DE102004021212A1

DE102004021212A1 - Vorrichtung zur Abgasrückführung

Info

Publication number: DE102004021212A1
Application number: DE102004021212A
Authority: DE
Inventors: Gordon Dipl.-Ing. Röttger; Diego Dipl.-Ing. Lehmann
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2004-04-29
Filing date: 2004-04-29
Publication date: 2005-11-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Abgasrückführung in ein Saugrohr (2) einer Brennkraftmaschine. Hierzu hat die Vorrichtung (1) eine Abgasrückführleitung (3), die durch eine Wandfläche (4) des Saugrohres (2) hindurchgeführt ist und mit einem Endbereich (5) der Abgasrückführleitung (3) in das Saugrohr (2) hineinreicht. Dieser Endbereich (5) hat in seiner Mantelfläche eine Einlassöffnung (6) für Frischgas. Die Einlassöffnung (6) ist dabei korrespondierend zu einem Maximum des Strömungsgeschwindigkeitsprofils des Frischgases angeordnet, so dass ein Teil des Frischgasvolumenstroms vor einer Auslassöffnung (8) der Abgasrückführleitung (3) durch die Einlassöffnung (6) in die Abgasrückführleitung (3) eintritt und dadurch eine Durchmischung mit dem Abgas ermöglicht. Zugleich wird dadurch die thermische Bauteilbelastung verringert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgasrückführung in ein Saugrohr einer Brennkraftmaschine, insbesondere einem Saugrohr aus Kunststoff, mit einer Abgasrückführleitung, die durch eine Wandfläche des Saugrohres hindurchgeführt und mit einem Endbereich der Abgasrückführleitung innerhalb des Saugrohres fortgeführt ist.
Die Erhöhung des thermischen Wirkungsgrads durch eine Optimierung des Verbrennungsablaufs führt im Normalfall zu einer schnelleren Verbrennung mit einer höheren Verbrennungstemperatur. Damit verbunden sind eine höhere NOx-Produktion und eine geringere Nachoxidation der unverbrannten Kohlenwasserstoffe. Eine Möglichkeit diesen Zielkonflikt der Wirkungsgradverbesserung und Emissionserhöhung weitgehend zu vermeiden, ist die Abgasrückführung.
Eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Abgasrückführung ist beispielsweise durch die DE 39 16 466 A1 bekannt, bei der die Abgasrückführleitung die durch eine Wandfläche des Saugrohres hindurchgeführt ist. Zur Vermeidung von Temperaturproblemen und zur Erzielung einer schwingungsresistenten Ausführung der Abgasrückführleitung ist der Endbereich der Abgasrückführleitung innerhalb des Saugrohres fortgeführt und mittels zumindest einer Isolierbüchse gegenüber der Saugrohrwand isoliert. Die Isolierbüchse besteht vorzugsweise aus Keramik und ist mit den Wärmeübergang vermindernden Ausnehmungen versehen. Der Endbereich der Abgasrückführleitung ist innerhalb des Saugrohres mit mehreren Ausströmöffnungen versehen, welche ein gleichmäßiges Ausströmen des zurückgeführten Abgases über die gesamte Länge sicherstellen.
Weiterhin ist durch offenkundige Vorbenutzung auch ein FSI-Ottomotor mit Vierventiltechnik bekannt, bei dem die Abgasrückführung direkt in das Kunststoffsaugrohr eingeleitet wird. Um die zulässige thermische Belastung der Bauteile nicht zu überschreiten, ist der Flansch der Abgasrückführleitung thermisch gegenüber dem Saugrohr entkoppelt.
Bei einem ebenfalls bereits in der Praxis eingesetzten 4,0 l-V8-TDI-Motor ist die Abgasrückführleitung doppelwandig ausgeführt.
Weitere gattungsgemäße Vorrichtungen zur Abgasrückführung sind beispielsweise auch durch die JP-63-038679 A1, die DE 26 58 051 A1 , die DE 198 07 463 A1 sowie die DE 31 06 588 C2 bekannt.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, zugleich die thermische Belastung der Wandfläche des Saugrohres zu verringern und zugleich die Durchmischung des durch die Abgasrückführleitung zugeführten Abgases mit Frischgas zu verbessern.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung zur Abgasrückführung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß hat also die Vorrichtung zur Abgasrückführung eine Einlassöffnung für Frischgas in einer Mantelfläche des Endbereiches der Abgasrückführleitung. Hierdurch wird eine wesentlich verbesserte Durchmischung des durch die Abgasrückführleitung zugeführten Abgases mit dem Frischgas erreicht, indem ein Teilvolumen des Frischgases in den Endbereich des Saugrohres in dem Abschnitt vor dessen Rohrende eintritt. Die auf diese Weise optimierte Durchmischung senkt zugleich die thermische Bauteilbelastung. Zudem wirkt der Frischgasstrom als Isolator für die Saugrohroberfläche, weil dadurch das heiße Abgas nicht direkt auf die Wandfläche auftrifft. Weiterhin tritt dabei ein verminderter Druckverlust auf, so dass eine Drosselklappe der Brennkraftmaschine bei unverändertem Abgasanteil weiter geöffnet werden kann und dadurch zugleich der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine steigt. Außerdem wird eine weiter verbesserte Gleichverteilung des Abgases auf die einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine erreicht. Die Abgasrückführung ist dabei nicht auf Saugrohre beschränkt, sondern kann bei unterschiedlichen Luftsammlern und frischluftführenden Bauteilen der Saugseite der Brennkraftmaschine eingesetzt werden.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird dabei auch dann erreicht, wenn die Einlassöffnung mit einem Maximum eines Strömungsgeschwindigkeitsprofils des Frischgases innerhalb des Saugrohres korrespondiert. Hierdurch werden die hohen Geschwindigkeiten des gebündelten Frischgases, des so genannten Frischgasjets, zur Vorvermischung des zurückgeführten Abgases mit dem Frischgas ausgenutzt. Der Frischgasjet trifft dabei ungehindert in Strömungsrichtung auf die Einlassöffnung in der Mantelfläche des Saugrohres, so dass ein erheblicher Durchmischungsgrad erreicht wird.
Hierzu ist das Strömungsgeschwindigkeitsprofil nach einer weiteren besonders Erfolg versprechenden Abwandlung der vorliegenden Erfindung durch eine einstellbare Neigung einer Drosselklappe der Brennkraftmaschine bestimmt. Auf diese Weise ergibt sich ein optimales funktionales Zusammenwirken des Drosselklappenöffnungswinkels und des damit verbundenen Volumenstrom des Frischgases einerseits und der Durchmischung des Frischgasstromes mit dem Abgas mittels des durch den Frischgasjet in die Einlassöffnung eintretenden Frischgases andererseits. Hierdurch wird in einfacher Weise eine selbstregelnde Durchmischung unter verschiedenen Betriebsbedingungen erreicht.
Weiterhin erweist es sich als besonders vorteilhaft, wenn gemäß einer Abwandlung die Abgasrückführleitung eine außerhalb des Saugrohres angeordnete weitere Einlassöffnung für Frischgas aufweist und dadurch die Durchmischung des zurückgeführten Abgases mit Frischgas bereits vor dem Eintritt der der Abgasrückführleitung in das Saugrohr erfolgen kann.
Eine besonders praxisgerechte Abwandlung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasrückführung wird dann erreicht, wenn der Endbereich eine gestreckte Geometrie mit einer in Richtung seiner Haupterstreckung angeordneten Auslassöffnung aufweist. Hierdurch wird die durch das zurückgeführte Abgas bestimmte Hauptströmung nur unwesentlich beeinflusst. Vielmehr wird die Abgasströmung innerhalb des Endbereiches der Abgasrückführleitung hinter der Einlassöffnung nicht behindert. Dabei tritt durch den Frischgasjet eine Beschleunigung ein, wodurch der Strömungsverlauf optimiert ist.
Zusätzlich kann gemäß einer weiteren Erfolg versprechenden Weiterbildung die Abgasrückführleitung in der Mantelfläche ihres Endbereiches eine oder mehrere zusätzliche Auslassöffnungen aufweisen, die beispielsweise eine an die Strömungs- und Temperaturverhältnisse angepasste Geometrie sowie Abmessungen haben. Beispielsweise kann der Rohrbogen an seinem Umfang angeordnete Öffnungen mit verschiedenen Strukturen sowie kreisförmige, quadratische, rechteckige sowie ovale Querschnittsformen aufweisen.
Die Einlassöffnung kann entsprechend der jeweiligen konstruktiven Gegebenheiten der Abgasrückführung unterschiedliche Formgebungen oder Abmessungen aufweisen. Besonders vorteilhaft ist es hingegen, wenn die Einlassöffnung als ein Schlitz ausgeführt, dessen Haupterstreckung quer zu der Abgasrückführleitung ausgerichtet ist und dadurch eine gezielte Zufuhr des Frischgasjets mit hoher Strömungsgeschwindigkeit gestattet, wobei zugleich ein unkontrolliertes Austreten des Abgases durch die Einlassöffnung verbunden mit einer thermischen Einwirkung auf die Wandfläche vermieden wird.
Bei einer anderen, ebenfalls besonders vorteilhaften Abwandlung weist der Endbereich einen Rohrbogen auf. Hierdurch tritt das Frischgas in die Einlassöffnung in den Endbereich der Abgasrückführleitung ein und bildet im Endbereich einen Mischwirbel aus. Dieser Mischwirbel verlängert die Vormischstrecke und verbessert somit die Durchmischung von Frischgas und Abgas. Das Abströmen der Durchmischung von Frischgas und Abgas erfolgt dann beiderseits des Rohrbogens.
Hierzu eigenen sich insbesondere einfache Rohrbogen die einen Winkel zwischen 45° und 130°, insbesondere 90° aufweisen.
Der vorteilhafte Effekt der Ausbildung des Mischwirbels wird zudem dann in besonders erfolgversprechender Weise verstärkt, wenn das Rohrende verschlossen ausgeführt ist oder eine wesentlich reduzierte Auslassöffnung aufweist, so dass der Strömungsaustritt nicht in Richtung der Rohrmittelachse erfolgt, sondern durch eine Auslassöffnung in der Mantelfläche des Endbereiches der Abgasrückführleitung.
Hierzu kann sich insbesondere die Einlassöffnung in Längsrichtung des Rohrbogens bis zu seinem verschlossenen Rohrende erstrecken. Die Einlassöffnung unterteilt sich dadurch in Bereiche, in denen der Frischgaseintritt überwiegt und solche Bereiche, in denen der Austritt des Gasgemisches überwiegt. In der Praxis bildet sich dabei beispielsweise ein Mischwirbel aus, dessen Zentrum außerhalb des Rohrbogens zu diesem benachbart positioniert ist, wobei der Rohrbogen den Mischwirbel außenseitig begrenzt und zugleich durch das zugeführte Frischgas eine optimale Durchmischung sichergestellt ist.
Eine andere ebenfalls besonders praxisgerechte Abwandlung wird auch dann erreicht, wenn die Einlassöffnung einstellbar ist. Hierdurch können die Größe der Einlassöffnung sowie die Geometrie der Einlassöffnung an die jeweiligen Betriebsbedingungen bzw. die konstruktive Ausgestaltung der Abgasrückführung angepasst werden.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese jeweils bei einer Vorrichtung zur Abgasrückführung in
1 eine in ein Saugrohr hineinreichende gestreckte Abgasrückführleitung;
2 eine weitere in ein Saugrohr hineinreichende Abgasrückführleitung, deren Endbereich einen Rohrbogen aufweist;
1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Abgasrückführung in ein Saugrohr 2 einer nicht weiter dargestellten Brennkraftmaschine. Hierzu hat die Vorrichtung 1 eine Abgasrückführleitung 3, die durch eine Wandfläche 4 des Saugrohres 2 hindurchgeführt ist und mit einem Endbereich 5 der Abgasrückführleitung 3 in das Saugrohr 2 hineinreicht. Dieser Endbereich 5 hat in seiner Mantelfläche eine Einlassöffnung 6 für Frischgas. Mittels einer nicht dargestellten Drosselklappe wird innerhalb des Saugrohres 2 ein durch die Stärke der Strömungslinien 7 verdeutlichtes Strömungsprofil erzeugt. Die Einlassöffnung 6 ist dementsprechend zu einem Maximum des Strömungsgeschwindigkeitsprofils des Frischgases korrespondierend angeordnet, so dass ein Teil des Frischgasvolumenstroms vor einer Auslassöffnung 8 der Abgasrückführleitung 3 durch die Einlassöffnung 6 in die Abgasrückführleitung 3 eintritt und dadurch eine Durchmischung mit dem Abgas ermöglicht.
2 zeigt eine demgegenüber abgewandelte Vorrichtung 9 zur Abgasrückführung in das Saugrohr 2, wobei ein in das Saugrohr 2 hineinreichender Endbereich 10 einer Abgasrückführleitung 11 einen Rohrbogen 12 aufweist. Im Zusammenwirken mit einem verschlossenen Rohrende 13 des Rohrbogens 12 tritt das Frischgas in eine Einlassöffnung 14 in den Endbereich 10 der Abgasrückführleitung 11 ein und bildet in dem Endbereich 10 einen Mischwirbel aus. Die Einlassöffnung 14 erstreckt sich dabei in Längsrichtung des Rohrbogens 12 bis zu seinem verschlossenen Rohrende 13. Durch den so erzeugten Mischwirbel verlängert sich die Vormischstrecke und gestattet daher eine verbesserte Durchmischung von Frischgas und Abgas.

Claims

Vorrichtung (1, 9) zur Abgasrückführung in ein Saugrohr (2) einer Brennkraftmaschine, insbesondere einem Saugrohr (2) aus Kunststoff, mit einer Abgasrückführleitung (3, 11), die durch eine Wandfläche (4) des Saugrohres (2) hindurchgeführt und mit einem Endbereich (5, 10) der Abgasrückführleitung (3, 11) innerhalb des Saugrohres (2) fortgeführt ist, gekennzeichnet durch eine Einlassöffnung (6, 14) für Frischgas in einer Mantelfläche des Endbereiches (5, 10) der Abgasrückführleitung (3, 11).
Vorrichtung (1, 9) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassöffnung (6, 14) mit einem Maximum eines Strömungsgeschwindigkeitsprofils des Frischgases innerhalb des Saugrohres (2) korrespondiert.
Vorrichtung (1, 9) nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsgeschwindigkeitsprofil durch eine einstellbare Neigung einer Drosselklappe der Brennkraftmaschine bestimmt ist.
Vorrichtung (1, 9) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführleitung (3, 11) eine außerhalb des Saugrohres (2) angeordnete weitere Einlassöffnung für Frischgas aufweist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Endbereich (5) eine gestreckte Geometrie mit einer in Richtung seiner Haupterstreckung angeordneten Auslassöffnung (8) aufweist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführleitung (3, 11) in der Mantelfläche ihres Endbereiches (5) eine Auslassöffnung (8) aufweist.
Vorrichtung (1, 9) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassöffnung (6) als ein Schlitz ausgeführt, dessen Haupterstreckung quer zu der Abgasrückführleitung (3) ausgerichtet ist.
Vorrichtung (9) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Endbereich (10) einen Rohrbogen (12) aufweist.
Vorrichtung (9) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrbogen (12) einen Winkel zwischen 45° und 130°, insbesondere 90° aufweist.
Vorrichtung (9) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Einlassöffnung (14) in Längsrichtung des Rohrbogens (12) bis zu seinem verschlossenen Rohrende (13) erstreckt.
Vorrichtung (9) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrende (13) verschlossen ausgeführt ist.
Vorrichtung (1, 9) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassöffnung (6, 14) einstellbar ausgeführt ist.