DE10028608A1 - Abgasrückzirkulationssystem - Google Patents

Abstract

Ein Abgasrückzirkulationssystem (AGR-System) für einen turboaufgeladenen Verbrennungsmotor wird vorgesehen. Das Abgasrückzirkulationssystem weist eine Rückzirkulationsleitung auf, um ein Abgasvolumen von der Auslaßsammelleitung zur Einlaßsammelleitung zurück zu zirkulieren bzw. zu führen; eine Kühluftleitung zum Transportieren eines Flusses von Kühlluft und einen Gas-Luft-Wärmetauscher, der in betrieblicher Assoziation zur Rückzirkulationsleitung und der Kühlluftleitung angeordnet ist, und zwar geeignet, um das Volumen des rückzirkulierenden Abgases in der Rückzirkulationsleitung zu kühlen. Die Kühlluft, die durch den Gas-Luft-Wärmetauscher läuft, kann von der unter Druck gesetzten Einlaßluft, gekühlte (ATAAC-)Luft, abgeleitet werden, oder auch frische Umgebungsluft, die von einer Quelle außerhalb des Motors erhalten wurde, und die optional durch Kraft durch den Wärmetauscher über ein Gebläse geleitet werden kann. Die offenbarten Ausführungsbeispiele offenbaren Abgasrückzirkulationssysteme, wobei die Abgase von der Auslaßsammelleitung zur Einlaßsammelleitung durch unterschiedliche Techniken getrieben werden wie beispielsweise Spitzenabschnittsabgasrückzirkulationssysteme, venturibasierte Abgasrückzirkulationssysteme, Abgasrückzirkulationssysteme mit Pumpen oder durch Kolbenpumpen angetriebene Abgasrückzirkulationssysteme.

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Abgasrück­ zirkulationssystem (AGR-System) für einen Verbrennungsmo­ tor und insbesondere auf einen Abgasrückzirkulationsge­ genfluß-Luft-Luft-Wärmetauscher zur Anwendung bei einem Turbodieselmotor, der zur Kühlung des Abgasrückzirkulati­ onsflusses geeignet ist.

Hintergrund

Die Abgasrückzirkulation ist eine Technik, die im allge­ meinen verwendet wird, um die Erzeugung von unerwünschten verunreinigenden Gasen und Partikelteilchen beim Betrieb von Verbrennungsmotoren zu steuern. Diese Technik hat sich insbesondere als nützlich erwiesen bei Verbrennungs­ motoren, die bei Motorfahrzeugen verwendet werden, wie beispielsweise Autobusse, Leichtlastwagen und andere auf der Straße fahrende motorisierte Geräte. Die Abgasrück­ zirkulationstechnik sieht primär die Rückzirkulation von Abgasnebenprodukten in die Einlaßluftversorgung des Ver­ brennungsmotors vor. Dieses Abgas, welches somit in den Motorzylinder erneut eingeführt wird, verringert die Kon­ zentration des Sauerstoffes darin, was wiederum die maxi­ male Verbrennungstemperatur innerhalb des Zylinders ab­ senkt und die chemische Reaktion des Verbrennungsprozes­ ses verlangsamt, was die Bildung von Stickoxiden verrin­ gert. Darüber hinaus enthalten die Abgase typischerweise einen Teil von unverbranntem Kohlenwasserstoff, der bei seiner Wiedereinleitung in den Motorzylinder verbrannt wird, was weiter die Emission von Abgasnebenprodukten verringert, die als unerwünschte Verunreinigungen aus dem Verbrennungsmotor ausgelassen worden wären.

Wenn man die Abgasrückzirkulation in einem turbogeladenen Dieselmotor verwendet, wird das erneut zyklisch einzu­ bringende Abgas vorzugsweise stromaufwärts der abgasge­ triebenen Turbine abgeführt, die mit dem Turbolader asso­ ziiert ist. Bei vielen Abgasrückzirkulationsanwendungen wird das Abgas direkt aus der Auslaßsammelleitung abge­ leitet. Genauso wird das rückzirkulierte Abgas vorzugs­ weise in den Einlaßluftstrom stromabwärts des Kompressors und des Luft-Luft-Nachkühlers eingeleitet. Beispielsweise wird bei vielen Abgasrückzirkulationsanwendungen das rückzirkulierte Abgas in die Einlaßsammelleitung wieder eingeführt.

Die Wiedereinführung des Abgases stromabwärts des Kom­ pressors und des Luft-Luft-Nachkühlers wird bevorzugt, und zwar aufgrund der Überlegungen bezüglich Zuverlässig­ keit und Instandhaltbarkeit, die auftreten, sollte das Abgas durch den Kompressor und den Nachkühler geleitet werden. Jedoch gibt es bei manchen Motorbetriebszuständen eine Druckdifferenz zwischen der Einlaßsammelleitung und der Auslaßsammelleitung, die im wesentlichen verhindert, daß viele herkömmliche Abgasrückzirkulationssysteme ver­ wendet werden. Beispielsweise fließt bei Zuständen mit hoher Last bei einem turboaufgeladenen Motor das Abgas nicht leicht aus der Auslaßsammelleitung in die Einlaß­ sammelleitung.

Es ist wohlbekannt, daß niedrigere Einlaßsammelleitungs­ temperaturen dazu tendieren, die Bildung von Stickoxiden zu verringern, die im Abgas zu finden sind. Daher ist das Kühlen des Abgasrückzirkulationssystems eine Technik, die verwendet worden ist, um weiter die Verringerung von NOx zu verbessern, wo die Abgasrückzirkulation eingesetzt wird. Verschiedene Abgasrückzirkulationskühlungssysteme sind in der verwandten Technik offenbart worden, die bei­ spielsweise mantelwassergekühlte Abgasrückzirkulations­ kühlsysteme aufwiesen und Abgasrückzirkulationssysteme, die die rückzirkulierten Abgase durch den Motoreinlaßzwi­ schenkühler oder -nachkühler ableiten. Die Verwendung ei­ nes Mantelwasserabgasrückzirkulationskühlers ist die üb­ lichste Technik, die im Stand der Technik offenbart wird. Jedoch ist eine der Schlüsselherausforderungen der Küh­ lung des Abgasrückzirkulationssystems mittels eines Man­ telwasserkühlers die Steigerung der Wärmeableitung aus dem Mantelwasserabgasrückzirkulationskühler. Die signifi­ kante Wärmeabfuhr des Mantelwasserkühlsystems aufgrund der Anwesenheit eines gekühlten Abgasrückzirkulationssy­ stems erfordert meßbare Vergrößerungen des Fahrzeugküh­ lers. Die andere Technik der Verwendung des Zwischenküh­ lers oder Nachkühlers für das Einlaßsystem stellt Proble­ me bezüglich eines Versagens von verschiedenen Komponen­ ten am Einlaßsystem durch die schmutzigen Abgase dar, die dort hindurch laufen bzw. rückzirkuliert werden. Ver­ schiedene andere Abgasrückzirkulationskühlsysteme mit verwandter Technik sind offenbart worden wie beispiels­ weise vom US-Patent 5607010 (Schonfeld). Das US-Patent Nr. 5607010 (Schonfeld) offenbart ein Abgasrückzirkulati­ onssystem, welches eine Abgasrückzirkulationsleitung oder ein Abgasrückzirkulationsrohr und ein Paar von Wärmetau­ schern aufweist, die in Reihe mit dem Abgaszirkulations­ rohr verbunden sind und jeweils geeignet sind, um die Ab­ gase auf unterschiedliche vorbestimmte Temperaturbereiche abzukühlen, wobei das Abgas auf eine Temperatur von unge­ fähr 250°C abgekühlt wird. Was benötigt wird ist daher eine einfache und kostengünstige Technik zur Rückzirkula­ tion von Abgasen aus der Abgassammelleitung zur Einlaß­ sammelleitung bei allen Motorbetriebszuständen, während wirkungsvoll das rückzirkulierte Abgas auf die erwünschte Temperatur abgekühlt wird, ohne das Einlaßluftsystem zu verschmutzen.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung spricht die obigen und andere Notwendigkeiten durch Vorsehen eines Systems zur Abgas­ rückzirkulation in einem Verbrennungsmotor an, und zwar vorzugsweise in einem turboaufgeladenen Dieselmotor, der einen Luft-Luft-Wärmetauscher oder einen anderen Primär­ oberflächenwärmetauscher verwendet, um die Abgase rückzu­ zirkulieren. Der Luft-Luft-Wärmetauscher verwendet eine Quelle von Kühlluft, um die Rückzirkulationsabgase in ei­ ner Abgasrückzirkulationsleitung zu kühlen.

Die Erfindung kann auch als ein Verfahren zum Rückzirku­ lieren von Abgas in einem Motor gekennzeichnet werden, welches folgende Schritte aufweist: (a) Rückzirkulieren eines Abgasvolumens von der Abgassammelleitung zur Ein­ laßsammelleitung über eine Rückzirkulationsleitung und einen Gas-Luft-Wärmetauscher; (b) Leiten eines Flusses von Kühlluft durch eine Luftkühlleitung und dem Wärmetau­ scher; und (c) Kühlen des rückzirkulierten Abgases in dem Gas-Luft-Wärmetauscher mit dem Fluß der Kühlluft.

Zusätzliche Merkmale der offenbarten Erfindung weisen ein Abgasrückzirkulationssystem auf, wobei die Kühlluft unter Druck gesetzte Luft ist, die von dem Einlaßluftsystem an einer Stelle stromabwärts des Turboladers oder einer an­ deren Einlaßluftkompressionsvorrichtung abgeleitet wird. Alternativ kann die vorliegende Erfindung so konfiguriert werden, daß die Kühlluft frische Luft ist, die durch Kraft durch den Luft-Luft-Wärmetauscher mit der Hilfe ei­ nes Gebläses oder einer ähnlichen derartigen Vorrichtung transportiert werden kann. Noch weiterhin kommt die küh­ lende Frischluft hinzu, die auf den Motor auftrifft (d. h. die auflaufende Luft) beispielsweise wenn der Lastwagen­ motor oder irgendein anderes Fahrzeug fährt.

Noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung be­ zieht sich auf die Ableitung der aufgeheizten Kühlluft folgend auf die Kühlung des rückzirkulierten Abgases. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die aufge­ heizte Kühlluft zur Motorabgassystemschaltung derart ab­ geleitet, daß die aufgeheizte Luft in sicherer Weise aus­ gelassen werden kann. Alternativ kann die aufgeheizte Kühlluft zum Turbolader abgeleitet werden, um dabei zu helfen, die abgasgetriebene Turbine zusammen mit den restlichen Abgasen antreiben zu helfen, die nicht rück­ zirkuliert werden.

Noch ein weiterer wünschenswerter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Vorsehen einer Frischluftbypass- bzw. Frischluftumgehungsleitung zur steuerbaren Ableitung ei­ nes Teils der Kühlluft, um den Luft-Luft-Wärmetauscher zu umgehen oder in anderer Weise zu verhindern, daß Kühlluft in den Luft-Luft-Wärmetauscher eintritt. Durch betriebs­ mäßige Steuerung des Flusses von Kühlluft durch den Luft- Luft-Wärmetauscher (oder die Steuerung des Flusses von Kühlwasser in einem Mantelwasserabgasrückzirkulationsküh­ ler) ansprechend auf die Motorbetriebszustände kann das Abgasrückzirkulationssystem optimiert werden, um die be­ ste Balance der Motoremissionen und der Motorleistung zu bekommen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die obigen und andere Aspekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden genaueren Beschreibung davon offensichtlicher werden, die in Ver­ bindung mit den folgenden Zeichnungen dargestellt wird, wobei die Figuren folgendes darstellen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Abgasrückzir­ kulationssystems (AGR-System) für einen turbo­ aufgeladenen Motor gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines alternati­ ven Ausführungsbeispiels des Abgasrückzirkula­ tionssystems (AGR-System) für einen turboaufge­ ladenen Motor gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 eine schematische Darstellung von noch einem weiteren Ausführungsbeispiel des Abgasrückzir­ kulationssystems (AGR-System) für einen turbo­ aufgeladenen Motor gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels des Abgasrückzirkulations­ systems (AGR-System) für einen turboaufgelade­ nen Motor gemäß der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 5 ist eine schematische Darstellung von noch ei­ nem weiteren Ausführungsbeispiel des Abgasrück­ zirkulationssystems (AGR-System) für einen tur­ boaufgeladenen Motor gemäß der vorliegenden Erfindung.

Entsprechende Bezugszeichen zeigen entsprechende Kompo­ nenten in den verschiedenen Ausführungsbeispielen, die in den Zeichnungen abgebildet sind.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die folgenden Beschreibungen sind die besten Arten, die gegenwärtig in Betracht gezogen werden, um die Erfindung auszuführen. Diese Beschreibung sollte nicht in ein­ schränkendem Sinne gesehen werden, sondern wird nur zum Zweck der Beschreibung der allgemeinen Prinzipien der Er­ findung dargelegt. Der Umfang und die Breite der Erfin­ dung sollte mit Bezugnahme auf die Ansprüche bestimmt werden.

Mit Bezug auf die Zeichnungen und insbesondere auf Fig. 1 ist dort eine schematische Darstellung des Abgasrück­ zirkulationssystems 10 (AGR-System) für einen turboaufge­ ladenen Verdichtungszündungsmotor 12 (d. h. einen Diesel­ motor) gezeigt. Wie dort zu sehen weist der turboaufgela­ dene Verdichtungszündungsmotor 12 eine Einlaßsammellei­ tung 14, eine Auslaßsammelleitung 16, einen Turbolader 18 und einen Luft-Luft-Nachkühler 20 auf. Der Turbolader 18 kann ein Turbolader mit fester Geometrie oder ein Turbo­ lader mit variabler Geometrie (VGT = variable geometry turbocharger) mit einer von Abgas angetriebenen Turbine 22 sein, die mit einem Einlaßluftkompressor 24 gekoppelt ist. Der Turbolader 18 weist auch einen Abgaseinlaß 26 und einen Abgasauslaß 28 auf, und zwar beide in Strö­ mungsmittelverbindung mit der abgasgetriebenen Turbine 22. Der Turbolader 18 weist weiter eine Frischlufteinlaß­ leitung 30 und eine Auslaßleitung 32 für komprimierte Luft auf, die beide in Strömungsmittelverbindung mit dem Luftkompressor 24 sind.

In diesem speziellen Ausführungsbeispiel weist das Abgas­ rückzirkulationssystem 10 eine Abgasrückzirkulationslei­ tung 34, eine Kühlluftleitung 36, einen Abgasrückzirkula­ tionskühler oder einen Gas-Luft-Wärmetauscher 46 und eine optionale Partikelfalle 39 auf. Wie in Fig. 1 zu sehen ist die Abgasrückzirkulationsleitung 34 in Strömungsmit­ telverbindung mit der Abgassammelleitung 16 angeordnet und ist geeignet, um einen Abgasfluß aus der Abgassammel­ leitung 16 zu einer Position stromabwärts des Kompressors 24 und des Luft-Luft-Nachkühlers 20 und in der Nähe der Einlaßsammelleitung 14 abzuleiten. Der abgeleitete Fluß des Abgases von der Abgassammelleitung 16 über die Abgas­ rückzirkulationsleitung 34 wird unter Verwendung von ei­ nem oder mehreren Abgasrückzirkulationsventilen 40 ge­ steuert, die betriebsmäßig mit einer Motorsteuervorrich­ tung 42 oder einem ähnlichen Motorsteuermodul (ECM = en­ gine control module) assoziiert sind.

Das veranschaulichte Abgasrückzirkulationssystem 10 weist auch die Kühlluftleitung 36 auf, um einen Fluß von ge­ kühlter komprimierter Einlaßluft von einer Position stromabwärts des Kompressors 24 und des Luft-Luft- Nachkühlers 20 zur Auslaßsammelleitung 16 zu transportie­ ren oder abzuleiten. Der Fluß der gekühlten komprimierten Einlaßluft innerhalb der Kühlluftleitung 42 wird genauso unter Verwendung eines Ableitungsluftventils oder eines anderen Kühlluftventils 44 gesteuert, welches unter der Steuerung der Motorsteuervorrichtung 42 arbeitet.

Im veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist der Abgas­ rückzirkulationskühler ein Gegenflußwärmetauscher 46 für Luft und Abgasrückzirkulationswärme. Der veranschaulichte Abgasrückzirkulationswärmetauscher 46 ist geeignet, um einen heißen Abgasrückzirkulationseingangsfluß von der Auslaßsammelleitung 16 über die Abgasrückzirkulationslei­ tung 34 aufzunehmen und einen gekühlten Abgasrückzirkula­ tionsausgangsfluß zu erreichen. Der Gegenfluß des Abgas­ rückzirkulationswärmetauschers 46 ist geeignet, um die abgeleitete Einlaßluft (d. h. die abgelassene bzw. abge­ führte Luft) oder eine andere Quelle von Kühlluft über eine Kühlluftleitung 36 aufzunehmen. Die Kühlluft wird dann von der heißen Abgasrückzirkulation aufgeheizt, um aufgeheizte Kühlluft zu erzeugen, während gleichzeitig der Abgasrückzirkulationsfluß durch den Abgasrückzirkula­ tionswärmetauscher 46 gekühlt wird. Die aufgeheizte Kühl­ luft, die aus dem Abgasrückzirkulationswärmetauscher 46 austritt, wird mit dem Abgas kombiniert, welches in der Auslaßsammelleitung 16 bleibt, und wird verwendet, um die von Abgas angetriebene Turbine 22 und den assoziierten Kompressor 24 anzutreiben, wodurch die Einlaßluft ent­ sprechend den ausgelegten Boost- bzw. Aufladungsniveaus unter Druck gesetzt wird. Wie oben gezeigt eliminiert die Anwendung einer Quelle von Kühlluft wie beispielsweise einer Einlaßluft zur Kühlung des rückzirkulierten Abgases die Notwendigkeit, das Motormantelwasserkühlmittel zu verwenden, um die Wärme von den rückzirkulierenden Abga­ sen zu absorbieren, und vermeidet eine zusätzliche Wärme­ abweisung und zusätzliche Pumpverluste, die damit assozi­ iert sind. Zusätzliche Merkmale des veranschaulichten Ausführungsbeispiels des Abgasrückzirkulationssystems weisen eine optionale Abgaspartikelfalle 39, einen Tempe­ ratursensor 48 und einen Massenflußsensor 50 auf. Die Partikelfalle 39 wird falls sie verwendet wird vorzugs­ weise entlang der Abgasrückzirkulationsleitung 34 strom­ aufwärts des Abgasrückzirkulationswärmetauschers 46 ange­ ordnet. Der Temperatursensor 48 wird vorzugsweise entlang der Abgasrückzirkulationsleitung 34 in der Nähe der Ein­ laßsammelleitung angeordnet und ist geeignet, die Tempe­ ratur des gekühlten Abgasrückzirkulationsflusses zu mes­ sen. Der Massenflußsensor 50 ist innerhalb der Einlaß­ luftflußschaltung gelegen, und zwar vorzugsweise stromab­ wärts des Turboladers 22 und des Nachkühlers 20 jedoch stromaufwärts der Lage der Abgasrückzirkulationsleitung 34. Der Massenflußsensor ist geeignet, um den Lufteinlaß zu messen, der nicht über die Abgasrückzirkulation zum Motor kommt. Sowohl der Temperatursensor 48 als auch der Massenflußsensor 50 werden betriebsmäßig mit der Motor­ steuervorrichtung 42 verbunden, wo derartige Messungen verwendet werden, um den Betrieb des Motors zu steuern, und zwar einschließlich des Abgasrückzirkulationssystems 10 durch Steuerung des Ablaufluftventils oder des Kühl­ luftventils 44 genauso wie der Primärabgasrückzirkulati­ onsventile 40.

In dem in Fig. 1 veranschaulichten Ausführungsbeispiel wird das abgeleitete Abgas zur Einlaßsammelleitung 14 durch die Pumpwirkung mit positiver Verdrängung von einem oder mehreren der bezeichneten Zylinder angetrieben. Die vollständige Ableitung von Abgas aus einem oder mehreren Zylindern (beispielsweise Zylinder Nr. 6) zur Abgasrück­ zirkulationsleitung 34 gestattet, daß die Abgasrückzirku­ lationsrate mehr oder weniger konstant gehalten wird, oh­ ne die Abgasrückzirkulationsventile 40 zu drosseln, ob­ wohl die Modulation der Abgasrückzirkulationsrate möglich ist, und auch in manchen Fällen wünschenswert ist. Da zu­ sätzlich das von den ausgewählten Zylindern abgeleitete Abgas typischerweise über jenes der Auslaßsammelleitung 16 und der Einlaßsammelleitung 14 unter Druck gesetzt wird, ist das Abgasrückzirkulationssystem 10 geeignet, um in einem weiteren Bereich von Motorbetriebszuständen zu arbeiten (d. h. bei Zuständen mit hoher Last). Wie oben erwähnt, gibt es einige Motorbetriebszustände, wie bei­ spielsweise Zustände mit hoher Last, wo die Druckdiffe­ renz zwischen der Einlaßsammelleitung und der Auslaßsam­ melleitung im wesentlichen verhindert, daß viele herkömm­ liche Abgasrückzirkulationssysteme ohne teure und ineffi­ ziente Drosselanordnungen entweder in den Auslaß- oder Einlaßsammelleitungen verwendet werden. Obwohl nicht ge­ zeigt ist, daß durch Kolbenpumpen angetriebene Abgasrück­ zirkulationsantriebsmittel verwendet werden, wird in Be­ tracht gezogen, daß man ein venturibasiertes Abgasrück­ zirkulationssystem einsetzen könnte, ein einfaches geblä­ se- oder pumpengetriebenes Abgasrückzirkulationssystem oder sogar ein Spitzensprungabgasrückzirkulationssystem, während man immer noch die vorliegende Erfindung ein­ setzt.

Mit Bezug auf Fig. 2 ist ein alternatives Ausführungs­ beispiel des Abgasrückzirkulationssystems 10 gezeigt. In vieler Hinsicht ist das Abgasrückzirkulationssystem 10 der Fig. 2 ähnlich jenem, welches oben mit Bezugnahme auf Fig. 1 offenbart wird, außer der Technik und der as­ soziierten Struktur zum Antrieb des abgeleiteten Abgases aus der Auslaßsammelleitung 16 zur Einlaßschaltung bzw. zum Einlaßkreislauf. Die Quelle der Kühlluft und die Ab­ gasrückzirkulationskühlsystemanordnungen.

In dem in Fig. 2 veranschaulichten Ausführungsbeispiel weist die Lufteinlaßschaltung ein Venturielement 52 auf, welches stromabwärts des Luft-Luft-Nachkühlers 20 und des Turboladers 18 angeordnet ist, und stromaufwärts der Ein­ laßsammelleitung 14. Die Abgasrückzirkulationsleitung 34 leitet das Abgas aus der Auslaßsammelleitung 16 zu einer Stelle in der Nähe der Kehle bzw. engen Stelle des Ventu­ rielementes 52, wodurch gestattet, daß Abgas mit niedri­ gerem Druck aus der Auslaßsammelleitung 16 in die Einlaß­ schaltung bzw. den Einlaßkreislauf gezogen wird und in den Motor 12 mit der Einlaßluft gespeist wird. Da wieder­ um das Abgas, welches aus der Auslaßsammelleitung 16 ab­ geleitet wird, typischerweise unter jenes der Einlaßsam­ melleitung 14 bei vielen Motorbetriebszuständen unter Druck gesetzt wird, ist das Venturielement 52 geeignet, um die Druckunterschiede zu kompensieren und zu gestat­ ten, daß das Abgasrückzirkulationssystem 10 innerhalb ei­ nes breiteren Bereiches der Motorbetriebszustände arbei­ tet (d. h. bei Zuständen mit hoher Last).

Eine Venturibypass- bzw. Venturiumgehungsleitung 53 ist auch innerhalb der Einlaßschaltung angeordnet, um zu ge­ statten, daß die Einlaßluft das Venturielement 52 um­ spült. Ein Proportionalventil 45 wird vorzugsweise ent­ lang der Venturibypassleitung 53 angeordnet. Das Propor­ tionalventil 45 ist betriebsmäßig mit der Motorsteuervor­ richtung 42 verbunden und steuert den Fluß der Einlaß­ luft, die durch das Venturielement 52 läuft, welches im Endeffekt den Druck am Hals bzw. an der engen Stelle des Venturielementes 52 steuert und somit den Fluß des Abga­ ses zur Einlaßschaltung.

In dem in Fig. 2 veranschaulichten Ausführungsbeispiel wird die Kühlluft von einer Quelle von frischer Luft au­ ßerhalb des Motors 12 erhalten. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel wird frische Luft kräftig durch die Kühlleitung 36 und den Luft-Luft-Wärmetauscher 46 mit Hilfe eines Gebläses 56 transportiert. Das Gebläse 56 kann von einem Hilfsrad angetrieben werden, welches am Kompressor 24 des Turboladers 18 angeordnet ist, oder kann von den Motorantriebssystemen durch Riemen angetrie­ ben werden oder durch Zahnrad angetrieben sein, wie in Fig. 2 gezeigt. Obwohl nicht gezeigt, wird die Umge­ bungskühlluft zum Gebläse oder zu einer anderen die Luft antreibende Vorrichtung geleitet, und zwar vom Luftreini­ ger am Fahrzeug, um kühlere Reinlichkeit aufrechtzuerhal­ ten. Wie bei dem früher beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die aufgeheizte Kühlluft abgeleitet durch Ableitung dieser zu einer vorgeschriebenen Stelle im Abgassystem.

Das Variieren der Gebläsegeschwindigkeit mit einem varia­ blen Antrieb von der Motorkurbelwelle könnte den Kühlfluß steuern. Durch betriebsmäßige Steuerung des Flusses der Kühlmedien durch den Wärmetauscher 46 entsprechend auf die Motorbetriebszustände wird die Abgasrückzirkulations­ kühlrate reguliert, um irgendwelche Brennstoffverbrauchs­ nachteile zu minimieren, die mit dem Abgasrückzirkulati­ onssystem 10 assoziiert sind, und um andererseits den be­ sten Ausgleich von Motoremissionen und Motorleistung zu erreichen.

Wie bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel weist das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 einen Temperatursen­ sor 48, einen Massenflußsensor 50 genauso wie herkömmli­ che Motordrehzahl- und -belastungsanzeigen auf (nicht ge­ zeigt). Der Temperatursensor 48 ist vorzugsweise entlang der Abgasrückzirkulationsleitung 34 angeordnet, und zwar in der Nähe der Einlaßsammelleitung und ist geeignet, um die Temperatur des gekühlten Abgasrückzirkulationsflusses zu messen. Der Massenflußsensor 50 ist vorzugsweise in­ nerhalb der Einlaßluftflußschaltung angeordnet. Sowohl der Temperatursensor 48 als auch der Massenflußsensor 50 sind betriebsmäßig mit der Motorsteuervorrichtung 42 ver­ bunden, wo derartige Messungen in Verbindung mit den Mo­ tordrehzahl- und -belastungsanzeigen verwendet werden, um den Betrieb des Abgasrückzirkulationssystems 10 durch Steuerung des proportionalen Venturibypassventils 45, des Turboladers 22 mit variabler Geometrie genauso wie den optionalen An-Aus-Abgasrückzirkulationsventil 40 zu steu­ ern, welches innerhalb der Abgasrückzirkulationsleitung 34 angeordnet ist.

Obwohl in Fig. 2 gezeigt, wird bei Verwendung eines ven­ turibasierten Abgasrückzirkulationssystems sehr wohl in Betracht gezogen, daß man ein Abgasrückzirkulationssystem mit Kolbenpumpe, ein Abgasrückzirkulationssystem, welches von einem einfachen Gebläse oder einer Pumpe angetrieben wird, oder auch ein die Spitzen abschneidendes Abgasrück­ zirkulationssystem, während man immer noch die vorteil­ haften Aspekte des Frischluftkühlsystems vorsieht, die im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 offenbart werden.

Mit Bezug auf Fig. 3 ist noch ein weiteres Ausführungs­ beispiel des Abgasrückzirkulationssystems 10 gezeigt. In vieler Hinsicht ist das Abgasrückzirkulationssystem 10 der Fig. 3 ähnlich den Ausführungsbeispielen, die oben offenbart wurden, außer daß das Abgas von der Abgassam­ melleitung 16 zur Einlaßsammelleitung 14 nur während aus­ gewählter Spitzendrücke innerhalb der Abgassammelleitung 16 rückzirkuliert wird. Dieses die Spitzen abschneidende Abgasrückzirkulationssystem weist auch ein Abgasrückzir­ kulationsrückschlagventil 43 und das primäre Abgasrück­ zirkulationsventil 40 auf, welches in der Abgasrückzirku­ lationsleitung 34 angeordnet ist. Die Abgasrückzirkulati­ onsventile werden betriebsmäßig durch die Motorsteuervor­ richtung 42 gesteuert, um den Fluß der Abgase durch das Abgasrückzirkulationssystem 10 zu regeln. Das Abgasrück­ zirkulationsrückschlagventil 43 spricht auch die soforti­ gen Druckfluktuationen in der Abgassammelleitung 16 an, so daß rückzirkulierte Abgasflüsse von der Auslaßsammel­ leitung 16 zur Einlaßsammelleitung 14 auftreten, wenn die Spitzendrücke innerhalb der Abgassammelleitung 16 die Einlaßsammelleitungsdrücke überschreiten.

In dem in Fig. 3 veranschaulichten Ausführungsbeispiel wird die Kühlluft genauso von einer Quelle von frischer Luft außerhalb des Motors 12 erhalten. In dem veranschau­ lichten Ausführungsbeispiel jedoch ist die durch den Gas- Luft-Wärmetauscher 46 transportierte Kühlluft frische Luft, die auf den Motor 12 auftrifft (d. h. Schienen- bzw. Stauluft) oder frische Luft, die anderenfalls durch den Kühler mit einem Ventilator gezogen wird, wenn das Fahr­ zeug, in dem der Motor 12 angeordnet ist, mit einer gege­ benen Geschwindigkeit läuft. Wie bei den früher beschrie­ benen Ausführungsbeispielen wird die aufgeheizte Kühlluft abgeleitet durch Ableiten der aufgeheizten Kühlluft zu einer vorgeschriebenen Stelle in dem Auslaßsystem.

Das Abgasrückzirkulationssystem 10 kann auch eine Frisch­ luftbypassleitung 58 oder eine andere Bypass- bzw. Umge­ hungsleitung 58 für andere Kühlmedien aufweisen, die den Wärmetauscher 46 umspült. Ein Kühlbypassventil 57 wird vorzugsweise in Verbindung damit angeordnet, um steuerbar einen Teil des Kühlmediums oder das gesamte Kühlmedium (d. h. Kühlluft) abzuleiten, um den Wärmetauscher 46 zu umgehen. Obwohl nicht gezeigt kann das Kühlbypassventil 57 alternativ so angeordnet werden, daß es nur verhin­ dert, daß Kühlluft in den Luft-Luft-Wärmetauscher 46 ein­ tritt. Durch betriebsmäßige Steuerung des Flusses der Kühlmedien durch den Wärmetauscher 46 ansprechend auf die Motorbetriebszustände wird die Abgasrückzirkulationskühl­ rate geregelt, um irgendeinen Brennstoffverbrauchsnach­ teil zu minimieren, der mit dem Abgasrückzirkulationssy­ stem 10 assoziiert ist, und anderenfalls die beste Balan­ ce zwischen Motoremissionen und Motorleistung zu errei­ chen. Eine solche Anordnung könnte die Auswahl von entwe­ der heißer Abgasrückzirkulation oder gekühlter Abgasrück­ zirkulation gestatten, genauso wie die Steuerung des Aus­ maßes der Abgasrückzirkulationskühlung, die auftritt. Heiße Abgasrückzirkulation ist wirkungsvoller bei Zustän­ den mit leichter Last des Motors, während gekühlte Abgas­ rückzirkulation oft bei Zuständen mit höherer Last erfor­ derlich ist, um die Abgasreglementierungen zu erfüllen.

Wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen weist das Ausführungsbeispiel der Fig. 3 auch verschie­ dene Sensoren auf, die einen oder mehrere Drucksensoren 49, Temperatursensoren 48 und Massenflußsensoren 50 auf­ weisen, genauso wie herkömmliche Motordrehzahl- und -belastungsanzeigen, die in die Motorsteuervorrichtung 42 gespeist werden. Die Motorsteuervorrichtung 42 steuert wiederum das Abgasrückzirkulationssystem 10 durch be­ triebliche Regelung der Abgasrückzirkulationsventile, des Kühlbypassventils 57, und so weiter.

Das vierte Ausführungsbeispiel ist ein Abgasrückzirkula­ tionssystem 10, fast genauso wie bei den zuvor offenbar­ ten Ausführungsbeispielen, wobei dieses jedoch ein Geblä­ se, eine Pumpe, einen Super- bzw. Überlader oder eine an­ dere Vorrichtung 59 mit positiver Kraft verwendet, um das rückzirkulierte Abgas von der Auslaßsammelleitung 16 zur Einlaßschaltung zu treiben. Die Kühlluft wird aus einer Quelle von frischer Luft erhalten, die genauso durch Kraft durch die Kühlluftleitung 36 und den Gas-Luft- Wärmetauscher 46 transportiert wird. Vorzugsweise wird die gepumpte Frischluft oder Kühlung von einem sekundären Kompressorrad am Turbolader 18 angetrieben. Obwohl nicht gezeigt könnte das primäre Abgasrückzirkulationsgebläse 59 oder die Pumpe auch den Turbolader als Antriebskraft in ähnlicher Weise verwenden. Das primäre Abgasrückzirku­ lationsgebläse 59 oder die Pumpe ist derart gezeigt, daß sie direkt vom Motor 12 angetrieben wird und somit rela­ tiv zur Motordrehzahl arbeitet.

Das letzte offenbarte Ausführungsbeispiel des Abgasrück­ zirkulationssystems 10 verwendet genauso wie die zuvor offenbarten Ausführungsbeispiele ein Venturisystem, um das rückzirkulierte Abgas von der Abgassammelleitung 16 durch den Gas-Luft-Wärmetauscher zur Einlaßschaltung zu treiben. Die Kühlluft wird von einer Quelle von frischer Umgebungsluft erhalten, die genauso durch Kraft durch die Kühlluftleitung 36 und dem Gas-Luft-Wärmetauscher 46 transportiert wird. Vorzugsweise wird die gepumpte Frischluft unter Verwendung eines Gebläses 59 von einer zweiten abgasgetriebenen Turbine 61 in Serie mit dem pri­ mären Turbolader 18 angetrieben. Die aufgeheizte Kühlluft wird darauf folgend in einer ähnlichen Weise wie bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen abgelassen. Die­ ses Ausführungsbeispiel hat den zusätzlichen Vorteil da­ hingehend, daß die Verwendung einer Turbine zum Antrieb des Kühlluftgebläses bewirkt, daß der Abgasrückdruck an­ steigt und dies hilft dabei, die rückzirkulierten Abgase von der Auslaßsammelleitung zur Einlaßsammelleitung zu treiben.

Nachdem hier fünf getrennte Ausführungsbeispiele be­ schrieben wurden, kann der Fachmann erkennen, daß die verschiedenen Merkmale, die in einem oder mehreren der Ausführungsbeispiele offenbart wurden, in anderen Ausfüh­ rungsbeispielen und anderen Abgasrückzirkulationssystemen verwendet werden könnten. Beispielsweise könnte die An­ wendung einer Kühlmediumbypassleitung oder einer Einlaß­ luftbypassleitung, die Anwendung von unter Druck gesetz­ ter frischer Luft als Kühlluft, von Stauluft als Kühlluft oder von Ableitungsluft als Kühlluft, die Anwendung von proportionalen Abgasrückzirkulationsventilen oder An/Aus- Abgasrückzirkulationsventilen genauso wie die Anwendung von verschiedenen Drucksensoren, von Temperatursensoren, von Massenluftflußsensoren und anderen bemerkenswerten Merkmalen alle in einem oder mehreren der Abgasrückzirku­ lationssysteme vorgesehen werden, die das kolbengepumpte (zylinderabgeleitete) Abgasrückzirkulationssystem, das die Spitzen abschneidende Abgasrückzirkulationssystem, das venturibasierte Abgasrückzirkulationssystem und das mit Pumpe versehene oder mit Kraft angetriebene Abgas­ rückzirkulationssystem aufweisen.

Wiederum mit Bezug auf die verschiedenen Ausführungsbei­ spiele, die in den Figuren veranschaulicht wurden, kann der Fachmann die Verfahren der Rückzirkulation von Abgas bewerten und verstehen, die mit den veranschaulichten Ausführungsbeispielen assoziiert sind. Weit gefaßt weist das offenbarte Verfahren der Rückzirkulation von Abgas folgende Schritte auf: Rückzirkulieren eines ausgewählten Volumens von Abgasen aus der Auslaßsammelleitung zum Ein­ laßkreislauf über die Abgasrückzirkulationsleitung; Transportieren eines Flusses von Kühlluft durch eine ge­ trennte Kühlleitung; und Kühlung des rückzirkulierten Ab­ gases in der Abgasrückzirkulationsleitung unter Verwen­ dung des Flusses von Kühlluft und eines Luft-Luft- Wärmetauschers oder eines anderen Primäroberflächenwärme­ tauschers. Das Verfahren weist auch die Schritte auf, gleichzeitig die Kühlluft in der Kühlleitung unter Ver­ wendung des rückzirkulierten Abgases aufzuheizen. Die aufgeheizte Kühlluft wird in die Auslaßsammelleitung ge­ speist, wo sie verwendet wird, um das rückzirkulierte Ab­ gas zu ersetzen. Alternativ wird die aufgeheizte Kühlluft direkt zum Abgassystem zur entsprechenden Entfernung bzw. Ableitung gesandt.

Aus dem Vorangegangenen sollte klar werden, daß die vor­ liegende Erfindung die Rückzirkulation von Abgas in einem turboaufgeladenen Dieselmotor vorsieht. Während die hier offenbarte Erfindung mittels spezieller Ausführungsbei­ spiele und Verfahren beschrieben wurde, die damit assozi­ iert sind, können Modifikationen und Variationen daran vom Fachmann vorgenommen werden, ohne vom Kern der Erfin­ dung abzuweichen wie er in den Ansprüchen dargelegt wird, ohne ihre materiellen Vorteile zu opfern.

Claims (25)

1. Abgasrückzirkulationssystem für einen Verdichtungs­ zündungsmotor mit einer Einlaßschaltung bzw. einem Einlaßkreislauf, mit einer Einlaßsammelleitung, mit einer Auslaßschaltung bzw. einem Auslaßkreislauf und einer Auslaßsammelleitung, wobei die Einlaßschaltung eine Einlaßluftkompressionsvorrichtung aufweist, wo­ bei das Abgasrückzirkulationssystem folgendes auf­ weist:
eine Abgasrückzirkulationsleitung zum Ableiten eines Flusses von rückzirkuliertem Abgas zu der Einlaß­ schaltung;
eine Kühlluftleitung zum Transport eines Flusses von Kühlluft, der verwendet wird, um das rückzirkulierte Abgas zu kühlen; und
einen Luft-Luft-Wärmetauscher, der in betrieblicher Assoziation mit der Abgasrückzirkulationsleitung und der Kühlluftleitung angeordnet ist und geeignet ist, um das Abgas in der Abgasrückzirkulationsleitung zu kühlen.

2. Abgasrückzirkulationssystem nach Anspruch 1, wobei die Kühlluft unter Druck gesetzte Einlaßluft ist, die von der Einlaßschaltung stromabwärts der Einlaß­ luftkompressionsvorrichtung abgeleitet wird.

3. Abgasrückzirkulationssystem nach Anspruch 1, wobei die Einlaßschaltung einen Luft-Luft-Nachkühler auf­ weist, und wobei die Kühlluft gekühlte Einlaßluft ist, die von der Einlaßschaltung stromabwärts des Luft-Luft-Nachkühlers abgeleitet wird.

4. Abgasrückzirkulationssystem nach Anspruch 1, wobei die Kühlluft frische Luft ist.

5. Abgasrückzirkulationssystem nach Anspruch 4, welches weiter ein Gebläse aufweist, welches geeignet ist um durch Kraft die erwähnte frische Luft durch die Kühlluftleitung zu transportieren.

6. Abgasrückzirkulationssystem nach Anspruch 1, wobei die Kühlluftleitung in Strömungsmittelverbindung mit der Abgasschaltung bzw. dem Abgaskreislauf ist.

7. Abgasrückzirkulationssystem nach Anspruch 1, wobei die Abgasrückzirkulationsleitung in Strömungsmittel­ verbindung mit einem oder mehreren Zylindern ange­ ordnet ist, um einen Fluß von Abgasen aus den Zylin­ dern in die Einlaßsammelleitung zu treiben, und zwar unter Verwendung der Pumpwirkung der Zylinder.

8. Abgasrückzirkulationssystem nach Anspruch 1, wobei die Einlaßschaltung bzw. der Einlaßkreislauf weiter ein Venturielement aufweist, welches stromabwärts der Lufteinlaßkompressionsvorrichtung angeordnet ist, und wobei die Abgasrückzirkulationsleitung in Strömungsmittelverbindung mit dem Venturielement an­ geordnet ist, um einen Fluß von Abgasen zu der Ein­ laßsammelleitung über das Venturielement zu treiben.

9. Abgasrückzirkulationssystem nach Anspruch 1, welches weiter ein Gebläse aufweist, welches betriebsmäßig in der Abgasrückzirkulationsleitung angeordnet ist, um einen Fluß von Abgasen aus der Abgassammelleitung in die Einlaßsammelleitung zu treiben.

10. Abgasrückzirkulationssystem nach Anspruch 1, welches weiter ein Abgasrückzirkulationsventil aufweist, welches in der Abgasrückzirkulationsleitung angeord­ net ist und auf Druckveränderungen in der Abgassam­ melleitung anspricht, so daß ein Fluß von rückzirku­ liertem Abgas von der Auslaßsammelleitung zu der Einlaßsammelleitung bei ausgewählten Spitzendrücken innerhalb der Auslaßsammelleitung auftritt.

11. Abgasrückzirkulationssystem nach Anspruch 1, welches weiter eine oder mehrere Flußsteuervorrichtungen aufweist, um den Fluß des rückzirkulierten Abgases in der Abgasrückzirkulationsleitung zu steuern, und auch den Fluß der Kühlluft in der Kühlluftleitung.

12. Abgasrückzirkulationssystem nach Anspruch 11, wel­ ches weiter eine Kühlluftbypass- bzw. -umgehungs­ leitung aufweist, um in steuerbarer Weise einen Teil der Kühlluft von dem Luft-Luft-Wärmetauscher abzu­ leiten.

13. Abgasrückzirkulationssystem nach Anspruch 11, wel­ ches weiter einen Sensor aufweist, der in der Nähe der Einlaßsammelleitung angeordnet ist und geeignet ist, um Einlaßsammelleitungszustände zu messen und die Flußsteuervorrichtungen ansprechend darauf zu steuern.

14. Abgasrückzirkulationssystem nach Anspruch 13, wobei der Sensor ein Temperatursensor ist, der geeignet ist, um die Temperatur in der Nähe der Einlaßsammel­ leitung sicherzustellen und die Flußsteuervorrich­ tungen ansprechend darauf zu steuern.

15. Abgasrückzirkulationssystem nach Anspruch 13, wobei der Sensor ein Drucksensor ist, der geeignet ist, um den Druck in der Nähe der Einlaßsammelleitung si­ cherzustellen und die Flußsteuervorrichtung anspre­ chend darauf zu steuern.

16. Abgasrückzirkulationssystem nach Anspruch 11, wel­ ches weiter einen Massenflußsensor aufweist, der entlang der Einlaßschaltung bzw. des Einlaßkreislau­ fes angeordnet ist und geeignet ist, um die Massen­ flußrate der Einlaßluft zu messen und die Fluß­ steuervorrichtungen ansprechend darauf zu steuern.

17. Verfahren zum Rückzirkulieren von Abgas in einem Verbrennungsmotor, wobei der Motor eine Einlaßschal­ tung besitzt, die eine Einlaßluftkompressionsvor­ richtung aufweist, eine Einlaßsammelleitung und eine Auslaßschaltung, die eine Auslaßsammelleitung auf­ weist, wobei das Verfahren folgende Schritte auf­ weist:
Rückzirkulieren eines Volumens von Abgasen zu der Einlaßsammelleitung über eine Rückzirkulationslei­ tung und einen Luft-Luft-Wärmetauscher;
Leiten eines Flusses von Kühlluft durch eine Kühl­ luftleitung und dem Luft-Luft-Wärmetauscher; und Kühlen des rückzirkulierten Abgases in dem Luft- Luft-Wärmetauscher, wobei die Rückzirkulationslei­ tung den Fluß der Kühlluft verwendet.

18. Verfahren zum Rückzirkulieren von Abgas nach An­ spruch 17, wobei die Kühlluft unter Druck gesetzte Einlaßluft ist, die von der Einlaßschaltung bzw. dem Einlaßkreislauf stromabwärts der Einlaßluftkompres­ sonsvorrichtung abgeleitet wird.

19. Verfahren zum Rückzirkulieren von Abgasen nach An­ spruch 17, wobei die Kühlluft frische Luft ist.

20. Verfahren zum Rückzirkulieren von Abgas nach An­ spruch 19, wobei der Schritt des Leitens des Flusses von Kühlluft weiter das durch Kraft getriebene Lei­ ten des Flusses von Kühlluft durch die Kühlluftlei­ tung und den Luft-Luft-Wärmetauscher mit Hilfe eines Gebläses aufweist.

21. Verfahren zum Rückzirkulieren von Abgas nach An­ spruch 19, welches weiter den Schritt des Leitens des Flusses von Kühlluft von dem Luft-Luft- Wärmetauscher zur Auslaßschaltung aufweist.

22. Verfahren zum Rückzirkulieren von Abgas nach An­ spruch 19, wobei der Schritt des Rückzirkulierens eines Volumens von Abgasen in die Einlaßsammellei­ tung weiter den Schritt aufweist, einen Fluß von Ab­ gas aus einem oder mehreren Zylindern direkt in die Einlaßsammelleitung über die erwähnte Rückzirkulati­ onsleitung unter Verwendung der Pumpwirkung der Zy­ linder zu treiben.

23. Verfahren zum Rückzirkulieren von Abgas nach An­ spruch 19, wobei die Einlaßschaltung weiter ein Ven­ turielement aufweist, welches stromabwärts der Ein­ laßluftkompressionsvorrichtung angeordnet ist, und wobei der Schritt des Rückzirkulierens eines Volu­ mens von Abgas zur Einlaßsammelleitung weiter das Treiben eines Flusses von Abgasen zu dem Venturiele­ ment aufweist, und zwar über die erwähnte Druckdif­ ferenz zwischen dem Venturielement und der Auslaß­ sammelleitung, die von dem Venturieffekt erzeugt wird.

24. Verfahren zum Rückzirkulieren von Abgas nach An­ spruch 19, wobei der Motor weiter ein Abgasrückzir­ kulationsventil aufweist, welches in der Abgasrück­ zirkulationsleitung angeordnet ist, und zwar anspre­ chend auf Druckveränderungen in der Auslaßsammellei­ tung, so daß ein Fluß von rückzirkuliertem Abgas aus der Abgassammelleitung zur Einlaßsammelleitung bei ausgewählten Spitzendrücken innerhalb der Auslaßsam­ melleitung auftritt.

25. Verfahren zum Rückzirkulieren von Abgasen nach An­ spruch 19, wobei der Schritt des Rückzirkulierens eines Volumens von Abgasen weiter den Schritt auf­ weist, einen Fluß von Abgas aus der Auslaßsammellei­ tung zu der Einlaßsammelleitung zu treiben, wobei ein Gebläse betriebsmäßig in der Abgasrückzirkulati­ onsleitung angeordnet ist.