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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungsmotoranordnung, wobei insbesondere die Temperatur eines Fluids in einem Wärmetauscher in einer Mischvorrichtung zum Mischen von Abgas und Luft bzw. Ladeluft geregelt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Computerprogrammprodukt, ein computerlesbares Speichermedium, eine Mischvorrichtung zum Mischen von Abgas- und Ladeluft, eine Verbrennungsmotoranordnung und ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug.
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Verbrennungsmotoranordnungen sind häufig mit Ladern ausgestattet, wobei stromaufwärts des Laders Ladeluft bzw. Frischluft mit zurückgeführtem Abgas vermischt und anschließend im Kompressor des Laders komprimiert wird. Dabei kann es stromaufwärts des Kompressors zur Bildung von Kondensat kommen, was die Funktionsfähigkeit des Kompressors oder weiterer Komponenten unter Umständen nachteilig beeinflusst. Insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen kann insbesondere die Anwendung einer Niedrigdruck-Abgasrückführung aufgrund des dabei auftretenden Kondensats unmöglich sein. Die Kondensatbildung stellt vor allem bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen ein Problem dar.
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Die Bildung von Kondensat kann durch die Verwendung eines Bypasses zur Überbrückung eines Niedrigdruck-Abgasrückführungskühlers verringert werden, allerdings nicht vollständig eliminiert werden. Insbesondere während des Starts des Verbrennungsmotors steht keine zur Reduzierung der Kondensatbildung erforderliche Abgaswärme zur Verfügung. Im Falle einer Abschaltung der Niedrigdruck-Abgasrückführung zum Lader kühlt sich der Bereich stromabwärts der Mischeinrichtung zum Mischen von Abgas- und Ladeluft ab und eine Wiederaufnahme der Niedrigdruck-Abgasrückführung gestaltet sich problematisch, insbesondere wenn eine Kondensation vermieden werden soll.
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In dem Dokument
US 8,960,166 B2 wird zur Vermeidung von Kondensatbildung die Wand des Strömungskanals stromaufwärts des Kompressors mittels bereits erhitzter Kühlflüssigkeit des Verbrennungsmotors aufgeheizt. In dem Dokument
US 6,367,256 B1 wird zur Vermeidung der Kondensatbildung im Zusammenhang mit der Abgasrückführung ein elektrischer Heizer zum Verdampfen von gebildetem Kondensat verwendet. In dem Dokument
US 2017/0335748 A1 ist ebenfalls die Verwendung eines Kühlfluids zur Steuerung der Temperatur eines Bereichs zum Mischen von Abgas und Ladeluft offenbart.
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Vor dem beschriebenen Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungsmotoranordnung zur Verfügung zu stellen, welches die Bildung von Kondensat weiter verringert und insbesondere verhindert. Weitere Aufgaben bestehen darin, ein entsprechend vorteilhaftes Computerprogrammprodukt, ein computerlesbares Speichermedium, eine Mischvorrichtung zum Mischen von Abgas- und Ladeluft, eine Verbrennungsmotoranordnung und ein Fahrzeug zur Verfügung zu stellen.
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Die genannten Aufgaben werden durch ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungsmotoranordnung nach Anspruch 1, ein Computerprogrammprodukt nach Anspruch 12, ein computerlesbares Speichermedium nach Anspruch 13, eine Mischvorrichtung nach Anspruch 14, eine Verbrennungsmotoranordnung nach Anspruch 15 und ein Fahrzeug nach Anspruch 16 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungsmotoranordnung betrifft eine Verbrennungsmotoranordnung, welche einen Lader mit einem Kompressor und eine stromaufwärts des Kompressors angeordnete Mischvorrichtung zum Mischen von Abgas aus einer Abgasrückführung und Ladeluft umfasst. Die Mischvorrichtung umfasst einen Wärmetauscher. Der Wärmetauscher ist vorzugsweise in die Mischvorrichtung integriert. Das erfindungsgemäße Verfahren, welches vorzugsweise während des Betriebs des Verbrennungsmotors durchgeführt wird, umfasst folgende Schritte a) bis d):
- a) Die kondensierte Fluidmasse und/oder Eismasse in der Mischvorrichtung wird ermittelt. Dies kann zum Beispiel durch Auslesen eines entsprechenden Wertes aus einer Speichervorrichtung, beispielsweise einem KAM (Keep Alive Memory), erfolgen.
- b) Es wird eine Anfangsphase bzw. Startphase mit den folgenden Schritten b1) bis b4) durchgeführt. In dem Schritt b1) wird eine minimale Temperatur, beispielsweise eine effektive minimale Temperatur, eines Abgas-Luft-Gemisches stromaufwärts des Kompressors berechnet. Die Berechnung erfolgt vorzugsweise für gegebene Randbedingungen.
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In einem Schritt b2) wird die maximale Temperatur, bei der eine Kondensation in dem Abgas-Luft-Gemisch auftritt, berechnet, also die Temperatur, bei der noch Kondensation auftritt. In einem Schritt b3) wird anschließend die kondensierte Fluidmasse und/oder Eismasse in der Mischvorrichtung aktualisiert. In einem Schritt b4) wird ein Temperatursollwert eines Fluids in dem Wärmetauscher festgelegt. Dabei kann der Temperatursollwert des Fluids in dem Wärmetauscher als Temperatur des Abgas-Luft-Gemischs, bei welcher keine Nebelbildung und/oder Kondensation an den Wänden eines zum Kompressor führenden Strömungskanals auftritt und/oder eine festgelegte Kondensationsrate in der Mischvorrichtung nicht überschritten wird, festgelegt werden.
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In einem folgenden Schritt c) wird eine Aufheizphase mit den Schritten c1) bis c4) durchgeführt, falls die minimale Temperatur höher ist als die maximale Temperatur oder die kondensierte Fluidmasse und/oder Eismasse in der Mischvorrichtung größer ist als ein oberer Grenzwert. In dem Schritt c1) werden die Schritte b1) bis b3) durchgeführt. In dem Schritt c2) wird ein maximaler Verdampfungsmassenfluss berechnet, insbesondere ein für einen stabilen Betrieb des Verbrennungsmotors zulässiger maximaler Verdampfungsmassenfluss. In dem Schritt c3) wird die Abgasrückführung deaktiviert, falls die kondensierte Fluidmasse und/oder Eismasse in der Mischvorrichtung höher ist als ein kritischer Grenzwert. Dabei ist der kritische Grenzwert höher als der obere Grenzwert. In dem Schritt c4) wird ein Temperatursollwert des Fluids in den Wärmetauscher festgelegt. Dabei wird vorzugsweise der Temperatursollwert als Funktion des maximalen Verdampfungsmassenflusses und der minimalen Temperatur festgelegt.
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In einem anschließenden Schritt d) wird eine Temperatursteuerphase mit den Schritten d1) bis d3) durchgeführt, falls die minimale Temperatur nicht geringer ist als die maximale Temperatur und die kondensierte Fluidmasse und/oder Eismasse in der Mischvorrichtung kleiner ist als ein unterer Grenzwert. Im Schritt d1) werden die Schritte c1) bis c2) durchgeführt. In dem Schritt d2) wird ein Temperatur-Sollwert des Abgas-Luft-Gemisches stromaufwärts des Kompressors berechnet.
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In dem Schritt d3) wird ein Temperatursollwert des Fluids in dem Wärmetauscher festgelegt, vorzugsweise als Funktion des im Schritt d2) berechneten Temperatur-Sollwertes und der maximalen Temperatur. Anschließend wird die Temperatur des Fluids in dem Wärmetauscher auf den festgelegten Temperatursollwert geregelt.
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Die effektive minimale Temperatur ist die niedrigste Gas-Temperatur, die entlang der Strecke vom Mischpunkt bis zum Verdichter-Einlass unter einem stationären Betrieb entstehen kann. Die effektive minimale Temperatur wird anhand der momentanen maximal erreichbaren Kühlmitteltemperatur in dem Wärmetauscher berechnet. Die maximale Kühlmitteltemperatur ist entweder gleich der Temperatur im Niedrigtemperatur-Kühlkreislauf oder der Temperatur im Hochtemperatur-Kühlkreislauf, je nachdem welche höher ist. Da der Wärmetauscher sehr effektiv ist, kann der Einfluss der GasGeschwindigkeit bzw. des Gas-Massenstroms normalerweise vernachlässigt werden. Nach der Passage durch den Wärmetauscher wird das Gemisch vorzugsweise etwas abgekühlt bevor es den Verdichter erreicht hat. Der entstandene Temperaturverlust kann (vereinfacht) als eine Funktion der GasGeschwindigkeit und der Materialtemperatur des Verdichter-Zuleitungsrohrs abgebildet werden. Das heißt, die Berechnung kann der effektiven minimalen Temperatur kann gemäß TCompFunMin = f(max(T LT, T_HT), T_gemisch (Gas-Massenstrom)) - g(Gas-Massenstrom, Temperatur des Verdichter-Zuleitungsrohrs) erfolgen, wobei TCompFunMin die effektive minimale Temperatur ist, T_LT die Kühlmitteltemperatur im Niedrigtemperatur-Kreislauf ist, T_HT die HT Kühlmitteltemperatur im Hochtemperatur-Kreislauf ist, T_gemisch die Gastemperatur des Gemisches vor dem Eintritt in dem Wärmetauscher ist, f eine Funktion für die Gastemperatur direkt nach dem Wärmetauscher ist, und g eine Beschreibung der Gastemperatur-Abfall bis hin zum Verdichter ist.
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Der Temperatur-Sollwert des Abgas-Luft-Gemisches stromaufwärts des Kompressors wird bevorzugt so berechnet, dass ein kondensatfreier Gasmassenstrom in Richtung Verdichter gewährleistet wird, die maximale gewünschte Verdichter-Eintrittstemperatur nicht überschritten wird, die maximale gewünschte Verdichter-Austrittstemperatur nicht überschritten wird, ein Betrieb des Verdichters mit minimalem Energie-Aufwand gewährleistet wird, ein Betrieb des Verdichters innerhalb eines normalen Betriebsbereichs gewährleistet wird. Falls die zuvor genannten Punkte nicht gleichzeitig gewährleiten werden können, kann eine Priorität zwischen den Punkten gesetzt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass es eine an die konkrete Situation angepasste Regelung der Temperatur des Fluids in dem Wärmetauscher ermöglicht und damit eine Kondensatbildung besonders effizient verringert oder vollständig beseitigt. Ein weiterer Vorteil des vorliegenden Verfahrens besteht darin, dass gebildetes Kondensat effizient verdampft und abgeführt werden kann.
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Falls der Verbrennungsmotor gestoppt wird, kann die zuletzt ermittelte kondensierte Fluidmasse und/oder Eismasse in der Mischvorrichtung gespeichert werden, zum Beispiel in dem KAM. Dies hat den Vorteil, dass die zuletzt ermittelte kondensierte Fluidmasse und/oder Eismasse bei einem nächsten Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgelesen werden kann und damit immer ein aktueller Wert zur Verfügung steht.
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Der Verdampfungsmassenfluss kann berechnet werden, zum Beispiel unter Verwendung der Umgebungstemperatur, dem Druck, der Feuchtigkeit, und/oder der Einlasstemperatur und dem Verbrennungsmassenanteil des Abgasrückführungsmassenflusses und/oder der Temperatur des Fluids in dem Wärmetauscher und/oder dem Ladeluftmassenfluss und/oder dem Abgas-Luft-Gemisch-Massenfluss und/oder der kondensierten Fluidmasse und/oder Eismasse, die sich durch Kondensation in der Mischvorrichtung gesammelt hat. Der Verdampfungsmassenfluss kann auch mittels eines Sensors, insbesondere mittels eines Gaszusammensetzungssensors, ermittelt werden. Der Kondensationsmassenfluss kann unter Verwendung der zuvor für die Berechnung des Verdampfungsmassenflusses genannten Parameter berechnet werden.
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In einer vorteilhaften Variante wird die Aufheizphase wiederholt, falls die minimale Temperatur geringer ist als die maximale Temperatur und die kondensierte Fluidmasse und/oder Eismasse in der Mischvorrichtung größer als ein oberer Grenzwert. Weiterhin kann die Anfangsphase wiederholt werden, falls die minimale Temperatur geringer ist als die maximale Temperatur und die kondensierte Fluidmasse und/oder Eismasse in der Mischvorrichtung nicht größer ist als ein oberer Grenzwert. In einer weiteren Variante kann die Aufheizphase wiederholt werden, falls die minimale Temperatur nicht geringer ist als die maximale Temperatur und die kondensierte Fluidmasse und/oder Eismasse in der Mischvorrichtung nicht kleiner ist als ein unterer Grenzwert. Die beschriebenen Varianten haben den Vorteil, dass die Anfangsphase und/oder die Aufheizphase solange wiederholt werden, bis geeignete Eingangsbedingungen für das Durchführen der Temperatursteuerphase erfüllt sind.
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Vorzugsweise wird die Temperatursteuerphase fortgesetzt bzw. wiederholt, falls die minimale Temperatur nicht geringer ist als die maximale Temperatur. Falls die minimale Temperatur geringer ist als die maximale Temperatur wird je nachdem, ob die kondensierte Fluidmasse und/oder Eismasse in der Mischvorrichtung größer ist als ein oberer Grenzwert, die Anfangsphase oder die Aufheizphase wiederholt. Die Anfangsphase wird wiederholt, falls die kondensierte Fluidmasse und/oder Eismasse in der Mischvorrichtung nicht größer ist als ein oberer Grenzwert. Die Aufheizphase wird wiederholt, falls die kondensierte Fluidmasse und/oder Eismasse in der Mischvorrichtung größer ist als ein oberer Grenzwert. Das beschriebene Vorgehen hat den Vorteil, dass die Temperatursteuerphase nur bei Vorliegen geeigneter Bedingungen durchgeführt wird und die Anfangsphase und die Aufheizphase solange wie dies erforderlich ist, durchgeführt und gegebenenfalls wiederholt werden.
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Die kondensierte Fluidmasse und/oder Eismasse in der Mischvorrichtung kann berechnet werden. Dies kann zum Beispiel durch Integration der Kondensationsrate bzw. Kondensatbildungsrate unter Verwendung der maximal realisierbaren Temperatur, beispielsweise effektiven Temperatur, des Fluids in dem Wärmetauscher der Mischvorrichtung und/oder der Temperatur der zuzuführenden Frischluft und/oder der Feuchtigkeit der Frischluft und/oder des Drucks der Frischluft und/oder der Temperatur des rückgeführten Abgases und/oder des Verbrennungsmassenanteils und/oder eines bestimmten, beispielsweise eines angestrebten, Verbrennungsmassenanteils des mittels der Mischvorrichtung erzeugten Abgas-Luft-Gemisches und/oder einer Kondensationsrate, insbesondere einer effektiven Kondensationsrate, als Differenz aus dem Kondensatmassenfluss und dem verdampften Massenfluss bzw. dem Verdampfungsmassenfluss erfolgen. Zudem kann die Berechnung der kondensierten Fluidmasse und/oder Eismasse in der Mischvorrichtung unter Verwendung eines Nullpunktes, insbesondere einer Trockenbedingung, der kondensierten Fluidmasse und/oder Eismasse in der Mischvorrichtung erfolgen. Der Nullpunkt kann bei einem Abgasrückführungsmassenstrom, insbesondere einem Niedrigdruck-Abgasrückführungsmassenstrom, gleich null unter Verwendung der Umgebungsluftfeuchtigkeit und/oder der mittels eines Sensors bestimmten Ladeluftfeuchtigkeit berechnet werden.
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In einer weiteren Variante kann die minimale Temperatur als momentane oder gemittelte minimale Temperatur, insbesondere als momentane oder gemittelte effektive Temperatur berechnet werden. Das Berechnen der effektiven minimalen Temperatur kann unter Verwendung einer maximal realisierbaren effektiven Temperatur des Fluids in dem Wärmetauscher und/oder der Temperatur der Luft, also der zugeführten Frischluft, und/oder der Feuchtigkeit der Luft, also der zugeführten Frischluft, und/oder der Temperatur des rückgeführten Abgases und/oder des Verbrennungsmassenanteils und/oder eines bestimmten, beispielsweise eines angestrebten, Verbrennungsmassenanteils des mittels der Mischvorrichtung erzeugten Abgas-Luft-Gemischs erfolgen.
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Die maximale Temperatur kann unter Verwendung der Temperatur der Luft, insbesondere der zugeführten Frischluft und/oder der Feuchtigkeit der Luft und/oder des Verbrennungsmassenanteils und/oder eines bestimmten, insbesondere eines angestrebten, Verbrennungsmassenanteils des mittels der Mischvorrichtung erzeugten Abgas-Luft-Gemischs berechnet werden.
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Der Verbrennungsmassenanteil F
Man in dem Abgas-Luft-Gemisch stromabwärts der Mischvorrichtung kann durch Messung mittels eines Sensors, zum Beispiel mittels eines Gaszusammensetzungssensors, und/oder durch Messung der Sauerstoffkonzentration O
2,Man in dem Abgas-Luft-Gemisch bestimmt werden. Dies kann zum Beispiel mittels der Formel
erfolgen. Dabei ist O
2,Air,Dry die Sauerstoffkonzentration der Ladeluft.
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Weiterhin kann die Temperatur T
CompFun des Abgas-Luft-Gemisches stromabwärts der Mischvorrichtung bzw. stromaufwärts des Kompressors gemäß der Formel
berechnet werden. Dabei sind η
MCIS die Effizienz des Wärmetauschers, T
ChargeMixln die Temperatur des Abgas-Luft-Gemisches, T
MCIS,Fluid die Temperatur des Fluids im Wärmetauscher, T
LpEgr die Temperatur des über eine Niedrigdruck-Abgasrückführung rückgeführten Abgases und R
LpEgr die spezifische Gaskonstante des rückgeführten Abgases. Falls die Effizienz des Wärmetauschers hinreichend nahe eins ist und der Fluidmassenstrom so hoch ist, dass die Temperaturdifferenz zwischen einem Einlass und einem Auslass der Mischvorrichtung vernachlässigbar ist, so kann die Temperatur T
CompFun des Abgas-Luft-Gemisches mit der Temperatur T
MCIS,Fluid des Fluids im Wärmetauscher approximiert werden.
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In einer bevorzugten Variante ist die Mischvorrichtung zur Niederdruck-Abgasrückführung ausgelegt. Insbesondere im Zusammenhang mit Niederdruck-Abgasrückführung ist das erfindungsgemäße Verfahren von Vorteil, da in diesem Fall insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen das erhöhte Risiko einer Kondensatbildung besteht und das beschriebene Verfahren die Kondensatbildung effektiv verringert.
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Das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt umfasst Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, ein zuvor beschriebenes erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen. Das erfindungsgemäße computerlesbare Speichermedium umfasst Befehle, die bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, ein oben beschriebenes erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen. Das Computerprogrammprodukt und das computerlesbare Speichermedium haben die oben bereits genannten Vorteile. Sie lassen sich insbesondere in bestehende Systeme integrieren und ermöglichen so eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die erfindungsgemäße Mischvorrichtung zum Mischen von Abgas und Ladeluft umfasst einen Wärmetauscher. Die Mischvorrichtung umfasst zudem eine Steuervorrichtung, die dadurch ausgelegt ist ein oben beschriebenes erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen. Die erfindungsgemäße Verbrennungsmotoranordnung umfasst eine erfindungsgemäße Mischvorrichtung. Das erfindungsgemäße Fahrzeug umfasst eine erfindungsgemäße Verbrennungsmotoranordnung. Die erfindungsgemäße Mischvorrichtung, die erfindungsgemäße Verbrennungsmotoranordnung und das erfindungsgemäße Fahrzeug haben die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren genannten Vorteile. Bei dem erfindungsgemäßen Fahrzeug handelt es sich vorzugsweise um ein Kraftfahrzeug, zum Beispiel um einen LKW, einen PKW, einen Minibus, einen Bus, ein Motorrad oder ein Moped.
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Die Figuren zeigen:
- 1 zeigt schematisch eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Flussdiagramms.
- 2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Mischvorrichtung.
- 3 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Mischvorrichtung während der Durchführung der Anfangsphase des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 4 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Mischvorrichtung während der Durchführung der Aufheizphase.
- 5 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Mischvorrichtung während der Durchführung der Temperatursteuerphase.
- 6 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Verbrennungsmotoranordnung.
- 7 zeigt schematisch eine weitere Variante einer erfindungsgemäßen Verbrennungsmotoranordnung.
- 8 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug.
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Eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Folgenden anhand des in der 1 gezeigten Flussdiagramms erläutert. Der in der 1 gezeigte Block 10 umfasst dabei Verfahrensschritte, die während des Betriebs des Verbrennungsmotors ausgeführt werden. In einem ersten Schritt 1 wird die kondensierte Fluidmasse und/oder Eismasse in einer stromaufwärts eines Kompressors angeordneten Mischvorrichtung zum Mischen von Abgas- und Ladeluft während des Betreibens eines Verbrennungsmotors ermittelt. Vorzugsweise wird die kondensierte Fluidmasse und/Eismasse aus einer Speichervorrichtung, beispielsweise einem KAM, ausgelesen.
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Anschließend wird bei Schritt 2 eine Anfangsphase bzw. Startphase durchgeführt. Im Rahmen der Anfangsphase wird eine minimale Temperatur eines Abgas-Luft-Gemisches stromaufwärts des Kompressors, vorzugsweise für gegebene Randbedingungen, berechnet. Weiterhin wird die maximale Temperatur, bei der noch eine Kondensation in dem Abgas-Luft-Gemisch auftritt, berechnet. Die kondensierte Fluidmasse und/oder Eismasse in der Mischvorrichtung wird aktualisiert. Anschließend wird ein Temperatursollwert eines Fluids in einem vorzugsweise in die Mischvorrichtung integrierten Wärmetauscher festgelegt. Der Temperatursollwert wird bevorzugt als Temperatur des Abgas-Luft-Gemisches, bei welcher keine Nebelbildung und/oder Kondensation an den Wänden eines zum Kompressor führenden Strömungskanals auftritt und/oder eine festgelegte Kondensationsrate in der Mischvorrichtung nicht überschritten wird, festgelegt.
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In Schritt 3 wird geprüft, ob die minimale Temperatur höher ist als die maximale Temperatur oder die kondensierte Fluidmasse und/oder Eismasse in der Mischvorrichtung größer ist als ein oberer Grenzwert. Ist keine der Bedingungen erfüllt, so springt das Verfahren zu Schritt 2 zurück. Ist eine der beiden Bedingungen erfüllt, so wird in Schritt 4 eine Aufheizphase durchgeführt.
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Im Rahmen der Aufheizphase werden zunächst die ersten drei Schritte der Anfangsphase erneut durchgeführt, also das Berechnen der minimalen Temperatur, das Berechnen der maximalen Temperatur und das Aktualisieren der kondensierten Fluidmasse und/oder Eismasse. Anschließend wird ein für einen stabilen Betrieb des Verbrennungsmotors zulässiger maximaler Verdampfungsmassenfluss berechnet. Weiterhin wird die Abgasrückführung deaktiviert, falls die kondensierte Fluidmasse und/oder Eismasse in der Mischvorrichtung höher ist als ein kritischer Grenzwert. Dabei ist der kritische Grenzwert höher als der obere Grenzwert. Zudem wird im Rahmen der Aufheizphase ein Temperatursollwert in dem Wärmetauscher festgelegt. Der Temperatursollwert kann als Funktion des maximalen Verdampfungsmassenflusses und der minimalen Temperatur festgelegt werden.
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In Schritt 5 wird geprüft, ob die minimale Temperatur geringer ist als die maximale Temperatur. Ist dies der Fall, so wird in Schritt 7 geprüft, ob die kondensierte Fluidmasse und/oder Eismasse in der Mischvorrichtung größer ist als ein oberer Grenzwert. Ist dies der Fall, so wird die Aufheizphase 4 wiederholt. Ist dies nicht der Fall, so wird die Anfangsphase 2 wiederholt.
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Ist bei Schritt 5 die minimale Temperatur nicht geringer als die maximale Temperatur, so wird bei Schritt 6 geprüft, ob die kondensierte Fluidmasse und/oder Eismasse kleiner ist als ein unterer Grenzwert. Ist dies nicht der Fall, so wird die Aufheizphase 4 wiederholt. Ist dies der Fall, so wird das Verfahren bei Schritt 8 mit einer Temperatursteuerphase fortgesetzt.
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Im Rahmen der Temperatursteuerphase 8 werden zunächst die ersten beiden Schritte der Aufheizphase 4 durchgeführt, also es werden die ersten drei Schritte der Anfangsphase 2 durchgeführt und ein maximaler Verdampfungsmassenfluss berechnet. Weiterhin wird im Rahmen der Temperatursteuerphase 8 ein Temperatursollwert des Abgas-Luft-Gemisches stromaufwärts des Kompressors berechnet. Zudem wird ein Temperatursollwert des Fluids in dem Wärmetauscher festgelegt, beispielsweise als Funktion des berechneten Temperatursollwertes und der minimalen Temperatur des Abgas-Luft-Gemisches stromaufwärts des Kompressors. Anschließend wird die Temperatur des Fluids in dem Wärmetauscher auf den festgelegten Temperatursollwert geregelt.
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Im Anschluss an die Temperatursteuerphase 8 wird in Schritt 9 geprüft, ob die minimale Temperatur kleiner ist als die maximale Temperatur. Ist dies nicht der Fall, so wird die Temperatursteuerphase 8 wiederholt. Ist dies der Fall, so wird das Verfahren mit Schritt 7 fortgesetzt.
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In Schritt 11 wird geprüft, ob die Verbrennungsmaschine gestoppt wurde. Ist dies der Fall, so wird in Schritt 12 der zuletzt ermittelte Wert der kondensierten Fluidmasse und/oder Eismasse in der Mischvorrichtung gespeichert, vorzugsweise in einem KAM. Anschließend wird in Schritt 13 geprüft, ob der Verbrennungsmotor wieder in Betrieb genommen wurde. Ist dies der Fall, so wird das Verfahren wie im Zusammenhang mit Block 10 beschrieben beginnend mit Schritt 1 wiederaufgenommen.
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Die 2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Mischvorrichtung 20. Die Mischvorrichtung 20 umfasst einen Frischlufteinlass 21. Die Strömungsrichtung der Ladeluft ist durch einen Pfeil mit der Bezugsziffer 22 gekennzeichnet. Die Mischvorrichtung 20 umfasst eine Lufteinlasskammer 27 und einen Mischbereich 30. Innerhalb der Lufteinlasskammer 27 ist ein Luftfilter 28 angeordnet. Weiterhin ist die Lufteinlasskammer 27 mit einem Luftmassensensor 29 ausgestattet.
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Zu dem Mischbereich 30 führt ein Abgasrückführungseinlass 31 und ein Lufteinlass 32. Ein Ventil 33 ist zum variablen Öffnen und Schließen des Lufteinlasses 32 und des Abgaseinlasses 31 ausgelegt und so angeordnet, dass die Luftzufuhr und die Abgaszufuhr, und damit das Mischungsverhältnis, variabel regelbar sind. In dem Mischbereich 30 ist zudem ein Wärmetauscher 36 angeordnet. Der Wärmetauscher 36 umfasst einen Fluideinlass 35 und einen Fluidauslass 37. Bei dem Fluid kann es sich um einen Heiz- und/oder Kühlfluid handeln. Stromabwärts des Wärmetauschers 36 ist ein Auslass 23 angeordnet, der gleichzeitig der Einlass eines Kompressors sein kann. Die Strömungsrichtung des in der Mischkammer 30 erzeugten Abgas-Luft-Gemischs in Richtung Kompressor ist durch einen Pfeil mit der Bezugsziffer 24 gekennzeichnet. In dem Strömungskanal zum Kompressor sind in der gezeigten Variante ein Gasmassensensor 25 und ein Gaszusammensetzungssensor 26 angeordnet.
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Die 3 zeigt die in der 2 gezeigte Mischvorrichtung 20 während der Anfangsphase. Die Strömungsrichtung der angesaugten Frischluft in der Luftkammer 27 stromabwärts des Luftfilters 28 ist durch Pfeile mit der Bezugsziffer 40 gekennzeichnet. Die Strömungsrichtung des rückgeführten Abgases ist durch Pfeile mit der Bezugsziffer 41 gekennzeichnet. Die Strömungsrichtung des gebildeten Abgas-Luft-Gemisches in der Mischkammer 30 ist durch Pfeile mit der Bezugsziffer 42 gekennzeichnet. In der gezeigten Situation hat sich in der Mischkammer 30 Kondensat 43 gebildet. Zusätzlich kann sich an dem Wärmetauscher Eis 44 gebildet haben. Das Abgas-Luft-Gemisch wird durch den Wärmetauscher 36 entfeuchtet. Das in Richtung des Kompressors strömende Abgas-Luft-Gemisch ist hinsichtlich seiner Strömungsrichtung durch die Pfeile mit der Bezugsziffer 45 gekennzeichnet. In der gezeigten Variante hat das den Wärmetauscher 36 durchströmende Kühlfluid eine Temperatur, die in etwa der Umgebungstemperatur entspricht und unterhalb der Temperatur des Abgas-Luft-Gemischs liegt, die zum Vermeiden der Kondensationsbildung erforderlich wäre.
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In der 4 ist die Situation während der Aufheizphase gezeigt. In dieser Phase hat das Fluid in dem Wärmetauscher 36 eine Temperatur, die ungefähr der Temperatur des für die Kühlung des Verbrennungsmotors verwendeten Kühlmittels entspricht und durch den Betrieb des Verbrennungsmotors höher ist als in der Anfangsphase. Dabei ist die Temperatur des Fluids geringer als eine maximale Ausgangstemperatur für den Kompressor und höher als eine minimale Temperatur der angesaugten Frischluft. Durch die gestiegene Temperatur des Fluids in dem Wärmetauscher 36 wird das angesammelte Kondensat verdampft. Dies ist mit der Bezugsziffer 46 gekennzeichnet. Die Strömungsrichtung des den Wärmetauscher 36 verlassende Abgas-Luft-Gemisch, welches anschließend zu dem Kompressor geleitet wird, ist durch Pfeile mit der Bezugsziffer 47 gekennzeichnet. Es weist eine höhere Temperatur auf als das entsprechende Abgas-Luft-Gemisch während der Anfangsphase (siehe 3).
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Die 5 zeigt schematisch die Mischvorrichtung 20 während der Temperatursteuerphase. In dieser Phase ist die Temperatur des den Wärmetauscher 36 durchströmenden Fluids auf einen Wert geregelt, der gewährleistet, dass die Temperatur des Abgas-Luft-Gemischs hoch genug ist, um das darin enthaltene Wasser in gasförmiger Form zu tragen, also hoch genug, dass keine Kondensation in der Mischkammer oder in stromabwärts davon angeordneten Strömungskanälen in Richtung des Kompressors auftritt.
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Andererseits aber auch kalt genug ist, um einen effizienten Betrieb des Kompressors zu gewährleisten.
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Die 6 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Verbrennungsmotoranordnung 50. Die Verbrennungsmotoranordnung 50 umfasst einen Verbrennungsmotor 60 und eine erfindungsgemäße Mischvorrichtung 20. Sie umfasst weiterhin einen Turbolader 51, der einen Kompressor 52 und eine Turbine 53 umfasst. Abgas des Verbrennungsmotos 60 wird zu der Turbine 53 geleitet, welche den Kompressor 52 antreibt, und anschließend einem Abgasnachbehandlungssystem 57 zugeführt.
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Im Rahmen einer Niedrigdruckabgasrückführung 54 wird bereits nachbehandeltes Abgas der Mischeinrichtung 20 zugeführt und mit mittels des Kompressors 52 angesaugter Frischluft vermischt. Das so erzeugte Abgas-Luft-Gemisch wird mittels des Kompressors 52 komprimiert, anschließend mittels eines Ladeluftkühlers 58 gekühlt und anschließend zu dem Verbrennungsmotor 60 geleitet.
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Die gezeigte Kühleinrichtung 69 umfasst eine Entgasungseinrichtung 65. Mittels einer Pumpe 61 wird Kühlmittel zu dem Verbrennungsmotor 60 geleitet. Das den Verbrennungsmotor 60 verlassende, erwärmte Kühlmittel wird einerseits einem Wärmetauscher 62 (HT-Radiator bzw. Hochtemperaturwärmetauscher) zugeführt und dort abgekühlt und anschließend über die Pumpe 61 wiederum dem Verbrennungsmotor 60 zugeführt. Ein anderer Teil des durch den Verbrennungsmotor 60 erhitzten Kühlfluids wird über einen Strömungskanal 67 zu einer Fluidtemperatursteuereinheit 66 geleitet. Der Fluidtemperatursteuereinheit 66 wird über einen weiteren Strömungskanal 68 kaltes Kühlfluid zugeführt. Kühlfluid wird weiterhin mittels einer Pumpe 64 einerseits zu der Fluidtemperatursteuereinheit 66 und andererseits zu dem Ladeluftkühler 58 geleitet. Das den Ladeluftkühler 58 verlassende erhitzte Kühlfluid wird zu einem Wärmetauscher 63 (LT-Radiator bzw. Niedrigtemperaturwärmetauscher) geleitet und dort abgekühlt und anschließend zurück zur Pumpe 64 geleitet.
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Mittels der Fluidtemperatursteuereinheit 66 wird Kühlmittel mit einer mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens festgelegten Temperatur bzw. einer auf eine festgelegte Temperatur geregelten Temperatur zu dem Einlass 35 des Wärmetauschers 36 der Mischvorrichtung 20 geleitet. Stromaufwärts des Einlasses 35 ist in der gezeigten Variante ein Temperatursensor 71 zur Überprüfung der Temperatur des Fluids angeordnet. Das den Wärmetauscher 36 über den Auslass 37 verlassende Fluid wird stromaufwärts des Wärmetauschers 36 in einen von dem Ladeluftkühler 58 kommenden Strömungskanal 72 des erhitzten Kühlfluids eingeleitet.
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Die Niedrigdruckabgasrückführungseinrichtung 54 kann einen ausschließlich ungekühlten Rückführungskanal umfassen. Alternativ dazu kann sie einen Niedrigdruck-Abgasrückführungskühler 55 umfassen oder zusätzlich zu dem Niedrigdruck-Abgasrückführungskühler ein Bypass-System aufweisen. Die letzte Variante ist mit der Bezugsziffer 56 gekennzeichnet.
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Die in der 7 gezeigte Variante unterscheidet sich von der in der 6 gezeigten Variante darin, dass zwischen der Fluidtemperatursteuereinheit 66 und dem Einlass 35 eine weitere Pumpe 73 zum Pumpen des Kühlfluids zu dem Einlass 35 angeordnet ist. Weiterhin ist die Pumpe 64 nicht mehr zwischen dem Wärmetauscher 63 und der Fluidtemperatursteuereinheit 66, sondern ausschließlich zwischen dem Wärmetauscher 63 und dem Ladeluftkühler 58 angeordnet. Die 6 zeigt also eine Ausgestaltung mit zwei Pumpen 64 und 61 und die 7 zeigt eine Ausgestaltung mit drei Pumpen 61, 64 und 73.
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Die 8 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug 70. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug 70 umfasst eine zuvor beschriebene erfindungsgemäße Verbrennungsmotoranordnung 50.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ermitteln der kondensierten Fluidmasse und/oder Eismasse
- 2
- Durchführen der Anfangsphase
- 3
- Ist die minimale Temperatur höher als die maximale Temperatur oder ist die kondensierte Fluidmasse und/oder Eismasse größer als ein oberer Grenzwert?
- 4
- Durchführen der Aufheizphase
- 5
- Ist die minimale Temperatur geringer als die maximale Temperatur?
- 6
- Ist die kondensierte Fluidmasse und/oder Eismasse kleiner als ein unterer Grenzwert?
- 7
- Ist die kondensierte Fluidmasse und/oder Eismasse in der Mischvorrichtung größer als ein oberer Grenzwert?
- 8
- Durchführen der Temperatursteuerphase
- 9
- Ist die minimale Temperatur kleiner als die maximale Temperatur?
- 10
- Verfahrensschritte während des Betriebs des Verbrennungsmotors
- 11
- Verbrennungsmaschine gestoppt?
- 12
- Speichern des zuletzt ermittelten Wertes der kondensierten Fluidmasse und/oder Eismasse in der Mischvorrichtung
- 13
- Verbrennungsmotor in Betrieb genommen?
- 20
- Mischvorrichtung
- 21
- Frischlufteinlass
- 22
- Strömungsrichtung der Ladeluft
- 23
- Auslass
- 24
- Strömungsrichtung Abgas-Luft-Gemischs in Richtung Kompressor
- 25
- Gasmassensensor
- 26
- Gaszusammensetzungssensor
- 27
- Lufteinlasskammer
- 28
- Luftfilter
- 29
- Luftmassensensor
- 30
- Mischbereich
- 31
- Abgasrückführungseinlass
- 32
- Lufteinlass
- 33
- Ventil
- 35
- Fluideinlass
- 36
- Wärmetauscher
- 37
- Fluidauslass
- 40
- Strömungsrichtung der angesaugten Luft
- 41
- Strömungsrichtung des rückgeführten Abgases
- 42
- Strömungsrichtung des Abgas-Luft-Gemisches
- 43
- Kondensat
- 44
- Eis
- 45
- Strömungsrichtung des Abgas-Luft-Gemisches zum Kompressor
- 46
- Verdampfung von Kondensat
- 47
- Strömungsrichtung des Abgas-Luft-Gemisches stromabwärts des Wärmetauschers
- 50
- Verbrennungsmotoranordnung
- 51
- Verbrennungsmotor
- 52
- Kompressor
- 53
- Turbine
- 54
- Niedrigdruckabgasrückführung
- 55
- Niedrigdruck-Abgasrückführungskühler
- 56
- Niedrigdruck-Abgasrückführungskühler mit Bypass-System
- 57
- Abgasnachbehandlungssystem
- 58
- Ladeluftkühlers
- 60
- Verbrennungsmotor
- 61
- Pumpe
- 62
- Hochtemperaturwärmetauscher
- 63
- Niedrigtemperaturwärmetauscher
- 64
- Pumpe
- 65
- Entgasungseinrichtung
- 66
- Fluidtemperatursteuereinheit
- 67
- Strömungskanal
- 68
- Strömungskanal
- 69
- Kühleinrichtung
- 70
- Kraftfahrzeug
- 71
- Temperatursensor
- 72
- Strömungskanal
- 73
- Pumpe
- J
- Ja
- N
- Nein
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 8960166 B2 [0004]
- US 6367256 B1 [0004]
- US 2017/0335748 A1 [0004]