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DE102009037876A1 - Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben dieser - Google Patents

Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben dieser Download PDF

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DE102009037876A1
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, wobei Abgas (16) aus einem Abgasstrang (18) der Brennkraftmaschine entnommen und in einen Frischluftstrang (12) der Brennkraftmaschine zurückgeführt wird, wobei in einen Abgasmassenstrom im Abgasstrang (18) der Brennkraftmaschine Kraftstoff eingebracht wird und wobei das rückgeführte Abgas (44) stromab der Einbringung des Kraftstoffes in das Abgas (16) aus dem Abgasstrang (18) entnommen wird. Hierbei wird stromab der Einbringung von Kraftstoff und stromauf der Entnahme des rückgeführten Abgases (16) das Abgas-Kraftstoff-Gemisch zur Verbrennung gezündet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, wobei Abgas aus einem Abgasstrang der Brennkraftmaschine entnommen und in einen Frischluftstrang der Brennkraftmaschine zurück geführt wird, wobei in einen Abgasmassenstrom im Abgasstrang der Brennkraftmaschine Kraftstoff eingebracht wird und wobei das rückgeführte Abgas stromab der Einbringung des Kraftstoffes in das Abgas aus dem Abgasstrang entnommen wird, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner eine Brennkraftmaschine mit einem Frischluftstrang, einem Abgasstrang, einer im Abgasstrang angeordneten Vorrichtung zum Einbringen von Kraftstoff ein einen Abgasstrom in dem Abgasstrang, einer Entnahmestelle zur Entnahme von Abgas aus dem Abgasstrang und eine mit der Entnahmestelle für Abgas fluidleitend verbundenen Abgasrückführleitung (AGR-Leitung) zum Rückführen von Abgas in den Frischluftstrang, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 8.
  • Bei aufgeladenen Motoren, insbesondere bei aufgeladenen Dieselmotoren, ist der der zeitliche Verlauf der Leistungsabgabe nach einer Soll-Lastanforderung von dem Ladedruckaufbau abhängig. Auf die Dauer dieses Vorgangs haben die Laderbauform, die Volumina im Abgas- und Ladeluftsystem und die in der Turbine umsetzbare Abgasenthalpie (im Wesentlichen Abgasmassenstrom und Abgastemperatur) Einfluss. Es ist bereits bekannt, die Abgasenthalpie beispielsweise durch Nacheinspritzung in Verbindung mit der Turbine vorgeschalteten Katalysatoren, durch Nachverbrennung von in die Abgasanlage eingebrachten Kraftstoff oder durch Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches mit nachfolgender Einspeisung in die Abgasanlage stromauf der Turbine zu erhöhen.
  • Es ist beispielsweise bekannt, zur Nachverbrennung den Kraftstoff in die Abgasanlage in den Abgas-Vollstrom einzubringen. Diese Vorgehensweise ist als vergleichsweise ungünstig zu bewerten, da insbesondere bei hohen Abgasmassenströmen zum Erreichen zündfähiger Bedingungen hohe Kraftstoffmindestmassen eingespritzt werden müssen. Damit steigt zwar die ”Brenner”-Leistung stark an, gleichzeitig erhöhen sich jedoch auch die HC-Emissionen durch teil- und unverbrannte Kraftstoffanteile.
  • Aus der DE 196 51 497 C1 ist es bekannt, den Kraftstoff in einen Abgasteilstrom einzubringen, so dass zum einen die Kraftstoffmindestmenge zum Erreichen eines brennfähigen Gemisches sinkt und zum anderen die HC-Emissionen aufgrund der günstigeren Brenneigenschaften im Teilstrom ebenfalls abnehmen.
  • Aus der gattungsgemäßen DE 10 2004 013 232 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung bekannt, wobei stromauf eines Katalysators Kraftstoff in einen Abgasmassenstrom einer Abgasanlage eingespritzt wird. Die eingespritzte, zusätzliche Menge Kraftstoff wird zusammen mit unverbrannten Abgasbestandteilen in dem motornahen Katalysator umgesetzt. Hierdurch erreicht der Katalysator in kurzer Zeit seine Betriebstemperatur. Weiterhin wird bereits im Kaltstart ein erhöhter Abgasmassenstrom mit einer relativ hohen Temperatur und damit einer hohen Abgasenergie erzeugt, mit der eine in der Abgasanlage dem Katalysator nachfolgende Turbine eines Abgasturboladers beaufschlagt wird. Dies unterstützt ein schnelles Ansprechen des Abgasturboladers mit entsprechend schnellem Drehmomentaufbau der Brennkraftmaschine bei einer Lastanforderung bei niedrigen Drehzahlen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der o. g. Art hinsichtlich der Abgasrückführung und des Ansprechverhaltens der Drehmomentabgabe bei Lastanforderung zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen und durch eine Brennkraftmaschine der o. g. Art mit den Anspruch 8 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
  • Bei einem Verfahren der o. g. Art ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass stromab der Einbringung von Kraftstoff und stromauf der Entnahme des rückgeführten Abgases das Abgas-Kraftstoff-Gemisch zur Verbrennung gezündet wird.
  • Dies hat den Vorteil, dass durch Rückführen von nachverbranntem, heißen Abgas eine Belagbildung in einer Abgasrückführleitung und insbesondere in einem Kühler für rückgeführtes Abgas (AGR-Kühler) in der Abgasrückführleitung der Brennkraftmaschine wirksam reduziert ist.
  • Eine hohe Beladung von Brennräumen der Brennkraftmaschine aufgrund hoher Dichte des der Verbrennungsluft zugeführten Abgases erzielt man dadurch, dass das rückgeführte Abgas vor dem Einleiten in den Verbrennungsluftstrang gekühlt wird.
  • Dadurch, dass das Abgas stromab der Entnahme des rückgeführten Abgases einer Turbine eines Abgasturboladers zugeführt wird, wird diese Turbine von der Energie des eingebrachten und gezündeten Kraftstoffes unterstützt, so dass sich nach einer Lastanforderung an die Brennkraftmaschine auch bei niedrigen Drehzahlen ein verzögerungsfreier und schneller Drehmomentaufbau der Brennkraftmaschine ergibt.
  • Dadurch, dass stromauf der Einbringung des Kraftstoffes das Abgas in mindestens zwei Abgasteilströme aufgeteilt wird, wobei die Einbringung des Kraftstoffes in mindestens einen Abgasteilstrom erfolgt, wird die zum Erreichen eines brennfähigen Gemisches erforderliche Kraftstoffmenge gesenkt und werden HC-Emissionen aufgrund günstiger Brenneigenschaften im Abgasteilstrom reduziert.
  • Einen besonders hohen Effekt hinsichtlich der Senkung der erforderlichen Kraftstoffmenge und der Reduktion der HC-Emissionen erzielt man dadurch, dass das Aufteilen des Abgases in Abgasteilströme derart erfolgt, dass der Abgasteilstrom, in den der Kraftstoff eingebracht wird, 3% bis 90%, insbesondere 20% bis 30%, des gesamten Abgasstromes entspricht.
  • Eine Rückführung ausschließlich von aufgrund der Zündung des Kraftstoff-Abgas-Gemisches aufgeheiztem Abgas erzielt man dadurch, dass mindestens zwei, insbesondere alle, Abgasteilströme stromab der Zündung des Abgas-Kraftstoff-Gemisches wieder zusammengeführt werden, wobei die Entnahme des rückgeführten Abgases stromauf der Zusammenführung von Abgasteilströmen erfolgt.
  • Eine Beaufschlagung der Turbine mit einem hohen Abgasmassenstrom erzielt man dadurch, dass die Zusammenführung von Abgasteilströmen stromauf der Turbine erfolgt.
  • Bei einer Vorrichtung der o. g. Art ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass in dem Abgasstrang stromab der Vorrichtung zum Einbringen von Kraftstoff in den Abgasstrom und stromauf der Entnahmestelle für rückgeführtes Abgas eine Zündvorrichtung zum Zünden einer Verbrennung des eingebrachten Kraftstoffes angeordnet ist.
  • Dies hat den Vorteil, dass durch Rückführen von nachverbranntem, heißen Abgas eine Belagbildung in der AGR-Leitung und insbesondere in einem in der AGR-Leitung angeordneten Kühler für rückgeführtes Abgas (AGR-Kühler) wirksam reduziert ist.
  • Zum Kühlen des rückgeführten Abgases ist in der AGR-Leitung ein Kühler für das rückgeführte Abgas (AGR-Kühler) angeordnet.
  • Dadurch, dass in dem Abgasstrang stromab der Entnahmestelle für rückgeführtes Abgas eine Turbine eines Abgasturboladers angeordnet ist, wird diese Turbine von der Energie des eingebrachten und gezündeten Kraftstoffes unterstützt, so dass sich nach einer Lastanforderung an die Brennkraftmaschine auch bei niedrigen Drehzahlen ein verzögerungsfreier und schneller Drehmomentaufbau der Brennkraftmaschine ergibt.
  • Dadurch, dass stromauf der Vorrichtung zum Einbringen von Kraftstoff der Abgasstrang in mindestens zwei Abgasteilstränge derart geteilt ist, dass der Abgasstrang das Abgas in mindestens zwei Abgasteilströmen führt, wobei die Vorrichtung zum Einbringen von Kraftstoff in mindestens einem Abgasteilstrang angeordnet ist, wird die zum Erreichen eines brennfähigen Gemisches erforderliche Kraftstoffmenge gesenkt und werden HC-Emissionen aufgrund günstiger Brenneigenschaften im Abgasteilstrom reduziert.
  • Einen besonders hohen Effekt hinsichtlich der Senkung der erforderlichen Kraftstoffmenge und der Reduktion der HC-Emissionen erzielt man dadurch, dass die Abgasteilstränge derart ausgebildet sind, dass der Abgasteilstrom, welcher in dem Abgasteilstrang mit der Vorrichtung zum Einbringen von Kraftstoff strömt, 3% bis 90%, insbesondere 20% bis 30%, des gesamten Abgasstromes entspricht.
  • Eine Rückführung ausschließlich von aufgrund der Zündung des Kraftstoff-Abgas-Gemisches aufgeheiztem Abgas erzielt man dadurch, dass der Abgasstrang derart ausgebildet ist, dass sich mindestens zwei, insbesondere alle, Abgasteilstränge stromab der Vorrichtung zum Zünden des Abgas-Kraftstoff-Gemisches wieder vereinigen, wobei die Entnahmestelle zur Entnahme von Abgas stromauf der Vereinigung von mindestens zwei Abgasteilsträngen in demjenigen Abgasteilstrang angeordnet ist, in dem die Zündvorrichtung angeordnet ist.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in der einzigen Fig. eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung.
  • Die in der einzigen Fig. dargestellte, bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine umfasst Arbeitszylinder 10, die von einem Frischluftstrang 12 mit Verbrennungsluft 14 versorgt werden und aus denen Abgase 16 über einen Abgasstrang 18 abgeleitet werden. In dem Frischluftstrang 12 ist ein Verdichter 20 eines Abgasturboladers 22 und ein Ladeluftkühler 24 angeordnet. In dem Abgasstrang 18 ist eine Turbine 26 des Abgasturboladers 22 sowie eine Bypassleitung 28 mit einem Waste-Gate 30 zum Vorbeileiten von Abgas 16 an der Turbine 26 angeordnet.
  • Der Abgasstrang 18 ist derart ausgebildet, dass sich dieser in einen ersten Abgasteilstrang 32 und einen zweiten Abgasteilstrang 34 aufteilt, wobei in dem ersten Abgasteilstrang 32 ein erster Abgasteilstrom 36 und in dem zweiten Abgasteilstrang 34 ein zweiter Abgasteilstrom 38 strömt. In dem ersten Abgasteilstrang 32 ist eine Entnahmestelle 40 für Abgas 16 des ersten Abgasteilstromes 36 ausgebildet. Mit dieser Entnahmestelle 40 ist fluidleitend eine Abgasrückführleitung 42 (AGR-Leitung) verbunden, die Abgas 44 in den Frischluftstrang 12 stromab des Ladeluftkühlers 24 zurück führt (rückgeführtes Abgas 44), so dass den Arbeitzylindern 10 ein Verbrennungsluft-Abgasgemisch 46 zugeleitet wird. In der AGR-Leitung 42 ist ein Kühler 48 (AGR-Kühler) für das rückgeführte Abgas 44 und ein Abgasrückführventil 50 (AGR-Ventil) angeordnet.
  • In dem ersten Abgasteilstrang 32 ist eine Vorrichtung 52 zum Zuführen von Kraftstoff in den ersten Abgasteilstrom 36 des Abgases 16 angeordnet. Stromab dieser Vorrichtung 52 ist eine Zündvorrichtung 54 zum Zünden einer Verbrennung des eingebrachten Kraftstoffes in dem Abgas 16 bzw. in dem Abgasteilstrom 36. Durch die dargestellte Anordnung wird im Wesentlichen nur solches Abgas 16 über die AGR-Leitung 42 an den Frischluftstrang 12 zurückgeführt, welches durch die Verbrennung des eingebrachten Kraftstoffes aufgeheizt wurde. Hierdurch wird eine Belagbildung im AGR-Kühler 48 wirksam reduziert. Derjenige Anteil des ersten Abgasteilstromes 36, der nicht über die AGR-Leitung 42 zurück geführt wird, wird bei einer Wiedervereinigung des ersten Abgasteilstranges 32 und des zweiten Abgasteilstranges 34 dem zweiten Abgasteilstrom 38 zugemischt, so dass ein insgesamt aufgeheiztes Abgas 16 der Turbine 26 zugeführt wird. Hierdurch steht für die Turbine 26 mehr Abgasenthalpie für die Aufladungsarbeit zur Verfügung und es ergibt sich insbesondere bei niedrigen Drehzahlen nach einer Lastanforderung ein schnellerer Drehmomentaufbau der Brennkraftmaschine.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 19651497 C1 [0004]
    • - DE 102004013232 A1 [0005]

Claims (14)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, wobei Abgas aus einem Abgasstrang der Brennkraftmaschine entnommen und in einen Frischluftstrang der Brennkraftmaschine zurück geführt wird, wobei in einen Abgasmassenstrom im Abgasstrang der Brennkraftmaschine Kraftstoff eingebracht wird und wobei das rückgeführte Abgas stromab der Einbringung des Kraftstoffes in das Abgas aus dem Abgasstrang entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass stromab der Einbringung von Kraftstoff und stromauf der Entnahme des rückgeführten Abgases das Abgas-Kraftstoff-Gemisch zur Verbrennung gezündet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das rückgeführte Abgas vor dem Einleiten in den Verbrennungsluftstrang gekühlt wird.
  3. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas stromab der Entnahme des rückgeführten Abgases einer Turbine eines Abgasturboladers zugeführt wird.
  4. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromauf der Einbringung des Kraftstoffes das Abgas in mindestens zwei Abgasteilströme aufgeteilt wird, wobei die Einbringung des Kraftstoffes in mindestens einen Abgasteilstrom erfolgt.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufteilen des Abgases in Abgasteilströme derart erfolgt, dass der Abgasteilstrom, in den der Kraftstoff eingebracht wird, 3% bis 90%, insbesondere 20% bis 30%, des gesamten Abgasstromes entspricht.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei, insbesondere alle, Abgasteilströme stromab der Zündung des Abgas-Kraftstoff-Gemisches wieder zusammengeführt werden, wobei die Entnahme des rückgeführten Abgases stromauf der Zusammenführung von Abgasteilströmen erfolgt.
  7. Verfahren nach Anspruch 3 und mindestens einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammenführung von Abgasteilströmen stromauf der Turbine erfolgt.
  8. Brennkraftmaschine mit einem Frischluftstrang (12), einem Abgasstrang (18), einer im Abgasstrang (18) angeordneten Vorrichtung (52) zum Einbringen von Kraftstoff in einen Abgasstrom in dem Abgasstrang (18), einer Entnahmestelle (40) zur Entnahme von Abgas (16) aus dem Abgasstrang (18) und eine mit der Entnahmestelle (40) für Abgas (16) fluidleitend verbundenen Abgasrückführleitung (42) (AGR-Leitung) zum Rückführen von Abgas (44) in den Frischluftstrang (12), dadurch gekennzeichnet, dass in dem Abgasstrang (18) stromab der Vorrichtung (52) zum Einbringen von Kraftstoff in den Abgasstrom und stromauf der Entnahmestelle (40) für rückgeführtes Abgas (44) eine Zündvorrichtung (54) zum Zünden einer Verbrennung des eingebrachten Kraftstoffes angeordnet ist.
  9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der AGR-Leitung (42) ein Kühler (48) für das rückgeführte Abgas (44) (AGR-Kühler) angeordnet ist.
  10. Brennkraftmaschine nach mindestens einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Abgasstrang (18) stromab der Entnahmestelle (40) für rückgeführtes Abgas (40) eine Turbine (26) eines Abgasturboladers (22) angeordnet ist.
  11. Brennkraftmaschine nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass stromauf der Vorrichtung (52) zum Einbringen von Kraftstoff der Abgasstrang (18) in mindestens zwei Abgasteilstränge (32, 34) derart geteilt ist, dass der Abgasstrang (18) das Abgas (16) in mindestens zwei Abgasteilströmen (36, 38) führt, wobei die Vorrichtung (52) zum Einbringen von Kraftstoff in mindestens einem Abgasteilstrang (32) angeordnet ist.
  12. Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündvorrichtung (54) in demjenigen Abgasteilstrang (32) angeordnet ist, in dem die Vorrichtung (52) zum Einbringen von Kraftstoff angeordnet ist.
  13. Brennkraftmaschine nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasteilstränge (32, 34) derart ausgebildet sind, dass der Abgasteilstrom (36), welcher in dem Abgasteilstrang (32) mit der Vorrichtung (52) zum Einbringen von Kraftstoff strömt, 3% bis 90%, insbesondere 20% bis 30%, des gesamten Abgasstromes entspricht.
  14. Brennkraftmaschine nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasstrang (18) derart ausgebildet ist, dass sich mindestens zwei, insbesondere alle, Abgasteilstränge (32, 34) stromab der Vorrichtung (54) zum Zünden des Abgas-Kraftstoff-Gemisches wieder vereinigen, wobei die Entnahmestelle (40) zur Entnahme von Abgas (16) stromauf der Vereinigung von mindestens zwei Abgasteilsträngen (32, 34) in demjenigen Abgasteilstrang (32) angeordnet ist, in dem die Zündvorrichtung (54) angeordnet ist.
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