DE102004021386A1

DE102004021386A1 - Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung

Info

Publication number: DE102004021386A1
Application number: DE102004021386A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing. Fledersbacher; Michael Dipl.-Ing. Hoffmann; Lionel Dipl.-Ing. Le Clech; Siegfried Dipl.-Ing. Sumser
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2004-04-30
Filing date: 2004-04-30
Publication date: 2005-11-17

Abstract

Eine Brennkraftmaschine (1) mit Abgasrückführung weist eine der Brennkraftmaschine (1) Ladeluft zuführende Ladeluftleitung (2), eine Abgase von der Brennkraftmaschine (1) wegführende Abgasleitung (4), eine Abgase aus der Abgasleitung (4) in die Ladeluftleitung (2) rückführende Abgasrückführleitung (8), ein in der Abgasrückführleitung (8) angeordnetes Abgasrückführventil (9) und einen Abgasturbolader (13) auf, der eine in der Abgasleitung (4) angeordnete Turbine (12) und einen in der Ladeluftleitung (2) angeordneten, von der Turbine (12) angetriebenen Verdichter (14) aufweist. Von der Abgasleitung (4) zweigt eine Abzweigleitung (19) ab, in der eine zweite Turbine (20) angeordnet ist. Die Abzweigleitung (19) mündet in Strömungsrichtung nach der zweiten Turbine (20) in die Abgasleitung (4). In der Abgasleitung (4) ist vor der Turbine (12) des Abgasturboladers (13) ein Drosselelement (16) angeordnet. Die in der Abzweigleitung (19) angeordnete Turbine (20) treibt einen Verdichter (14) an, der einem zur Versorgung von wenigstens einer pneumatischen Einrichtung vorgesehenen Luftpresser (24) verdichtete Luft zuführt. Die in der Abzweigleitung (19) angeordnete Turbine (20) weist einen geringeren effektiven Querschnitt als die Abgasleitung (4) auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.

Eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine ist aus der DE 196 03 591 C1 bekannt. Hierbei ist ein Abgasrückführ-Turbolader vorgesehen, dessen Turbine in einer von der Abgasleitung abzweigenden Leitung angeordnet ist und einen Abgasverdichter antreibt, mit dem eine größere Abgasmenge rückgeführt werden soll. Nachteilig bei dieser Brennkraftmaschine ist jedoch der lediglich der Abgasrückführung dienende Aufwand eines zusätzlichen Abgasturboladers.

Gemäß der DE 198 57 234 C2 wird mittels einer Abgasturbine mit variabler Geometrie die rückgeführte Abgasmenge erhöht.

Aus der DE 199 60 152 C2 ist eine Verdichteranlage zur Erzeugung von Druckluft bei einer Brennkraftmaschine bekannt, bei der ein zusätzlicher Abgasturbolader einem Verdrängerverdichter vorverdichtete Luft zuführt, um den Wirkungsgrad des auch als Luftpresser bezeichneten Verdrängerverdichters zu verbessern. Um eine zu hohe Lufttemperatur des Verdrängerverdichters zu vermeiden, ist zwischen dem Verdichter des zusätzli chen Abgasturboladers und dem Verdrängerverdichter ein Zwischenkühler vorgesehen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung zu schaffen, bei welcher auch in ungünstigen Betriebssituationen eine hohe Abgasmenge in die Ladeluftleitung rückgeführt werden kann und ein zusätzlicher Nutzen für die Brennkraftmaschine gegeben ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Dadurch, dass die in der Abzweigleitung angeordnete Turbine einen Verdichter antreibt, der dem Luftpresser verdichtete Luft zuführt, ergibt sich ein doppelter Nutzen dieser zusätzlichen Turbine. Diese weist nämlich einen geringeren effektiven Querschnitt als die Abgasleitung auf und erzeugt somit einen Aufstaudruck in der Abgasleitung, der in annähernd sämtlichen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine höher ist als der Druck in der Ladeluftleitung, so dass, insbesondere auch bei niedrigen Drehzahlen, eine größere Abgasmenge rückgeführt werden kann. Gerade bei niedriger Drehzahl ist es bei bekannten Lösungen nämlich häufig schwierig, eine ausreichende Abgasmenge in die Ladeluftleitung zu fördern. In diesem Zusammenhang meint die Bezeichnung „effektiver Querschnitt" den dem Abgas zur Verfügung stehenden freien Querschnitt.

Neben der Funktion als Aufstauelement dient die Turbine zum Antrieb des Verdichters, der den Luftpresser mit vorverdichteter Luft versorgt und somit ohne einen erheblich erhöhten Aufwand eine Steigerung der geförderten Luftmenge und eine Erhöhung des Betriebsdrucks des Luftpressers ermöglicht. Vorteilhafterweise ist dies auch dann möglich, wenn die Drehzahl der Brennkraftmaschine und des Luftpressers und somit auch das mögliche Fördervolumen desselben gering sind. Dabei ist eine hohe Drehzahl der in der Abzweigleitung angeordneten Turbine erzielbar und somit eine entsprechend hohe Drehzahl des den Luftpresser versorgenden Verdichters möglich. Bei der Nutzung der Abgasenergie zum Antrieb des dem Luftpresser verdichtete Luft zuführenden Verdichters ist vorteilhafterweise kein Energieverlust gegeben.

Wenn in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Abzweigleitung in Strömungsrichtung vor der Turbine des Abgasturboladers in die Abgasleitung mündet, so ist auch dann eine Versorgung der Turbine des Abgasturboladers gewährleistet, wenn das in der Abgasleitung vor der Turbine des Abgasturboladers angeordnete Drosselelement sich in seiner Schließstellung oder annähernd in seiner Schließstellung befindet.

Ideale Druckverhältnisse ergeben sich, wenn die Abzweigleitung an derselben Stelle wie die Abgasrückführleitung von der Abgasleitung abzweigt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen. Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellt.
Dabei zeigen:
1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung
2 2 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung
3 eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung und
4 eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung
1 zeigt eine Brennkraftmaschine 1, der über eine Ladeluftleitung 2 in an sich bekannter Weise über einen Luftfilter 3 Ladeluft zugeführt wird. Das bei der Verbrennung in der Brennkraftmaschine 1 entstehende Abgas wird über eine Abgasleitung 4 aus der Brennkraftmaschine 1 abgeführt. Der Eingang in die Ladeluftleitung 2 ist mit dem Bezugszeichen 2a und der Ausgang aus der Abgasleitung 4 ist mit dem Bezugszeichen 4a versehen.
Die Brennkraftmaschine 1 weist einen Motorkühlkreislauf 5 auf, in dem neben der Brennkraftmaschine 1 eine Kühlmittelpumpe 6 und ein Motorwärmetauscher 7 angeordnet sind. Der Motorkühlkreislauf 5 wird in an sich bekannter Weise betrieben, weshalb im folgenden nicht näher auf denselben eingegangen wird.
Von der Abgasleitung 4 zweigt eine Abgasrückführleitung 8 ab, die dazu dient, einen Teil der in der Brennkraftmaschine 1 erzeugten Abgase der Ladeluft zuzumischen. Aus diesem Grund mündet die Abgasrückführleitung 8 in die Ladeluftleitung 2. In der Abgasrückführleitung 8 sind ein Abgasrückführventil 9, zwei Abgasrückführwärmetauscher 10 sowie in Strömungsrichtung nach den Abgasrückführwärmetauschern 10 ein weiteres Abgasrückführventil 11 angeordnet, wobei gegebenenfalls auf eines der beiden Abgasrückführventile 9 oder 11 und auf einer der Abgasrückführwärmetauscher 10 verzichtet werden könnte. In der Abgasleitung 4 ist des weiteren eine Turbine 12 angeordnet, die Teil eines Abgasturboladers 13 ist und einen Verdichter 14 antreibt, der in der Ladeluftleitung 2 angeordnet ist. Dem Verdichter 14 ist in Strömungsrichtung der Ladeluft innerhalb der Ladeluftleitung 2 ein Ladeluftkühler 15 nachgeschaltet.
In der Abgasleitung 4 ist des weiteren ein vorzugsweise als Ventil ausgebildetes Drosselelement 16 angeordnet, und zwar in Strömungsrichtung vor der Turbine 12 des Abgasturboladers 13. Vor der Turbine 12 zweigt eine Bypass- bzw. Abblaseleitung 17 ab, in der ein Abblaseventil 18 angeordnet ist, wodurch ein bestimmter Anteil des Abgases an der Turbine 12 vorbeigeleitet werden kann. Nach der Turbine 12 mündet die Abblaseleitung 17 wieder in die Abgasleitung 4.
Des weiteren zweigt von der Abgasleitung 4 vor dem Drosselelement 16 eine Abzweigleitung 19 ab, in der eine zweite Turbine 20 angeordnet ist, die über eine Welle 21 einen zweiten Verdichter 22 antreibt. Der Verdichter 22 wiederum ist in einer im vorliegenden Fall vor dem Verdichter 14 von der Ladeluftleitung 2 abzweigenden Leitung 23 angeordnet. In einer nicht dargestellten Ausführungsform wäre es auch möglich, dass die Leitung 23 in Strömungsrichtung nach dem Verdichter 14 des Abgasturboladers 13 von der Ladeluftleitung 2 abzweigt. Der von der zweiten Turbine 20 angetriebene Verdichter 22 verdichtet die Luft in der Leitung 23 und führt sie einem Luftpresser 24 zu, der im vorliegenden Fall als Kolbenkompressor ausgebildet ist und die Luft in einen Behälter 25 verdichtet. Von dem Behälter 25 aus können nicht dargestellte pneumatische Einrichtungen, wie zum Beispiel eine Luftfederung oder eine Bremse des Kraftfahrzeugs, in dem die Brennkraftmaschine 1 vorzugsweise eingebaut ist, mit Druckluft versorgt werden. Hierbei kann der Luftpresser 24 in nicht dargestellter Weise von der Brennkraftmaschine 1 angetrieben sein, es ist jedoch auch möglich, einen separaten Antrieb für den Luftpresser 24 vorzusehen.
In Strömungsrichtung nach dem Verdichter 22 und vor dem Luftpresser 24 befindet sich ein Wärmetauscher 26, der zur Kühlung der von dem Verdichter 22 vorverdichteten Luft dient und somit eine höhere Verdichtung derselben erlaubt. Der Verdichter 22 verdichtet die Luft in der Leitung 23, um eine höhere Luftfördermenge des Luftpressers 24 zu ermöglichen. In der Leitung 23 ist vor der Turbine 20 ein Ventil 27 angeordnet und es zweigt vor dem Ventil 27 eine Umgehungsleitung 28 ab, in der ein Rückschlagventil 29 angeordnet ist und die nach der Turbine 20 und nach dem Wärmetauscher 26 wieder in die Leitung 23 mündet.
Neben dem Antrieb des Verdichters 22 vergrößert die in der Abzweigleitung 19 angeordnete zweite Turbine 20 auch den Aufstaudruck in der Abgasleitung 4, wodurch eine erhöhte Abgasrückführmenge über die Abgasrückführleitung 8 in die Ladeluftleitung 2 rückgeführt werden kann. Hierzu weist die zweite Turbine 20 einen geringeren effektiven Querschnitt als die Abgasleitung 4 auf. Dadurch erzeugt dieselbe in der Abgasleitung 4 einen Aufstaudruck, der in annähernd sämtlichen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine 1 höher ist als der Druck in der Ladeluftleitung 2, so dass über die Abgasrückführleitung 8 im wesentlichen ohne Energieverluste für die Brennkraftmaschine 1 eine sehr hohe Abgasmenge rückgeführt werden kann, was vor allem auch bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine 1 möglich ist, bei denen die Abgasrückführung bislang Schwierigkeiten bereitete. Die Abzweigleitung 19 zweigt im vorliegenden Fall an derselben Stelle von der Abgasleitung 4 ab wie die Abgasrückführleitung 8, sodass sich ideale Druckverhältnisse einstellen können.
Um die Abzweigleitung 19 absperren zu können, ist in derselben vor der zweiten Turbine 20 ein im vorliegenden Fall als Ventil ausgebildetes Absperrorgan 30 angeordnet, das gegebenenfalls auch entfallen könnte. Von der Abzweigleitung 19 zweigt nach der zweiten Turbine 20 eine Verbindungsleitung 31 ab, welche in die Abgasrückführleitung 8 mündet und in welcher ein ebenfalls als Ventil ausgeführtes Absperrorgan 32 angeordnet ist. Auf diese Weise ist es möglich, in Abhängigkeit der Stellung des Absperrorgans 32 die in die Abzweigleitung 19 eingeleitete Abgasmenge der Ladeluftleitung 2 zurückzuführen.
Auch nach der zweiten Turbine 20 ist in der Abzweigleitung 19 ein weiteres, wiederum durch ein Ventil gebildetes Absperrorgan 33 angeordnet, welches in Schließstellung dafür sorgt, dass die gesamte über die Abzweigleitung 19 geführte Abgasmenge über die Verbindungsleitung 31 in die Ladeluftleitung 2 zurückgeführt wird. Allerdings wird dann eine Beaufschlagung der Turbine 12 des Abgasturboladers 13 mit dem Abgas aus der Abzweigleitung 19 verhindert. Aus diesem Grund sollte das Absperrorgan 33 nur dann geschlossen werden, wenn das Drosselelement 16 zumindest teilweise geöffnet ist oder wenn die Turbine 12 des Abgasturboladers 13 nicht benötigt wird. Wenn sich das Absperrorgan 33 in seiner geöffneten Position befindet, wird das in der Abzweigleitung 19 geführte Abgas zu der Turbine 12 des Abgasturboladers 13 geleitet, sodass eine Versorgung der Turbine 12 auch dann möglich ist, wenn das Drosselelement 16 geschlossen ist. Die beiden Absperrorgane 32 und 33 können gegebenenfalls entfallen.
2 zeigt eine geringfügig modifizierte Ausführungsform der Brennkraftmaschine 1. Hierbei mündet die Abzweigleitung 19 in Strömungsrichtung erst nach der zweiten Turbine 20 in die Abgasleitung 4. Dadurch wird die Turbine 12 des Abgasturboladers 13 nur in der zumindest teilweise geöffneten Stellung des Drosselelements 16 mit Abgas beaufschlagt.
Bei der in 3 dargestellten Ausführungsform ist in der Abgasleitung 4 nach der Turbine 12 des Abgasturboladers 13 eine weitere Turbine 34 vorgesehen, die vorzugsweise direkt mit der durch den Kasten 35 angedeuteten Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 1 verbunden ist. Diese Ausführungsform stellt somit einen sogenannten Turbo-Compound dar. Die Abzweigleitung 19 zweigt in diesem Fall erst nach der Turbine 34 in die Abgasleitung 4.
Eine weitere Ausführungsform der Brennkraftmaschine 1 ist in 4 dargestellt. Hierbei wird auf die Verbindungsleitung 31 zwischen der Abzweigleitung 19 und der Abgasrückführleitung 8 verzichtet, wodurch eine Rückführung von Abgas in die Ladeluftleitung 2 ausschließlich über die Abgasrückführleitung 8 stattfindet. Des weiteren ist eine von der Leitung 23 abzweigende Versorgungsleitung 36 vorgesehen, die zur Versorgung von Verbrauchern dienen kann, die einen weniger hohen Luftdruck als den von dem Luftpresser 24 erzeugten benötigen.
Solche Versorger sind durch den Kasten 37 angedeutet und es ist ein weiteres Absperrorgan 38 in der Versorgungsleitung 36 angeordnet. Die Versorgungsleitung 36 könnte auch bei allen anderen Ausführungsformen vorgesehen sein. Des weiteren ist jede sinnvolle Kombination der einzelnen Ausführungsformen möglich.

Claims

Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung, mit einer der Brennkraftmaschine Ladeluft zuführenden Ladeluftleitung, mit einer Abgase von der Brennkraftmaschine wegführenden Abgasleitung, mit einer Abgase aus der Abgasleitung in die Ladeluftleitung rückführenden Abgasrückführleitung, mit einem in der Abgasrückführleitung angeordneten Abgasrückführventil und mit einem Abgasturbolader, der eine in der Abgasleitung angeordnete Turbine und einen in der Ladeluftleitung angeordneten, von der Turbine angetriebenen Verdichter aufweist, wobei von der Abgasleitung eine Abzweigleitung abzweigt, in der eine zweite Turbine angeordnet ist, wobei die Abzweigleitung in Strömungsrichtung nach der zweiten Turbine in die Abgasleitung mündet, und wobei in der Abgasleitung vor der Turbine des Abgasturboladers ein Drosselelement angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Abzweigleitung (19) angeordnete Turbine (20) einen Verdichter (14) antreibt, der einem zur Versorgung von wenigstens einer pneumatischen Einrichtung vorgesehenen Luftpresser (24) verdichtete Luft zuführt, und dass die in der Abzweigleitung (19) angeordnete Turbine (20) einen geringeren effektiven Querschnitt als die Abgasleitung (4) aufweist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abzweigleitung (19) in Strömungsrichtung vor der Turbine (12) des Abgasturboladers (13) in die Abgasleitung (4) mündet.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abzweigleitung (19) in Strömungsrichtung nach der Turbine (12) des Abgasturboladers (13) in die Abgasleitung (4) mündet.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abzweigleitung (19) an derselben Stelle wie die Abgasrückführleitung (8) von der Abgasleitung (4) abzweigt.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass von der Abzweigleitung (19) nach der Turbine (20) eine in die Abgasrückführleitung (8) mündende Verbindungsleitung (31) abzweigt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbindungsleitung (31) ein Absperrorgan (32) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abzweigleitung (19) vor der Turbine (20) ein Absperrorgan (30) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abzweigleitung (19) nach der Turbine (20) ein Absperrorgan (33) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der den Luftpresser (24) versorgende Verdichter (22) in einer von der Ladeluftleitung (2) abzweigenden Leitung (23) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Ladeluftleitung (2) abzweigende Leitung (23) in Strömungsrichtung vor dem Verdichter (14) des Abgasturboladers (13) abzweigt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Ladeluftleitung (2) abzweigende Leitung (23) in Strömungsrichtung nach dem Verdichter (14) des Abgasturboladers (13) abzweigt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der von der Ladeluftleitung (2) abzweigenden Leitung (23) ein in Strömungsrichtung nach dem Verdichter (22) angeordneter Wärmetauscher (26) vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftpresser (24) die Luft in einen Behälter (25) verdichtet.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftpresser (24) von der Brennkraftmaschine (1) angetrieben ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftpresser (24) als Kolbenkompressor ausgebildet ist.