DE10035375A1 - Abgasrückzirkulationssystem - Google Patents
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Abstract
Ein System und ein Verfahren zur Abgasrückzirkulation (AGR) bei einem Schwerlastdieselmotor wird offenbart. Das offenbarte Abgasrückzirkulationssystem weist eine Abgasrückzirkulationsleitung, ein Abgasrückzirkulationsventil, einen Abgasrückzirkulationskühler und einen Abgasrückzirkulationsantrieb auf, wie beispielsweise einen Hilfskompressor, der von der abgasgetriebenen Turbine des Motors angetrieben wird, um durch Kraft das rückzirkulierte Abgas aus der Auslaßsammelleitung über eine Abgasrückzirkulationsleitung zur Einlaßsammelleitung zu treiben, wenn das Abgasrückzirkulationsventil offen ist. Das offenbarte Abgasrückzirkulationssystem weist auch eine Abgasrückzirkulationsumgehungsleitung auf, wobei der Fluß dadurch durch ein elektronisch gesteuertes Abgasrückzirkulationsumgehungsventil geregelt wird. Das Abgasrückzirkulationssystem weist auch ein Motorsteuermodul auf, welches das Abgasrückzirkulationsumgehungsventil derart steuert, daß ein Abgasfluß durch die Abgasrückzirkulationsleitung und den Abgasrückzirkulationsantrieb während der ausgewählten Motorbetriebszustände geleitet wird, wobei das Primärabgasrückzirkulationsventil offen ist (d. h. die Abgasrückzirkulation ist eingeschaltet) und einen Luftfluß vom Einlaß durch die Abgasrückzirkulationsumgehungsleitung und den Abgasrückzirkulationsantrieb leitet, wenn das Abgasrückzirkulationsventil geschlossen ist (d. h. die Abgasrückzirkulation ausgeschaltet ist). Zusätzlich steuert das Motorsteuermodul optional das ...
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Abgasrück
zirkulationssystem (AGR-System) und auf ein Verfahren zur
Anwendung bei einem Schwerlastdieselmotor, und insbeson
dere auf ein Abgasrückzirkulationssystem und ein Verfah
ren, welches eine Abgasrückzirkulations-Bypass- bzw. Ab
gasrückzirkulationsumgehungsleitung und ein Abgasrückzir
kulations-Bypass-Ventil aufweist, welches betriebsmäßig
gesteuert wird, um die Leistung, die Haltbarkeit und die
Zuverlässigkeit des Abgasrückzirkulationssystems zu ver
bessern.
Die Abgasrückzirkulation (AGR) ist eine Technik, die all
gemein verwendet wird, um die Erzeugung von unerwünschten
Verunreinigungsgasen und Partikelstoffen beim Betrieb von
Verbrennungsmotoren zu steuern. Diese Technik hat sich
insbesondere als nützlich bei Verbrennungsmotoren ge
zeigt, die bei Motorfahrzeugen wie beispielsweise Passa
gierbussen, Leichtlastwägen und anderen auf der Straße
fahrenden motorisierten Ausrüstungsgegenständen verwendet
werden. Die Abgasrückzirkulationstechnik sieht primär die
Rückzirkulation von Abgasnebenprodukten aus dem Verbren
nungsprozeß in die Einlaßluftversorgung des Verbrennungs
motors vor. Das Abgas, welches in die Motorzylinder er
neut eingeleitet wird, wirkt dahingehend, daß es die Kon
zentration des Sauerstoffes darin verringert, was wie
derum die maximale Verbrennungstemperatur innerhalb des Zy
linders verringert und die chemische Reaktion des Ver
brennungsprozesses verlangsamt, was die Bildung von
Stickoxyden oder NOx verringert.
Wenn man die Abgasrückzirkulation bei einem turboaufgela
denen Dieselmotor verwendet, wird das zurückzuleitende
Abgas typischerweise stromaufwärts der abgasgetriebenen
Turbine entfernt, die mit dem Turbolader assoziiert ist.
Bei vielen Abgasrückzirkulationsanwendungen wird bei
spielsweise das Abgas direkt von der Auslaßsammelleitung
abgeleitet und wird über eine Abgasrückzirkulationslei
tung zum Einlaßsystem abgeleitet. Genauso wird das rück
zirkulierte Abgas vorzugsweise in den Einlaßluftstrom
stromabwärts des Kompressors und des Zwischenkühlers oder
des Luft-Luft-Nachkühlers eingeleitet. Die erneute Ein
leitung des Abgases stromabwärts des Kompressors und der
Einlaßluftkühlervorrichtung wird bevorzugt, und zwar auf
grund der Betrachtungen der Zuverlässigkeit und der In
standhaltbarkeit, die auftreten, sollte das Abgas durch
den Kompressor und/oder den Einlaßluftkühler geleitet
werden.
Bei vielen Motorbetriebszuständen innerhalb eines turbo
aufgeladenen Dieselmotors gibt es eine Druckdifferenz
zwischen der Einlaßsammelleitung und der Auslaßsammellei
tung, was im wesentlichen verhindert, daß viele dieser
einfachen Abgasrückzirkulationssysteme angewandt werden.
Bei Betriebszuständen mit niedriger Drehzahl und/oder ho
her Last bei einem turboaufgeladenen Motor, fließt das
Abgas nicht leicht von der Auslaßsammelleitung zur Ein
laßsammelleitung. Daher weisen viele Abgasrückzirkulati
onssysteme einen Abgasrückzirkulationsantrieb wie bei
spielsweise ein Roots-Gebläse oder einen Hilfskompressor
auf, um das Abgas aus der Auslaßsammelleitung zu der Ein
laßsammelleitung mit höherem Druck zu drücken. Siehe hier
das US-Patent 5657630 (Kjemtrup und andere) als nur ein
Beispiel der vielen Abgasrückzirkulationssysteme, die ei
ne Pumpen- oder Gebläseanordnung verwenden, um das rück
zirkulierte Abgas von der Auslaßsammelleitung zum Einlaß
system zu treiben. Es sei auch hingewiesen auf die euro
päische Patentanmeldung Nr. EP 0889226 A2 genauso wie auf
das PCT-Patentdokument WO 98/39563, die die Anwendung ei
nes Hilfskompressorrades offenbaren, welches durch die
abgasgetriebene Turbine angetrieben wird, die mit dem
turbogeladenen Dieselmotor assoziiert ist. Das Hilfskom
pressorrad treibt durch Kraft das rückzirkulierte Abgas
von der Auslaßsammelleitung zum Einlaßsystem bei nahezu
allen Motorbetriebszuständen.
Ein offensichtliches Problem bei solchen mit Kraft be
triebenen Abgasrückzirkulationssystemen, die einen Hilfs
kompressor verwenden, ist, daß der Hilfskompressor stoppt
bzw. Wellenbildung zeigt, und zwar lange bevor die Abgas
rückzirkulationsflußanforderungen bei Betriebszuständen
mit geringer Last erfüllt sind. Solche Betriebszustände
mit leichter Last geben Bedingungen, wo der Auslaßsammel
leitungsdruck höher ist als der Einlaßsammelleitungs
druck, und der Hilfskompressor, das Gebläse, die Pumpe
oder ein anderer Abgasrückzirkulationsantrieb ist eher
eine Flußbeschränkung als eine Hilfe.
Zusätzlich ist die Zuverlässigkeit und Dauerhaftigkeit
von solchen herkömmlichen Abgasrückzirkulationssystemen,
die derartige Abgasrückzirkulationsantriebsmittel verwen
den, verdächtig, und zwar aufgrund der Versagensfälle,
die den Abgasrückzirkulationsantriebskomponenten zuzuord
nen sind, die nicht ordnungsgemäß bemessen sind, um alle
Betriebszustände zu erfüllen. Was daher benötigt wird,
ist eine einfache und kostengünstige Verbesserung von
solchen unter Kraft betriebenen Abgasrückzirkulationssy
stemen, die die Gesamtleistung des Abgasrückzirkulations
systems verbessert, während sie die Wahrscheinlichkeit
des Versagens des Abgasrückzirkulationsantriebs minimie
ren. Eine solche Verbesserung oder eine Verbesserungs
technik sollte im gesamten Motorbetriebsbereich oder bei
allen Motorbetriebszuständen für einen derartigen turbo
aufgeladenen Dieselmotor betreibbar sein. Anders gesagt
sollte die einfache Verbesserung und die verbesserte
Technik weiter über den gesamten Bereich der Motordreh
zahlen, Lasten und Einlaß- oder Auslaßtemperaturen und
-drücke betreibbar sein.
Ein offensichtliches Problem bei solchen unter Kraft be
triebenen Abgasrückzirkulationssystemen, die einen Hilfs
kompressor verwenden, ist, daß der Hilfskompressor einen
gewissen Luftfluß dort hindurch benötigt, um die Wahr
scheinlichkeit eines Kompressorwellenzustandes bzw. eines
Zustandes einer Welle im Kompressor zu minimieren. Ein
Wellenzustand kann ein vorzeitiges Versagen des Hilfskom
pressorrades bewirken, und möglicherweise des Einlaßluft
kompressorrades, falls eines verwendet wird. Wenn somit
der Abgasrückzirkulationsfluß begrenzt wird, sind viele
solche unter Kraft betriebene Abgasrückzirkulationssyste
me einem frühen Versagen wahrscheinlich unterworfen. An
ders gesagt ist die Zuverlässigkeit und Dauerhaftigkeit
von solchen herkömmlichen Abgasrückzirkulationssystemen,
die einen derartigen Hilfskompressor verwenden, aufgrund
der Versagensfälle verdächtig, die den Hilfskompressor
komponenten zuzuordnen sind, die nicht ordnungsgemäß be
messen sind, um alle Betriebszustände abzudecken, und
insbesondere dann, wenn die Abgasrückzirkulation ausge
schaltet ist. Was daher benötigt wird, ist eine einfache
und kostengünstige Verbesserung für solche mit Kraft be
triebenen Abgasrückzirkulationssysteme, die die Gesamt
leistung des Abgasrückzirkulationssystems verbessern,
während sie die Versagenswahrscheinlichkeit des Abgas
rückzirkulationsantriebs minimieren. Eine solche Verbes
serung oder verbesserte Technik sollte über den gesamten
Betriebsbereich oder die gesamten Betriebszustände für
einen solchen turboaufgeladenen Dieselmotor betreibbar
sein. Insbesondere werden Verbesserungen bei solchen existie
renden Abgasrückzirkulationssystemen benötigt, die
zuverlässige und dauerhafte Konstruktionen eines Abgas
rückzirkulationssystems vorsehen. Die vorliegende Erfin
dung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben
dargelegten Probleme zu überwinden.
Die vorliegende Erfindung kann als ein System und ein
Verfahren zur Abgasrückzirkulation (AGR) in einem Ver
brennungsmotor wie beispielsweise einem Schwerlastdiesel
motor charakterisiert werden. Das offenbarte Abgasrück
zirkulationssystem weist eine Abgasrückzirkulationslei
tung auf, die sich in Flußverbindung zwischen der Auslaß
sammelleitung und der Einlaßsammelleitung erstreckt, wei
ter ein Abgasrückzirkulationssystem, welches in der Nähe
der Auslaßsammelleitung angeordnet ist und geeignet ist,
um den Abgasfluß durch die Abgasrückzirkulationsleitung
zu steuern (beispielsweise An/Aus). Das Abgasrückzirkula
tionssystem weist auch einen Abgasrückzirkulationsantrieb
auf, der entlang der Abgasrückzirkulationsleitung ange
ordnet ist, wobei der Abgasrückzirkulationsantrieb geeig
net ist, um durch Kraft das rückzirkulierte Abgas aus der
Auslaßsammelleitung zur Einlaßsammelleitung zu treiben,
wenn das Abgasrückzirkulationsventil offen ist. Das Ab
gasrückzirkulationssystem weist auch eine Abgasrückzirku
lations-Bypass-Leitung bzw. Abgasrückzirkulationsumge
hungsleitung und ein Abgasrückzirkulationsumgehungsventil
in Flußverbindung mit der Abgasrückzirkulationsleitung
auf, und zwar in einer Weise, die es einem Fluß gestat
tet, den Abgasrückzirkulationsantrieb zu umgehen. Bei dem
offenbarten Abgasrückzirkulationssystem ist der Abgas
rückzirkulationsantrieb nahezu irgendein Mittel zum An
trieb des rückzirkulierten Abgases durch Kraft aus der
Auslaßsammelleitung zur Einlaßsammelleitung, wie bei
spielsweise ein Hilfskompressor, der von der abgasgetrie
benen Turbine angetrieben wird, oder ein einfaches mecha
nisches Gebläse oder ein Pumpensystem, welches von der
Kurbelwelle des Motors oder einer gewissen Hilfsantriebs
vorrichtung angetrieben wird, die mit dem Motor assozi
iert ist, ist jedoch nicht auf dieses eingeschränkt.
Die vorliegende Erfindung kann auch als ein Verfahren zur
Steuerung eines Abgasrückzirkulationssystems ähnlich des
oben beschriebenen Abgasrückzirkulationssystems gekenn
zeichnet werden. Bei dem offenbarten Verfahren würde das
Abgasrückzirkulationssystem vorzugsweise ein Motorsteuer
modul (ECM = engine control module) aufweisen, welches
geeignet ist, um verschiedene Flüsse durch das Abgasrück
zirkulationssystem zu steuern, und insbesondere steuert
das Motorsteuermodul das Abgasrückzirkulationsumgehungs
ventil derart, daß ein Abgasfluß durch die Abgasrückzir
kulationsleitung und den Abgasrückzirkulationsantrieb
während ausgewählter Motorbetriebszustände geleitet wird,
wobei das Primärabgasrückzirkulationsventil offen ist
(d. h. die Abgasrückzirkulation ist eingeschaltet). Im Ge
gensatz dazu steuert das Motorsteuermodul das Abgasrück
zirkulationsumgehungsventil derart, daß ein Luftfluß von
der Einlaßsammelleitung durch die Abgasrückzirkulations
umgehungsleitung und den Abgasrückzirkulationsantrieb
während ausgewählter Motorbetriebszustände geleitet wird,
wobei das Primärabgasrückzirkulationsventil geschlossen
ist (d. h. die Abgasrückzirkulation ist ausgeschaltet).
Zusätzlich steuert das Motorsteuermodul optional das Ab
gasrückzirkulationsumgehungsventil, so daß ein Abgasfluß
aus der Auslaßsammelleitung durch die Abgasrückzirkulati
onsumgehungsleitung zur Einlaßsammelleitung geleitet
wird, wenn der Auslaßsammelleitungsdruck größer ist als
der Einlaßsammelleitungsdruck.
Schließlich kann die vorliegende Erfindung als Verbesse
rung bei bekannten Abgasrückzirkulationssystemen gekenn
zeichnet werden, die Abgasrückzirkulationsantriebsmittel
verwenden, und insbesondere einen Hilfskompressor, der
von der abgasgetriebenen Turbine des Motors angetrieben
wird. Als Abgasrückzirkulationsverbesserungsvorrichtung
weist die Erfindung eine Abgasrückzirkulationsumgehungs
leitung in Flußverbindung mit der Abgasrückzirkulations
leitung an einer ersten Stelle stromaufwärts des Abgas
rückzirkulationsantriebes und an einer zweiten Stelle
stromabwärts des Abgasrückzirkulationsantriebes auf. Die
verbesserte Vorrichtung weist weiter ein Abgasrückzirku
lationsumgehungsventil auf, welches entlang der Abgas
rückzirkulationsumgehungsleitung angeordnet ist, um den
Fluß durch die Abgasrückzirkulationsleitung zu steuern.
In einem anderen Betriebszustand begrenzt das Abgasrück
zirkulationsumgehungsventil den Fluß durch die Abgasrück
zirkulationsumgehungsleitung, so daß der Fluß der Abgase
durch die Abgasrückzirkulationsleitung und den Abgasrück
zirkulationsantrieb während ausgewählter Motorbetriebszu
stände geleitet wird, wobei die Abgasrückzirkulation an
ist. In einem zweiten Betriebszustand öffnet sich das Ab
gasrückzirkulationsumgehungsventil, um einen Luftfluß von
der Einlaßsammelleitung durch die Abgasrückzirkulations
umgehungsleitung und den Abgasrückzirkulationsantrieb
während ausgewählter Motorbetriebszustände zu gestatten,
wenn die Abgasrückzirkulation ausgeschaltet ist.
Die obigen und andere Aspekte, Merkmale und Vorteile der
vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden speziel
leren Beschreibung davon offensichtlich, die in Verbin
dung mit den folgenden Zeichnungen dargelegt ist, in de
nen die Figuren folgendes darstellen:
Fig. 1 ein schematisches Diagramm eines Verbrennungs
motors, der das Abgasrückzirkulationssystem ge
mäß der vorliegenden Erfindung verkörpert; und
Fig. 2 ein schematisches Diagramm eines alternativen
Ausführungsbeispiels des Abgasrückzirkulations
systems der vorliegenden Erfindung.
Entsprechende Bezugszeichen zeigen entsprechende Kompo
nenten in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen an.
Die folgende Beschreibung handelt vom besten Weg, der ge
genwärtig zur Ausführung der Erfindung in Betracht gezo
gen wird. Diese Beschreibung soll nicht im einschränken
den Sinne aufgenommen werden, sondern ist nur zum Zwecke
der Beschreibung der allgemeinen Prinzipien der Erfindung
vorgesehen. Der Umfang und die Breite der Erfindung soll
te mit Bezugnahme auf die Ansprüche bestimmt werden.
Mit Bezug auf die Zeichnungen und insbesondere auf Fig.
1 ist ein schematisches Diagramm eines Verbrennungsmotors
10 mit dem vorliegenden Abgasrückzirkulationssystem 12
gezeigt. Zur Vereinfachung der Beschreibung kann der ver
anschaulichte Motor 10 derart angesehen werden, daß er
vier Grundsysteme aufweist, nämlich das Einlaßluftsystem,
das Hauptverbrennungssystem, das Auslaßluftsystem und ein
Abgasrückzirkulationssystem.
Das Einlaßluftsystem des Motors 10 weist eine Einlaßluft
leitung 20 auf, eine Einlaßsammelleitung 22, eine Einlaß
luftdruckvorrichtung (beispielsweise einen Kompressor) 24
und einen Zwischenkühler oder Luft-Luft-Nachkühler 26.
Der Motor 10 weist auch ein Hauptverbrennungssystem auf,
welches unter anderen Elementen einen Motorblock 30 und
einen (nicht gezeigten) Zylinderkopf aufweist, der eine
Vielzahl von Verbrennungszylindern 32 darin bildet. Ob
wohl nicht gezeigt, ist mit jedem Verbrennungszylinder
folgendes assoziiert: eine Brennstoffeinspritzvorrich
tung, eine Zylinderauskleidung, mindestens ein Luftein
laßanschluß und entsprechende Einlaßventile, mindestens
ein Abgasanschluß, und entsprechend Auslaßventile, und
mit einem sich hin und her bewegenden Zylinder, der in
jedem Verbrennungszylinder bewegbar ist, um in Verbindung
mit der Zylinderauskleidung und dem Zylinderkopf die
Brennkammer zu definieren.
Der Motor 10 weist auch ein Auslaßluftsystem auf, welches
wie veranschaulicht eine geteilte Auslaßsammelleitung
42a, 42b, eine oder mehrere Auslaßleitungen 44 und eine
abgasgetriebene Turbine 46 mit variabler Geometrie auf
weist, die den Primäreinlaßluftkompressor 24 antreibt.
Das veranschaulichte Abgasrückzirkulationssystem 12 weist
eine oder mehrere Abgasrückzirkulationsleitungen 50 auf,
ein Paar von Abgasrückzirkulationsventilen 52a, 52b, ei
nen Abgasrückzirkulationskühler 54 und einen Abgasrück
zirkulationsantrieb 56, der als Hilfskompressor gezeigt
ist, der von der abgasgetriebenen Turbine 46 angetrieben
wird. Das veranschaulichte Abgasrückzirkulationssystem 12
weist auch eine Abgasrückzirkulationsumgehungsleitung 60
und ein Abgasrückzirkulationsumgehungsventil 62 auf.
Schließlich weist der Motor 10 ein Motorsteuermodul
(ECM = engine control modul) 70 auf, um betriebsmäßig die
Brennstoffeinspritzzeitsteuerung, den Einlaßluftsystembe
trieb, den Auslaßluftsystembetrieb und die Abgasrückzir
kulationssystemoperationen zu steuern, und zwar ein
schließlich der Steuerung von verschiedenen Motorventilen
62, 52a, 52b und der Betätigung des Turboladers 46 mit
variabler Geometrie (VGT = variable geometry turbochar
ger), wenn einer eingesetzt wird. Alle diese vom Motorsy
stem gesteuerten Operationen werden vom Motorsteuermodul
70 ansprechend auf einen oder mehrere gemessene oder ab
gefühlte Motorbetriebsparameter geregelt, die typischer
weise (nicht gezeigte) Eingänge in das Motorsteuermodul
70 sind.
Wie in Fig. 1 zu sehen weist das Abgasrückzirkulations
system 12 eine oder mehrere Abgasrückzirkulationsleitun
gen 50 auf, die sich zwischen ausgewählten Stellen im
Auslaßsystem und im Einlaßluftsystem erstrecken. Das ver
anschaulichte Abgasrückzirkulationssystem 12 weist auch
ein Paar von proportionalen Abgasrückzirkulationsventilen
52a, 52b auf, die jeweils mit einer Auslaßsammelleitung
42a, 42b assoziiert sind, wobei die doppelten Abgasrück
zirkulationsventile 52a, 52b vorzugsweise von einer ein
zigen (nicht gezeigten) Betätigungsvorrichtung anspre
chend auf Steuersignale 72 vom Motorsteuermodul 70 posi
tioniert werden (voll offen, voll geschlossen und ver
schiedene Zwischenpositionen). Das Abgasrückzirkulations
system 12 weist vorzugsweise einen Abgasrückzirkulations
kühler 54 auf, der stromaufwärts von einem Abgasrückzir
kulationsancrieb genauso wie von einem Abgasrückzirkula
tions/Einlaßluftmischer 75 angeordnet ist, der geeignet
ist, um das rückzirkulierte Abgas mit der Einlaßluft er
neut vor der Einleitung in die Einlaßsammelleitung 22 zu
vermischen. Wie in der Abgasrückzirkulationstechnik be
kannt, kann der Abgasrückzirkulationskühler 54 einen
Luft-Gas-Kühler aufweisen, einen Wasser-Gas-Kühler oder
auch einen Öl-Gas-Kühler, der ordnungsgemäß bemessen ist,
um die notwendige Abgasrückzirkulationskühlung vorzuse
hen. Der Abgasrückzirkulationsantrieb 56 wird durch eine
Hilfskompressorvorrichtung repräsentiert, die von einer
abgasgetriebenen Turbine 46 angetrieben wird, die mit dem
bevorzugten turboaufgeladenen Dieselmotor assoziiert ist.
Solche Abgasrückzirkulationsantriebssysteme sind im all
gemeinen bekannt und werden bei verschiedenen Abgasrück
zirkulationskonstruktionen verwendet. Siehe beispielswei
se hierzu die europäische Patentanmeldung Nr. EP 0889226 A2
genauso wie die PCT-Patentschrift WO 98/39563.
Viel wichtiger weist das veranschaulichte Abgasrückzirku
lationssystem 12 auch eine Abgasrückzirkulationsumge
hungsleitung 60 auf, ein An/Aus-Abgasrückzirkulations
umgehungsventil 62 und ein Motorsteuermodul 70, welches
geeignet ist, um betriebsmäßig die Flüsse durch das Ab
gasrückzirkulationssystem 12 zu steuern, und zwar durch
kooperative Steuerung der Primärabgasrückzirkulationsven
tile 52a, 52b zusammen mit dem Abgasrückzirkulationsumge
hungsventil 62. Die Abgasrückzirkulationsumgehungsleitung
60 ist vorzugsweise in Flußverbindung mit der Abgasrück
zirkulationsleltung 50 an einer ersten Stelle stromauf
wärts des Abgasrückzirkulationsantriebes 56 angeschlos
sen, und ist auch in Flußverbindung mit der Abgasrückzir
kulationsleitung 50 an einer zweiten Stelle stromabwärts
des Abgasrückzirkulationsantriebes 56 angeschlossen. Das
veranschaulichte Abgasrückzirkulationsumgehungsventil 62
ist vorzugsweise entlang der Abgasrückzirkulationsumge
hungsleitung 60 in "paralleler" Orientierung relativ zum
Abgasrückzirkulationsantrieb 56 angeordnet. Wie hier ge
zeigt, ist das Abgasrückzirkulationsumgehungsventil 62
vorzugsweise ein elektronisch gesteuertes An/Aus-Ventil,
welches zur Steuerung des Flusses durch die Abgasrückzir
kulationsumgehungsleitung 60 ansprechend auf Signale 74
vom Motorsteuermodul 70 geeignet ist, die ausgewählte Mo
torbetriebszustände darstellen. Alternativ könnte das Ab
gasrückzirkulationsumgehungsventil 62 ein einfaches Rück
schlagventil oder ein Druckentlastungsventil sein, wel
ches sich öffnet und einen Abgasrückzirkulationsfluß von
der Auslaßsammelleitung 42 zur Umgehung des Abgasrückzir
kulationsantriebes 56 zuläßt, wenn der Auslaßsammellei
tungsdruck natürlicher Weise höher ist als der Einlaßsam
melleitungsdruck. Wenn entgegengesetzt dazu der Einlaß
sammelleitungsdruck höher ist als der Auslaßsammellei
tungsdruck, schließt das Abgasrückzirkulationsumgehungs
ventil 62 zur Verhinderung des Flusses durch die Abgas
rückzirkulationsumgehungsleitung 60, was das rückzirku
lierte Abgas antreibt, um durch Kraft zu dem Einlaßsystem
getrieben zu werden, und zwar mittels des Abgasrückzirku
lationshilfskompressors oder eines anderen Abgasrückzir
kulationsantriebes 56.
Obwohl das vorliegende Abgasrückzirkulationssystem 12 bei
einem direkt einspritzenden elektronisch gesteuerten
Vier-Takt-Schwerlastdieselmotor gezeigt ist, werden zahl
reiche andere Motorbauarten, wie beispielsweise Mittel
lastdieselmotoren, Leichtlastdieselmotoren, Motoren für
wechselnden Brennstoff, Zwei-Takt-Dieselmotoren, Dual-
Brennstoff-Motoren, und so weiter genauso als geeignete
Motorplattformen in Betracht gezogen, bei denen die of
fenbarte Erfindung verwendet werden kann. Zusätzlich kann
die Motorplattform in einer Anzahl von unterschiedlichen
Motorkonfigurationen erscheinen, wie beispielsweise
"Reihenmotoren" und "V-Motoren", und sie kann weiter ver
schiedene Zylinderanzahlen haben. Obwohl darüber hinaus
die Ausführungsbeispiele mit geteilten Auslaßsammellei
tungen und einzeln betätigten doppelten Abgasrückzirkula
tionsventilen gezeigt sind, sind zahlreiche andere Konfi
gurationen möglich, wie beispielsweise einzelne Sammel
leitungen und/oder einzelne Abgasrückzirkulationsventile.
Genauso kann die Anwendung eines Turboladers mit variab
ler Geometrie leicht durch andere herkömmlichere Turbo
lader oder ähnliche derartige Überladungsvorrichtungen
ausgeführt werden.
Mit Bezug auf Fig. 2 ist eine weitere schematische Dar
stellung eines turboaufgeladenen Motors gezeigt, der ein
alternatives Ausführungsbeispiel des vorliegenden Abgas
rückzirkulationssystems verkörpert. Ein Großteil des in
Fig. 2 gezeigten Motorsystems ist identisch mit jenem,
welches mit Bezugnahme auf Fig. 1 gezeigt und beschrie
ben wurde, und aus diesem Grund wird die Beschreibung
hier nicht wiederholt. Die Hauptunterschiede bei den zwei
veranschaulichten Ausführungsbeispielen sind in dem Ab
gasrückzirkulationssystem der veranschaulichten Motor
schemata zu finden. Wie beim Ausführungsbeispiel der
Fig. 1 zeigt das veranschaulichte Abgasrückzirkulationssys
tem der Fig. 2 eine oder mehrere Abgasrückzirkulations
leitungen, die sich zwischen ausgewählten Stellen im Aus
laßsystem und im Einlaßsystem erstrecken. Das Abgasrück
zirkulationssystem der Fig. 2 weist auch eines oder meh
rere Abgasrückzirkulationsventile auf, die dahingehend
arbeiten, daß sie den Abgasrückzirkulationsfluß abschlie
ßen oder alternativ einen Abgasrückzirkulationsfluß von
der Auslaßsammelleitung zum Einlaßluftsystem ansprechend
auf ausgewählte Motorbetriebszustände gestatten. Das Ab
gasrückzirkulationssystem der Fig. 2 weist auch einen
Abgasrückzirkulationskühler, eine Abgasrückzirkulations
umgehungsleitung, ein Abgasrückzirkulationsumgehungsven
til und ein Motorsteuermodul auf, welches geeignet ist,
um betriebsmäßig die Flüsse durch das Abgasrückzirkulati
onssystem zu steuern. Anders als beim Ausführungsbeispiel
der Fig. 1 wird der Abgasrückzirkulationsantrieb durch
ein herkömmliches Roots-Gebläse dargestellt, welches von
der Kurbelwelle des Motors angetrieben wird. Alternativ
kann der Abgasrückzirkulationsantrieb ein ähnlicher sein
wie die mechanische Vorrichtung, die von der Kurbelwelle
des Motors angetrieben wird, oder wie eine ähnliche An
triebsvorrichtung, die mit dem Motor assoziiert ist.
Die bevorzugte Konfiguration der Abgasrückzirkulationsum
gehungsleitung und des Abgasrückzirkulationsumgehungsven
tils mit Bezug auf den Abgasrückzirkulationsantrieb ist
ähnlich wie jene, die mit Bezugnahme auf Fig. 1 be
schrieben wurde. Anders gesagt wird die Abgasrückzirkula
tionsumgehungsleitung in Flußverbindung mit der Abgas
rückzirkulationsleitung an einer ersten Stelle stromauf
wärts des Roots-Gebläses angeschlossen, und wird auch in
Flußverbindung mit der Abgasrückzirkulationsleitung an
einer zweiten Stelle stromabwärts des Abgasrückzirkulati
onsantriebes angeschlossen. Das Abgasrückzirkulationsum
gehungsventil ist vorzugsweise entlang der Abgasrückzir
kulationsumgehungsleitung in "paralleler" Orientierung
relativ zum Abgasrückzirkulationsantrieb angeordnet. Das
Abgasrückzirkulationsumgehungsventil ist vorzugsweise ein
elektronisch gesteuertes Ventil, welches zur Steuerung
des Flusses durch die Abgasrückzirkulationsumgehungslei
tung ansprechend auf Signale von dem Motorsteuermodul ge
eignet ist, die ausgewählte Motorbetriebszustände anzei
gen. Wie hier beschrieben kann der Fluß durch das offene
Abgasrückzirkulationsumgehungsventil und die Abgasrück
zirkulationsumgehungsleitung rückzirkulierte Abgase in
einigen Motorbetriebszuständen aufweisen (nämlich wenn
der Auslaßsammelleitungsdruck größer ist als der Einlaß
sammelleitungsdruck) oder kann zurückfließende Einlaßluft
aufweisen, die benötigt wird, um einen Luftfluß weiter
durch den Abgasrückzirkulationsantrieb zu bewegen. Im Ge
gensatz dazu können die Flüsse durch das Abgasrückzirku
lationsumgehungsventil und die Abgasrückzirkulationsumge
hungsleitung bei ausgewählten Motorbetriebszuständen al
leine durch Schließen des Abgasrückzirkulationsumgehungs
ventils und Leiten von irgendwelchem rückzirkulierten Ab
gas durch den Abgasrückzirkulationsantrieb abgeschnitten
werden.
Im Betrieb des oben beschriebenen Abgasrückzirkulations
systems und bei dem assoziierten Verfahren zur Steuerung
eines derartigen Abgasrückzirkulationssystems, sind fol
gende grundlegende Schritte vorgesehen: (a) Leiten eines
Abgasflusses aus der Auslaßsammelleitung durch die Abgas
rückzirkulationsleitung und den Abgasrückzirkulationsan
trieb bei einem ersten Satz von Motorbetriebszuständen,
wenn das Abgas zum Einlaßsystem rückzirkuliert wird; und
(b) Leiten eines Rückflusses oder Umgehungsflusses der
Einlaßluft durch die Abgasrückzirkulationsumgehungslei
tung und den Abgasrückzirkulationsantrieb bei einem zwei
ten Satz von Motorbetriebszuständen, wenn das Abgas nicht
von der Auslaßsammelleitung zur Einlaßsammelleitung rück
zirkuliert wird. Der oben beschriebene erste Satz von Mo
torbetriebszuständen entspricht ausgewählten Motorbe
triebszuständen, wobei das Abgasrückzirkulationsventil
offen ist (d. h. die Abgasrückzirkulation ist eingeschal
tet) und wobei der Abgasfluß durch den Abgasrückzirkula
tionsantrieb durch Schließen des Abgasrückzirkulationsum
gehungsventils durchgeführt wird, wodurch irgendein Fluß
durch die Abgasrückzirkulationsumgehungsleitung begrenzt
wird.
Andererseits entspricht der oben beschriebene zweite Satz
von Motorbetriebszuständen ausgewählten Motorbetriebszu
ständen, wobei das Primärabgasrückzirkulationsventil ge
schlossen ist (d. h. die Abgasrückzirkulation ist ausge
schaltet). Bei solchen Betriebszuständen wird der Einlaß
luftfluß oder der Umgehungsfluß durch die Abgasrückzirku
lationsumgehungsleitung zum Abgasrückzirkulationsantrieb
erreicht durch Öffnen des Abgasrückzirkulationsumgehungs
ventils, wodurch gestattet wird, daß sich die Einlaßluft
schleifenförmig bewegt oder durch den Abgasrückzirkulati
onsantrieb rückzirkuliert und immer ein aktiver Fluß
durch den Abgasrückzirkulationsantrieb erhalten wird.
Zusätzlich weist das vorliegende Abgasrückzirkulationssys
tem und das assoziierte Verfahren zur Steuerung dessel
bigen den Schritt auf, den Abgasfluß aus der Auslaßsam
melleitung durch die Abgasrückzirkulationsleitung und den
Abgasrückzirkulationsantrieb genauso wie durch die Abgas
rückzirkulationsumgehungsleitung zum Einlaßsystem bei ei
nem dritten Satz von Motorbetriebszuständen zu leiten,
wenn der Auslaßsammelleitungsdruck größer ist als der
Einlaßsammelleitungsdruck. Das Ergebnis ist eine Steige
rung der Abgasrückzirkulationsrate, wenn der Auslaßsam
melleitungsdruck höher ist als der Einlaßsammelleitungs
druck. Dies gestattet, daß der Hilfskompressor, die Pumpe
oder ein anderer Abgasrückzirkulationsantrieb für den
Nenn-Betriebszustand oder den Betriebszustand mit voller
Last bemessen wird, wenn der Auslaßsammelleitungsdruck
niedriger ist als der Einlaßsammelleitungsdruck, und der
Abgasrückzirkulationsantrieb benötigt wird. Ohne Verwen
dung des Abgasrückzirkulationsumgehungsventils würde die
Kapazität des Abgasrückzirkulationsantriebes oder der
Pumpe bei Betriebszuständen mit hoher Drehzahl und nied
rigen Lasten zu gering sein. Wenn die Abgasrückzirkulati
on ausgeschaltet ist (d. h. bei den Primärabgasrückzirku
lationsventilen abgeschnitten) würde das Abgasrückzirku
lationsumgehungsventil offen bleiben, um einen Fluß über
den Abgasrückzirkulationsantrieb zu gestatten, und einen
Schaden zu verhindern, der damit assoziiert ist, wenn der
Kompressor in eine Welle (Surge) läuft.
Aus dem vorangegangenen ist zu sehen daß die offenbarte
Erfindung ein Abgasrückzirkulationssystem für einen Ver
brennungsmotor ist, welches eine Abgasrückzirkulationsum
gehungsleitung und ein Abgasrückzirkulationsumgehungsven
til aufweist, um die Leistung, die Dauerhaftigkeit und
die Zuverlässigkeit von herkömmlichen Abgasrückzirkulati
onssystemen zu verbessern. Während die hier offenbarte
Erfindung mittels spezieller Ausführungsbeispiele und
Prozesse beschrieben worden ist, die damit assoziiert
sind, könnten zahlreiche Modifikationen und Variationen
daran vom Fachmann vorgenommen werden, ohne vom Umfang
der Erfindung abzuweichen, wie er in den Ansprüchen dar
gelegt ist.
Claims (18)
1. Abgasrückzirkulationssystem für einen Verbrennungs
motor, welches folgendes aufweist:
eine Abgasrückzirkulationsprimärleitung, die strö mungsmittelmäßig eine Auslaßsammelleitung mit einer Einlaßsammelleitung koppelt;
ein Abgasrückzirkulationsventil, welches entlang der Abgasrückzirkulationsprimärleitung in der Nähe der Auslaßsammelleitung angeordnet ist;
einen Abgasrückzirkulationsantrieb, der entlang der Abgasrückzirkulationsleitung angeordnet ist und ge eignet ist, um durch Kraft das rückzirkulierte Abgas in die Einlaßsammelleitung zu treiben;
eine Abgasrückzirkulationsumgehungsleitung in strö mungsmittelmäßiger Verbindung mit der Abgasrückzir kulationsprimärleitung, während der Abgasrückzirku lationsantrieb umgangen wird; und
ein Abgasrückzirkulationsumgehungsventil, welches entlang der Abgasrückzirkulationsumgehungsleitung angeordnet ist.
eine Abgasrückzirkulationsprimärleitung, die strö mungsmittelmäßig eine Auslaßsammelleitung mit einer Einlaßsammelleitung koppelt;
ein Abgasrückzirkulationsventil, welches entlang der Abgasrückzirkulationsprimärleitung in der Nähe der Auslaßsammelleitung angeordnet ist;
einen Abgasrückzirkulationsantrieb, der entlang der Abgasrückzirkulationsleitung angeordnet ist und ge eignet ist, um durch Kraft das rückzirkulierte Abgas in die Einlaßsammelleitung zu treiben;
eine Abgasrückzirkulationsumgehungsleitung in strö mungsmittelmäßiger Verbindung mit der Abgasrückzir kulationsprimärleitung, während der Abgasrückzirku lationsantrieb umgangen wird; und
ein Abgasrückzirkulationsumgehungsventil, welches entlang der Abgasrückzirkulationsumgehungsleitung angeordnet ist.
2. Abgasrückzirkulationssystem nach Anspruch 1, wobei
der Abgasrückzirkulationsantrieb ein Kompressor ist,
der von einer abgasgetriebenen Turbine angetrieben
wird.
3. Abgasrückzirkulationssystem nach Anspruch 1, wobei
der Abgasrückzirkulationsantrieb ein Gebläse ist,
welches von einer Kurbelwelle des Motors angetrieben
wird.
4. Abgasrückzirkulationssystem nach Anspruch 1, welches
weiter ein Motorsteuermodul aufweist, welches geeig
net ist, um die Flüsse durch das Abgasrückzirkulati
onssystem ansprechend auf verschiedene Motorbe
triebszustände zu steuern; und
wobei das Abgasrückzirkulationsumgehungsventil ein
elektronisch gesteuertes Ventil mit einer ersten Po
sition ist, die einen Fluß durch die Abgasrückzirku
lationsumgehungsleitung gestattet, und mit einer
zweiten Position, die den Fluß durch die Abgasrück
zirkulationsumgehungsleitung begrenzt.
5. Abgasrückzirkulationssystem nach Anspruch 4, wobei
das Abgasrückzirkulationsumgehungsventil in der ers
ten Position orientiert ist, wenn das Abgasrückzir
kulationsventil geschlossen ist.
6. Abgasrückzirkulationssystem nach Anspruch 4, wobei
das Abgasrückzirkulationsumgehungsventil in der ers
ten Position orientiert ist, wenn der Druck in der
Auslaßsammelleitung größer ist als der Druck in der
Einlaßsammelleitung.
7. Abgasrückzirkulationssystem nach Anspruch 1, wobei
das Abgasrückzirkulationsumgehungsventil ein Druc
kentlastungsventil ist, welches sich öffnet, wenn
der Druck in der Auslaßsammelleitung größer ist als
der Druck in der Einlaßsammelleitung.
8. Abgasrückzirkulationssystem für einen Motor mit ei
ner Einlaßsammelleitung, mit einer Auslaßsammellei
tung, mit einer Abgasrückzirkulationsleitung, mit
einem Abgasrückzirkulationskühler, mit einem Abgas
rückzirkulationsventil und einem Abgasrückzirkulati
onsantrieb, wobei eine Verbesserung bei dem Abgas
rückzirkulationssystem folgendes aufweist:
eine Abgasrückzirkulationsumgehungsleitung in Fluß verbindung mit der Abgasrückzirkulationsleitung an einer ersten Stelle stromaufwärts des Abgasrückzir kulationsantriebes und an einer zweiten Stelle stromabwärts des Abgasrückzirkulationsantriebes; und
ein Abgasrückzirkulationsumgehungsventil, welches entlang der Abgasrückzirkulationsumgehungsleitung angeordnet ist, um den Fluß durch die Abgasrückzir kulationsumgehungsleitung zu steuern.
eine Abgasrückzirkulationsumgehungsleitung in Fluß verbindung mit der Abgasrückzirkulationsleitung an einer ersten Stelle stromaufwärts des Abgasrückzir kulationsantriebes und an einer zweiten Stelle stromabwärts des Abgasrückzirkulationsantriebes; und
ein Abgasrückzirkulationsumgehungsventil, welches entlang der Abgasrückzirkulationsumgehungsleitung angeordnet ist, um den Fluß durch die Abgasrückzir kulationsumgehungsleitung zu steuern.
9. Verbesserung nach Anspruch 8, wobei der Abgasrück
zirkulationsantrieb ein Kompressor ist, der von ei
ner abgasgetriebenen Turbine angetrieben wird.
10. Verbesserung nach Anspruch 8, wobei der Abgasrück
zirkulationsantrieb ein Gebläse ist, welches von ei
ner Kurbelwelle des Motors angetrieben wird.
11. Verbesserung nach Anspruch 8, die weiter ein Motor
steuermodul aufweist, welches geeignet ist, um Flüs
se durch das Abgasrückzirkulationssystem zu steuern,
und zwar ansprechend auf verschiedene Motorbetriebs
zustände, und wobei das Abgasrückzirkulationsumge
hungsventil ein elektronisch gesteuertes Ventil ist,
und zwar mit einer ersten Position, die einen Fluß
durch die Abgasrückzirkulationsumgehungsleitung ge
stattet, und mit einer zweiten Position, die einen
Fluß durch die Abgasrückzirkulationsumgehungsleitung
beschränkt.
12. Verbesserung nach Anspruch 11, wobei das Abgasrück
zirkulationsumgehungsventil in der ersten Position
orientiert ist, wenn das Abgasrückzirkulationsventil
geschlossen ist.
13. Verbesserung nach Anspruch 11, wobei das Abgasrück
zirkulationsumgehungsventil in der ersten Position
orientiert ist, wenn der Druck in der Abgassammel
leitung größer ist als der Druck in der Einlaßsam
melleitung.
14. Verbesserung nach Anspruch 8, wobei das Abgasrück
zirkulationsumgehungsventil ein Druckentlastungsven
til ist, welches offen ist, wenn der Druck in der
Auslaßsammelleitung größer ist als der Druck in der
Einlaßsammelleitung.
15. Verfahren zur Steuerung eines Abgasrückzirkulations
systems eines Verbrennungsmotors mit einer Einlaß
sammelleitung, mit einer Auslaßsammelleitung, mit
einer Abgasrückzirkulationsleitung, mit einem Abgas
rückzirkulationsventil und einem Abgasrückzirkulati
onsantrieb, wobei das Verfahren folgende Schritte
aufweist:
Leiten eines Abgasflusses durch die Abgasrückzirku lationsleitung und den Abgasrückzirkulationsantrieb bei einem ersten Satz von Motorbetriebszuständen, wenn das Abgas von der Auslaßsammelleitung zur Ein laßsammelleitung rückzirkuliert wird; und
Leiten eines Umgehungsflusses durch eine Abgasrück zirkulationsumgehungsleitung und den Abgasrückzirku lationsantrieb bei einem zweiten Satz von Motorbe triebszuständen, wenn das Abgas nicht von der Aus laßsammelleitung zur Einlaßsammelleitung rückzirku liert, wobei die Abgasrückzirkulationsumgehungslei tung in Flußverbindung mit der Abgasrückzirkulati onsleitung an einer ersten Stelle stromaufwärts des Abgasrückzirkulationsantriebes und an einer zweiten Stelle stromabwärts des Abgasrückzirkulationsantrie bes angeordnet ist.
Leiten eines Abgasflusses durch die Abgasrückzirku lationsleitung und den Abgasrückzirkulationsantrieb bei einem ersten Satz von Motorbetriebszuständen, wenn das Abgas von der Auslaßsammelleitung zur Ein laßsammelleitung rückzirkuliert wird; und
Leiten eines Umgehungsflusses durch eine Abgasrück zirkulationsumgehungsleitung und den Abgasrückzirku lationsantrieb bei einem zweiten Satz von Motorbe triebszuständen, wenn das Abgas nicht von der Aus laßsammelleitung zur Einlaßsammelleitung rückzirku liert, wobei die Abgasrückzirkulationsumgehungslei tung in Flußverbindung mit der Abgasrückzirkulati onsleitung an einer ersten Stelle stromaufwärts des Abgasrückzirkulationsantriebes und an einer zweiten Stelle stromabwärts des Abgasrückzirkulationsantrie bes angeordnet ist.
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der erste Satz von
Motorbetriebszuständen den Motorbetriebszuständen
entspricht, wobei das Abgasrückzirkulationsventil
offen ist.
17. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der zweite Satz
von Motorbetriebszuständen den Motorbetriebszustän
den entspricht, wobei das Abgasrückzirkulationsven
til geschlossen ist.
18. Verfahren nach Anspruch 15, welches weiter den
Schritt aufweist, einen Abgasfluß aus der Auslaßsam
melleitung durch die Abgasrückzirkulationsumgehungs
leitung zur Einlaßsammelleitung zu leiten, wenn der
Auslaßsammelleitungsdruck größer ist als der Einlaß
sammelleitungsdruck.
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