DE102009018525B4

DE102009018525B4 - Abgasrückführsystem für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102009018525B4
Application number: DE102009018525.9A
Authority: DE
Inventors: Dr. Grimm Karsten; Dr. Tönnesmann Andres; Sven Nigrin; Peter Haushälter
Original assignee: Pierburg GmbH
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 2009-04-24
Filing date: 2009-04-24
Publication date: 2015-03-05
Anticipated expiration: 2029-04-25
Also published as: CN102459858B; US20120055156A1; CN102459858A; DE102009018525A1; JP2012524857A; WO2010121867A1; EP2422068A1

Abstract

Abgasrückführsystem für einen Verbrennungsmotor mit einem Abgaskanal (4) und einem Ansaugkanal (12), einem Abgasrückführkanal (10), der vom Abgaskanal (4) abzweigt und im Ansaugkanal (12) mündet, wobei der Abgasrückführkanal (10) ein Hochdruckabgasrückführkanal ist, welcher stromaufwärts einer Turbine (6) eines Turboladers (8) vom Abgaskanal (4) abzweigt und stromabwärts eines Verdichters (14) des Turboladers (8) in den Ansaugkanal (12) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass im Hochdruckabgasrückführkanal (10) ein Abgasmassenstromsensor (24) stromabwärts eines Strömungsberuhigungselementes derart angeordnet ist, dass der Abgasmassenstromsensor (24) gleichmäßig angeströmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Abgasrückführsystem für einen Verbrennungsmotor mit einem Abgaskanal und einem Ansaugkanal und einem Abgasrückführkanal, der vom Abgaskanal abzweigt und im Ansaugkanal mündet, wobei der Abgasrückführkanal ein Hochdruckabgasrückführkanal ist, welcher stromaufwärts einer Turbine eines Turboladers vom Abgaskanal abzweigt und stromabwärts eines Verdichters des Turboladers in den Ansaugkanal mündet.
Derartige Systeme sind bekannt. Die Rückführung des Abgases dient in bekannter Weise zur Verminderung der Schadstoffemissionen. Üblich ist es auch, im Abgasrückführkanal ein Abgasrückführventil und einen Abgaskühler anzuordnen, mittels dessen die Temperatur des rückgeführten Abgases nach der Warmlaufphase gesenkt werden kann, was zu einer zusätzlichen Reduzierung der im Verbrennungsprozess entstehenden Schadstoffe führt.
Des Weiteren handelt es sich bei modernen Verbrennungsmotoren zumeist um turboaufgeladene Motoren, welche zwei Abgasrückführstränge aufweisen. Dabei ist ein erster Strang im Hochdruckbereich des Verbrennungsmotors angeordnet, ein zweiter im Niederdruckbereich des Verbrennungsmotors angeordnet. Auf diese Weise ist eine Erhöhung des rückgeführten Abgasmassenstromes bei gleichzeitiger Temperatursteuerung möglich. Im Hochdruckstrang befinden sich ebenfalls üblicherweise ein Abgasrückführventil und ein Abgaskühler, der gegebenenfalls über einen Bypasskanal umgehbar ist.
Auch ist es bekannt, im Abgasstrang einen Oxidationskatalysator anzuordnen, der zur Umsetzung unverbrannter Abgasbestandteile, insbesondere CO und HC dient. Er besteht aus einem metallischen oder keramischen Wabenkörper, welcher mit einer oxidationskatalytischen Beschichtung versehen ist. Ein solcher Katalysator ist temperaturabhängig, das heißt, dass bei zu niedrigen Abgastemperaturen sein Wirkungsgrad sinkt. Die Anordnung eines solchen Katalysators ist beispielsweise aus der DE 10 2005 024 984 A1 bekannt.
Um eine Verschmutzung des Abgasrückführventils und des Abgaskühlers im Hochdruckabgasrückführstrang zu reduzieren, wird in der DE 10 2005 049 309 A1 und der DE 10 2004 042 454 A1 vorgeschlagen, einen Oxidationskatalysator vor dem Abgasrückführventil beziehungsweise vor dem Abgaskühler in der Hochdruckabgasrückführleitung anzuordnen.
Diese Schriften geben jedoch keinen Hinweis darauf, wie die Abgasmenge im Hochdruckabgasrückführkanal gemessen beziehungsweise geregelt werden kann.
Auch ist es aus der DE 198 38 703 A1 bekannt, einen Strömungsleitkörper vor einem Katalysator anzuordnen, um eine gleichmäßige Durchströmung des Katalysators zu erreichen.
Um eine möglichst genaue Zudosierung von Luft und rückgeführtem Abgas zum Verbrennungsmotor zu realisieren, wird in der DE 10 2006 038 863 A1 vorgeschlagen, stromaufwärts der Mündung des Niederdruckabgasrückführkanals im Ansaugkanal einen ersten Luftmassenmesser und stromabwärts der Mündung des Niederdruckabgasrückführkanals sowie stromaufwärts der Mündung des Hochdruckabgasrückführkanals im Ansaugkanal einen zweiten Luftmassenmesser anzuordnen. Mittels dieser beiden Sensoren sollen die Abgasströme in den Abgasrückführkanälen geschätzt und geregelt werden. Hierzu werden zusätzlich ein Ansaugunterdruckfühler, ein Drucksensor stromaufwärts der Mündung der Hochdruckabgasrückführleitung, ein Abgaskrümmerdrucksensor, ein Drucksensor im Niederdruckabgasrückführkanal sowie ein Luftladungstemperaturfühler in der Ansaugleitung verwendet. Über verschiedene Messungen ergibt sich eine Differentialgleichung, mittels derer der Niederdruckabgasrückstrom berechnet wird. Das Ergebnis wird nunmehr dazu genutzt über die gemessenen Luftmengen durch Differenzbildung auch den Abgasstrom im Hochdruckkreis zu bestimmen.
Eine derartige Regelung ist sehr aufwendig und erfordert einen hohen apparativen Aufwand. Zusätzlich entstehen ungenaue Messergebnisse insbesondere für den Abgasmassenstrom im Hochdruckabgasrückführkanal, da dieser erst aus verschiedenen Werten berechnet werden muss, welche wiederum möglichen Messfehlern unterliegen, so dass von einer Verstärkung der Messfehler ausgegangen werden muss.
Des Weiteren ist aus der US 2007/0143007 A1 ein Abgassystem bekannt, bei dem ein Abgasmassenstromsensor stromabwärts eines Partikelfilters angeordnet ist, um die Rußbelastung des Abgasmassenstromsensors zu verringern.
Aus der EP 1 950 406 A2 ist ein Abgasrückführsystem bekannt, bei dem in einer Hochdruckabgasrückführleitung hinter einem Abgaskühler ein Abgasmassenstromsensor angeordnet ist. Dieser ist den Abgaspulsationen des Verbrennungsmotors ausgesetzt, wodurch Messergebnisse verfälscht werden.
Es stellt sich daher die Aufgabe, ein Abgasrückführsystem zu schaffen, mit dem eine möglichst genaue Messung des Abgasmassenstroms möglich wird und somit die Regelbarkeit des Verbrennungsmotors verbessert wird.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass im Hochdruckabgasrückführkanal ein Abgasmassenstromsensor stromabwärts eines Strömungsberuhigungselementes angeordnet ist. Der Abgasmassenstromsensor ermöglicht eine direkte Messung des Abgasmassenstroms im Hochdruckabgasrückführkanal. Die Anordnung hinter dem Strömungsberuhigungselement erzeugt eine gleichmäßige Anströmung des Abgasmassenstromsensors, welche sonst nicht gegeben wäre, da im Abgasrückführkanal üblicherweise hohe Abgaspulsationen und eine stark inhomogene Strömungsverteilung vorliegen, welche zu einer Verfälschung der Messergebnisse führen würden. Durch diese Maßnahmen wird eine exakte Abgasmengenmessung ermöglicht, die gleichzeitig die Regelung des Verbrennungsmotors verbessert. Gerade im Hochdruckbereich eines Verbrennungsmotors ist die erfindungsgemäße Anordnung besonders vorteilhaft einsetzbar, da die Rückführung hier vor dem gegebenenfalls vorhandenen Dieselpartikelfilter nahe an den Verbrennungskammern angeordnet ist, wo hohe Temperaturen und Pulsationen vorhanden sind und üblicherweise kein gereinigtes Abgas vorliegt.
Vorzugsweise ist der Abgasmassenstromsensor stromaufwärts eines Abgaskühlers und eines Abgasrückführventils im Abgasrückführkanal angeordnet. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass durch die hohen vorhandenen Temperaturen eine Kondensatbildung am Abgasmassenstromsensor weitestgehend verhindert werden kann. Zusätzlich entsteht eine geringere Rußbildung aufgrund der hohen Temperaturen. Diese Maßnahme verbessert somit erneut die erzielbaren Messergebnisse.
Vorteilhafterweise ist das Strömungsberuhigungselement ein Katalysator, so dass kein zusätzlicher apparativer Aufwand erforderlich ist. Katalysatoren bestehen üblicherweise aus beschichteten Platten, die eine Strömungsberuhigung des Abgasstroms zur Folge haben, so dass diese Funktion automatisch mit erfüllt wird.
In einer bevorzugten Ausführung ist der Katalysator ein Oxidationskatalysator. Dieser besteht aus einem üblicherweise mit Platin beschichtetem Wabenkörper, dessen Durchströmung eine hohe Gleichmäßigkeit und Homogenität des austretenden Abgasstromes zur Folge hat. Zusätzlich werden durch den Oxidationskatalysator Verrußungen im nachfolgenden Bereich vermieden, so dass wiederum die Messgenauigkeit des Abgasmassenstromsensors erhöht wird.
Vorzugsweise arbeitet der Abgasmassenstromsensor nach dem Prinzip der Heißfilmanemometrie. Diese hat sich bereits bei Luftmassensensoren als das zuverlässigste und genaueste System herausgebildet. Derartige Sensoren sind beispielsweise in der DE 10 2005 061 533 B4 der Anmelderin beschrieben. Sie sind weitestgehend unempfindlich gegen Ruß und andere Verschmutzungen im Abgas, da diese Verschmutzungen abgebrannt werden können.
Es wird somit ein Abgasrückführsystem geschaffen, bei dem der Abgasmassenstrom in einem Abgasrückführkanal und insbesondere in einem Hochdruckabgasrückführkanal durch Vermeidung von Strömungspulsationen und -inhomogenitäten mit hoher Genauigkeit gemessen werden kann, so dass auch eine genauere Regelung der Abgasrückführrate und des Verbrennungsvorgangs im Verbrennungsmotor erreichbar sind.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasrückführsystems ist in der Figur anhand eines turboaufgeladenen Verbrennungsmotors schematisch dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
Das erfindungsgemäße Abgasrückführsystem besteht aus einem Motorblock 2, in dem in bekannter Weise eine Verbrennung eines Kraftstoff-Luftgemisches mit zugeführtem Abgas stattfindet. Vom Motorblock 2 führt ein Abgaskanal 4 zunächst in Form eines Abgaskrümmers zu einer Turbine 6 eines Turboladers 8 und von hier aus weiter zu einem nicht dargestellten Abgasauslass, vor dem in Strömungsrichtung gesehen eine Abgasklappe sowie eine Abzweigung eines Niederdruckabgasrückführkanals vorgesehen sein kann, in dem wiederum ein Abgarückführventil angeordnet ist.
Stromaufwärts der Turbine 6 zweigt ein Hochdruckabgasrückführkanal 10 vom Abgaskanal 4 ab. Dieser mündet in einen Ansaugkanal 12 des Verbrennungsmotors, in der vor der Mündung des Hochdruckabgasrückführkanals 10 ein Verdichter 14 des Turboladers 8 sowie ein diesem nachgeschalteter Ladeluftkühler 16 angeordnet sind. Der gegebenenfalls vorhandene Niederdruckabgasrückführkanal mündet stromaufwärts des Verdichters 14 in den Ansaugkanal 12, so dass der Ladeluftkühler 16 gegebenenfalls bereits mit einem Abgas-Luftgemisch beaufschlagt wird. Er dient der Verringerung der Temperatur der angesaugten Luft zur Verbesserung des Verbrennungsprozesses.
Im Hochdruckabgasrückführkanal 10 ist ein Abgaskühler 18 sowie ein nachgeschaltetes Abgasrückführventil 20 angeordnet, wobei das Abgasrückführventil 20 auch in Strömungsrichtung gesehen vor dem Abgaskühler 18 angeordnet werden könnte. Stromaufwärts des Abgaskühlers 18 und des Abgasrückführventils 20 ist ein Oxidationskatalysator 22 im Hochdruckabgasrückführungskanal 10. Dieser besteht üblicherweise aus mit einem Edelmetall, wie Platin, beschichteten Gasführungsblechen, die zumeist einen Wabenkörper bilden.
Zwischen dem Oxidationskatalysator 22 und dem Abgaskühler 18 ist erfindungsgemäß ein Abgasmassenstromsensor 24 angeordnet, über den die durch den Hochdruckabgasrückführkanal 10 strömende Abgasmasse gemessen wird. Dieses Ergebnis kann als Signal an eine nicht dargestellte Motorsteuereinheit übermittelt werden und zur Einstellung des Abgasrückführventils 20 sowie der weiteren Motorsteuerung benutzt werden.
Aus dem Motorblock 2 nach der Verbrennung in den Abgaskanal 4 ausgestoßenes Abgas strömt je nach Öffnung des Abgasrückführventils 20 teilweise durch den weiterführenden Abgaskanal 4 in Richtung der Turbine 6 und teilweise in den Hochdruckabgasrückführkanal 10. Hier gelangt der Abgasstrom zunächst zum Oxidationskatalysator, wo das Abgas mit der katalytischen Beschichtung des Katalysators in Kontakt kommt. Hierdurch entsteht unter anderem eine Oxidation der Kohlenwasserstoffe im Abgas, so dass Kohlendioxid und Wasser entsteht. Zusätzlich wirkt der Oxidationskatalysator 22 als Strömungsberuhigungselement, da die Gasführungsbleche durch ihre Anordnung die im Abgasstrom vorhandenen Inhomogenitäten und Pulsationen durch das pulsierende Ausstoßen aus der Verbrennungskammer beruhigt. Dies bedeutet, dass hinter dem Oxidationskatalysator 22 ein gleichmäßiger Abgasstrom vorliegt.
Dieser Abgasstrom erreicht im Folgenden den Abgasmassenstromsensor 24, der nach dem Prinzip der Heißfilmanemometrie arbeitet. Dies bedeutet, dass Heizwiderstände des Sensors erhitzt werden, wobei durch Konvektion die erzeugte Wärme dieser Heizwiderstände auf das strömende Medium abgegeben wird. Die daraus resultierende Temperaturänderung des Heizwiderstandes oder die zusätzliche Leistungsaufnahme zum Erhalt der Heizwiderstandstemperatur sind ein Maß für den vorhandenen Massenstrom. Diese Sensoren arbeiten bekannterweise sehr zuverlässig. Es sind lediglich Ablagerungen an den Oberflächen zu vermeiden, so dass beim Einsatz im Abgassystem üblicherweise zusätzliche Heizdrähte zum Abbrennen der Ablagerungen vorgesehen werden. Durch den gleichmäßigen Abgasstrom sind mittels dieses Abgasmassenstromsensors 24 sehr exakte Messwerte erzielbar. Zusätzlich wird die Rußbildung auf der Oberfläche des Abgasmassenstromsensors durch die Anordnung hinter dem Oxidationskatalysator reduziert, da durch den verringerten Anteil an Kohlenwasserstoffen, die dazu tendieren sich auf der Oberfläche des Abgasmassenstromsensors 24 abzusetzen, sich weniger Ruß an der Oberfläche absetzt.
Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung des Abgasmassenstromsensors 24 ist seine Position vor dem Abgaskühler 18, wodurch ein Kondensieren des im Abgas vorhandenen Wassers und anderer Abgasbestandteile aufgrund der hohen Temperaturen weitestgehend vermieden werden kann. Auch ist die Rußablagerung in diesem Bereich aufgrund der hohen Abgastemperaturen deutlich geringer als hinter dem Abgaskühler 18. Aus diesen genannten Gründen ist die direkt erfolgende Messung des Abgasmassenstroms nur mit sehr geringen Messungenauigkeiten behaftet.
Das Abgas strömt vom Abgasmassenstromsensor 24 weiter zum Abgaskühler 18. An dessen kalten Innenwänden bildet sich üblicherweise eine starke Rußablagerung, welche jedoch durch den vorgeschalteten Oxidationskatalysator, durch den das Bilden von Kohlenwasserstoffkondensaten an den Wänden deutlich reduziert wird, verringert wird. Im Abgaskühler 18 wird das Abgas herabgekühlt, so dass dem Ansaugkanal 12 und somit dem Verbrennungsmotor ein deutlich kälterer Abgas-Luftgemischstrom zur Verfügung gestellt wird, wodurch die Verbrennung verbessert und Schadstoffe reduziert werden können.
Hinter dem Abgaskühler 18 ist das Abgasrückführventil 20 angeordnet, über welches die über den Hochdruckabgasrückführkanal 10 zurückgeführte Abgasmenge regelbar ist. Dies kann beispielsweise über einen Vergleich der vom Abgasmassenstromsensor gemessenen Abgasmenge mit der entsprechend eines Kennfeldes hinterlegten Menge aufgrund von vorhandenen Motordaten im Motorsteuergerät erfolgen, so dass der Abgasmassenstromsensor 24 direkte Auswirkungen auf die Stellung des Abgasrückführventils 20 hat.
Es wird somit eine exakte Messung des im Hochdruckstrang rückgeführten Abgasmassenstromes zur Verbesserung der Motorregelung sichergestellt.
Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich der vorliegenden Anmeldung nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist. Statt des Oxidationskatalysators könnten auch andere Strömungsberuhigungselemente vorgesehen werden, wobei die Anordnung hinter dem Oxidationskatalysator zusätzliche Vorteile aufweist. Ebenso ist das erfindungsgemäße Abgasrückführsystem auch für andere Motoren denkbar.

Claims

Abgasrückführsystem für einen Verbrennungsmotor mit einem Abgaskanal (4) und einem Ansaugkanal (12), einem Abgasrückführkanal (10), der vom Abgaskanal (4) abzweigt und im Ansaugkanal (12) mündet, wobei der Abgasrückführkanal (10) ein Hochdruckabgasrückführkanal ist, welcher stromaufwärts einer Turbine (6) eines Turboladers (8) vom Abgaskanal (4) abzweigt und stromabwärts eines Verdichters (14) des Turboladers (8) in den Ansaugkanal (12) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass im Hochdruckabgasrückführkanal (10) ein Abgasmassenstromsensor (24) stromabwärts eines Strömungsberuhigungselementes derart angeordnet ist, dass der Abgasmassenstromsensor (24) gleichmäßig angeströmt wird.
Abgasrückführsystem für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasmassenstromsensor (24) stromaufwärts eines Abgaskühlers (18) und eines Abgasrückführventils (20) im Abgasrückführkanal (10) angeordnet ist.
Abgasrückführsystem für einen Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsberuhigungselement ein Katalysator ist, der im Abgasrückführkanal (10) angeordnet ist.
Abgasrückführsystem für einen Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator ein Oxidationskatalysator (22) ist.
Abgasrückführsystem für einen Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasmassenstromsensor (24) nach dem Prinzip der Heißfilmanemometrie arbeitet.