AT5038U1

AT5038U1 - Brennkraftmaschine mit zumindest einem abgasturbolader

Info

Publication number: AT5038U1
Application number: AT0085700U
Authority: AT
Inventors: Andrei Dipl Ing Ludu; Gabor Dipl Ing Hrauda; Hans Felix Dipl Ing Seitz
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2000-11-20
Filing date: 2000-11-20
Publication date: 2002-02-25
Also published as: DE10156741A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (1) mit zumindest einem Abgasturbolader (9), mit einem Einlasssystem (3) und einem Auslasssystem (4), wobei das Auslasssystem (4) über eine als Abgasrückführleitung (6) ausgebildete erste Strömungspassage mit dem Einlasssystem (3) strömungsverbindbar ist, welche stromaufwärts der Abgasturbine (8) des Abgasturboladers (9) vom Auslasssystem (4) abzweigt und stromabwärts des Verdichters (10) des Abgasturboladers (9) in das Einlasssystem (3) einmündet, und wobei das Einlasssystem (3) über eine zweite Strömungspassage mit dem Auslasssystem (4) strömungsverbindbar ist, welche zwischen Verdichter (10) und der Abgasrückführleitung (6) vom Einlasssystem (3) abzweigt und stromaufwärts der Abgasturbine (8) einmündet, wobei zumindest in der Abgasrückführleitung (6) ein Durchflusssteuerorgan angeordnet ist. Um die Emissionen zu verbessern und gleichzeitig einen möglichst hohen Wirkungsgrad des Abasturboladers (10) zu erreichen, ist vorgesehen, dass die zweite Strömungspassage als Umblaseleitung (16) ausgebildet ist, über welche bei einem Druckgefälle zwischen Einlasssystem (3) und Auslasssystem (4) eine Strömungsverbindung herstellbar ist.

Description

AT 005 038 Ul

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem Abgasturbolader, mit einem Einlasssystem und einem Auslasssystem, wobei das Auslasssystem über eine als Abgasrückführleitung ausgebildete erste Strömungspassage mit dem Einlasssystem strömungsverbindbar ist, welche stromaufwärts der Abgasturbine des Abgasturboladers vom Auslasssystem abzweigt und stromabwärts des Verdichters des Abgasturboladers in das Einlasssystem einmündet, und wobei das Einlasssystem über eine zweite Strömungspassage mit dem Auslasssystem strömungsverbindbar ist, welche zwischen Verdichter und der Abgasrückführleitung vom Einlasssystem abzweigt und stromaufwärts der Abgasturbine in das Auslasssystem einmündet, wobei zumindest in der Abgasrückführleitung ein Durchflusssteuerorgan angeordnet ist.

Um den verschärften Abgas-Emissionsgebungen Rechnung zu tragen und gleichzeitig bestmögliche Kraftstoffverbräuche zu realisieren ist es bei Dieselmotoren in zunehmender Weise vorteilhaft, der vom Motor angesaugten Frischluft eine gewisse Menge an gekühltem Abgas beizumischen. Dadurch wird bei guter Kraftstoffausnutzung der NOx-Austoß des Motors auf das vom Gesetzgeber geforderte Maß reduziert.

Bei aufgeladenen Nutzfahrzeug-Dieselmotoren ist allerdings aufgrund der hohen Turboladerwirkungsgrade über einen weiten Drehzahl- und Lastbereich der mittlere Druck im Einlasssammler höher als im Auslasskrümmer. Durch eine einfache Abgasrückführleitung zwischen Ein- und Auslasssystem kann der gewünschte Effekt der Abgasrückführung in diesen Motorbetriebsbereichen nicht erreicht werden. Aus der DE 43 19 380 Al ist es bekannt, die Abgasrückführleitung im Bereich einer Querschnittsverengung der Ladeluftleitung in das Einlasssystem einmünden zu lassen. Durch die lokale Geschwindigkeitserhöhung und Druckabsenkung zufolge des Venturieffektes kann damit eine Abgasrückführung auch dann erreicht werden, wenn der mittlere Druck im Einlasssammler höher ist als im Auslasskrümmer. Allerdings kommt es im Abgasrückführbetrieb zu einem Absinken des Massestromes durch den Verdichter und zu einem unerwünschten und gefährlichen Annähern an die Pumpgrenze des Verdichters.

Weiters ist aus der GB 941 532 A eine Brennkraftmaschine mit einer Abgasrückführleitung zwischen Auslasssystem und Einlasssystem, sowie einer Strömungspassage zwischen Einlasssystem und Auslasssystem bekannt. Durch die Abgasrückführung in die Ladeluftleitung soll die Ladelufttemperatur erhöht werden. Andererseits soll über die Strömungspassage zwischen Einlasssystem und Auslasssystem das Abgas vor der Turbine abgekühlt werden, um zu hohe Temperaturen für die Abgasturbine zu vermeiden. Die Zuführung der Frischluft vom Ein- 2 AT 005 038 Ul lasssystem in das Auslasssystem erfolgt dabei über eine in der Strömungspassage angeordnete Pumpe, also bei negativem Druckgefälle zwischen Einlasssystem und Auslasssystem.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art die Emissionen zu verbessern und dabei einen möglichst hohen Wirkungsgrad des Abgasturboladers zu ermöglichen.

Erfindungsgemäß erfolgt dies dadurch, dass die zweite Strömungspassage als Umblaseleitung ausgebildet ist, über welche bei einem Druckgefälle zwischen Einlasssystem und Auslasssystem eine Strömungsverbindung herstellbar ist. Bei aktiviertem Abgasrückführsystem wird über die Umblaseleitung ein Kurzschluss zwischen Einlasssystem und Auslasssystem hergestellt. Dies geschieht vorzugsweise über ein in der Umblaseleitung angeordnetes Durchflusssteuerorgan. Dabei wird ein Teil der im Verdichter verdichteten Luft am Motor vorbei direkt vor die Abgasturbine geleitet. Um ein Rückströmen von Abgas durch die Umblaseleitung zu verhindern, kann in der Umblaseleitung ein Rückschlagventil angeordnet sein, welches die Strömungsverbindung in der Umblaseleitung zwischen Abgasturbine und Verdichter sperrt.

In weiterer Ausbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Abgasrückführleitung im Bereich einer Querschnittsverengung der Ladeluftieitung in das Einlasssystem einmündet und dass in der Abgasrückführleitung ein Abgas-rückführkühler angeordnet ist. Dies ermöglicht eine deutliche Leistungssteigerung des Abgasrückführsystems. Um ein Rückfließen des rückgeführten Abgases zum Auslasssystem bei Druckspitzen im Einlasssystem zu vermeiden, kann auch in der Abgasrückführleitung ein Rückschlagventil angeordnet sein, welches in Richtung des Auslasssystems sperrt.

Im Rahmen der Erfindung kann weiters vorgesehen sein, dass zwischen der Abzweigung der Umblaseleitung vom Einlasssystem und der Einmündung der Abgasrückführleitung im Einlasssystem ein Ladeluftkühler angeordnet ist.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung werden folgende entscheidende Effekte erreicht, die den günstigen Betrieb des Abgasrückführsystems ermöglichen: 1. Der Druck im Einlasssystem und im Auslasssystem wird durch die Umblaseleitung tendenziell ausgeglichen. Dadurch wird die dem Abgasrückführbetrieb entgegenwirkende Druckdifferenz abgebaut. 2. Im Abgasrückführbetrieb wird die Abgasmenge, die vor der Abgasturbine durch das Abgasrückführsystem entnommen wird, durch "umblasene" Ladeluft ersetzt. Der Massenstrom durch die Turbine ändert sich daher nicht 3 AT 005 038 Ul maßgeblich, wenn von normalem Motorbetrieb auf Abgasrückführbetrieb umgeschaltet wird. 3. Im Abgasrückführbetrieb sinkt der Massenstrom durch den Verdichter nicht ab, da ein Teil der Ladeluft direkt der Abgasturbine zugeführt wird. Dadurch kann der Verdichter auch im Abgasrückführbetrieb im Bereich hoher Wirkungsgrade betrieben werden. Weiters wird die Gefahr des Ver-dichterpumpens, welches durch den Abfall des Ladeluft-Massenstromes entstehen kann, verringert. 4. Durch den oben beschriebenen Effekt des ausgeglichenen Verdichter- und Abgasturbinen-Massestromes fällt im Abgasrückführbetrieb das Ladedruckniveau der Brennkraftmaschine nicht ab. Dadurch kann eine im Vergleich zu herkömmlichen Abgasrückführsystemen wesentlich günstigere Abgasturbolader-Auslegung erfolgen und die Leistungsdaten der Brennkraftmaschine können verbessert werden.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.

Es zeigen schematisch Fig. 1 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in einer ersten Ausführungsvariante und Fig. 2 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in einer zweiten Ausführungsvariante.

Funktionsgleiche Teile sind in den Ausführungsvarianten mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Brennkraftmaschine 1 weist mehrere Zylinder 2 auf, welche mit einem Einlasssystem 3 und einem Auslasssystem 4 verbunden sind. Der Abgaskrümmer 5 des Auslasssystems 4 ist über eine Abgasrückführleitung 6 eines Abgasrückführsystems 12 mit dem Einlasssammler 7 des Einlasssystems 3 verbunden. Die stromaufwärts der Abgasturbine 8 des Abgasturboladers 9 angeordnete Abzweigung der Abgasrückführleitung 6 vom Auslasssystem 4 ist mit Bezugszeichen 11, die Einmündung in das Einlasssystem 3 stromabwärts des Verdichters 10 des Abgasturboladers 9 mit Bezugszeichen 13 bezeichnet. Der Durchfluss durch die Abgasrückführleitung 6 ist über ein Abgassteuerorgan 14 einstellbar. Weiters ist die Ladeluftleitung 15 des Einlasssystems 7 über eine Umblaseleitung 16 mit dem Auslasssystem 4 verbunden, wobei die Abzweigung der Umblaseleitung 16 von der Ladeluftleitung 15 mit Bezugszeichen 17 und die Einmündung in das Auslasssystem 4 mit Bezugszeichen 18 bezeichnet ist. Zwischen der Abzweigung 17 der Umblaseleitung 16 und der Einmündung 13 der Abgasrückführleitung 6 ist in der Ladeluftleitung 15 ein Ladeluftkühler 19 angeordnet. Mit Bezugszeichen 20 ist das Ansaugsystem vor dem Verdichter 10, inklusive Luftfilter, angedeutet. Bezugszeichen 21 symbolisiert das Auspuffsys- 4 AT 005 038 Ul tem nach der Abgasturbine 8, inklusive Schalldämpfer, Rußfilter, Katalysator, Auspuff, Bremse oder dergleichen. Der Durchfluss durch die Umblaseleitung 16 kann durch ein Durchflusssteuerorgan 22 gesteuert werden. Die Steuerung der Durchfiusssteuerorgane 14 in der Abgasrückführleitung 6 und 22 in der Umblaseleitung 16 erfolgt über eine zentrale Steuereinheit CPU.

Bei über das Durchflusssteuerorgan 14 aktiviertem Abgasrückführsystem 12 wird auch über das Durchflusssteuerorgan 22 eine Strömungsverbindung zwischen Einlasssystem 3 und dem Auslasssystem 4 über die Umblaseleitung 16 hergestellt. Dadurch wird ein Teil der im Verdichter 10 verdichteten Luft an der Brennkraftmaschine 1 vorbei direkt vor die Abgasturbine 8 dem Abgassystem 4 zugeführt. Auf diese Weise lassen sich folgende entscheidende Effekte, die einen günstigen Betrieb des Abgasrückführsystems 12 ermöglichen, erreichen: 1. Der Druck im Einlasssystem 3 und im Auslasssystem 4 wird durch die Umblaseleitung 16 tendenziell ausgeglichen. Dadurch wird die dem Abgasrückführbetrieb entgegenwirkende Druckdifferenz abgebaut. 2. Im Abgasrückführbetrieb wird die Abgasmenge, die vor der Abgasturbine 8 durch das Abgasrückführsystem 12 entnommen wird, durch die über die Umblaseleitung 16 an der Brennkraftmaschine 1 vorbeigeleitete Luft ersetzt. Der Massenstrom durch die Abgasturbine 8 ändert sich daher nicht maßgeblich, wenn von normalem Motorbetrieb auf Abgasrückführbetrieb umgeschaltet wird. 3. Im Abgasrückführbetrieb sinkt der Massenstrom durch den Verdichter 10 nicht ab, da ein Teil der Ladeluft direkt der Abgasturbine 8 zugeführt wird. Dadurch kann der Verdichter 10 auch im Abgasrückführbetrieb im Bereich hoher Wirkungsgrade betrieben werden. Weiters wird die Gefahr des Ver-dichterpumpens verringert. 4. Durch den beschriebenen Effekt des ausgeglichenen Verdichter- und Massenstromes fällt im Abgasrückführbetrieb das Ladedruckniveau der Brennkraftmaschine 1 nicht ab. Dadurch kann eine (im Vergleich zu bekannten Abgasrückführsystemen) wesentlich günstigere Auslegung des Abgasturboladers 9 erfolgen und die Leistungsdaten der Brennkraftmaschine 1 können verbessert werden.

Um ein Rückströmen von Abgas durch die Umblaseleitung 16 zu verhindern, kann statt dem Durchflusssteuerorgan 22 oder zusätzlich zum Durchflusssteuerorgan 22 ein Rückschlagventil 24 angeordnet sein, welches in Richtung der Ladeluftleitung 15 sperrt, wie in Fig. 2 dargestellt ist. 5 AT 005 038 Ul

In der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsvariante ist weiters zwischen Abzweigung 11 und der Mündung 13 ein Abgasrückführkühler 25 sowie ein Rückschlagventil 26 angeordnet, welches in Richtung des Auslasssystems 4 sperrt. Dadurch wird verhindert, dass bei Druckspitzen im Einlasssystem 3 ein Rückfließen in Richtung des Auslasssystems 4 stattfindet. Die Einmündung des rückgeführten Abgases erfolgt im Bereich einer Querschnittsverengung 23, die beispielsweise durch eine Düsen-Diffusoreinheit gebildet ist.

Der Turbineneintritt der Abgasturbine 8 kann einflutig oder mehrflutig ausgeführt wein. Bei merhflutigem Turbineneintritt kann die Abgasentnahme einflutig oder mehrflutig ausgeführt sein.

Die Abgasturbine 8 kann in bekannter Weise mit einem nicht weiter dargestelltem Bypass (wastegate) oder mit variabler Turbinengeometrie ausgeführt sein.

Mit der beschriebenen Anordnung ist es möglich, Abgas aus dem Auslasssystem 4 einer aufgeladenen Nutzfahrzeug-Diesel-Brennkraftmaschine zu entnehmen und dieses dem Einlasssystem 3 der Brennkraftmaschine zuzuführen. Ein für die Abgasrückführung geeignetes Druckgefälle zwischen Einlasssystem 3 und Auslasssystem 4 wird durch "Umblasen" der Brennkraftmaschine 1 erreicht. 6

Claims

AT 005 038 Ul ANSPRÜCHE 1. Brennkraftmaschine (1) mit zumindest einem Abgasturbolader (9), mit einem Einlasssystem (3) und einem Auslasssystem (4), wobei das Auslasssystem (4) über eine als Abgasrückführleitung (6) ausgebildete erste Strömungspassage mit dem Einlasssystem (3) strömungsverbindbar ist, welche stromaufwärts der Abgasturbine (8) des Abgasturboladers (9) vom Auslasssystem (4) abzweigt und stromabwärts des Verdichters (10) des Abgasturboladers (9) in das Einlasssystem (3) einmündet, und wobei das Einlasssystem (3) über eine zweite Strömungspassage mit dem Auslasssystem (4) strömungsverbindbar ist, welche zwischen Verdichter (10) und der Abgasrückführleitung (6) vom Einlasssystem (3) abzweigt und stromaufwärts der Abgasturbine (8) in das Auslasssystem (4) einmündet, wobei zumindest in der Abgasrückführleitung (6) ein Durchflusssteuerorgan (14) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Strömungspassage als Umblaseleitung (16) ausgebildet ist, über welche bei einem Druckgefälle zwischen Einlasssystem (3) und Auslasssystem (4) eine Strömungsverbindung herstellbar ist.
2. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Umblaseleitung (16) ein Durchflusssteuerorgan (22) und/oder ein Rückschlagventil (24) angeordnet ist.
3. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Abzweigung (17) der Umblaseleitung (16) vom Einlasssystem (3) und der Einmündung (13) der Abgasrückführleitung (6) im Einlasssystem (3) ein Ladeluftkühler (19) angeordnet ist.
4. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführleitung (6) im Bereich einer Querschnittsverengung (23) der Ladeluftleitung (15) in das Einlasssystem (3) einmündet.
5. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in die Abgasrückführleitung (6) ein in Richtung des Einlasssystems (3) öffnendes Rückschlagventil (26) angeordnet ist.
6. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasrückführleitung (6) ein Abgasrückführkühler (25) angeordnet ist.
7. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) mit zumindest einem Abgasturbolader (9), mit einem Einlasssystem (3) und einem Auslass- 7 AT 005 038 Ul System (4), wobei das Auslasssystem (4) über eine als Abgasrückführleitung (6) ausgebildete erste Strömungspassage mit dem Einlasssystem (3) strömungsverbindbar ist, welche stromaufwärts der Abgasturbine (8) des Abgasturboladers (9) vom Auslasssystem (4) ausgeht und stromabwärts des Verdichters (10) des Abgasturboladers (9) in das Einlasssystem (3) einmündet und wobei das Einlasssystem (3) über eine zweite Strömungspassage mit dem Auslasssystem (4) strömungsverbindbar ist, welche zwischen Verdichter (10) und Abgasrückführleitung (6) vom Einlasssystem (3) abzweigt und stromaufwärts der Abgasturbine (8) in das Auslasssystem (4) einmündet, wobei der Durchfluss durch die Abgasrückführleitung (6) über ein Durchflusssteuerorgan (14) steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass bei aktiviertem Abgasrückführsystem (12) und einem Strömungsgefälle zwischen Einlasssystem (3) und Auslasssystem (4) über die als Umblaseleitung (16) ausgebildete zweite Strömungspassage eine Strömungsverbindung zwischen Einlasssystem (3) und Auslasssystem (4) hergestellt wird. 8