AT511604A4 - INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH AN INTAKE TRAIN - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (1) mit einem Einlassstrang (2) und einem Abgasstrang (3), mit zumindest einem einen Verdichter (4) und eine Abgasturbine (5) aufweisenden Abgasturbolader, mit einem Hochdruck- Abgasrückführsystem mit zumindest einer Abgasrückführleitung (6), welche stromaufwärts der Abgasturbine (5) vom Abgasstrang (3) ausgeht und stromabwärts des Verdichters (4) in den Einlassstrang (2) einmündet, wobei imAbgasstrang (3) zumindest ein erster Abgasrückführkühler (7), zumindest ein Abgasrückführventil (8) und zumindest ein Rückschlagventil (9) angeordnet ist und wobei das Rückschlagventil (9) stromaufwärts des ersten Abgasrückführkühlers (7) angeordnet ist. Um niedrigen Kraftstoffverbrauch bei strengem Emissionskriterien zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass stromaufwärts oder im Bereich des Rückschlagventils (9) zumindest eine Vorkühleinrichtung (20) angeordnet ist.The invention relates to an internal combustion engine (1) having an intake line (2) and an exhaust line (3) with at least one exhaust gas turbocharger having a compressor (4) and an exhaust gas turbine (5) with a high-pressure exhaust gas recirculation system having at least one exhaust gas recirculation line (6). which emanates from the exhaust line (3) upstream of the exhaust gas turbine (5) and flows into the intake line (2) downstream of the compressor (4), at least one first exhaust gas recirculation cooler (7), at least one exhaust gas recirculation valve (8) and at least one exhaust gas recirculation valve (8) in the exhaust line (3) a check valve (9) is arranged and wherein the check valve (9) upstream of the first exhaust gas recirculation cooler (7) is arranged. In order to enable low fuel consumption under strict emission criteria, it is provided that at least one precooling device (20) is arranged upstream or in the region of the check valve (9).
Description
1 562471 56247
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Einlassstrang und einem Abgasstrang, mit zumindest einem einen Verdichter und eine Abgasturbine aufweisenden Abgasturbolader, mit einem Hochdruck-Abgasrückführsystem mit zumindest einer Abgasrückführleitung, welche stromaufwärts der Turbine vom Abgasstrang ausgeht und stromabwärts des Verdichters in den Einlassstrang einmündet, wobei im Abgasstrang zumindest ein erster Abgasrückführkühler, zumindest ein Abgasrückführventil und zumindest ein Rückschlagventil angeordnet ist und wobei das Rückschlagventil stromaufwärts des ersten Abgasrückführkühlers angeordnet ist. Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben dieser Brennkraftmaschine.The invention relates to an internal combustion engine with an intake manifold and an exhaust line, with at least one exhaust gas turbocharger having a compressor and an exhaust gas turbine, with a high-pressure exhaust gas recirculation system with at least one exhaust gas recirculation line, which emanates from the exhaust line upstream of the turbine and flows into the intake line downstream of the compressor in the exhaust gas at least a first exhaust gas recirculation cooler, at least one exhaust gas recirculation valve and at least one check valve is arranged, and wherein the check valve upstream of the first exhaust gas recirculation cooler is arranged. Furthermore, the invention relates to a method for operating this internal combustion engine.
Aus der JP 2007-085 248 A ist eine Brennkraftmaschine mit Hochdruckabgasrückführung bekannt, wobei in der Abgasrückführleitung stromaufwärts eines Abgasrückführkühlers ein Abgasrückführventil und ein Rückschlagventil in parallel geschalteten Zweigleitungen des Abgasrückführstranges angeordnet sind.From JP 2007-085 248 A an internal combustion engine with high pressure exhaust gas recirculation is known, wherein in the exhaust gas recirculation line upstream of an exhaust gas recirculation cooler, an exhaust gas recirculation valve and a check valve are arranged in parallel branch lines of the exhaust gas recirculation line.
Die EP 0 840 000 Al beschreibt eine Brennkraftmaschine mit einem Hochdruckabgasrückführsystem, wobei in der Abgasrückführleitung im Bereich der Entnahmesteile aus dem Abgasstrang ein Abgasrückführventil und im Bereich der Mündungsstelle in den Einlassstrang ein Rückschlagventil angeordnet ist. Zwischen dem Abgasrückführventil und dem Rückschlagventil ist ein Abgasrückführkühler angeordnet.EP 0 840 000 A1 describes an internal combustion engine with a high-pressure exhaust gas recirculation system, wherein an exhaust gas recirculation valve is arranged in the exhaust gas recirculation line in the region of the removal parts from the exhaust gas line and a check valve is arranged in the inlet line in the area of the discharge point. Between the exhaust gas recirculation valve and the check valve, an exhaust gas recirculation cooler is arranged.
Die GB 2 473 821 A offenbart eine Brennkraftmaschine mit einem Hochdruck-Abgasrückführsystem, wobei in einer Abgasrückführleitung zwei Abgasrückführkühler hintereinander angeordnet sind. Beide Kühler sind durch jeweils eine Bypassleitung umgehbar, wobei jede Bypassleitung über ein Bypassventil separat angesteuert werden kann.GB 2 473 821 A discloses an internal combustion engine having a high-pressure exhaust gas recirculation system, wherein two exhaust gas recirculation coolers are arranged one after the other in an exhaust gas recirculation line. Both coolers can be bypassed by a respective bypass line, wherein each bypass line can be controlled separately via a bypass valve.
Weiters ist es aus den Druckschriften EP 1 835 155 A2, JP 2007-303 355 A, JP 2007-332 913 A, US 7,275,514 B2, US 7,360,523 B2, US 7,367,313 B2, US 7,370,0633 B2 und US 2009/0150052 Al bekannt, eine negative Ventilüberschneidung für Einlass- und Auslassventile im Zusammenhang mit Abgasrückführung einzusetzen. Durch die negative Ventilüberschneidung kann die 2Furthermore, it is known from the documents EP 1 835 155 A2, JP 2007-303 355 A, JP 2007-332 913 A, US Pat. No. 7,275,514 B2, US Pat. No. 7,360,523 B2, US Pat. No. 7,367,313 B2, US Pat. No. 7,370,02633 B2 and US 2009/0150052 A1 to use a negative valve overlap for intake and exhaust valves in connection with exhaust gas recirculation. Due to the negative valve overlap, the 2
Druckdifferenz zitfisbien.iikgas^rXng und Einlassstrang positiv beeinfluss werden, um die Abgasrückführmengen zu erhöhen.Pressure difference zitfisbien.iikgas ^ rXng and intake manifold are positively influenced to increase the exhaust gas recirculation quantities.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verbrauchsabsenkung unter Einhaltung strengster Abgasrichtlinien zu realisieren.The object of the invention is to realize a consumption reduction while adhering to the strictest exhaust gas regulations.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass stromaufwärts oder im Bereich des Rückschlagventils zumindest eine Vorkühleinrichtung angeordnet ist, wobei vorzugsweise die Vorkühleinrichtung durch eine Kühlleitung innerhalb des Zylinderkopfes gebildet ist.According to the invention, this is achieved by arranging at least one precooling device upstream or in the region of the non-return valve, wherein preferably the precooling device is formed by a cooling line within the cylinder head.
Die VorkühJeinrichtung kann auch durch Kühlrippen an einem zum Rückschlagventil führenden Abschnitt der Abgasrückführleitung oder durch eine Luftkühlung, erzielt durch gezieltes Anströmen eines zum Rückschlagventil führenden Abschnittes der Abgasrückführleitung und/oder durch Anströmen des Rückschlagventils, gebildet sein.The VorkühJeinrichtung can also be formed by cooling fins on a leading to the check valve portion of the exhaust gas recirculation line or by air cooling, achieved by targeted flow towards a leading portion to the check valve exhaust gas recirculation line and / or by flow of the check valve.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Vorkühleinrichtung durch einen zweiten Abgasrückführkühler gebildet ist, wobei vorzugsweise das Abgasrückführventil stromabwärts des Rückschlagventils und/oder des ersten Abgasrückführkühlers angeordnet ist.It is particularly advantageous if the pre-cooling device is formed by a second exhaust gas recirculation cooler, wherein preferably the exhaust gas recirculation valve is arranged downstream of the non-return valve and / or of the first exhaust gas recirculation cooler.
Durch die Hochdruck-Abgasrückführung mit Rückschlagventil kann durch die Druckpulsationen auch bei niedriger oder negativer Druckdifferenz zwischen Auslass- und Einlassstrang Abgas in den Einlassstrang rückgeführt werden. Um eine zylinderindividuelle Abgasrückführung zu ermöglichen, kann weiters vorgesehen sein, dass die Abgasrückführleitung sich in zumindest zwei Zweigleitungen aufspaltet, wobei die Zweigleitung zylinderindividuell jeweils in einen Einlasskanal unterschiedlicher Zylinder einmünden. Die Zuleitung zur Verteilerleiste erfolgt vorzugsweise mittig; die von der Verteilleiste abzweigenden Leistungen zu den Zylindern verlaufen vorzugsweise symmetrisch.Due to the high-pressure exhaust gas recirculation with a check valve, exhaust gas can be recirculated into the intake line through the pressure pulsations even if the pressure difference between the outlet and intake line is low or negative. In order to enable a cylinder-specific exhaust gas recirculation, it can further be provided that the exhaust gas recirculation line splits into at least two branch lines, the branch line each opening into an inlet channel of different cylinders for each cylinder. The supply line to the distribution bar is preferably in the middle; the branching from the distribution bar benefits to the cylinders are preferably symmetrical.
Der Vorkühler vor dem Rückschlagventil verhindert eine Überhitzung des Rückschlagventils und ermöglicht es, die Temperaturgrenzen der Komponenten einzuhalten. Darüber hinaus werden Gasdynamische Effekte weniger gestört. 3The pre-cooler in front of the check valve prevents overheating of the check valve and makes it possible to comply with the temperature limits of the components. In addition, gas-dynamic effects are less disturbed. 3
In weiterer’AJsführting der JScfiodiing ist vorgesehen, dass in zumindest einem Betriebsbereich, in welchem eine Abgasrückführung gewünscht ist, die Steuerzeit zumindest eines Einlassventils und/oder eines Auslassventils so verändert wird, dass eine negative Ventilüberschneidung auftritt, wobei vorzugsweise der Einlassschluss bei 1mm Ventilhub, insbesondere in Betriebsphasen mit negativer Ventilüberschneidung, später als 590° Kurbelwinkel nach dem oberen Totpunkt der Zündung erfolgt. Dabei kann darüber hinaus vorgesehen sein, dass der Wechsel von positiver zu negativer Ventilüberschneidung durch Vorverstellen der Auslasssteuerzeiten erfolgt.In addition, in at least one operating range in which an exhaust gas recirculation is desired, the control time of at least one intake valve and / or one exhaust valve is changed so that a negative valve overlap occurs, wherein preferably the inlet closing at 1 mm valve lift, especially in operating phases with negative valve overlap, later than 590 ° crank angle after the top dead center of the ignition takes place. It can also be provided that the change from positive to negative valve overlap occurs by Vorverstellen the Auslasssteuerzeiten.
Dabei beträgt die negative Ventilüberschneidung (bezogen auf 1 mm Ventilhub) 40° bis 120° Kurbelwinkel, vorzugsweise 60° bis 100° Kurbelwinkel.Here, the negative valve overlap (based on 1 mm valve lift) 40 ° to 120 ° crank angle, preferably 60 ° to 100 ° crank angle.
Durch die negative Ventilüberschneidung wird gewährleistet, dass ausreichend hohe Abgasmengen vom Auslassstrang zum Einlassstrang rückgeführt werden können. Weiters werden Verluste durch zu spätes Auslassöffnen - insbesondere bei kurzer Öffnungsdauer der Auslassventile - vermieden.The negative valve overlap ensures that sufficiently high amounts of exhaust gas can be recirculated from the outlet line to the inlet line. Furthermore, losses due to late opening of the outlet are avoided, in particular if the outlet valves are opened for a short time.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Fig. näher erläutert.The invention will be explained in more detail below with reference to FIG.
Es zeigen schematisch Fig. 1 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in einer ersten Ausführungsvariante, Fig, 2 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in einer zweiten Ausführungsvariante, Fig. 3 die Steuerzeiten der Ein- und Auslassventile bei positiver Ventilüberschneidung und Fig. 4 die Steuerzeiten der Ein- und Auslassventile bei negativer Ventilüberschneidung.1 shows an internal combustion engine according to the invention in a first embodiment, FIG. 2 shows an internal combustion engine according to the invention in a second embodiment, FIG. 3 shows the timing of the intake and exhaust valves with positive valve overlap and FIG. 4 shows the timing of the intake and exhaust valves negative valve overlap.
Funktionsgleiche Teile sind in den Ausführungsvarianten mit gleichen Bezugszeichen versehen.Functionally identical parts are provided in the embodiment variants with the same reference numerals.
Die Fig. 1 und 2 zeigen jeweils eine Brennkraftmaschine 1 mit einem Einlassstrang 2 und einem Auslassstrang 3. Mit Bezugszeichen 4 ist ein im Einlassstrang 2 angeordneter Verdichter, mit Bezugszeichen 5 eine im Abgasstrang 3 angeordnete Turbine eines Abgasturboladers bezeichnet. Zwischen dem Auslassstrang und dem Einlassstrang 2 ist eine Abgasrückführleitung 6 eines Hochdruck-Abgasrückführsystems angeordnet, welche stromaufwärts der Turbine 5 vom Abgasstrang 3 abzweigt und stromabwärts des Verdichters 4 in den Einlassstrang 2 einmündet. In der Abgasrückführleitung 6 sind ein erster Abgasrückführkühler 7, 4 ein AbgasrücWFüJnKvöQtil awid.-. Stromaufwärts des Abgasrückführkühlers 7 und des Abgasrückführventils 8 - ein Rückschlagventil 9 angeordnet, welches als sogenanntes "Reed Valve" ausgeführt sein kann. Die Abgasrückführleitung 6 mündet stromabwärts des Abgasrückführventils 8 mittig in eine Abgasverteilerleitung 10 ein, über welche zylinderselektiv Abgas zu den Einlasskanälen 11 der einzelnen Zylinder 12 zugeführt wird. Im Abgasstrang 3 ist weiters stromabwärts der Turbine 5 zumindest eine1 and 2 each show an internal combustion engine 1 with an inlet branch 2 and an outlet branch 3. Reference numeral 4 designates a compressor arranged in the inlet branch 2, and reference symbol 5 designates a turbine of an exhaust gas turbocharger arranged in the exhaust line 3. Between the outlet branch and the inlet branch 2, an exhaust gas recirculation line 6 of a high-pressure exhaust gas recirculation system is arranged, which branches off from the exhaust line 3 upstream of the turbine 5 and opens into the inlet branch 2 downstream of the compressor 4. In the exhaust gas recirculation line 6, a first exhaust gas recirculation cooler 7, 4 a AbgasrücWFüJnKvöQtil awid.-. Upstream of the exhaust gas recirculation cooler 7 and the exhaust gas recirculation valve 8 - a check valve 9 arranged as a so-called " Reed Valve " can be executed. The exhaust gas recirculation line 6 opens centrally downstream of the exhaust gas recirculation valve 8 into an exhaust gas distribution line 10, via which cylinder-selectively exhaust gas is supplied to the inlet channels 11 of the individual cylinders 12. In the exhaust line 3 is further downstream of the turbine 5 at least one
Abgasnachbehandlungseinrichtung 12 angeordnet. Stromabwärts des Verdichters 4 sind im Einlassstrang 2 ein Ladeluftkühler 13 und eine Drosselklappe 14 angeordnet.Exhaust after-treatment device 12 is arranged. Downstream of the compressor 4, a charge air cooler 13 and a throttle valve 14 are arranged in the intake manifold 2.
Beide in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsvarianten haben gemeinsam, dass stromaufwärts des Rückschlagventils 9 eine Vorkühleinrichtung 20 angeordnet ist, um die Temperaturen des Abgases auf für das Rückschlagventil 9 verträgliche Werte abzusenken, ohne die nötige Gasdynamik zu zerstören.Both embodiments shown in FIGS. 1 and 2 have in common that upstream of the check valve 9, a pre-cooler 20 is arranged to lower the temperatures of the exhaust gas to values compatible with the check valve 9 without destroying the necessary gas dynamics.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführung ist die Vorkühleinrichtung 20 durch eine innerhalb des Zylinderkopfes 15 der Brennkraftmaschine angeordnete Kühlleitung 21 gebildet, durch welche eine Vorkühlung des Abgases erreicht wird.In the embodiment shown in FIG. 1, the pre-cooling device 20 is formed by a cooling line 21 arranged inside the cylinder head 15 of the internal combustion engine, by means of which pre-cooling of the exhaust gas is achieved.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführung wird die Vorkühleinrichtung 20 durch einen zweiten Abgasrückführkühler 22 gebildet.In the embodiment shown in FIG. 2, the pre-cooler 20 is formed by a second exhaust gas recirculation cooler 22.
Die Fig. 3 und 4 zeigen Ventilhub-Kurbelwinkel-Diagramme, wobei der Ventilhub h des Auslassventils und des Einlassventils über dem Kurbelwinkel KW aufgetragen ist. Die Hubkurve des Auslassventils ist dabei mit E, die Hubkurve des Einlassventils mit I bezeichnet.3 and 4 show valve lift crank angle diagrams, wherein the valve lift h of the exhaust valve and the intake valve is plotted against the crank angle KW. The lift curve of the exhaust valve is denoted by E, the lift curve of the intake valve I.
Fig. 3 zeigt dabei den Fall einer positiven Ventilüberschneidung mit spät-spät Strategie (später Auslassschluss - später Einlassschluss). Restgas wird über spätes Auslassschließen wieder in den Zylinder gesaugt. Über das späte Einlassschließen ist ein weiteres Entdrosseln d es Motors (Atkinson-Zyklus) möglich. Der Nachteil einer solchen Betriebsstrategie ist, dass bei kurzer Auslassöffnungsdauer das Öffnen des Auslasses nach dem unteren Torpunkt (180°KW) erfolgt. Es kommt zu Verlusten beim Ausschieben, die die Vorteile des späten Auslassschließens kompensieren können.. • · 5FIG. 3 shows the case of a positive valve overlap with late-late strategy (late outlet closure - later inlet closure). Residual gas is sucked back into the cylinder via late outlet closing. By late intake closing, further throttling of the engine (Atkinson cycle) is possible. The disadvantage of such an operating strategy is that, with a short outlet opening duration, the opening of the outlet takes place after the lower door point (180 ° CA). Exhaust losses occur which can compensate for the benefits of the late outlet closure. • · 5
Fig. 4 zeigt'eifte.flegatlveiVeröjlwtierschneidung, mit welcher das Druckverhältnis zwischen Abgasstrang und Einlassstrang zu Gunsten erhöhter Abgasrückführmengen durch frühes Auslassöffnen verbessert werden kann. Zusätzlich lässt sich eine Restgassteuerung (interne Abgasrückführung) erzielen, die das späte Auslassöffnen und damit die Auslassverluste vermeidet. Dabei beträgt die negative Ventilüberschneidung (bezogen auf 1 mm Ventilhub) 40° - 120° Kurbelwinkel KW, vorzugsweise 60 - 100° Kurbelwinkel KW. Ein weiterer Vorteil ist das Vermeiden von tiefen Ventiltaschen im Kolbenboden, die bei spätem Auslassschluss oder frühem Einlassöffnen nötig sind.FIG. 4 shows a similar embodiment of the invention with which the pressure ratio between exhaust tract and inlet branch can be improved in favor of increased exhaust gas recirculation quantities by early exhaust opening. In addition, a residual gas control (internal exhaust gas recirculation) can be achieved, which opens the late outlet and thus avoids the outlet losses. Here, the negative valve overlap (based on 1 mm valve lift) 40 ° - 120 ° crank angle KW, preferably 60 - 100 ° crank angle KW. Another advantage is the avoidance of deep valve pockets in the piston crown, which are necessary at late outlet closure or early inlet opening.
Sowohl in Fig. 3, als auch in Fig. 4 liegt der Einlassschluss der Einlassventile -betrachtet bei 1mm Ventilhub - später als 590° Kurbelwinkel KW, wobei die Nockenwellenöffnungsdauer relativ kurz ist.In both FIG. 3 and FIG. 4, the inlet closing of the intake valves, considered at 1 mm valve lift, is later than 590 ° crank angle KW, with the camshaft opening duration being relatively short.
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