DE102004041166A1 - Turbolader-Verbrennungsmotor mit Abgasrückführungsstrom - Google Patents

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Abstract

Ein Turbolader-Verbrennungsmotor wird solcher Art betrieben, dass der Ansaugkrümmerdruck im Allgemeinen den Abgaskrümmerdruck überschreitet. Ein Niederdruck-Turbolader und ein Hochdruck-Turbolader sind in Reihe geschaltet vorgesehen. Ein Abgasrückführungssystem führt passiv einen Bereich der Abgase zu dem Hochdruck-Turbolader-Verdichtereinlass.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Turbolader-Verbrennungsmotor, der ein Abgasrückführungs-(EGR)-System enthält.
  • Das Geschäft mit Hochleistungsmotoren ist extrem konkurrenzbetont. Steigende Anforderungen werden an Motorenhersteller gestellt, um Motoren zu gestalten und zu bauen, die bessere Motorleistung, verbesserte Zuverlässigkeit und längere Lebensdauer schaffen, währenddessen strengere Abgas- und Geräuschanforderungen erfüllt werden. Ein Ansatz zur Erfüllung strengerer Abgasanforderungen ist es, ein Abgasrückführungs-(EGR)-System zu verwenden.
  • Bei einem herkömmlichen Turbolader-Dieselmotor ist der Ansaugkrümmer auf einem höheren Druck befindlich als der Abgaskrümmer. Diese Beziehung führt zu dem besten Kompromiss zwischen gutem Kraftstoffverbrauch (aufgrund der positiven Pumparbeit), dem Motorluftdurchsatz und dem Turboladerbetrieb. Das Problem besteht darin, dass mit dem Ansaugkrümmer, der einen höheren Druck als der Abgaskrümmer hat, die Abgase nicht in den Ansaugkrümmer für eine Abgasrückführung strömen können. Mögliche Lösungen für dieses Problem mit herkömmlichen Motoren bestehen darin, das Luftsystem so zu konfigurieren, dass der Abgaskrümmerdruck höher als der Ansaugkrümmerdruck ist oder ein Pumpen des Abgasrückführungsstroms vorzunehmen. Das Festsetzen des Abgaskrümmerdrucks auf einen höheren Druck als den Ansaugkrümmerdruck ist schlecht für den Kraftstoffverbrauch.
  • Weitere Hintergrundinformationen können in den US-Patenten Nr. 5 611 202, 6 360 732, 6 460 519 und 6 412 279 gefunden werden.
  • Aus den vorstehend genannten Gründen entsteht ein Erfordernis, sich mit diesen Angelegenheiten zu befassen, während ein Abgasrückführungsstrom noch ermöglicht wird.
    •
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Verbrennungsmotor zu schaffen, bei dem ein 2-Turbolader-System verwendet wird, um einen Ansaugkrümmerdruck, der höher ist als der Abgaskrümmerdruck beizubehalten und bei dem ein Abgasrückführungsstrom noch möglich ist.
  • Beim Ausführen der obigen Aufgabe wurde ein Verbrennungsmotor geschaffen. Der Verbrennungsmotor weist eine Vielzahl von Zylindern auf. Der Motor enthält einen Ansaugkrümmer und einen Abgaskrümmer. Der Motor wird solcher Art betrieben, dass der Ansaugkrümmerdruck im Allgemeinen den Abgaskrümmerdruck überschreitet. Der Motor umfasst außerdem einen Niederdruck-Turbolader, einen Hochdruck-Turbolader und ein Abgasrückführungs-(EGR)-System. Der Niederdruck-Turbolader enthält eine Turbine, die durch die Abgase angetrieben wird und einen Verdichter, der einen Einlass aufweist, der Ansaugfrischluft aufnimmt und einen Auslass aufweist, der die Niederdruck-Ladeluft liefert. Der Hochdruck-Turbolader enthält eine Turbine, die durch die Abgase angetrieben wird und einen Auslass der Hochdruck-Ladeluft an den Ansaugkrümmer liefert. Das Abgasrückführungssystem führt passiv einen Bereich des Abgases zu dem Hochdruck-Turbolader-Verdichtereinlass.
  • Es versteht sich, dass einer oder beide der Turbolader freifließend sein können, mit einem Ladedruckregelventil versehen sein können oder eine variable Geometrie bei der Gestaltung haben können. Der Motor enthält bevorzugter Weise einen Ladeluftkühler zwischen dem Niederdruck-Turbolader-Verdichterauslass und dem Hockdruck-Turbolader-Verdichtereinlass. Ein bevorzugter Motor enthält außerdem einen Rußpartikelfilter, der in dem Abgasrückführungssystem angeordnet ist, um Rußpartikel aus den Abgasen vor der Einleitung in den Hochdruck-Turbolader-Verdichtereinlass herauszufiltern. Ein bevorzugter Motor enthält außerdem einen Abgaskühler, der in dem Abgasrückführungssystem stromabwärts des Rußpartikelfilters angeordnet ist, um die Abgase vor der Einleitung in den Hochdruck-Turbolader-Verdichtereinlass zu filtern. Die Abgase werden dann an einer Stelle stromabwärts des Ladeluftkühlers eingeleitet.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Verdichtungsverhältnis des Niederdruck-Turboladers größer als ein Verdichtungsverhältnis des Hockdruck-Turboladers. Das Verdichtungsverhältnis des Niederdruck-Turboladers ist bevorzugter Weise größer als 1,5 mal das Verdichtungsverhältnis des Hochdruck-Turboladers.
  • Außerdem wurde beim Ausführen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors mit einer Vielzahl von Zylindern geschaffen. Der Motor enthält einen Ansaugkrümmer und einen Abgaskrümmer. Der Motor wird solcher Art betrieben, dass der Ansaugkrümmerdruck im Allgemeinen den Ansaugkrümmerdruck überschreitet. Der Motor enthält einen Niederdruck-Turbolader, der eine Turbine enthält, die durch die Abgase angetrieben wird und einen Kompressor, der einen Einlass aufweist, der Ansaugfrischluft aufnimmt und einen Auslass aufweist, der Niederdruck-Ladeluft liefert. Der Motor enthält einen Hochdruck-Turbolader, der eine Turbine enthält, die durch die Abgase angetrieben wird und einen Verdichter, der einen Einlass aufweist, der die Niederdruck-Ladeluft aufnimmt und einen Auslass, der Hochdruck-Ladeluft an den Ansaugkrümmer liefert. Das Verfahren enthält das passive Führen eines Bereichs der Abgase zu dem Hochdruck-Turbolader-Verdichtereinlass, um eine Abgasrückführung zu schaffen.
  • Ein bevorzugtes Verfahren kühlt die Niederdruck-Ladeluft von dem Niederdruck-Turbolader-Verdichterauslass vor dem Hochdruck-Turbolader-Verdichtereinlass. Ein bevorzugtes Verfahren filtert die Rußpartikel aus den Abgasen vor der Einleitung in den Hochdruck-Turbolader-Verdichtereinlass. Außerdem kühlt das bevorzugte Verfahren Abgase vor der Einleitung in den Hochdruck-Turbolader-Verdichtereinlass. Die Gase werden dann in die gekühlte Niederdruck-Ladeluft eingeleitet.
  • Die Vorteile, die mit den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zusammen wirken sind vielfältig, z. B. behalten die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung einen Ansaugkrümmerdruck bei, der höher ist als der Abgaskrümmerdruck, wobei noch ein Abgasrückführungsstrom vorhanden ist, durch passives Führen eines Bereichs der Abgase zu einer Stelle zwischen den Turboladestufen bei einem Mehrfach-Turboladermotor.
  • Die obige Aufgaben und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden leicht aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich.
    •
  • Die Erfindung wird anhand einer Ausführungsform erläutert.
  • Die Figur ist eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors, der mit einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung übereinstimmt.
  • Ein Verbrennungsmotor enthält einen Motorblock 10 mit einer Vielzahl von Zylindern 12. Der dargestellte Motor ist ein Selbstzünder-Verbrennungsmotor, wie z. B. ein Hochleistungs-Dieselmotor. Zylinder 12 nehmen unter Druck stehenden Kraftstoff aus einer Kraftstoffzuführung in einer bekannten Art und Weise auf. Der Motor enthält einen Ansaugkrümmer 10 und einen Abgaskrümmer 16. Der Motor ist ein Turbomotor und wird solcher Art betrieben, dass der Ansaugkrümmerdruck im Allgemeinen den Abgaskrümmerdruck überschreitet. Das Luftsystem ist mit zwei Abgasturboladern konfiguriert. Der Niederdruck-Turbolader 18 enthält eine Turbine 20, die durch die Abgase angetrieben wird und einen Verdichter 22. Der Verdichter 22 weist einen Einlass auf, der Ansaugfrischluft aufnimmt und weist einen Auslauf auf, der Niederdruck-Ladeluft liefert. Ein Hochdruck-Turbolader 24 enthält eine Turbine 26, die durch die Abgase angetrieben wird und einen Verdichter 28. Der Verdichter 28 weist einen Einsatz auf, der die Niederdruck-Ladeluft von dem Niederdruck-Turbolader 18 aufnimmt, und weist einen Auslass auf, der Hochdruck-Ladeluft an den Ansaugkrümmer 14 liefert. Ansaugfrischluft tritt in den Niederdruck-Turboladerverdichter 22 ein (d. h. den Verdichter der 1. Stufe). Der Verdichter 22 ist so dimensioniert, dass die meiste Verdichtungsarbeit, z. B. mit einem 2,5:1-Verdichtungsverhältnis ausgeführt wird. Die Niederdruck-Ladeluft von dem Auslass des Verdichters 22 strömt durch einen Ladeluftkühler (CAC) 30. Nach dem Ladeluftkühler 30 wird ein Bereich des Motorabgases durch das Abgasrückführungssystem 32 eingeleitet und das Gemisch aus Frischluft und rückgeführtem Abgas strömt durch den Hochdruckverdichter 28 (d. h. den Verdichter der 2. Stufe). Der Verdichter der 2. Stufe weist ein relativ geringes Verdichtungsverhältnis, z. B. 1,4:1 auf. Auf diese Weise ist der Temperaturanstieg über dem Verdichter der 2. Stufe relativ gering und es ist kein dringendes Erfordernis, diese Luft durch einen zweiten Ladeluftkühler zu schicken.
  • Das Abgasrückführungssystem 32 enthält ein Abgasrückführungs-Ventil 34 zum Ermöglichen, dass ein ausgewählter Bereich der Abgase passiv zur Einleitung in den Ansaugluftstrom geführt wird. Der Abgasrückführungs-Weg enthält einen Rußfilter 36 und eine Abgaskühler 38. Das Abgas wird von dem Abgaskrümmer 16 vor den Turboladern abgezogen. Das Rückführungsabgas strömt durch das Abgasrückführungsventil 34, den Rußfilter 36 und den Abgasfilter 38 und tritt dann in den Einlassluftstrom zwischen dem Ladeluftkühler 30 und dem Hochdruckverdichter 28 ein. Das Abgas, das nicht zur Rückführung verwendet wurde, strömt durch die Hochdruckturbine 26 und dann durch die Niederdruckturbine 20.
  • Es versteht sich, dass Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Erzeugungen des Druckabfalls schaffen, der zum passiven Strömen des Rückführungsgases durch Verwendung mehrere Turbolader erforderlich ist. Der Filter 36 ist ein Dieselrußfilter (DPF), der Rußpartikel so abscheidet, dass sie nicht in den Verdichter 28 eintreten. Diese Abscheidung schützt den Verdichter durch Abschalten der Rußpartikel aus dem Abgasrückführungsstrom. Durch Anordnen des Dieselrußfilters stromaufwärts des Abgaskühlers 38 würden die Temperaturen in dem Dieselrußfilter nicht hoch genug für eine gute Regeneration sein. Das Anordnen des Abgaskühlers 38 stromaufwärts des Dieselrußfilters verlängert die Lebensdauer des Kühlers durch Verhindern eines Zusetzens durch Ruß (fowling from soot).
  • Während Ausführungsformen der Erfindung dargestellt und beschrieben wurden, wurde beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung darstellen und beschreiben. Stattdessen ist der Wortlaut, der in den Unterlagen verwendet wurde, ein Wortlaut der Beschreibung, anstatt deren Beschränkung und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen gemacht werden können, ohne den Geist und Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims (16)

  1. Verbrennungsmotor mit einer Vielzahl von Zylindern (12), wobei der Motor einen Ansaugkrümmer (14) und einen Abgaskrümmer (16) aufweist und wobei der Motor auf solche Art betrieben wird, dass der Ansaugkrümmerdruck im Allgemeinen den Abgaskrümmerdruck überschreitet, gekennzeichnet durch, – einen Niederdruck-Turbolader (18), der eine Turbine (20) enthält, die durch die Abgase angetrieben wird und einen Verdichter (22) aufweist, der einen Einlass aufweist, der Ansaugfrischluft aufnimmt, und einen Auslass aufweist, der Niederdruck-Ladeluft liefert; – einen Hochdruck-Turbolader (24), der eine Turbine (26) enthält, die durch die Abgase angetrieben wird und einen Verdichter (28) enthält, der einen Einlass aufweist, der die Niederdruck-Ladeluft aufnimmt und einen Auslass aufweist, der Niederdruck-Ladeluft an den Ansaugkrümmer (14) liefert; und – ein Abgasrückführungs-(EGR)-System (32), das passiv einen Bereich der Abgase zu dem Hochdruck-Turbolader-Verdichtereinlass führt.
  2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Ladeluftkühler (30) zwischen dem Niederdruck-Turbolader-Verdichterauslass und dem Hochdruck-Turbolader-Verdichtereinlass.
  3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Rußpartikelflter (36), der in dem Abgasrückführungssystem (32) angeordnet ist, um Rußpartikel aus den Abgasen vor der Einleitung in den Hochdruck-Turbolader-Verdichtereinlass herauszufiltern.
  4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Abgaskühler (38), der in dem Abgasrückführungssystem (32) angeordnet ist, um die Abgase vor der Einleitung in den Hochdruck-Turbolader-Verdichtereinlass zu kühlen.
  5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch – einen Rußpartikelfilter (36), der in dem Abgasrückführungssystem (32) angeordnet ist, um Rußpartikel aus den Abgasen vor der Einleitung in den Hochdruck-Turbolader-Verdichtereinlass zu filtern; und – einen Abgaskühler (38), der in dem Abgasrückführungssystem (32) stromabwärts des Rußpartikelfilters (36) angeordnet ist, um die Abgase vor der Einleitung in den Hochdruck-Turbolader-Verdichtereinlass zu kühlen.
  6. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch – einen Ladeluftkühler (30) zwischen dem Niederdruck-Turbolader-Verdichterauslass und dem Hochdruck-Turbolader-Verdichtereinlass; – einen Rußpartikelfilter (36), der in dem Abgasrückführungssystem (32) angeordnet ist, um Rußpartikel aus den Abgasen vor der Einleitung in den Hochdruck-Turbolader-Verdichtereinlass herauszufiltern; – einen Abgaskühler (38), der in dem Abgasrückführungssystem (32) stromabwärts des Rußpartikelfilters (36) angeordnet ist, um die Abgase vor der Einleitung in den Hochdruck-Turbolader-Verdichtereinlass zu kühlen, wobei die Abgase an einer Stelle stromabwärts des Ladeluftkühlers (30) eingeleitet werden.
  7. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verdichtungsverhältnis des Niederdruck-Turboladers (18) größer ist als ein Verdichtungsverhältnis des Hochdruck-Turboladers (24).
  8. Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verdichtungsverhältnis des Niederdruck-Turboladers (18) größer als das 1,5fache des Verdichtungsverhältnisses des Hochdruck-Turboladers (24) ist.
  9. Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors mit einer Vielzahl von Zylindern (12), wobei der Motor einen Ansaugkrümmer (14) und einen Abgaskrümmer (16) enthält, wobei der Motor einen Niederdruck-Turbolader (18) enthält, der eine Turbine enthält, die durch die Abgase angetrieben wird und einen Kompressor enthält, der einen Einlass aufweist, der Ansaugfrischluft aufnimmt und einen Auslass aufweist, der Niederdruck-Ladeluft liefert und wobei der Motor außerdem einen Hochdruck-Turbolader (24) enthält, der eine Turbine (26) enthält, die durch die Abgase angetrieben wird und einen Verdichter (28) enthält, der einen Einlass aufweist, der die Niederdruck-Ladeluft aufnimmt und einen Auslass aufweist, der die Hochdruck-Ladeluft an den Ansaugkrümmer (14) liefert, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgenden Verfahrensschritt umfasst: – passives Führen eines Bereichs der Abgase zu dem Hochdruck-Turbolader-Verdichtereinlass, um eine Abgasrückführung zu schaffen.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch Kühlen der Niederdruck-Ladeluft von dem Niederdruck-Turbolader-Verdichterauslass vor dem Hochdruck-Turbolader-Verdichtereinlass.
  11. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch Filtern von Rußpartikeln aus den Abgasen vor Einleitung in den Hochdruck-Turbolader-Verdichtereinlass.
  12. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch Kühlen der Abgase vor der Einleitung in den Hochdruck-Turbolader-Verdichtereinlass.
  13. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch Filtern von Rußpartikeln aus den Abgasen vor der Einleitung in den Hochdruck-Turbolader-Verdichtereinlass; und Kühlen der Abgase nach dem Filtern vor der Einleitung in den Hochdruck-Turbolader-Verdichtereinlass.
  14. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch – Kühlen der Niederdruck-Ladeluft aus dem Niederdruck-Turbolader-Verdichterauslass vor dem Hochdruck-Turbolader Verdichtereinlass; und – Filtern von Rußpartikeln aus den Abgasen vor der Einleitung in den Hochdruck-Turbolader-Verdichtereinlass; und – Kühlen der Abgase nach dem Filtern vor der Einleitung in den Turbolader-Verdichtereinlass, wobei die Abgase in die gekühlte Niederdruck-Ladeluft eingeleitet werden.
  15. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verdichtungsverhältnis des Niederdruck-Turboladers (18) größer als ein Verdichtungsverhältnis des Hochdruck-Turboladers (24) ist.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtungsverhältnis des Niederdruck-Turboladers (18) größer als das 1,5fache des Verdichtungsverhältnis des Hochdruck-Turboladers (24) ist.
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