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Die
Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einer Lufttrenneinheit
zur Trennung von Verbrennungsluft in ein gegenüber der normalen Luftzusammensetzung
mit Sauerstoff angereichertes Permeat und ein mit Stickstoff angereichertes
Retentat und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine.
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Aus
der
US 6 173 567 B1 eine
Brennkraftmaschine bekannt, welcher mit Sauerstoff oder mit Stickstoff
angereicherte Verbrennungsluft zuführbar ist. Dabei erfolgt die
Anreicherung der Verbrennungsluft mit der jeweiligen Luftkomponente
durch eine Membran-Trenneinheit, welche in der Lage ist, einen mit
Sauerstoff angereicherten Permeat-Luftstrom und einen mit Stickstoff
angereicherten Retentat-Luftstrom bereitzustellen. Der Betrieb der
Brennkraftmaschine mit Verbrennungsluft, welche mit Sauerstoff bzw.
mit Stickstoff angereichert ist, ermöglicht die Verringerung der
innermotorischen Schadstoffbildung. Durch eine Anreicherung der
Verbrennungsluft mit Stickstoff werden die Verbrennungstemperaturen abgesenkt,
was eine Verminderung der Stickoxidbildung in den Brennräumen der
Brennkraftmaschine zur Folge hat. Durch eine Anreicherung der Verbrennungsluft
mit Sauerstoff wird die innermotorische Rußpartikelbildung verringert.
Die erreichte Verminderung des Schadstoffausstoßes der Brenn kraftmaschine
ist jedoch in hohem Maße
vom Anreicherungsgrad des Retentats bzw. des Permeats und damit
von der Trennleistung der Lufttrenneinheit abhängig. Außerdem ist eine hohe Lebensdauer
der Membran-Trenneinheit erforderlich, um über die Laufzeit der Brennkraftmaschine
eine zuverlässige
Verminderung des Schadstoffaustoßes zu erreichen. Entsprechend
den allgemeinen Effizienzanforderungen ist es zudem wünschenswert,
den Zusatzaufwand gering zu halten und einen möglichst geringen Bauraum zu beanspruchen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine mit einer
Lufttrenneinheit und ein Betriebsverfahren für diese Brennkraftmaschine
anzugeben, mit welchen eine verbesserte Zuverlässigkeit und eine erhöhte Trennleistung der
Lufttrenneinheit sowie eine weitere Verringerung des Schadstoffausstoßes erzielt
werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
8 gelöst.
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Die
vorzugsweise als Dieselmotor ausgebildete Brennkraftmaschine verfügt über eine
Ladeeinheit, wie beispielsweise einen Abgasturbolader, zur Verdichtung
von Verbrennungsluft und einen Ladeluftkühler zur Kühlung verdichteter Verbrennungsluft. Zur
Trennung wenigstens eines Teils der verdichteten Verbrennungsluft
in ein gegenüber
der normalen Luftzusammensetzung mit Sauerstoff angereichertes Permeat
und ein mit Stickstoff angereichertes Retentat ist eine Lufttrenneinheit
vorgesehen. Dabei ist einem oder mehreren Zylindern der Brennkraftmaschine
wenigstens zeitweise von der Lufttrenneinheit geliefertes Retentat
zuführbar.
Erfindungsgemäß ist die Lufttrenneinheit
dem Ladeluftkühler
nachgeschaltet.
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Vorzugsweise
ist die Lufttrenneinheit als Membran-Trenneinheit üblicher
Bauart ausgeführt. Der
Einsatz einer andersartigen, beispielsweise einer auf dem Ranque-Hilsch-Effekt
basierenden Lufttrenneinheit ist jedoch ebenfalls möglich. Unabhängig von
der Bauform der Lufttrenneinheit wird hier der mit Sauerstoff angereicherte
Ausgangsluftstrom als Permeat und der mit Stickstoff angereicherte
Ausgangsluftstrom als Retentat bezeichnet. Die Bereitsstellung des
Permeats und des Retentats wird nachfolgend vereinfachend als Lufttrennung
bezeichnet.
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Für eine wirkungsvolle
Verminderung der innermotorischen Stickoxidbildung ist naturgemäß der Einsatz
von vergleichsweise stark mit Stickstoff angereichertem Retentat
wünschenswert.
Bei ausreichend starker Anreicherung kann gegebenenfalls der Einsatz
einer Abgasrückführung entfallen,
was entsprechende Kostenvorteile und die Einsparung von Bauraum
zur Folge hat. Die Trennleistung üblicher Lufttrenneinheiten
ist jedoch stark von den Betriebsbedingungen wie Betriebsdruck und
Luftdurchsatz abhängig.
Bei steigendem Luftdurchsatz nimmt dabei die Trennleistung, d.h.
der Anreicherungsgrad von Permeat und Retentat bezogen auf das Bauvolumen der
Lufttrenneinheit ab.
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Durch
die Ladeeinheit, typischerweise der Verdichterteil eines Abgasturboladers,
wird der zur Lufttrennung erforderliche Überdruck auf der Eingangsseite
der Lufttrenneinheit aufgebaut. Gegebenenfalls kann eine zusätzliche
Verdichtereinheit vorgesehen sein. Die Erzielung einer hohen Trennleistung
der Lufttrenneinheit wird durch deren erfindungsgemäße Anordnung
nach dem Ladeluftkühler entscheidend
verbessert. Zum einen beruht dies darauf, dass die Trennleistung
mit abnehmender Lufttemperatur generell zunimmt, zum anderen wird durch
die Abkühlung
des verdichteten Luftstroms der Volumenstrom entsprechend des allgemeinen
Gasgesetzes verringert. Daher kann durch die Zufuhr eines gekühlten Luftstroms
eine stark verbesserte Trennleistung erzielt werden.
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Auf
Grund der verminderten thermischen Beanspruchung ist außerdem die
Lebensdauer der Lufttrenneinheit verlängert.
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In
Ausgestaltung der Erfindung ist im Strömungsweg zwischen dem Ladeluftkühler und
der Lufttrenneinheit eine Reinigungseinheit zur Reinigung von der
Lufttrenneinheit zugeführter
Luft vorgesehen. Dadurch werden Verunreinigungen von der Lufttrenneinheit
fern gehalten, welche andernfalls das Trennvermögen mit der Zeit beeinträchtigen.
Die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit
der Lufttrenneinheit werden daher entscheidend verbessert.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Reinigungseinheit zur
Abtrennung von flüssigen und/oder
festen Bestandteilen aus ihr zugeführter Luft ausgelegt. Insbesondere
infolge der Verdichtung kann die der Lufttrenneinheit zugeführte Luft
Verunreinigungen aufweisen. Beispielsweise durch Schmierölverluste
des Verdichters können
häufig sehr
fein verteilte Öltröpfchen als
Verunreinigung in die verdichtete Luft gelangen. Diese werden durch Abscheidung
in der Reinigungseinheit entfernt. Auch um Kondenswasser entfernen
zu können,
ist es vorteilhaft, eine Flüssigabscheidung
vorzusehen. Feste Bestandteile werden vorzugsweise durch ein Feinfilter
abgetrennt.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist einem oder mehreren Zylindern
der Brennkraftmaschine wenigstens zeitweise von der Lufttrenneinheit geliefertes
Permeat zuführbar.
Durch die Zufuhr von sauerstoffangereicherter Verbrennungsluft wird
die Verbrennung in dem jeweiligen Zylinder verbessert. Insbesondere
kann einer Rußbildung
wirksam begegnet werden. Dabei kann das Permeat der normalen Verbrennungsluft
beigemischt sein oder als solches separat zugeführt werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine Verdichtereinheit
für von
der Lufttrenneinheit geliefertes Permeat vorgesehen und es ist wenigstens
einem Zylinder der Brennkraftmaschine verdichtetes Permeat zuführbar, wobei
für den
oder die mit Permeat versorgbaren Zylinder der Brennkraftmaschine
jeweils ein separates Permeateinlassventil vorgesehen ist. Das mit
Sauerstoff angereicherte Permeat wird in dieser Ausgestaltung vorzugsweise
auf einen Druck verdichtet, der deutlich über dem Zylinderspitzendruck
liegt und vorzugsweise getaktet durch die separaten Einlasventile
in die Brennkammern eingeblasen. Durch geeignete Wahl des Einblasezeitpunkts
kann die rußmindernde
Wirkung der Permeatzugabe optimiert werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Lufttrenneinheit
mehrere Lufttrennmodule auf und die Trennleistung der Lufttrenneinheit
ist über
eine schaltbare Luftversorgung der Lufttrennmodule einstellbar.
Auf diese Weise kann die durch die Lufttrenneinheit geleitete Luftmenge
den jeweiligen Erfordernissen angepasst werden. Für den Fall, dass
eine hohe Anreicherung der Verbrennungsluft mit Retentat vorgesehen
ist, werden beispielsweise über
Schaltventile alle vorhandenen Lufttrennmodule mit der Verbrennungsluft
beaufschlagt, so dass die maximale Trennleistung erreicht wird.
Andererseits ist es durch Schalteinheiten ermöglicht, einige oder alle Trennmodule
aus dem Verbrennungsluftstrom abzutrennen. Die Lufttrenneinheit
wird im letztgenannten Fall umgangen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist von der Lufttrenneinheit
geliefertes Permeat einer Abgasreinigungsanlage der Brennkraftmaschine,
insbesondere einem Abgaspartikelfilter, zuführbar. Anstelle das durch die
Lufttrenneinheit gelieferte Permeat in die Umgebungsluft abzublasen,
kann dieses in vorteilhafter Weise zur Abgasreinigung in den Abgasstrang
geleitet werden. Dadurch können
beispielsweise der Rußabbrand
eines Partikelfilters erleichtert oder andere oxidierende Abgasreinigungsfunktionen
unterstützt
werden.
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In
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird von einer der Brennkraftmaschine zugeordneten Ladeeinheit Verbrennungsluft
verdichtet und einer Lufttrenneinheit zugeführt und von der Lufttrenneinheit
ein gegenüber
der normalen Luftzusammensetzung mit Sauerstoff angereichertes Permeat
und ein mit Stickstoff angereichertes Retentat bereitgestellt. Einem
oder mehreren Zylindern der Brennkraftmaschine wird wenigstens zeitweise
von der Lufttrenneinheit geliefertes Retentat zugeführt, wobei
von der Ladeeinheit verdichtete Verbrennungsluft vor der Zufuhr
zur Lufttrenneinheit einem Reinigungsschritt unterzogen wird, der
die Abtrennung von flüssigen und/oder
festen Bestandteilen umfasst. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht einen
Verbrennungsablauf mit geringer Stickoxidbildung durch Zufuhr von
Verbrennungsluft, welche einen gegenüber der normalen atmosphärischen
Luft einen geringeren Sauerstoffgehalt aufweist. Die insbesondere
für Kraftfahrzeuge
mit hoher Laufleistung erforderliche hohe Lebensdauer und Standzeit
der eingesetzten Lufttrenneinheit wird durch die Reinigung der der Lufttrenneinheit
zugeführten
Verbrennungsluft erreicht. Vorzugsweise wird der Reinigungsschritt
unmittelbar vor der Zufuhr zur Lufttrenneinheit durch möglichst
vollständige
Abscheidung der in der zu trennenden Luft vorhandenen flüssigen und/oder
festen Bestandteile vorgenommen. Hierfür kann eine geeignete Filtereinheit
oder ein Abscheider vorgesehen sein. Auf diese Weise ist der Einsatz
empfindlicher Materialien für
die Lufttrennung ermöglicht,
was entsprechende Kostenvorteile mit sich bringen kann.
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In
Ausgestaltung des Verfahrens wird wahlweise die gesamte von der
Ladeeinheit verdichtete Verbrennungsluft oder nur ein vorgebbarer
Anteil der von der Ladeeinheit verdichteten Verbrennungsluft der
Lufttrenneinheit zugeführt.
Vorzugsweise wird durch Strömungsschaltmittel
wie Umschaltventile oder Mengenteiler der zur Lufttrenneinheit geleitete Anteil
der Verbrennungsluft eingestellt. Insbesondere bei Teillast oder
Niedriglast kann es vorteilhaft sein, wenn nur eine geringe Stickstoff-Anreicherung
der Verbrennungsluft vorgenommen wird. Der Anteil der Verbrennungsluft,
welcher einer Trennung unterzogen wird, kann dabei beispielsweise
durch ein Last-Drehzahl-Kennfeld
vorgebbar sein. Auf diese Weise kann eine emissionsoptimierte Trennung
der Verbrennungsluft erreicht werden.
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In
weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird von der Lufttrenneinheit
geliefertes Permeat auf einen gegenüber dem Zylinderspitzendruck
erhöhten Druck
nachverdichtet und wenigstens einem Zylinder der Brennkraftmaschine
zeitlich getaktet im Arbeitstakt nach dem Verbrennungsschwerpunkt
zugeführt. Durch
den erhöhten
Sauerstoffanteil wird insbesondere die Rußbildung unterdrückt. Da
die Zufuhr des Permeats erst in die ausklingende Verbrennung erfolgt,
wird eine Erhöhung
der Stickoxidbildung im Brennraum vermieden, insbesondere dann,
wenn die zunächst
zugeführte
Verbrennungsluft mit Stickstoff angereichert wurde. Auf diese Weise
kann demnach sowohl die Rußemission,
als auch die Stickoxidemission der Brennkraftmaschine klein gehalten
werden. Besonders vorteilhaft ist es, das den Zylindern zugeführte Permeat
unter einem Druck einzublasen, welcher gleich oder höher als
etwa der doppelte Zylinderinnendruck ist. Die dadurch erzeugten
Turbulenzen verbessern die Oxidation von Rußbildungskeimen besonders wirksam,
so dass eine besonders wirksame Verminderung der Rußemission
erzielt wird.
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In
weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird von der Lufttrenneinheit
geliefertes Permeat im Zusammenhang mit einem Regenerationsvorgang eines
im Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordneten Partikelfilters
in den Abgasstrang stromauf des Partikelfilters eingeleitet. Durch
den erhöhten Sauerstoffgehalt
des Abgases wird der Rußabbrand im
Partikelfilter verbessert, so dass die für die Partikelfilterregeneration
erforderliche Abgastemperaturerhöhung
vergleichsweise gering ausfallen kann, was die Durchführung der
Partikelfilterregeneration deutlich erleichtert.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Zeichnungen veranschaulicht und werden
nachfolgend beschrieben. Dabei sind die vorstehend genannten und
die nachfolgend noch zu erläuternden
Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination sondern
auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar,
ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Es zeigen
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1 eine
schematische Darstellung einer ersten vorteilhaften Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine,
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2 eine
schematische Darstellung einer vorteilhaften Ausführungsform
einer Lufttrenneinheit für
die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine,
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3 eine
schematische Darstellung einer zweiten vorteilhaften Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine,
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4 eine
schematische Darstellung einer dritten vorteilhaften Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
und
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5 eine
schematische Darstellung einer vierten vorteilhaften Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.
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1 zeigt
in einer schematischen Blockbilddarstellung eine erste vorteilhafte
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine. Diese
umfasst einen hier als Reihensechszylinder ausgeführten luftverdichtenden
Verbrennungsmotor 1. Dem Motor 1 ist ein Abgasturbolader 2 mit
einer Turbine 2b in einer Abgasleitung 9 und einem
Verdichter 2a in einer Ansaugluftleitung 10 zugeordnet. Dem
Verdichter 2a ist ein Ladeluftkühler 3 zur Kühlung verdichteter
Verbrennungsluft nachgeschaltet. Im Strömungsweg der verdichteten und
gekühlten Verbrennungsluft
ist weiter eine Reinigungseinheit 4 angeordnet, welche
eine Reinigung der verdichteten Verbrennungsluft ermöglicht.
Der Reinigungseinheit 4 ist eine Lufttrenneinheit 5 nachgeschaltet,
welche ein mit Sauerstoff angereichertes Permeat über einen
Permeatausgang 6 und ein mit Stickstoff angereichertes
Retentat über
einen Retentatausgang 7 bereitstellt. Der Retentatausgang 7 der
Lufttrenneinheit 5 ist mit dem Saugrohr 8 des
Motors 1 verbunden, über
welches den Zylindern des Motors 1 das von der Lufttrenneinheit
gelieferte Retentat als Verbrennungsluft zuführbar ist.
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Nachfolgend
wird unter Bezug auf die 1 der Betrieb der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
erläutert.
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Bei
normalem Betrieb des Motors 1 wird den Zylindern jeweils
Verbrennungsluft über
ein Einlassventil und Kraftstoff durch einen speziellen Injektor zugeführt und
verbrannt. Bei der Krafstoffverbrennung entstehen unerwünschte Schadstoffe,
wie beispielsweise Stickoxide und Ruß. Dabei nimmt die Stickoxidbildung
mit zunehmender Verbrennungstemperatur zu, während die Rußbildung
Folge einer unvollständig
ablaufenden Verbrennung ist. Die Schadstoffe werden mit den anderen
Verbrennungsabgasen über
ein Auslassventil ausgestoßen
und über
eine gemeinsame Abgasleitung 9 abgeführt. Der Zylinderkopf entspricht
hierbei vorzugsweise üblicher
Bauart mit Injektoren sowie Ein- und Auslassventilen und ist nicht
näher dargestellt.
Zur nachmotorischen Schadstoffentfernung können in der Abgasleitung 9 spezielle
Abgasreinigungseinheiten, beispielsweise ein Katalysator oder ein
Partikelfilter angeordnet sein, was ebenfalls in 1 nicht
dargestellt ist.
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Zur
Steigerung der Motorleistung wird die Füllung der Zylinder erhöht, indem
die durch die Ansaugluftleitung 10 angesaugte Verbrennungsluft
zunächst
von dem Verdichter 2a des Abgasturboladers 2 verdichtet
wird. Dabei wird die Turbine 2b von den Verbrennungsabgasen
des Motors 1 angetrieben. Der Abgasturbolader 2 ist
vorzugsweise in üblicher Bauart
beispielsweise als Wastegate-Lader oder als Turbolader ausgebildet.
Der Verdichter kann jedoch auch durch ein anderes hierfür geeignetes
Bauteil wie einen mechanisch angetriebenen Kompressor realisiert
sein. Typischerweise erfolgt eine Verdichtung auf mehrere bar Überdruck.
Die verdichtete Verbrennungsluft wird weiter durch den Ladeluftkühler 3 geleitet,
wobei die bei der Verdichtung erwärmte Verbrennungsluft auf Temperaturen
von vorzugsweise weniger als 50 °C
abgekühlt
wird.
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Um
die Verbrennungstemperaturen und somit die innermotorische Stickoxidbildung
zu verringern, ist es üblich,
den Sauerstoffgehalt der Verbrennungsluft abzusenken bzw. den Stickstoffgehalt
zu erhöhen,
indem beispielsweise Verbrennungsabgase der Verbrennungsluft über eine
Abgasrückführleitung zugemischt
werden. Obschon dies für
die in 1 dargestellte Brennkraftmaschine ebenfalls vorgesehen
sein kann, ent fällt
die Abgasrückführung vorzugsweise
und die Verbrennungsluft wird mittels der Lufttrenneinheit 5 mit
Stickstoff angereichert. Diese ist vorzugsweise zur Lufttrennung
des gesamten dem Motor 1 zugeführten Luftstroms ausgebildet
und entsprechend in die Verbrennungsluftzuführung geschaltet. Die Bauart
der Lufttrenneinheit kann dabei beliebig sein. Nachfolgend wird
davon ausgegangen, dass die Lufttrenneinheit 5 als sogenannte
Membran-Trenneinheit bekannter Bauart ausgebildet ist. Die Lufttrennung
erfolgt dabei derart, dass ein mit Sauerstoff angereicherter Permeatstrom
und ein mit Stickstoff angereicherter Retentatstrom erzeugt wird. Dabei
beträgt
der Anteil des bereitgestellten Retentatstroms typischerweise etwa
95 % des Eingangsluftstroms. Der mit Stickstoff angereicherte Retentatstrom
wird über
den Retentatausgang 7 der Lufttrenneinheit 5 dem
Saugrohr 8 des Motors und somit den Zylindern als Verbrennungsluft
zugeführt.
Der mit Sauerstoff angereicherte Permeatstrom wird über den
Permeatausgang 6 der Lufttrenneinheit an die Umgebung abgeleitet.
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Der
Stickstoffgehalt im Retentatstrom kann je nach Betriebsbedingungen
auf deutlich über
80 % erhöht
werden. Dabei nimmt der Anreicherungsgrad d.h. die Trennleistung
mit steigendem Druck der zugeführten
Luft zu. Die Lufttrenneinheit 3 ist daher strömungsmäßig dem
Verdichter 2a nachgeschaltet und erhält die vom Verdichter 2a gelieferte
verdichte Verbrennungsluft. Dabei wird in vorteilhafter Weise der
vom ohnehin vorhandenen Verdichter 2a geleistete Druckaufbau
ausgenutzt. Vorzugsweise ist der Verdichter 2a des Abgasturboladers
so ausgelegt, dass ein möglichst
hohes Verdichtungsverhältnis über einen
weiten Betriebsbereich des Motors 1 erreicht wird. Vorzugsweise
liefert der Verdichter 2a Verbrennungsluft mit einem Überdruck
von mehr als etwa 3 bar. Zur weiteren Drucksteigerung kann jedoch
eine zusätzliche
als Pumpe oder mechanischer Kompressor ausgebildete Verdichterstufe
vorgesehen sein, was in 1 nicht dargestellt ist.
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Der
Anreicherungsgrad d.h. die Trennleistung der Lufttrenneinheit 5 nimmt
typischerweise mit steigendem Luftvolumendurchsatz ab. Diesem unerwünschten
Phänomen
wird erfindungsgemäß dadurch
begegnet, dass die Lufttrenneinheit 5 strömungsmäßig hinter
dem Ladeluftkühler 3 angeordnet ist
und mit gekühlter
Verbrennungsluft versorgt wird. Infolge der Kühlung durch den Ladeluftkühler 3 ist
der Volumenstrom der verdichteten Verbrennungsluft im Vergleich
zum Volumenstrom unmittelbar hinter dem Verdichter 2a entsprechend
vermindert und die Trennleistung der Lufttrenneinheit 5 daher
entsprechend verbessert. Umgekehrt kann für eine vorgegebene Trennleistung
eine kleinere Lufttrenneinheit 5 eingesetzt werden.
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Ein
Nachteil bekannter Membran-Trenneinheiten besteht in ihrer häufig unzureichenden
Dauerhaltbarkeit bzw. in der im Laufe der Zeit nachlassenden Trennleistung,
was ihrem Einsatz insbesondere in Nutzfahrzeugen mit hohen Laufleistungen
bislang entgegensteht. Die Temperaturbelastung der Lufttrenneinheit 5 ist
jedoch durch die erfindungsgemäße Einbaulage
hinter dem Ladeluftkühler 3 entscheidend
verbessert. Infolgedessen ist auch die Zuverlässigkeit und Dauerhaltbarkeit
der Lufttrenneinheit 5 deutlich verbessert.
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Obschon
für die
Brennkraftmaschine ein nicht dargestelltes Luftfilter vorgesehen
ist, welches dem Verdichterteil 2a des Turboladers 2 vorgeschaltet
ist, wurde festgestellt, dass eine zusätzliche Reinigung von der Lufttrenneinheit 5 zugeführter Luft
die Dauerhaltbarkeit der Lufttrenneinheit 5 stark verbessert
und deren Trennleistung langanhaltend stabilisiert. Erfindungsgemäß ist daher
der Lufttrenneinheit 5 vorzugsweise direkt eine Reinigungseinheit 4 vorgeschaltet.
Diese dient der Abscheidung vorzugsweise auch feinster flüssiger und/oder
fester Schwebteilchen in der verdichteten und gekühlten Verbrennungsluft.
Vorzugsweise umfasst die Reinigungseinheit 4 einen feinporigen
Luftfilter. Besonders vorteilhaft ist die Ausbildung der Reinigungseinheit 4 als Koaleszenz-
bzw. Koaleszenz-Membranfilter. Der vorzugsweise hydrophobe und/oder
oleophobe Koaleszenzfilter hält
alle Partikel zurück,
und scheidet kontinuierlich Flüssigkeitströpfchen wie
beispielsweise Kondenswassertröpfchen
ab.
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Obschon übliche Turbolader
meist nur einen geringen Ölverlust
aufweisen, konnte festgestellt werden, dass dieser Ölverlust
in Form einer Abgabe feinster Ölnebel
besonders schädlich
für die
Lufttrenneinheit 5 wirkt. Erfindungsgemäß ist daher die Reinigungseinheit 4 im
Strömungsweg
hinter dem Verdichterteil 2a des Turboladers 2 angeordnet.
Somit können
diese Ölnebel
aus der verdichteten Verbrennungsluft entfernt und von der Lufttrenneinheit 5 ferngehalten
werden. Besonders bevorzugt ist es, die Reinigungseinheit 4 wie
in 1 dargestellt, im Strömungsweg hinter dem Ladeluftkühler 3,
jedoch vor der Lufttrenneinheit 5 anzuordnen.
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Durch
den erfindungsgemäßen Aufbau
und Betrieb der Brennkraftmaschine ist daher eine emissionsarme
Kraftstoffverbrennung in den Zylindern des Motors 1 über lange
Betriebszeiten ermöglicht.
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Insbesondere
bei vergleichsweise niedrigen Motorlasten kann es vorteilhaft sein,
den Motor 1 mit Verbrennungsluft zu betreiben, welche nur
einen relativ geringen Stickstoffanreicherungsgrad aufweist. Hierfür ist, wie
in 2 schematisch dargestellt, vorgesehen, die Lufttrenneinheit 5 aus
mehreren einzelnen, gegebenenfalls unterschiedlich großen Lufttrennmodulen
aufzubauen und diese mittels Schaltorganen einzeln zu- und abschaltbar
zu gestalten. In 2 ist die Lufttrenneinheit 5 beispielhaft
aus fünf
einzelnen Lufttrennmodulen 51 bis 55 aufgebaut, wobei
das Lufttrennmodul 55 größer als die anderen Lufttrennmodule 51 bis 54 ausgeführt ist.
Jedem Lufttrennmodul ist dabei eingangsseitig ein Schaltventil 11 zugeordnet.
Die über
die Luftleitung 10 der Lufttrenneinheit 5 zugeführte verdichtete,
gekühlte und
gereinigte Verbrennungsluft kann somit durch die Umschaltventile 11 auf
die Lufttrennmodule 51 bis 55 aufgeteilt werden.
Auf diese Weise kann die Trennleistung der Lufttrenneinheit 5 bedarfsgerecht herabgesetzt
bzw. eingestellt werden. In dem in 2 dargestellten
Fall sind die den Lufttrennmodulen 51 bis 54 zugeordneten
Schaltventile 11 auf Durchgang geschaltet. Das dem Lufttrennmodul 55 zugeordnete
Schaltventil 11 ist dagegen gesperrt, so dass das Lufttrennmodul 55 aus
der Luftversorgung abgetrennt ist. Es werden daher lediglich die Lufttrennmodule 51 bis 54 mit
Verbrennungsluft versorgt und trennen die ihnen zugeführte Luft.
Die entsprechenden Retentatströme
werden über
den gemeinsamen Retentatausgang 7 abgeleitet und dem Motor 1 wie
oben erläutert
zugeführt.
Analog werden die einzelnen Permeatströme über den gemeinsamen Permeatausgang 6 abgeleitet.
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In 3 ist
eine zweite vorteilhafte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
dargestellt. Dabei sind die einzelnen Bauteile, soweit sie mit den
Bauteilen der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform übereinstimmen,
mit denselben Bezugszeichen versehen. Die in 2 dargestellte
Brennkraftmaschine ist ähnlich
aufgebaut und wird in ähnlicher
Weise betrieben wie die 1 dargestellte Brennkraftmaschine,
weshalb nachfolgend lediglich auf die sich ergebenden Unterschiede
eingegangen wird.
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Die
Brennkraftmaschine der 3 weist in der Luftleitung 10 ein
Luftleitorgan 17 auf, welches vorzugsweise als Mengenteiler
ausgebildet ist und der Lufttrenneinheit 5 vorgeschaltet
ist. Mittels des Mengenteilers 17 kann der Verbrennungsluftstrom aufgeteilt
werden, so dass ein vorgebbarer Teil der verdichteten Verbrennungsluft
der Lufttrenneinheit 5 zugeführt wird, während der andere Teil über eine Umgehungsleitung 18 um
die Lufttrenneinheit 5 herum geführt wird. Vorzugsweise ist
der Mengenteiler 17 wie dargestellt in die Luftleitung 10 zwischen
den Ladeluftkühler 3 und
die Reinigungseinheit 4 geschaltet und die Umgehungsleitung 18 mündet hinter der
Lufttrenneinheit 5 wieder in die Luftleitung 10 ein. Auf
diese Weise lässt
sich ebenfalls der Stickstoffanreicherungsgrad der dem Motor 1 zugeführten Verbrennungsluft
bedarfsgerecht abregeln bzw. einstellen, da lediglich ein vorgebbarer
Anteil der Verbrennungsluft einer Trennung unterzogen wird.
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Ein
weiterer wesentlicher Unterschied betrifft die Verwendung des von
der Lufttrenneinheit bereitgestellten Permeats. In der in 3 dargestellten Ausführungsform
ist vorgesehen, dieses über
eine Verdichtereinheit 14 nachzuverdichten und über den Zylindern
jeweils zugeordnete Einblaseventile 12 einzublasen. Entsprechend
ist der Permeatausgang 6 der Lufttrenneinheit 5 an
den Eingang der Verdichtereinheit 14 angeschlossen. Zur
Versorgung der Zylinder mit dem nachverdichteten Permeat ist eine
Luftsammelleitung 13 ausgangsseitig an die Verdichtereinheit
angeschlossen und die Einblaseventile 12 sind ihrerseits
jeweils an die Luftsammelleitung 13 angeschlossen.
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Die
Einblaseventile 12 sind einzeln und unabhängig voneinander
getaktet ansteuerbar, so dass das verdichtete Permeat getaktet in
einen jeweils ausgewählten
Zylinder eingeblasen werden kann. Es ist vorgesehen, die Permeateinblasung
in einen jeweiligen Zylinder nach dem Verbrennungsschwerpunkt, d.h.
vorzugsweise in einem auswählbaren Zeitbereich
innerhalb des Expansionstaktes vorzunehmen. Besonders bevorzugt
ist eine Permeateinblasung im Bereich zwischen 0 Grad Kurbelwinkel und
50 Grad Kurbelwinkel nach dem oberen Totpunkt. Auf diese Weise wird
dem jeweiligen Zylinder mit Sauerstoff angereicherte Luft in die
ausklingende Verbrennung zugeführt,
so dass Rußkeime
oxidiert werden und somit die Rußbildung wirksam vermindert
wird. Die rußbildungsmindernde
Wirkung kann noch verstärkt
werden, indem eine entsprechend starke Verdichtung der einzublasenden
Luft vorgenommen wird.
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Vorzugsweise
erfolgt eine Verdichtung auf etwa den doppelten Zylinderspitzendruck.
Bevorzugt ist eine Nachverdichtung mittels der Verdichtereinheit 14 auf
einen Druck, der eine Einblasung mit Schallgeschwindigkeit ermöglicht.
Infolge der erzielten Turbulenzen kann eine besonders wirksame Verringerung
der innermotorischen Rußbildung
erreicht werden.
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Optional
kann vorgesehen sein, an Stelle des Permeats oder zusätzlich zum
Permeat verdichtete Umgebungsluft in die Zylinder einzublasen. Hierzu
ist wie in 3 dargestellt, parallel zum
Permeatausgang 6 eine Verdichterluftleitung 15 über ein
Luftschaltventil 16 eingangsseitig an die Verdichtereinheit 14 angeschlossen.
Auf diese Weise kann insbesondere die Menge der zusätzlich eingeblasenen Luft
erhöht
werden. Es ist vorgesehen, den Sauerstoffanreicherungsgrad bzw.
die Menge der zusätzlich über die
Einblaseventile 12 eingeblasenen Luft beispielsweise mittels
des Luftschaltventils 16 vorgebbar einzustellen.
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In 4 ist
eine dritte vorteilhafte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
dargestellt. Dabei sind die einzelnen Bauteile, soweit sie mit den
Bauteilen der in 1 und 3 dargestellten
Ausführungsformen übereinstimmen, mit
denselben Bezugszeichen versehen. Die in 4 dargestellte
Brennkraftmaschine ist ähnlich aufgebaut
und wird in ähnlicher
Weise betrieben wie die 1 bzw. in 3 dargestellte
Brennkraftmaschine, weshalb nachfolgend lediglich auf die sich ergebenden
Unterschiede eingegangen wird. Diese bestehen darin, dass ein Teil
der Zylinder des Motors 1 mit stickstoffangereicherter
Luft und der andere Teil der Zylinder mit sauerstoffangereicherter
Luft als Verbrennungsluft versorgt wird. Vorzugsweise sind Retentatausgang 7 und
Permeatausgang 6 der Lufttrenneinheit 5 daher
an unterschiedliche Zylinder angeschlossen. In der Summe ergeben
sich auch bei dieser Ausführungsform
geringe Stickoxid- und Rußemissionen,
da ein Teil der Zylinder dann optimiert hinsichtlich der Stickoxidemission
und der andere Teil der Zylinder optimiert hinsichtlich der Rußemission betrieben
wird.
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In 5 ist
eine vierte vorteilhafte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
dargestellt. Dabei sind die einzelnen Bauteile, soweit sie mit den
Bauteilen der in 1, 3 und 4 dargestellten
Ausführungsformen übereinstimmen,
mit denselben Bezugszeichen versehen. Die in 5 dargestellte
Brennkraftmaschine ist ähnlich aufgebaut
und wird in ähnlicher
Weise betrieben wie die 1, 3, bzw. 4 dargestellten
Brennkraftmaschinen, weshalb nachfolgend lediglich auf die sich
ergebenden Unterschiede eingegangen wird.
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In
der Abgasleitung 9 der Brennkraftmaschine der 5 ist
ein durch thermischen Rußabbrand regenerierbares
Partikelfilter 19 angeordnet. Dieses kann in üblicher
Bauart, beispielsweise als sogenanntes Wallflow-Filter oder als
Sintermetall-Filter ausgebildet sein. Im Partikelfilter 19 sammelt
sich im Laufe der Zeit aus dem Abgas ausgefilterter Ruß an, was
zu einem letztendlich nicht mehr tolerierbaren Gegendruckanstieg
führt.
Der Partikelfilter 19 wird daher vorzugsweise in an sich
bekannter Weise durch Steigerung der Abgastemperatur einer Regenerationsprozedur
unterzogen, bei welcher der angesammelte Ruß abgebrannt wird. Dieser Regenerationsprozess
wird hier dadurch erleichtert, dass dem Partikelfilter mit Sauerstoff
angereichertes Abgas zugeführt
wird. Dies verbessert den Rußabbrand,
so dass die Erhöhung
der Abgastemperatur geringer als ohne diese Maßnahme ausfallen kann. Beispielsweise
kann bereits eine Erhöhung
auf 550 °C
ausreichend sein, weshalb der Motorbetriebsbereich, bei welchem
der Regenerationsprozess durchführbar
ist, deutlich erweitert ist. Der Regenerationsprozess ist außerdem weniger
energieintensiv. Die Anreicherung des Abgases mit Sauerstoff geschieht
bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
in einfacher Weise dadurch, dass der Permeatausgang 6 der Lufttrenneinheit
mit der Abgasleitung 9 verbunden wird, so dass Permeat
stromauf des Partikelfilters 19 der Abgas leitung 9 zuführbar ist.
Es kann auch eine Abgastemperaturerhöhung mittels eines Brenners vorgesehen
sein, wobei es vorteilhaft ist, dem Brenner Permeat zuzuführen.
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Es
kann selbstverständlich
ein nicht dargestelltes Schaltorgan vorgesehen sein, welches es
ermöglicht,
den Permeatstrom lediglich im Zusammenhang mit einer Partikelfilterregeneration
der Abgasleitung 9 zuzuführen und sonst in die Umgebung
abzuleiten oder den Zylindern der Brennkraftmaschine zuzuführen. Weiter
können
zusätzliche
Abgasreinigungseinheiten, wie beispielsweise ein Oxidationskatalysator
in der Abgasleitung 9 angeordnet sein, was im einzelnen
ebenfalls nicht dargestellt ist. Das von der Lufttrenneinheit 5 gelieferte
Permeat ist dann vorzugsweise eingangsseitig dieses Katalysators beispielsweise
bei einem Startvorgang oder bei niedrigen Abgastemperaturen zur
Verbesserung des katalytischen Umsatzes der Abgasleitung zuführbar. Insbesondere
wenn einem Oxidationskatalysator der Partikelfilter 19 nachgeschaltet
ist, ist dies vorteilhaft. In diesem Fall kann im Abgas enthaltenes
Stickstoffmonoxid sehr wirksam zu Stickstoffdioxid oxidiert werden.
Im nachfolgenden Partikelfilter 19 oxidiert das gebildete
Stickstoffdioxid den abgelagerten Ruß bereits bei vergleichsweise
niedrigen Temperaturen. Partikelfilterregenerationen durch thermischen
Rußabbrand
müssen
daher weniger häufig
durchgeführt werden,
bzw. können
ganz entfallen.