DE10035375A1 - Abgasrückzirkulationssystem - Google Patents

Abgasrückzirkulationssystem

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DE10035375A1
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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

Technisches Gebiet
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.
Hintergrund der Erfindung
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.
Offenbarung der Erfindung
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.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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.
Bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung
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.
Industrielle Anwendbarkeit
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.
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.
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.
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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