.
In Figur 2 ist der Kaltstartmodus der Brennkraftmaschine dargestellt, wobei die von Abgas durchflossenen Leitungsabschnitte der Leitungen 24, 25, 26 durch parallel zu den Leitungssträngen verlaufende dünne Linien gekennzeichnet sind. Gleiche Ein- zelheiten sind mit gleichen Ziffern belegt wie in Figur 1.
Im Kaltstartmodus findet keine Abgasrückführung in den Luftansaugstrang statt, was dadurch bewirkt wird, daß das Abgasregelventil 30 vollständig geschlossen ist. Gleichzeitig wird jedoch der gesamte Abgasstrom durch Schließen der Drosselklappe 22 und durch Öffnen des Abgasregelventils 31 über den Abgaswärmetauscher 27 und unmittelbar zurück in die Abgasleitung 20 hinter der Drosselklappe 22 geführt. Hierdurch wird das Kühlwasser der Brennkraftmaschine maximal und schnellstmög- lieh auf eine gewünschte erhöhte Temperatur gebracht, wobei das Abgas in zulässiger Weise gekühlt wird. Der Katalysator 21 bleibt dadurch wirksam.
In Figur 3 ist der Teillastmodus der Brennkraftmaschine nach Figur 1 dargestellt. Gleiche Einzelheiten sind mit gleichen Bezugsziffern wie in Figur 1 belegt. Die von Abgas durchströmten Abschnitte der Leitungen 24, 25, 26 sind mit parallel zu den Leitungen verlaufenden dünnen Linien gekennzeichnet.
Es ist der Betriebsmodus bei niedriger Teillast dargestellt, der insbesondere mit einem Luftverhältnis λ > 1 gefahren wird und zur Herstellung der Zündfähigkeit somit eine Schichtung des Brennstoff-Luft-Gemisches erfordert, um an der Zündkerze ein Luftverhältnis innerhalb der Zündgrenzen sicherzustellen. Bei maximal geöffneter Drosselklappe 22 wird das Abgasregelventil 31 geschlossen gehalten und das Abgasregelventil 30 geöffnet, so daß eine Rückführung von Abgas in den Luftansaugstrang 16 erfolgen kann. Das Abgas fließt hierbei zwangsweise über den Abgaswär- metauscher 27, so daß das Kühlwasser weiter aufgeheizt wird und gekühltes Abgas zur Verbesserung des Wirkungsgrades in den Ansaugstrang 16 geleitet wird. Es gelangt jedoch kein gekühltes Abgas zurück in den Abgasstrang 23.
In Figur 4 ist der Betriebsmodus bei hoher Teillast wiederum mit einem Luftverhältnis λ >1 und der Betriebsmodus bei Vollast dargestellt. Gleiche Einzelheiten sind mit gleichen Ziffern belegt wie in Figur 1. Die von Abgas durchströmten Abschnitte der Leitungen 24, 25, 26 sind mit parallel zu den Leitungen verlaufenden dünnen Linien gekennzeichnet.
Die Sperrklappe 22 ist teilweise geschlossen und der über die Abgaszweigleitung 24 abgeleitete Teil des Abgasstromes wird durch Öffnen des Abgasregelventils 30 und Regeln des Abgasregelventils 31 veränderlich auf die Leitungszweige 25, 26 verzweigt. In diesem Betriebsmodus wird das Abgas wie auch im vorher beschriebenen nach Kühlung im Wärmetauscher 27 in das Ansaugluftsystem zurückgeführt, während zur Regelung und Optimierung der Abgastemperatur T4 im Katalysator 21 ein veränderlich großer Teilstrom des gekühlten Abgases vor dem Katalysator 21 in die Abgasleitung 20 zurückgeführt wird.
In Figur 5 ist eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 11 in Form eines aufgeladenen Vierzylindermotors dargestellt, der als gemischansaugender oder direkteinspritzender Ottomotor oder als Dieselmotor verstanden werden kann, wobei vier Zylinder in Draufsicht durch Kreise symbolisiert sind. Ansaugseitig ist ein Ansaugstut- zen 12 gezeigt, der über den Verdichter 42 eines Abgasturboladers 41 mit einem Ladeluftrohr 45 verbunden ist. Im Ladeluftrohr 45 liegt ein Ladeluftkühler 44, der als Kühlmittel Umgebungsluft oder Kühlwasser der Brennkraftmaschine verwenden kann. Im Ladeluftrohr 45, das in einen Ansaugluftsammler 14 mündet, ist eine Drosselklappe 13 erkennbar. Vom Ansaugluftsammler 14 führen vier Ansaugluftkrümmer 15 zur Lufteinlaßseite der Brennkraftmaschine. Der Ladeluftstrang insgesamt ist mit der Bezugsziffer 16 bezeichnet.
Auf der gegenüberliegenden Auslaßseite der Brennkraftmaschine 11 sind vier Abgasstutzen 17 erkennbar, die in einen Abgassammler 18 münden. Der Abgassamm- ler 18 beaufschlagt die Turbine 43 des Abgasturboladers 41. Bei einem Ottomotor führt vom Abgassammler 18 aus eine Abgasleitung 20 zunächst in einen Dreiwegekatalysator 19 (TWC) und von dort über einen weiteren Abschnitt der Abgasleitung 20 zu einem Katalysator 21 in Form eines DeNOx- oder eines SCR-Katalysators. Bei einem Dieselmotor tritt an Stelle des Dreiwegekatalysators 19 ein Dieseloxiditati- onskatalysator (DOC) und/oder ein Dieselpartikelfilter (DPF). Der Abgasstrang insgesamt aus den zuvor genannten Teilen ist mit der Bezugsziffer 23 belegt.
In der Abgasleitung 20 ist zwischen den zwei Katalysatoren eine steuerbare Drossel- und Absperrklappe 22 vorgesehen. Von der Abgasleitung 20 geht vor der Drossel- klappe 22 eine Abgaszweigleitung 24 ab, die an einer Verzweigungsstelle 29 in eine Abgasrückführleitung 25 und in eine Abgasbypassleitung 26 verzweigt. In der Abgas- rückführleitung 25 vor der Verzweigung ist ein Abgaswärmetauscher 27 eingesetzt, der einerseits von abgezweigtem Abgas durchströmt werden kann, zum anderen in einer äußeren Kühlwasserleitung 28 der Brennkraftmaschine 11 liegt und ständig vom Kühlwasser durchströmt wird. Ein Kühlwasser-Luft-Wärmetauscher als Hauptwärmetauscher, über den die Brennkraftmaschine 11 ebenfalls verfügt, ist nicht dargestellt. In der Abgasrückführleitung 25 hinter der Verzweigungsstelle 29 liegt ein Abgasregelventil 30. In der Abgasbypassleitung 26 hinter der Verzweigung 29 liegt ein weiteres Abgasregelventil 31. Die Abgasrückführleitung 25 ist über ein Verzweigungssystem 32 mit den einzelnen Luftansaugstutzen 15 verbunden. Vom Abgassammler 18 vor der Turbine 43 führt eine Hochdruckzweigleitung 35 mit Hochdruckniveau in die Abgaszweigleitung 24. Eine Niederdruckzweigleitung 36 geht hinter der Turbine, also mit Niedrigdruckniveau von der Abgasleitung 20 zur Abgaszweigleitung 24 ab. An einer Einmündungsstelle 39 mündet die Hochdruckzweigleitung 35 in die Niedrigdruckzweigleitung 36. Jeweils vor der Einmündungsstelle 39 sind in den Leitungen Abgasregelventile 37 beziehungsweise 38 eingesetzt, angedeutet. Durch Schließen der Drosselklappe 22 in der Abgasleitung 20 kann ein Teil oder der ge- samte Abgasstrom über die Abgasabzweigleitung 24 geführt werden, während in der vollständig geöffneten Stellung der Drosselklappe 22 die Möglichkeit gegeben ist, einen großen Anteil des Abgasstromes unmittelbar zum Katalysator 21 durchzuleiten. An dem Katalysator 21 ist eine Temperaturmeßvorrichtung 33 für die Katalysatortemperatur T4 vorgesehen. Die zuvor genannten Teile werden insgesamt als Ab- gasrückführsystem 34 bezeichnet.
Durch ein veränderliches Öffnen und Schließen der Abgasregelventile 30, 31 und 37, 38 ist es dabei möglich, einen wechselnden Anteil von Abgas in den Luftansaugstrang 16 zurückzuführen oder nach Durchlauf durch den Wärmetauscher 27 zurück in den Abgasstrang 23 zu führen.
Weitere Einzelheiten der verschiedenen Steuerungsmöglichkeiten ergeben sich aus den nachfolgenden Figuren.
In Figur 6 ist der Kaltstartmodus der Brennkraftmaschine dargestellt, wobei die von Abgas durchflossenen Leitungsabschnitte der Leitungen 24, 25, 26, 35, 36 durch parallel zu den Leitungssträngen verlaufende dünne Linien gekennzeichnet sind. Gleiche Einzelheiten sind mit gleichen Ziffern belegt wie in Figur 5. Im Kaltstartmodus findet keine Abgasrückführung in den Luftansaugstrang statt, was dadurch bewirkt wird, daß das Abgasregelventil 30 vollständig geschlossen ist. Gleichzeitig wird jedoch der gesamte Abgasstrom oder ein Teilstrom durch Schließen der Drosselklappe 22 und durch Öffnen der Abgasregelventile 36 und 31 über den Abgaswärmetauscher 27 und unmittelbar zurück in die Abgasleitung 20 hinter der Drosselklappe 22 geführt. Das Abgasregelventil 37 wird hierbei geschlossen, so daß die Abgaszweigleitung 24 ausschließlich über dem Niederdruckzweig 36 gespeist wird. Hierdurch wird das Kühlwasser der Brennkraftmaschine maximal und schnellstmöglich auf eine gewünschte erhöhte Temperatur gebracht, wobei das Abgas in zulässiger Weise gekühlt wird. Der Katalysator 21 bleibt dabei wirksam
In Figur 7 ist der Teillastmodus der Brennkraftmaschine nach Figur 5 dargestellt. Gleiche Einzelheiten sind mit gleichen Bezugsziffern wie in Figur 5 belegt. Die von Abgas durchströmten Abschnitte der Leitungen 24, 25, 26, 35, 36 sind mit parallel zu den Leitungen verlaufenden dünnen Linien gekennzeichnet.
Es ist der Betriebsmodus bei niedriger Teillast dargestellt. Bei maximal geöffneter Drosselklappe 22 wird das Abgasregelventil 31 geschlossen gehalten und das Ab- gasregelventil 30 geöffnet, so daß eine Rückführung von Abgas in den Luftansaugstrang 16 erfolgen kann. In diesem Teillastmodus wird das Abgasregelventil 37 geöffnet und das Abgasregelventil 38 geschlossen, so daß die Abgaszweigleitung 24 ausschließlich über dem Hochdruckzweig 35 gespeist wird. Das Abgas fließt hierbei zwangsweise über den Abgaswärmetauscher 27, so daß das Kühlwasser weiter auf- geheizt wird und gekühltes Abgas zur Verbesserung des Wirkungsgrades und zur Reduzierung der Rohemissionen in den Ansaugstrang 16 geleitet wird. Es gelangt jedoch kein gekühltes Abgas zurück in den Abgasstrang 23.
In Figur 8 ist der Betriebsmodus bei hoher Teillast und der Betriebsmodus bei Vollast dargestellt. Gleiche Einzelheiten sind mit gleichen Bezugsziffern belegt wie in Figur 5. Die von Abgas durchströmten Abschnitte der Leitungen 24, 25, 26, 35, 36 sind mit parallel zu den Leitungen verlaufenden dünnen Linien gekennzeichnet. Die Sperrklappe 22 ist teilweise geschlossen und der über die Abgaszweigleitung 24 abgeleitete Teil des Abgasstromes wird durch Öffnen des Abgasregelventils 30 und Regeln des Abgasregelventils 31 veränderlich auf die Leitungszweige 25, 26 verzweigt. In diesem Betriebsmodus wird das Abgas wie auch im vorher beschriebenen aus dem Hochdruckzweig 35 in die Abgaszweigleitung gespeist und nach Kühlung im Wärmetauscher 27 in einem Teilstrom in das Ansaugluftsystem zurückgeführt, während zur Begrenzung der Abgastemperatur T4 ein veränderlich großer Teilstrom des gekühlten Abgases gekühlt vor dem Katalysator 21 in die Abgasleitung 20 zurückgeführt wird.
Soweit in den Figuren 5 bis 8 ein Ottomotor zugrundegelegt wird, ist auch hier im Teillaststrom nach Figur 7 und im Betrieb mit hoher Teillast nach Figur 8 jeweils ein Lüftverhältnis λ > 1 vorzugsweise einzuhalten.
In den Figuren 9 und 10 ist jeweils eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 11 in Form eines aufgeladenen Vierzylindermotors dargestellt, der als Ottomotor oder als Dieselmotor verstanden werden kann, wobei vier Zylinder in Draufsicht durch Kreise symbolisiert sind. Ansaugseitig ist ein Ansaugstutzen 12 gezeigt, der über den Verdichter 42 eines Abgasturboladers 41 mit einem Ladeluftrohr 45 verbunden ist. Im Ladeluftrohr 45 liegt ein Ladeluftkühler 44, der als Kühlmittel Umgebungsluft oder Kühlwasser der Brennkraftmaschine verwenden kann. Im Ladeluftrohr 45, das in einen Ansaugluftsammler 14 mündet, ist eine Drosselklappe 13 erkennbar. Vom Ansaugluftsammler 14 führen vier Ansaugluftkrümmer 15 zur Lufteinlaßseite der Brennkraftmaschine. Der Ladeluftstrang insgesamt ist mit der Bezugsziffer 16 bezeichnet.
Auf der gegenüberliegenden Auslaßseite der Brennkraftmaschine 11 sind vier Abgasstutzen 17' erkennbar, die in einen Abgassammler 18' münden.
In Figur 9 sind die Abgasstutzen 17'und Abgassammler 18' von einem Kühlwasser- mantel 46 umschlossen, der in den Kühlwasserkreislauf der Brennkraftmaschine integriert ist, und dem Abgas Wärme, z. B. zum beschleunigten Aufwärmen der Brennkraftmaschine nach dem Kaltstart entziehen kann. In Figur 10 sind die Abgasstutzen 17' und der Abgassammler 18' von einem Kühlwassermantel 46 umschlossen, der ausschließlich Teil eines äußeren Kühlmittelkreislaufs 47 ist, der nicht mit dem Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine verbunden ist. In diesem äußeren Kühlmittelkreislauf liegt ein Rückkühler oder Energie- wandler 48, mit dem mittels des Kühlmittels abgeführte Abgaswärme auf andere Medien übertragen oder unmittelbar in elektrische oder mechanische Energie umgesetzt werden kann.
In beiden Ausführungsformen beaufschlagt der Abgassammler 18' die Turbine 43 des Abgasturboladers 41. Bei einem Ottomotor führt vom Abgassammler 18 aus eine Abgasleitung 20 zunächst in einen Dreiwegekatalysator 19 (TWC) und von dort über einen weiteren Abschnitt der Abgasleitung 20 zu einem Katalysator 21 in Form eines DeNOx- oder eines SCR-Katalysators. Bei einem Dieselmotor tritt an Stelle des Dreiwegekatalysators 19 ein Dieseloxiditationskatalysator (DOC) und/oder ein Dieselpar- tikelfilter (DPF). Der Abgasstrang insgesamt aus den zuvor genannten Teilen ist mit der Bezugsziffer 23 belegt.
In der Abgasleitung 20 ist zwischen den zwei Katalysatoren eine steuerbare Drossel- und Absperrklappe 22 vorgesehen. Von der Abgasleitung 20 geht vor der Drossel- klappe 22 eine Abgaszweigleitung 24 ab, die an einer Verzweigungsstelle 29 in eine Abgasrückführleitung 25 und in eine Abgasbypassleitung 26 verzweigt. In der Abgas- rückführleitung 25 vor der Verzweigung ist ein Abgaswärmetauscher 27 eingesetzt, der einerseits von abgezweigtem Abgas durchströmt werden kann, zum anderen in einer äußeren Kühlwasserleitung 28 der Brennkraftmaschine 11 liegt und ständig vom Kühlwasser durchströmt wird. Ein Kühlwasser-Luft-Wärmetauscher als Hauptwärmetauscher, über den die Brennkraftmaschine 11 ebenfalls verfügt, ist nicht dargestellt. In der Abgasrückführleitung 25 hinter der Verzweigungsstelle 29 liegt ein Abgasregelventil 30. In der Abgasbypassleitung 26 hinter der Verzweigung 29 liegt ein weiteres Abgasregelventil 31. Die Abgasrückführleitung 25 ist über ein Verzwei- gungssystem 32 mit den einzelnen Luftansaugstutzen 15 verbunden. Vom Abgassammler 18' vor der Turbine 43 führt eine Hochdruckzweigleitung 35 mit Hochdruckniveau in die Abgaszweigleitung 24. Eine Niederdruckzweigleitung 36 geht hinter der Turbine, also mit Niedrigdruckniveau von der Abgasleitung 20 zur Abgaszweigleitung 24 ab. An einer Einmündungsstelle 39 mündet die Hochdruckzweigleitung 35 in die Niedrigdruckzweigleitung 36. Jeweils vor der Einmündungsstelle 39 sind in den Leitungen Abgasregelventile 37 beziehungsweise 38 eingesetzt, angedeutet. Durch Schließen der Drosselklappe 22 in der Abgasleitung 20 kann ein Teil oder der ge- samte Abgasstrom über die Abgasabzweigleitung 24 geführt werden, während in der vollständig geöffneten Stellung der Drosselklappe 22 die Möglichkeit gegeben ist, einen großen Anteil des Abgasstromes unmittelbar zum Katalysator 21 durchzuleiten. An dem Katalysator 21 ist eine Temperaturmeßvorrichtung 33 für die Katalysatortemperatur T4 erkennbar. Die zuvor genannten Teile werden insgesamt als Ab- gasrückführsystem 34 bezeichnet.
Durch ein veränderliches Öffnen und Schließen der Abgasregelventile 30, 31 und 37, 38 ist es dabei möglich, einen wechselnden Anteil von Abgas in den Luftansaugstrang 16 zurückzuführen oder nach Durchlauf durch den Wärmetauscher 27 zurück in den Abgasstrang 23 zu führen.
Bezugszeichenliste
11 Brennkraftmaschine
12 Ansaugstutzen
13 Drosselklappe
14 Ansaugluftsammler
15 Ansaugluftkrümmer
16 Ansaugstrang
17 Abgasstutzen
18 Abgassammler
19 Dreiwegekatalysator 0 Abgasleitung 1 Katalysator 2 Drosselklappe 3 Abgasstrang 4 Abgaszweigleitung 5 Abgasrückführleitung 6 Abgasbypassleitung 7 Wärmetauscher 8 Kühlwasserbypassleitung 9 Verzweigungsstelle 0 Abgasregelventii 1 Abgasregelventil 2 Verzweigungssystem 3 Temperaturmeßvorrichtung 4 Abgasrückführsystem 5 Hochdruckzweig 6 Niederdruckzweig Abgasregelsystem
Abgasregelventil
Einmündungsstelle
Abgasturbolader
Verdichter
Turbine
Ladeluftkühler
Ladeluftleitung
Kühlwassermantel
Kühlwasserkreislauf
Rückkühler/Energiewandler

Claims

Flexible Nutzung der Abgasenergie im Betrieb einer BrennkraftmaschinePatentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine (11) mit einem Flüssigkeitskühlsystem, die einen Luftansaugstrang (16), einen Abgasstrang (23), in dem Mittel zur Abgasnachbehandlung angeordnet sind, und eine steuerbare Abgas- rückführleitung (24, 25) vom Abgasstrang (23) zum Luftansaugstrang (16) aufweist, in der ein in das Flüssigkeitskühlsystem einbezogener Abgaswärmetauscher (27) angeordnet ist,
bei welchem
nach dem Kaltstart der Brennkraftmaschine der Abgasstrang (23) an einer Stelle gedrosselt oder gesperrt wird und der Abgasstrom aus dem Abgasstrang (23) über den Abgaswärmetauscher (27) und zurück in den Abgasstrang (23) geführt wird und die Abgasrückführleitung (25) vor dem Eintritt in den Luftansaugstrang (16) gesperrt wird. (Modus 1)
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
bei welchem
im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine (11) ein variabel regelbarer Teilstrom des Abgases aus dem Abgasstrang (23) über den Abgaswärmetauscher (27) in den Luftansaugstrang (16) geleitet wird. (Modus 2)
BESTATIGUNGSKOPIE
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
bei welchem
zumindest bei Vollast und/oder bei hoher Teillast der Brennkraftmaschine (11) der Abgasstrang (23) an einer Stelle regelbar gedrosselt wird und die Abgastemperatur vor den Mitteln zur Abgasnachbehandlung auf einen Höchstwert begrenzt gehalten wird, indem ein Teilstrom des Abgases aus dem Abgasstrang (23) über den Abgaswärmetauscher (27) geführt wird und ein erster variabel regelbarer Unterteilstrom in den Luftansaugstrang (16) geleitet und ein zweiter variabel regelbarer Unterteilstrom in den Abgasstrang (23) zurückgeführt wird. (Modus 3)
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader,
bei welchem
nach dem Kaltstart der Brennkraftmaschine (11) der Abgasstrom hinter dem Abgasturbolader (41) aus dem Abgasstrang (23) entnommen und über den Abgaswärmetauscher (27) zurück in den Abgasstrang (23) geführt wird. (Modus 1)
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4 zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader,
bei welchem
im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine der Teilstrom vor dem Abgasturbolader (41) aus dem Abgasstrang (23) entnommen und über den Abgaswärmetauscher (27) in den Luftansaugstrang (16) geführt wird. (Modus 2)
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5 zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader,
bei welchem
zumindest bei Vollast und/oder bei hoher Teillast der Brennkraftmaschine (11) der Teilstrom zum Abgaswärmetauscher (27) dem Abgasstrang (23) vor dem Abgasturbolader (41) entnommen wird. (Modus 3)
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2, 3, 5 oder 6 zum Betrieb einer gemischverdichtenden oder luftverdichtenden Brennkraftmaschine mit Fremdzündung (Ottomotor, Ottomotor mit Direkteinspritzung),
bei welchem
bei Betrieb mit Teillast und/oder mit hoher Teillast mit einem Luftverhältnis λ > 1 gefahren wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 zum Betrieb einer luftverdichtenden selbstzündenden Brennkraftmaschine (Dieselmotor)
bei welchem
die intermittierende Regeneration eines Dieselpartikelfilters initiiert und durchgeführt wird, während der Teilstrom zum Abgaswärmetauscher (27) dem Abgasstrang (23) vor dem Abgasturbolader (41) entnommen wird.
9. Brennkraftmaschine (11) mit einem Flüssigkeitskühlsystem, die einen Luftansaugstrang (16), einen Abgasstrang (23) und eine Abgasrückführleitung (24, 25) vom Abgasstrang (23) zum Luftansaugstrang (16) aufweist, in der ein in das Flüssigkeitskühlsystem einbezogener Abgaswärmetauscher (27) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß in der Abgasrückführleitung (25) hinter dem Abgaswärmetauscher (27) ein erstes Absperr- und Regelventil (30) angeordnet ist und daß von der Abgasrückführleitung (25) zwischen Abgaswärmetauscher (27) und Absperrventil (30) eine Abgasbypassleitung (26) abzweigt, die in den Abgasstrang (23) hinter der Abzweigstelle der Abgasrückführleitung (24) mündet und in der ein zweites Absperr- und Regelventil (31) angeordnet ist und daß zwischen der Abzweigstelle der Abgasrückführleitung (24) und der Einmündungsstelle der Abgasbypassleitung (26) im Abgasstrang (23) ein Drossel- und Sperrventil (22) angeordnet ist.
10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß das erste Absperrventil (30) und das zweite Absperrventil (31) zu einem Dreiwegeventil im Punkt der Leitungsverzweigung (29) vereinigt sind.
11. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Brennkraftmaschine (11) ein freisaugender Ottomotor ist und ein Dreiwegekatalysator (TWC) (19) vor der Abzweigstelle der Abgasrückführleitung (24) und ein NOx-Speicherkatalysator ( DeNOx) und/oder ein selektiver kataly- tischer Reduktionskatalysator (SCR) (21) hinter der Einmündung der Abgasbypassleitung (26) im Abgasstrang liegt.
12. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine (11) mit einem Abgasturbolader versehen ist , wobei im Ansaugstrang (16) der Verdichter (42) und im Abgasstrang (23) die Turbine (43) des Abgasturboladers (41) der Brennkraftmaschine (11) angeordnet ist, und daß ein Hochdruckzweig (35) der Abgasrückführleitung (24) den Abgasstrang vor der Turbine (43) mit dem Eintritt zum Abgaswärmetauscher (27) und ein Niederdruckzweig (36) der Abgasrückführleitung (24) den Abgasstrang hinter der Turbine (43) mit dem Eintritt zum Abgaswärmetauscher (27) verbindet, wobei im Hochdruckzweig (35) ein drittes Absperr- und Regelventil (37) und im Niederdruckzweig (36) ein viertes Absperr- und Regelventil (38) angeordnet ist.
13. Brennkraftmaschine nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß das dritte Absperrventil (37) und das vierte Absperrventil (38) zu einem Dreiwegeventil im Punkt der Leitungszusammenführung (39) vereinigt sind.
14. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 12 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Brennkraftmaschine (11) ein aufgeladener Ottomotor ist und ein Dreiwegekatalysator (TWC) (19) vor der Abzweigstelle der Abgasrückführleitung (24) und ein NOx-Speicherkatalysator (DeNOx) und/oder ein selektiver kataly- tischer Reduktionskatalysator (SCR) (21) hinter der Einmündungsstelle der Abgasbypassleitung (26) im Abgasstrang (23) liegt.
15. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 12 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Brennkraftmaschine (11) ein aufgeladener Dieselmotor ist und ein Die- seloxidationskatalysator (DOC) und/oder ein Dieselpartikelfilter (DPF) vor der Abzweigstelle der Abgasrückführleitung (24) und ein NOx-Speicherkatalysator (DeNOx) und/oder ein selektiver katalytischer Reduktionskatalysator (SCR) (21) hinter der Einmündungsstelle der Abgasbypassleitung (26) im Abgasstrang (23) liegt.
16. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 12 bis 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Ladeluftkühler (44) hinter dem Verdichter (42) des Abgasturboladers (41) im Ansaugstrang (16) liegt.
17. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Abgassammler (18') vorgesehen ist, der doppelwandig ausgebildet ist, wobei der Zwischenraum zwischen den Wänden in den Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine (11) einbezogen ist.
18. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Abgassammler (18') vorgesehen ist, der doppelwandig ausgebildet ist, wobei der Zwischenraum zwischen den Wänden in einen externen Kühlmittelkreislauf (47) mit Kühlerelementen (48) einbezogen ist.
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