DE10040613A1 - Abgasrezirkulationssystem für einen turbogeladenen Verbrennungsmotor - Google Patents

Abgasrezirkulationssystem für einen turbogeladenen Verbrennungsmotor

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Philip M Dimpelfield
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Abstract

Es wird ein Abgasrezirkulations-(EGR)-System für einen turbogeladenen Verbrennungsmotor vorgeschlagen, das eine Drosselklappe aufweist, die im Auslaßkanal des Motors, stromabwärts des EGR-Systems angeordnet ist. Die Drosselklappe wird abhängig von der Motorlast und -drehzahl gesteuert, um selektiv einen Gegendruck stromaufwärts der Drosselklappe bereitzustellen, um den EGR-Abgasstrom durch einen EGR-Kanal zu dem Ansaugkrümmer zu steuern. Außerdem wird der EGR-Abgasstrom gekühlt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft generell turbogeladene Verbrennungsmo­ toren und insbesondere Abgasrezirkulationssysteme für turbogeladene Ver­ brennungsmotoren.
In Verbrennungsmotoren wird ein Prozeß, der als Abgasrezirkulation ("ex­ haust gas recirculation" - EGR) bekannt ist, zur Verringerung der Menge an Stickoxid-(NOx)-Emissionen verwendet. Im allgemeinen beinhaltet die EGR das Zurückleiten eines Teils des Abgases in den Ansaugluftstrom. In einem Motor, bei dem der Abgas-Gegendruck höher als der Ansaugluftdruck ist (d. h. bei den meisten normalen Saugmotoren) kann ein EGR-Strom einfach durch den Anschluß einer Leitung zwischen der Abgas- und der Ansauglei­ tung erreicht werden. Der Strom vom Auspuffkrümmer wird aufgrund des ne­ gativen Druckdifferentials zu dem geringeren Druck des Einlasses gezogen. Bei einem turbogeladenen Verbrennungsmotor mit geladenem Einlaß muß je­ doch ein ungünstiges Druckdifferential überwunden werden.
Insbesondere wird in turbogeladenen Dieselmotoren der rezirkulierte Abgas­ strom für gewöhnlich in die Ansaugluft stromabwärts der Turboverdichter- und Zwischenkühlerkomponenten eingeleitet, um einen Qualitätsverlust bzw. eine Verschmutzung dieser Komponenten zu verhindern. Leider ist die Ansaugluft an dieser Stelle mit Druck beaufschlagt, woraus sich ein ungünsti­ ges Ansaug/Auspuff-Druckverhältnis für den Transport von EGR-Gasen er­ gibt. Dieselmotoren mit effizienten, gut abgestimmten Turboladern haben während einiger Betriebszustände ein unzureichendes Auspuff/Ansaug- Druckdifferential, um einen ausreichenden EGR-Strom zu erhalten, der zur Verringerung von Stickoxidemissionen in Übereinstimmung mit Umweltemis­ sionsbestimmungen ausreicht. Wenn ein Motor zum Beispiel bei geringer Drehzahl unter hoher Last läuft, kann die Abgastemperatur hoch genug sein, so daß der Ansaugkrümmerdruck höher als der Auspuffkrümmerdruck ist. Wenn zwischen dem Ansaugkrümmer und dem Auspuffkrümmer durch das EGR-System eine Verbindung geöffnet wird, fließt Luft von dem Ansaug­ krümmer in den Auspuffkrümmer anstelle des gewünschten Stromes vom Auspuffkrümmer zum Ansaugkrümmer.
Es sind verschiedene EGR-Systeme bekannt, die versuchen, dieses ungünsti­ ge Druckdifferential durch eine zusätzliche Pumpe oder einen Kompressor zu überwinden, die betätigbar sind, um einen Strom vom Auspuffkrümmer zum Ansaugkrümmer durch den EGR-Kanal zu schieben. Solche EGR-Kompres­ soren können mechanisch, elektrisch oder durch das Abgas von einem zwei­ ten Turbokompressor angetrieben werden. Es ist auch bekannt, einen zusätz­ lichen Kompressor im EGR-System für den Antrieb des Stromes vorzusehen. Diese benötigen jedoch eine relativ große Energiemenge, die deutlich auf Ko­ sten des sparsamen Kraftstoffverbrauchs bzw. der Kraftstoffausnutzung geht. Diese Systeme erhöhen auch die Komplexität und Kosten beim Zusam­ menbau eines Motors.
Es sind auch Systeme bekannt, bei welchen versucht wird, einen Auspuff- Ansaug-EGR-Strom durch Erhöhen des Drucks im Auspuffkrümmer (Gegen­ druck) zu erreichen. Dies kann durch sorgfältige Wahl der Motorkonstruk­ tion erreicht werden, wie der Wahl eines Turboladers mit einer bestimmten Turbinengröße unveränderlicher Geometrie, um ein geeignetes Druckdifferen­ tial zu erhalten. Zur Verstärkung des EGR-Stromes in einen bestimmten Mo­ tor könnte ein Turbolader unveränderlicher Geometrie gewählt werden, der von relativ geringer Größe ist, mit einer entsprechend geringen Aufnahmeka­ pazität und hohen Strömungsdrosselung. Die hohe Strömungsdrosselung würde einen erhöhten Gegendruck stromaufwärts der Turbine bewirken, der ausreicht, um den EGR-Strom zu dem Ansaugkrümmer zurückzutreiben. Lei­ der sind eine Turboladerturbine und ein Kompressor, die zum Erreichen eines solchen Gegendrucks gewählt werden, schlecht abgestimmt, und ein solches System führt zu einer weniger als optimalen Leistung, was, insbesondere bei höheren Motordrehzahlen, auf Kosten des sparsamen Kraftstoffverbrauchs und der Leistung geht.
In Verbindung mit der relativ kleinen Turbine, die in dem vorangehenden Ab­ satz besprochen wurde, ist des weiteren die Bereitstellung eines sogenannten Wastegate-Ventils (Ablaßventils) zur Ableitung bzw. Umgehung eines zu ho­ hen Abgas-Gegendrucks bekannt, wodurch die Motorleistung bei relativ ho­ hen Drehzahlen erhöht werden soll. Das Wastegate-Ventil umfaßt gewöhn­ lich ein Regelventil, das den hindurchgehenden Abgasstrom mit einer Fre­ quenz reguliert, die mit Abgasimpulsen synchron ist. Obwohl der Wirkungs­ grad und die Leistung des Motors insgesamt verbessert werden, führt diese Lösung weiterhin zu der Wahl einer kleineren Turbine für den Motor als für eine optimale Leistung und einen sparsamen Kraftstoffverbrauch gewünscht ist. Des weiteren ist von dem modulierenden Ventil des Wastegate-Bypass­ ventils bekannt, daß Zuverlässigkeitsprobleme aufgrund der rauhen Motor­ umgebung auftreten, in welcher es arbeitet. Insbesondere arbeitet das modu­ lierende Ventil des Wastegate-Bypassventils für gewöhnlich sehr nahe bei den Brennkammern des Motors, wo Abgastemperaturen, Gasdrücke und Mo­ torvibrationen höher sind. Diese Faktoren verringern die Kontrolle über das Wastegate-Ventil, wodurch wiederum die Kontrolle über den EGR-Strom und den Motor im allgemeinen geringer wird.
In dem Bemühen, die Probleme von mit Wastegate-Ventilen zusammenwir­ kenden Turbinen mit geringer, unveränderlicher Aufnahmekapazität zu lösen, ist die Bereitstellung einer Turbine variabler Geometrie mit beweglichen Schaufeln bekannt, die zur Änderung der Aufnahmekapazität und des Strö­ mungswiderstandes der Turbine eingestellt werden können. Diese Lösung ist jedoch nur in Situationen brauchbar, in welchen die Kosten nicht uner­ schwinglich sind, da Turbinen variabler Geometrie für gewöhnlich teurer als Turbinen mit Wastegate-Ventil sind. Des weiteren sind in diesen Systemen die Aufladung und Rotordrehzahl, die von der Turbine bereitgestellt werden, von der Aufnahmekapazität der Turbine abhängig, was zu einer geringeren als der erwünschten Motorleistung bei verschiedenen Betriebsbedingungen des Motors führt.
Angesichts der Tatsache, daß die Emissionsbestimmungen zunehmend stren­ ger werden, ist ein verbessertes EGR-System notwendig.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbren­ nungsmotor, ein Abgasrezirkulationssystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors anzugeben, wobei die aufgezeigten Nachteile ver­ mieden bzw. minimiert werden und/oder eine verbesserte, effiziente Abgasre­ zirkulation auf einfache, kostengünstige Weise ermöglicht werden.
Die obige Aufgabe wird durch einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1, ein Abgasrezirkulationssystem gemäß Anspruch 12 und ein Verfahren gemäß Anspruch 25 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Un­ teransprüche.
Die vorliegende Erfindung löst die genannte Aufgabe und behebt die Mängel nach dem Stand der Technik insbesondere durch die Bereitstellung - in einem Ausführungsbeispiel - eines EGR-Systems, das ein Ventil benutzt, das stromabwärts einer Abgasturbine angeordnet ist. In einem Ausführungs­ beispiel hat das EGR-System eine Steuerung zum Steuern des Ventils zur Op­ timierung der Motorleistung und der Emissionen, abhängig von den Betriebs­ bedingungen.
Die vorliegende Erfindung betrifft generell ein EGR-System für einen turbo­ geladenen Verbrennungsmotor. Der Motor weist einen Turbolader mit einem Kompressor zum Komprimieren von Luft, die an einen Ansaugkrümmer abge­ geben wird, und eine Abgasturbine, die in einem Auslaßkanal angeordnet ist, für den Antrieb des Kompressors auf. Das EGR-System weist einen EGR-Ka­ nal auf, der zwischen dem Einlaßkanal und dem Auslaßkanal verläuft, um eine Fluidverbindung dazwischen zu ermöglichen. Der EGR-Kanal führt im allge­ meinen einen EGR-Abgasstrom vom Auslaßkanal zum Einlaßkanal, um eine Verringerung von Stickoxidemissionen des Motors zu erreichen. Eine Dros­ selklappe ist im Auslaßkanal stromabwärts einer Einlaßöffnung angeordnet, die sich zu dem EGR-Kanal hin öffnet. Die Drosselklappe wird von einer Steuerung gesteuert, um den Strom durch den Auslaßkanal selektiv zu dros­ seln und dadurch den Gegendruck stromaufwärts der Drosselklappe zu ver­ ändern, um den EGR-Strom durch den EGR-Kanal einzustellen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Waste­ gate-Ventil parallel zu der Abgasturbine und stromaufwärts der Drosselklap­ pe angeordnet, um einen Teil des Abgasstromes um die Turbine herum- bzw. umzuleiten. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann die Abgasturbine vom Typ unveränderlicher Geometrie mit unveränderlicher Aufnahmekapazität sein.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Abgasturbine vom Typ variabler Geometrie. Die Turbine variabler Geometrie enthält einstellbare Schaufeln bzw. Schaufeln variabler Geometrie, welche die Aufnahmekapazi­ tät der Turbine und den Turbinenwirkungsgrad steuern. Ein Stellglied, das von der Steuerung gesteuert wird, stellt die Position der Schaufeln variabler Geometrie selektiv ein, um die Aufnahmekapazität der Turbine zu steuern.
In einem Ausführungsbeispiel kann die Steuerung die Drosselklappe unter Startbedingungen zumindest teilweise schließen. Dies führt zur Erzeugung eines höheren Gegendrucks und zum Verbrennen von Kraftstoff mit höherer Geschwindigkeit bzw. Rate, um Leerlaufbedingungen zu erreichen. Daraus resultiert eine höhere Rate der Wärmeübertragung in die Motorkomponen­ ten. Auf diese Weise kann das EGR-System gemäß der vorliegenden Erfin­ dung die Zeit vorteilhaft verringern, die zum Warmlaufen des Motors not­ wendig ist.
In einem Ausführungsbeispiel kann die Steuerung die Drosselklappe wäh­ rend eines Betriebs bei höherer Drehzahl zumindest teilweise schließen. Da­ durch entsteht ein Gegendruck, um einen Kompressionswiderstand in den Zylindern bereitzustellen. Das EGR-System der Erfindung kann vorteilhaft derart gesteuert werden, daß für eine Kompressionsbremsung gesorgt ist.
Es ist daher ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Mög­ lichkeit zur selektiven Erhöhung oder Steuerung des EGR-Stromes in einem turbogeladenen Verbrennungsmotor bereitzustellen.
Für turbogeladene Verbrennungsmotoren, die eine Turbine variabler Geome­ trie enthalten, ist es ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß die Aufnahmekapazität der Turbine von der Aufladung und der Rotordrehzahl der Turbine abgekoppelt ist.
Für turbogeladene Verbrennungsmotoren, die eine Turbine mit Wastegate- Ventil enthalten, ist ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung die Be­ reitstellung einer Turbine, die eine erhöhten Aufnahmekapazität aufweist, um unter gewissen Motorbedingungen einen erhöhten Wirkungsgrad und eine erhöhte Leistung des Motors bereitzustellen, während der gewünschte EGR- Strom beibehalten wird.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines verbesserten EGR-Systems, das weniger Teile und angemessene Kosten hat.
Diese und andere Merkmale, Eigenschaften, Ziele und Vorteile der Erfindung sind der ausführlichen Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung zu entnehmen. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Abgasrezirkulationssystems für einen Verbrennungsmotor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Abgasrezirkulationssystems für einen Verbrennungsmotor gemäß einem zweiten Ausführungsbei­ spiel der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Abgasrezirkulationssystems für einen Verbrennungsmotor gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Mit Bezugnahme auf die Figuren, in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile bezeichnen, zeigen Fig. 1 und 2 schematisch einen Verbrennungsmotor 10, der mit einem EGR-System 12 bzw. 14 versehen ist, das für eine Abgasre­ zirkulation sorgt. In jedem dieser Ausführungsbeispiele weist der Motor 10 einen Einlaßkanal 16 mit einem Ansaugkrümmer 18, der einen Ansaugluft­ strom zu den Motorzylindern 20 leitet, und einen Auslaßkanal 22 mit einem Auspuffkrümmer 24, der einen Abgasstrom von den Zylindern 20 wegleitet und schließlich, wie angezeigt, an die Umgebungsluft abgibt, auf. Im allgemei­ nen transportiert bzw. liefert das EGR-System 14 einen EGR-Strom vom Aus­ laßkanal 22 zurück in den Einlaßkanal 16.
Der Motor 10 weist einen Turbolader 26, 26', wie in Fig. 1 bzw. Fig. 2 darge­ stellt, zum Komprimieren von Ansaugluft auf herkömmliche Weise auf. Der Turbolader 26, 26' enthält eine Abgasturbine 28 bzw. 28', die in dem Auslaß­ kanal 22 angeordnet ist, die durch den hindurchgehenden Abgasstrom ange­ trieben wird. Die Abgasturbine 28, 28' ist antriebsmäßig mit einem Einlaßkom­ pressor bzw. -verdichter 30 durch eine gemeinsame Welle 32 oder eine an­ dere Verbindung verbunden. Der Einlaßkompressor 30 ist in dem Einlaßkanal 16 zum Komprimieren von Ansaugluft angeordnet. Ein Wärmetauscher oder Zwischenkühler 34 kann auch in dem Einlaßkanal 16 stromabwärts des Ein­ laßkompressors 30 zum Kühlen und Erhöhen der Dichte der komprimierten Ansaugluft angeordnet sein.
Zur Erleichterung des EGR-Stromes umfaßt das EGR-System 12, 14 einen EGR-Kanal 40 mit einer Einlaßöffnung 42, die an den Auslaßkanal 22 strom­ aufwärts der Abgasturbine 28, 28' angeschlossen ist, und mit einer Auslaßöff­ nung 44, die an den Einlaßkanal 16, vorzugsweise stromabwärts des Einlaß­ kompressors 30 und des Zwischenkühlers 34, angeschlossen ist. Wenn Ab­ gas durch den EGR-Kanal 40 strömt, geht es vorzugsweise durch einen EGR-Kühler 46 zur Senkung seiner Temperatur auf etwa 250 bis 300°F (etwa 121 bis 149°C), um dadurch die Dichte der Abgase in dem EGR-Strom zu erhöhen und eine effizientere Reduktion der Stickoxidemissionen zu errei­ chen.
Zur selektiven Ermöglichung oder Drosselung des EGR-Stromes umfaßt das EGR-System 12, 14 ein EGR-Ventil 48, das im EGR-Kanal 40, vorzugsweise stromaufwärts des EGR-Kühlers 46 angeordnet ist. Das EGR-Ventil 48 kann eine Art Sperrventil sein, das selektiv in eine offene oder geschlossene Posi­ tion bringbar ist, um den EGR-Strom selektiv zu ermöglichen oder zu sperren. Alternativ kann das EGR-Ventil 48 in einer modulierenden Weise betätigbar sein, um den EGR-Strom selektiv zu ermöglichen oder zu drosseln. Unter be­ stimmten Betriebsbedingungen, wenn ein EGR-Strom nicht notwendig ist oder möglicherweise nachteilige Wirkungen auf den Motor haben könnte, gibt eine Steuerung 50 ein Signal über eine Leitung 52 aus, welches das EGR-Ventil 48 zum Drosseln oder Sperren des EGR-Stromes betätigt. Zum Beispiel kann das EGR-Ventil 48 zur Schließung in Situationen betätigt wer­ den, die vorübergehend ein hohes Drehmoment verlangen, wobei der Strom durch den EGR-Kanal 40 gesperrt wird.
Zur selektiven Steuerung des Abgas-Gegendrucks und somit zur Steuerung des EGR-Stromes umfaßt das EGR-System 12, 14 ein Drosselventil bzw. eine Drosselklappe 54, wie in Fig. 1 bzw. 2 dargestellt. Gemäß einem Ausfüh­ rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Drosselklappe 54 in dem Auslaßkanal 22 stromabwärts der EGR-Einlaßöffnung 42 angeordnet. Im all­ gemeinen ist die Drosselklappe 54 zur selektiven Drosselung des Abgasstro­ mes durch den Auslaßkanal 22 betätigbar, wodurch der Gegendruck strom­ aufwärts der Drosselklappe 54 erhöht wird und dadurch das Druckdifferen­ tial zwischen dem Auslaßkanal 22 und dem Einlaßkanal 16 über den EGR- Kanal 40 erhöht wird. Durch die Verwendung der Drosselklappe 54 zur der­ artigen Steuerung des Gegendrucks kann der EGR-Strom gesteuert werden.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Drosselklappe 54 stromab­ wärts der Abgasturbine 28, 28' angeordnet, wo das Ventil 54 weniger starken Motorvibrationen, Gasdrücken und thermischen Lasten ausgesetzt ist. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise die Verwendung einer weniger teuren Dros­ selklappe 54 mit geringeren Toleranzanforderungen als bei einem Ausführ­ ungsbeispiel, in dem die Drosselklappe 54 stromaufwärts der Turbine 28 an­ geordnet ist. Die Anordnung der Drosselklappe 54 stromabwärts der Abgas­ turbine 28, 28' erhöht auch im allgemeinen die Lebensdauer der Drosselklap­ pe 54 und somit die Zuverlässigkeit des Motors 10. Alternativ kann die Dros­ selklappe 54 jedoch auch stromaufwärts der Turbine 28, 28' angeordnet sein.
Zur Erhöhung des EGR-Stromes sendet die Steuerung 50 ein Signal über eine Leitung 56 zu der Drosselklappe 54 zur selektiven Steuerung des Aus­ maßes der Öffnung der Drosselklappe 54, die dadurch für eine bestimmte Strömungsdrosselung im Auslaßkanal 22 stromabwärts der EGR-Einlaßöff­ nung 42 sorgt. Die durch die Drosselklappe 54 erzielte Drosselung erhöht den Gegendruck im Auslaßkanal 22 stromaufwärts der Drosselklappe 54, der den Anteil des Abgasstromes erhöht, der in den EGR-Kanal 40 eingeleitet wird, wodurch der EGR-Strom verstärkt wird. Der stärkere EGR-Strom führt zu einem umweltfreundlicheren Motor, indem insgesamt höhere Reduktionen in den Stickoxidemissionen erreicht werden. Zur Senkung des EGR-Stromes sendet die Steuerung 50 ein weiteres Signal über die Leitung 56 zu der Dros­ selklappe 54, um eine weniger restriktive Drosselung zu erhalten und da­ durch den Gegendruck in dem Auslaßkanal 22 und die Menge des EGR- Stromes zu senken. Die Senkung des EGR-Stromes verbessert für gewöhn­ lich die Motorleistung, den Wirkungsgrad und das Betriebsverhalten des Motors.
In einem Ausführungsbeispiel kann die Steuerung 50 die Drosselklappe 54 in einer offenen Position, einer geschlossenen Position und in dazwischenlie­ genden variablen Positionen positionieren. Die Steuerung 50 positioniert die Drosselklappe 54 selektiv abhängig von einem oder mehreren erfaßten Para­ meter, wie der Motorlast, der Motordrehzahl, der EGR-Strömungsrate oder einem anderen Parameter, die durch ein Signal über eine oder mehrere Ein­ gangsleitungen 57 der Steuerung 50 zugeführt werden. Zum Beispiel kann bei geringeren Drehzahlen, wie bei geringer Drehzahl und hohen oder Teilla­ sten, die Steuerung die Drosselklappe 54 teilweise schließen, wodurch eine relativ hohe Drosselung zur Erhöhung des Gegendruckes an der EGR-Ein­ laßöffnung 42 erreicht und somit der EGR-Strom verstärkt wird. Bei hohen Motordrehzahlen veranlaßt die Steuerung 50 zum Beispiel eine Öffnung der Drosselklappe 54, wodurch das Ausmaß der Strömungsdrosselung gesenkt wird. Die Steuerung 50 ist so konstruiert, daß die Drosselklappe 54 nach Wunsch gesteuert wird, was zum Beispiel von der besonderen Form des Mo­ tors 10, dem gewünschten Ausmaß der Stickoxidemissionen, dem gewünsch­ ten Betriebsverhalten und den Leistungsabgabeanforderungen des Motors 10 usw. abhängig ist. In einem Ausführungsbeispiel wird die Drosselklappe 54 moduliert, wobei die Position für gewöhnlich mit relativ geringer Frequenz in Übereinstimmung mit Übergängen zwischen der Motordrehzahl und der Last in der Größenordnung von wenigen Sekunden aktualisiert wird.
Zusätzlich zur Erhöhung des EGR-Stromes ist die Drosselklappe 54 zur Ver­ ringerung der Warmlaufzeit für den Motor 10 während des anfänglichen Startens des Motors nützlich. Zum Beispiel kann während des Startens des Motors die Drosselklappe 54 von der Steuerung 50 vollständig oder im we­ sentlichen geschlossen werden, um stromaufwärts einen Gegendruck im Aus­ laßkanal 22 bereitzustellen. Dadurch benötigt der Motor 10 eine höhere Kraftstoffverbrennung, um Leerlaufbedingungen zu erreichen. Die höhere Kraftstoffrate führt zu einer höheren Wärmeabfuhr an das Motorkühlmittel, so daß sich der Motor 10 schneller erwärmt. Da der EGR-Strom durch Schlie­ ßen des EGR-Ventils 48 für gewöhnlich vermieden wird, bis der Motor warm ist, wird dadurch des weiteren die Zeit verkürzt, die in einem Nicht-EGR-Mo­ dus mit hohen Stickoxid-(NOx)-Emissionen aufgewendet wird. Da dadurch ein Zustand mit EGR-Strom früher erreicht wird, sind die Stickoxidemissionen in vorteilhafter Weise verringert.
Die Drosselklappe 54 kann zusätzlich auch zur Kompressionsbremsung (Motorbremse) verwendet werden. Gemäß diesem Merkmal kann die Drossel­ klappe 54 von der Steuerung 50 vollständig oder im wesentlichen geschlos­ sen werden, um für eine starke Kompression in den Zylindern 20 des Motors zu sorgen. Dies kann zur Kompressionsbremsung verwendet werden, um die Drehzahl des Motors 10 zu verlangsamen bzw. ein Bremsmoment zu erzeu­ gen.
In dem EGR-System 12, das in Fig. 1 dargestellt ist, ist die Abgasturbine 28 eine Turbine variabler Geometrie. Die Turbine 28 variabler Geometrie umfaßt verstellbare Schlaufen bzw. Schaufeln variabler Geometrie, die durch ein Stellglied 62 eingestellt werden können, um die Aufnahmekapazität der Tur­ bine 28 zu steuern. Die Schaufeln variabler Geometrie können auch den Wir­ kungsgrad der Turbine steuern. Das Stellglied 62 kann von der Steuerung 50 über eine Leitung 58 gesteuert werden. Durch Kombinieren der Turbine 28 variabler Geometrie mit der Drosselklappe 54 kann die Aufnahmekapazität (die entweder durch die Schaufeln variabler Geometrie oder die Drosselklap­ pe 54 gesteuert werden kann) unabhängig von der Aufladung und der Ro­ tordrehzahl der Turbine 28 gesteuert werden (die teilweise von der Position der Schaufeln variabler Geometrie abhängig ist). Es ist ein Vorteil, daß da­ durch eine höhere Leistungsfähigkeit des Motors erhalten wird und der spe­ zifische Kraftstoffverbrauch und die Steuerbarkeit verbessert werden. In dem EGR-System 12 von Fig. 1 kann die Drosselklappe 54 auch durch die Steu­ erung 50 bei höheren Motordrehzahlen geschlossen werden, um den Gegen­ druck zu erhöhen und einen verstärkten EGR-Strom vorzusehen.
In den Ausführungsbeispielen, die in Fig. 2 und 3 dargestellt sind, umfaßt das EGR-System 14 eine Abgasturbine 28', die eine Turbine unveränderlicher Geometrie sein kann. Der Auslaßkanal 22 enthält einen Wastegate-Kanal 66, der fluidparallel zu der Turbine 28' angeordnet ist, um einen übermäßigen Druckaufbau in dem Auslaßkanal 22 stromaufwärts der Turbine 28' abzulei­ ten. Insbesondere ist der Wastegate-Kanal 66 in Fluidverbindung mit dem Auslaßkanal 22 an einer Einlaßöffnung verbunden, die stromaufwärts der Turbine 28' angeordnet ist. Der Wastegate-Kanal 66 ist zur Rückleitung des Stromes zu dem Auslaßkanal an einem Wiedereintrittspunkt stromabwärts der Turbine 28' angeschlossen. Der Wiedereintrittspunkt des Wastegate-Kanals 66 in den Auslaßkanal 22 ist in dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 strom­ aufwärts der Drosselklappe 54 angeordnet. Wie in Fig. 3 dargestellt, kann der Wiedereintrittspunkt des Wastegate-Kanals 66 in den Auslaßkanal 22 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung jedoch auch stromabwärts der Drosselklappe 54 angeordnet sein.
Wie in Fig. 2 und 3 dargestellt, ist ein Wastegate-Ventil 68 in dem Wastegate- Kanal 66 angeordnet. Das Wastegate-Ventil 68 ist zum Drosseln oder Modu­ lieren des Stromes durch den Wastegate-Kanal 66 betätigbar, um die Rotor­ drehzahl und den Wirkungsgrad der Turbine 28' zu steuern. Auf diese Weise kann der Zustand des Wastegate-Ventils 68 gesteuert bzw. verwendet wer­ den, um das Betriebsverhalten des Motors 12 zu regulieren. Der Wastegate- Kanal 66 und das Wastegate-Ventil 68 sind zur Veränderung der Aufnahme­ kapazität der Turbine 28' effektiv. Das Wastegate-Ventil 68 wird von der Steuerung 50 über eine Leitung 70 gesteuert.
Die Ausführungsbeispiele, die die Drosselklappe 54 in Kombination mit der Turbine 28' unveränderlicher Geometrie und dem Wastegate-Kanal 66 auf­ weisen, bieten mehrere Vorteile. Ein Vorteil ist, daß die EGR-Strömungsrate durch die Möglichkeit einer selektiven Strömungsdrosselung erhöht werden kann, indem die Drosselklappe 54 selektiv bei Teillast und auch bei niedriger Drehzahl/hoher Last geschlossen wird, wodurch die gewünschte Verringe­ rungsrate in Stickoxidemissionen erreicht wird, um leichter den strengen Emissionsbestimmungen zu entsprechen. Durch Erhöhung der EGR-Strö­ mungsrate kann die Einspritzungszeitsteuerung vorgezogen und der Kraft­ stoffverbrauch verbessert werden. Da die Drosselklappe 54 zum Aufbau ei­ nes Gegendrucks im Auslaßkanal 22 verwendet werden kann, ist die Aufnah­ mekapazität der Abgasturbine nicht so kritisch zur Erleichterung des EGR- Stromes, und daher kann eine größere Turbine 64 nach Wunsch gewählt wer­ den, um einen besser abgestimmten Turbolader 26 und somit einen effizien­ teren Motor 10 mit besserem Betriebsverhalten, insbesondere bei höheren Drehzahlen, bereitzustellen. Die Aufladeenergie kann bei diesem Ausführ­ ungsbeispiel auch zur Erhöhung der Motorleistung gesenkt werden. Die Drosselklappe 54 kann auch für einen tatsächlichen Ausgleich von Unter­ schieden in der Abgasdrosselung zwischen verschiedenen Motoren oder von Änderungen in der Abgasdrosselung im Laufe der Zeit verwendet werden. Die Drosselklappe 54 kann auch für einen tatsächlichen Ausgleich von Un­ terschieden zwischen Motoren oder eines Qualitätsverlustes des Motors im Laufe der Zeit verwendet werden.
In dem EGR-System 14 kann das Wastegate-Bypassventil 66 den umgeleite­ ten Abgasstrom entweder stromaufwärts, wie in Fig. 2 dargestellt, oder strom­ abwärts der Drosselklappe 54 abgeben, wie in Fig. 3 dargestellt. Die Drossel­ klappe 54 kann auch so angeordnet und/oder betreibbar sein, daß sie auf den gesamten Abgasstrom der Abgaskanäle wirkt, wie dargestellt, oder alternativ auf einem Teil des Abgasstromes zu den Abgaskanälen, unabhängig davon, ob die Drosselklappe 54 stromaufwärts oder stromabwärts der Abgasturbine 28' angeordnet ist.

Claims (31)

1. Verbrennungsmotor (10) mit einem Einlaßkanal (16), einem Auslaßkanal (22) und einem Abgasrezirkulationssystem (12, 14), wobei das Abgasrezirku­ lationssystem (12, 14) aufweist:
einen EGR-Kanal (44), der fluidisch an den Auslaßkanal (22) angeschlossen ist, um einen EGR-Abgasstrom von dem Auslaßkanal (22) zu dem Einlaßkanal (16) zu leiten;
vorzugsweise einen EGR-Kühler (46), der in dem EGR-Kanal (44) zum Küh­ len des EGR-Stromes vor dem Eintritt in den Einlaßkanal (16) angeordnet ist;
eine Abgasturbine (28, 28') zum Antrieb eines Ansaugkompressors (39), die im Auslaßkanal (22) stromabwärts des EGR-Kanals (44) angeordnet ist;
ein Drosselventil (54), das in dem Auslaßkanal (22) stromabwärts des EGR- Kanals (44) angeordnet ist und zum selektiven bzw. wahlweisen Drosseln des Stromes durch den Auslaßkanal (22) betätigbar ist; und
eine Steuerung (50), die zum Einstellen des Drosselventils (54) betätigbar bzw. einsetzbar ist.
2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Drosselventil (54) stromabwärts der Abgasturbine (28, 28') angeordnet ist.
3. Verbrennungsmotor nach einen der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (50) das Drosselventil (54) zur Veränder­ ung des Gegendrucks in dem Auslaßkanal (22) einstellt, um den EGR-Strom zu steuern.
4. Verbrennungsmotor nach einen der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (50) das Drosselventil (54) abhängig von der Motordrehzahl moduliert.
5. Verbrennungsmotor nach einen der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (50) das Drosselventil (54) während eines Startvorganges des Motors (10) im wesentlichen schließt.
6. Verbrennungsmotor nach einen der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (10) des weiteren aufweist:
einen Wastegate-Bypasskanal (66) in Verbindung mit dem Auslaßkanal (22) zum Umleiten eines Wastegate-Stromes von dem Auslaßkanal (22) stromauf­ wärts der Abgasturbine (28, 28'), so daß dieser wieder in den Auslaßkanal (22) stromabwärts der Abgasturbine (28, 28') eintritt; und
ein Wastegate-Ventil (68), das im Wastegate-Bypasskanal (66) angeordnet ist, um den Wastegate-Strom selektiv zu drosseln.
7. Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasturbine (28, 28') von einer Art mit Schaufeln unveränderlicher Geome­ trie ist.
8. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Abgasturbine (28, 28') Schaufeln variabler Geometrie bzw. verstellbare Schaufeln und ein Stellglied (62) zum selektiven Einstellen der Position der Schaufeln aufweist, wobei das Stellglied (62) von der Steuerung (50) gesteuert wird.
9. Verbrennungsmotor nach einen der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (50) betätigbar ist, um das Drosselventil (54) im wesentlichen zu schließen, so daß ein Gegendruck im Auslaßkanal (22) entsteht, der für eine Kompressionsbremsung sorgt.
10. Verbrennungsmotor nach einen der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (10) ein EGR-Ventil (48) aufweist, das im EGR-Kanal (44) angeordnet ist und zur Veränderung des EGR-Stromes einstellbar ist.
11. Verbrennungsmotor nach einen der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (10) einen Zwischenkühler (34) aufweist, der im Einlaßkanal (16) stromaufwärts des EGR-Kanals (44) angeordnet ist und/oder daß das Drosselventil (54) klappenartig ausgebildet ist.
12. Abgasrezirkulationssystem (12, 14) für einen Verbrennungsmotor (10) mit einem Einlaßkanal (16), einem Auslaßkanal (22) und einem Turbolader (26, 26') mit einer Turbine (28, 28'), die im Auslaßkanal (22) angeordnet ist, wobei der Turbolader (26, 26') einen Kompressor (30) antreibt, der im Einlaßkanal (16) zum Laden bzw. Fördern von Luft in den Einlaßkanal (16) angeordnet ist, wobei das Abgasrezirkulationssystem (12, 14) umfaßt:
einen EGR-Kanal (44), der in Fluidverbindung an den Auslaßkanal (22) stromaufwärts der Turbine (28, 28') angeschlossen ist, um einen EGR-Abgas­ strom von dem Auslaßkanal (22) zu dem Einlaßkanal (16) zu leiten;
einen EGR-Kühler (46), der im EGR-Kanal (44) zum Kühlen des EGR-Stro­ mes vor dem Eintritt in den Einlaßkanal (16) angeordnet ist;
ein Drosselventil (54), das in dem Auslaßkanal (22) stromabwärts des EGR- Kanals (44) angeordnet ist und zum selektiven Drosseln des Stromes durch den Auslaßkanal (22) betätigbar ist; und
eine Steuerung (50), die zum Einstellen des Drosselventils (54) zum Steuern des Gegendrucks im Auslaßkanal (22) betätigbar bzw. einsetzbar ist.
13. Abgasrezirkulationssystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Drosselventil (54) stromabwärts der Turbine (28, 28') angeordnet ist.
14. Abgasrezirkulationssystem nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuerung (50) das Drosselventil (54) zur Erhöhung oder Veränderung des Gegendrucks im Auslaßkanal (22) zur Steuerung einer Rate des EGR-Stromes einstellt.
15. Abgasrezirkulationssystem nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (50) das Drosselventil (54) abhängig von einem oder mehreren Motorbetriebsparametern moduliert.
16. Abgasrezirkulationssystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Motorbetriebsparameter die Motordrehzahl ist.
17. Abgasrezirkulationssystem nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß einer der Motorbetriebsparameter die Motorlast ist.
18. Abgasrezirkulationssystem nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (50) betätigbar ist, um das Drosselventil (54) während eines Startvorganges des Motors (10) im wesentlichen zu schließen.
19. Abgasrezirkulationssystem nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgasrezirkulationssystem (12, 14) weiter aufweist:
einen Wastegate-Kanal (66) in Verbindung mit dem Auslaßkanal (22) zum Umleiten eines Wastegate-Stromes von dem Auslaßkanal (22) stromaufwärts der Turbine (28'), so daß dieser wieder in den Auslaßkanal (22) stromabwärts der Turbine (28') eintritt; und
ein Wastegate-Ventil (68), das im Wastegate-Kanal (66) angeordnet ist, um den Wastegate-Strom selektiv zu drosseln.
20. Abgasrezirkulationssystem nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine (28') eine Turbine unveränderlicher Geometrie ist.
21. Abgasrezirkulationssystem nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuerung (50) zum Einstellen des Wastegate-Ventils (68) betätigbar bzw. einsetzbar ist.
22. Abgasrezirkulationssystem nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine (28) Schaufeln variabler Geometrie bzw. verstellbare Schaufeln und ein Stellglied (62) zum selektiven Einstellen der Position der Schaufeln aufweist, wobei das Stellglied (62) von der Steuerung (50) gesteuert wird.
23. Abgasrezirkulationssystem nach einem der Ansprüche 12 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (50) betätigbar ist, um das Drosselventil (54) im wesentlichen zu schließen, so daß ein Gegendruck im Auslaßkanal (22) entsteht, der für eine Kompressionsbremsung sorgt.
24. Abgasrezirkulationssystem nach einem der Ansprüche 12 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgasrezirkulationssystem (12, 14) ein EGR-Ventil (48) aufweist, das im EGR-Kanal (44) angeordnet und zur Veränderung des EGR-Stromes einstellbar ist, und/oder daß das Drosselventil (54) klappenartig ausgebildet ist.
25. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem Einlaßka­ nal, einem Auslaßkanal einem Turbolader mit einer Turbine, die im Auslaßka­ nal angeordnet ist, der einen Kompressor antreibt, der im Einlaßkanal zum La­ den bzw. Fördern von Ansaugluft angeordnet ist, und einem EGR-Kanal, der zur Leitung eines EGR-Stromes vom Auslaßkanal zu dem Einlaßkanal ange­ schlossen ist, wobei der EGR-Kanal mit dem Auslaßkanal stromaufwärts der Turbine in Verbindung steht, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt:
Drosseln des Stromes durch den Auslaßkanal an einer Stelle stromabwärts des EGR-Kanals zur Einstellung des Gegendrucks im Auslaßkanal; und
Kühlen des EGR-Stromes vor dem Eintritt in den Einlaßkanal.
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Küh­ lungsschritt die Bereitstellung eines EGR-Wärmetauschers beinhaltet, der im EGR-Kanal angeordnet ist.
27. Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Drosselungsschritt das Bereitstellen einer Drosselklappe bzw. eines Drossel­ ventils im Auslaßkanal stromabwärts des EGR-Kanals umfaßt.
28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Drosse­ lungsschritt ein Steuern des Drosselventils abhängig von einem oder mehre­ ren Motorbetriebsparametern umfaßt.
29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Steue­ rung das Einstellen des Drosselventils zum Steuern des EGR-Stromes umfaßt.
30. Verfahren nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung das im wesentliche Schließen des Drosselventils über einen Zeit­ raum nach dem Starten des Motors umfaßt, um das Warmlaufen des Motors zu unterstützen.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung das Einstellen des Drosselventils (54) zur Erhöhung des Gegendrucks im Auslaßkanal (22) umfaßt, um eine Kompressionsbremsung der Kraftmaschine herbeizuführen.
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