DE102004050778A1 - Abgasrückführsystem für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Abgasrückführsystem (1) für eine Brennkraftmaschine (2) mit einem Ansaugtrakt (3) und einem Abgastrakt (4), wobei im Ansaugtrakt (3) ein Verdichter (5) angeordnet ist, der von einer im Abgastrakt (4) angeordneten Turbine (6) angetrieben ist, wobei der Ansaugtrakt (3) von dem Verdichter (5) und der Abgastrakt (4) von der Turbine (6) in eine Hochdruckseite (3', 4') und in einer Niederdruckseite (3'', 4'') aufgeteilt ist und zwischen den Hochdruckseiten (3', 4') eine Hochdruck-Abgasrückführleitung (7) angeordnet ist und wobei die Hochdruckseite (3') und die Niederdruckseite (3'') des Ansaugtrakts (3) über eine erste Bypassleitung (8) gasführend miteinander verbindbar sind. DOLLAR A Mit dem vorgeschlagenen Abgasrückführsystem wird die Abgasrückführrate für eine Brennkraftmaschine verbessert.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Abgasrückführsystem für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Sie geht von der deutschen Offenlegungsschrift DE 103 48 366 A1 aus. In dieser ist ein Verfahren zum Betreiben einer direkt einspritzenden Dieselbrennkraftmaschine beschrieben. Die Dieselbrennkraftmaschine weist einen Ansaugtrakt, einen Abgastrakt sowie einen Abgasturbolader auf. Der Verdichter des Abgasturboladers ist im Ansaugtrakt angeordnet, die Turbine im Abgastrakt. Stromauf des Verdichters sowie stromab der Turbine befindet sich der Niederdruckbereich, während sich stromab des Verdichters und stromauf der Turbine der Hochdruckbereich befindet. Die beiden Hochdruckbereiche sind über eine Abgasrückführleitung miteinander verbunden. Ebenso sind die Niederdruckbereiche über eine Niederdruck-Abgasrückführleitung miteinander verbunden. Ferner verfügen beide Abgasrückführleitungen jeweils über einen Wärmetauscher und der Ansaugtrakt über einen Ladeluftkühler.
  • Nachteilig bei der beschriebenen Ausgestaltung ist der hohe bauliche Aufwand der notwendig ist, um die Niederdruck-Abgasrückführleitung zu reali sieren, da diese, eingebaut in einem Fahrzeug, vom Abgasstrang bis zum Saugsystem geführt werden muss.
    •
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ähnlich gute Abgasrückführraten zu erzielen, wenn nur eine Hochdruck-Abgasrückführleitung vorgesehen ist.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 gelöst.
  • Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird die erreichbare Abgasrückführrate deutlich erhöht, um ferner eine NOx-Reduktion im Abgas zu erzielen. Weiter benötigt die vorgeschlagene Ausgestaltung einen deutlich geringeren Bauraumbedarf und die Dynamik des Gesamtsystems wird verbessert. Dies führt zu einer Leistungssteigerung und Ausweitung des nutzbaren Drehzahlbandes der Brennkraftmaschine, da ein größerer Verdichter eingesetzt werden kann. Als weiterer Vorteil ist eine geringere "Versottungsneigung" als bei einer Niederdruck-Abgasrückführung zu erwarten, da keine Taupunktunterschreitung erfolgt. Weiter verlängern sich die Luftfilterwechselintervalle in vorteilhafter Weise, da im Teillastbereich Luftrezirkulation im Verdichter und damit geringere Luftmengenbelastung des Luftfilters über die Laufzeit erzielt wird. Weiter ist die Anfälligkeit eines Luftmassenmessers gegen Gischtwasserbeaufschlagung und Schneebewurfsanfälligkeit wegen Luftrezirkulation im Teillastbereich verringert.
  • Durch die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 ist die Gasdurchflussmenge von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite regel- oder steuerbar und somit an den jeweiligen Betriebszustand der Brennkraftmaschine anpassbar.
  • Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 3 gestattet eine weiter verbesserte Anpassung des Abgasrückführsystems an den jeweiligen Betriebszustand der Brennkraftmaschine.
  • Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 4 reduziert den baulichen Aufwand des gesamten Abgasrückführsystems nochmals und vereinfacht dessen Aufbau.
  • Die Anordnung des zweiten Bypasses gemäß Patentanspruch 5 verbessert die Wärmeregulierung.
  • Das erfindungsgemäße Abgasrückführsystem ist gemäß Patentanspruch 6 in vorteilhafter Weise auch für Register-, bzw. Stufenaufladung geeignet.
  • Im Folgenden ist die Erfindung anhand zweier bevorzugter Ausführungsbeispiele in zwei Figuren näher erläutert.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Abgasrückführsystems mit einem Abgasturbolader;
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Abgasrückführsystems mit zwei Abgasturboladern.
    •
  • 1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Abgasrückführsystem 1 für eine Brennkraftmaschine 2, die durch sechs in einer Reihe liegende Zylinder angedeutet ist. Die Brennkraftmaschine 2 verfügt über einen Ansaugtrakt 3 sowie einen Abgastrakt 4. Der Ansaugtrakt 3 und der Abgastrakt 4 sind über einen Abgasturbolader miteinander verbunden, der einen, von einer Turbine 6 angetriebenen Verdichter 5 aufweist. Der Verdichter 5 teilt den Ansaugtrakt 3 und die Turbine 6 den Abgastrakt 4 jeweils in eine Hochdruckseite 3', 4', bzw. eine Niederdruckseite 3'', 4'' auf. Die Hochdruckseiten 3', 4' von Ansaugtrakt 3 und Abgastrakt 4' befinden sich jeweils zwischen dem Abgasturbolader und der Brennkraftmaschine 2. Die Niederdruckseiten des Ansaugtrakts 3'' und des Abgastrakts 4'' befinden sich jeweils zwischen einem Um gebungsdruck und dem Abgasturbolader. Weiter verfügt das Abgasrückführsystem 1 über eine Hochdruck-Abgasrückführleitung 7, die zwischen der Hochdruckseite 4' des Abgastrakts 4 und der Hochdruckseite 3' des Ansaugtrakts 3 angeordnet ist. Die Hochdruck-Abgasrückführleitung 7 verbindet die Hochdruckseiten 3', 4' gasführend miteinander und verfügt über ein Drosselorgan 14 zur Einstellung einer Abgasrückführrate. Die Hochdruck-Abgasrückführleitung 7 weist einen zweiten Bypass 10 auf, der zwischen dem Drosselorgan 14 und dem Ansaugtrakt 3 angeordnet ist. Das Abgasrückführsystem 1 weist ferner erfindungsgemäß einen ersten Bypass 8 auf, der die Hochdruckseite 3' mit der Niederdruckseite 3'' des Ansaugtrakts 3 verbindet. Dieser erste Bypass 8 weist ein Stellelement 9 auf, mit dem eine Ansaugluftrückführrate einstellbar ist. Der erste Bypass 8 und die Hochdruckseite 3' des Ansaugtraktes 3 sind abschnittsweise in einem gemeinsamen Wärmetauscher 11 angeordnet.
  • Zur Steigerung der Abgasrückführrate wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, einen Teil der durch den Verdichter 5 des Abgasturboladers verdichteten Luft wieder auf die Reinluftseite, d. h. die Niederdruckseite 3' des Ansaugtrakts 3, zurückzuleiten. Diese Ansaugluftrückleitung kann vor oder nach dem Wärmetauscher 11, einem Ladeluftkühler, erfolgen. Durch die vorgeschlagene Maßnahme ist es möglich, die Abgasrückführrate auf 70–80 % zu steigern, da die treibende Druckdifferenz zwischen Abgasentnahme aus der Hochdruckseite 4' des Abgastraktes 4 und Abgasrückführeintrittsstelle in der Hochdruckseite 3' des Ansaugtraktes 3, d. h. in den Luftsammler, vergrößert wird (Der Einsatz eines Drosselorgans wie einer Drosselklappe erhöht das Spülgefälle zusätzlich). Durch die Rückführung und Kühlung der verdichteten Ansaugluft steigt bei gleich bleibender Abgasenthalpie die Drehzahl des Turbinenlaufzeuges, da das notwendige Antriebsmoment des Verdichters durch die Rezirkulation abnimmt. Durch die Kühlung der Luft bleibt der Verdichterwirkungsgrad sehr gut und der Verdichter wird vor unzulässsiger Temperaturbelastung geschützt.
  • In weiteren Ausführungsbeispielen kann der Wärmetauscher 11 auch durch separate Wärmetauscher für den ersten Bypass 8, den zweiten Bypass 10 und der Hochdruck-Abgasrückführleitung 7 dargestellt werden, oder durch einen einzigen Wärmetauscher für alle drei Bauelemente. In einem einstückigen Kühlungsmodul als Wärmetauscher 11 können folgende Zusatzfunktionen leicht und platzsparend integriert werden:
    • – Ladeluftkühlung (Luft-Wasserkühler);
    • – Ladeluftkühlerumgehung für tiefe Außentemperaturen (verbesserte Akustik, verbesserte Emission);
    • – Rückströmventil für die Verdichterrückführung (erster Bypass 8) in das Reinluftrohr (Niederdruckseite Ansaugtrakt 3'');
    • – Abgasrückführkühler;
    • – Abgasrückführkühlerumgehung (zweiter Bypass 10) für tiefe Außentemperaturen (verbesserte Akustik, verbesserte Emission).
  • Durch die vorgeschlagene Ausgestaltung für das Abgasrückführsystem 1 ergeben sich folgende Vorteile für die Brennkraftmaschine 2:
    Die erreichbare Abgasrückführrate wird erhöht, wodurch die NOx-Emissionen im Abgas deutlich reduziert werden, bei gleichzeitig geringerem Bauraumbedarf. Darüber hinaus wird die Dynamik des Abgasturboladers deutlich erhöht, was zu einer Leistungssteigerung und Ausweitung des nutzbaren Drehzahlbandes der Brennkraftmaschine durch die Verwendung eines größeren Verdichters möglich macht. Gleichzeitig führt die erfindungsgemäße Ausgestaltung zu einer geringeren "Versottungsneigung" als ein Niederdruckabgasrückführsystem, da keine Taupunktunterschreitung erreicht wird. Darüber hinaus ergeben sich verlängerte Luftfilterwechselintervalle, da im Teillastbereich Luftrezirkulation im Verdichter und damit geringere Luftmengenbelastung des Luftfilters über die Laufzeit anfällt. Auch die Anfälligkeit eines Luft massenmessers gegen Gischtwasserbeaufschlagung und Schneebewurf wegen einer Luftrezirkulation im Teillastbereich wird verringert.
  • 2 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Abgasrückführsystem 1 für eine Brennkraftmaschine 2, mit einer Stufen- bzw. Registeraufladung. Für die gleichen Bauteile gelten die gleichen Bezugsziffern wie in 1. Da sich 2 von 1 nur durch die Stufen-, bzw. Registeraufladung unterscheidet, wird das grundsätzliche Funktionsprinzip für 2 nicht wiederholt erläutert. Die Registeraufladung von 2 unterscheidet sich von der einfachen Turboaufladung in 1 dadurch, dass sowohl im Ansaugtrakt 3 als auch im Abgastrakt 4 ein zweiter Abgasturbolader mit einem zweiten Verdichter 12 und einer zweiten Turbine 13 angeordnet ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel durchströmt die Ansaugluft zuerst den ersten Verdichter 5 und anschließend den zweiten Verdichter 12, während die Abgase zuerst die zweite Turbine 13 und anschließend die erste Turbine 6 durchströmen. Alle Vorteile entsprechen den zuvor genannten.
    • 1
    Abgasrückführsystem
    2
    Brennkraftmaschine
    3
    Ansaugtrakt
    3'
    Hochdruckseite Ansaugtrakt
    3''
    Niederdruckseite Ansaugtrakt
    4
    Abgastrakt
    4'
    Hochdruckseite Abgastrakt
    4''
    Niederdruckseite Abgastrakt
    5
    Verdichter
    6
    Turbine
    7
    Hochdruck-Abgasrückführleitung
    8
    erster Bypass
    9
    Stellelement
    10
    zweiter Bypass
    11
    Wärmetauscher
    12
    zweiter Verdichter
    13
    zweite Turbine
    14
    Drosselorgan

Claims (6)

  1. Abgasrückführsystem (1) für eine Brennkraftmaschine (2) mit einem Ansaugtrakt (3) und einem Abgastrakt (4), wobei im Ansaugtrakt (3) ein Verdichter (5) angeordnet ist, der von einer im Abgastrakt (4) angeordneten Turbine (6) angetrieben ist, wobei der Ansaugtrakt (3) von dem Verdichter (5) und der Abgastrakt (4) von der Turbine (6) in eine Hochdruckseite (3', 4') und in eine Niederdruckseite (3'', 4'') aufgeteilt ist und zwischen den Hochdruckseiten (3', 4') eine Hochdruck-Abgasrückführleitung (7) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Hockdruckseite (3') und die Niederdruckseite (3'') des Ansaugtrakts (3) über eine erste Bypassleitung (8) gasführend miteinander verbindbar sind.
  2. Abgasrückführsystem nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gas-Durchflussmenge von der Hochdruckseite (3') zur Niederdruckseite (3'') des Ansaugtrakts (3) in der ersten Bypassleitung (8) von einem Stellefement (9) regel- oder steuerbar ist.
  3. Abgasrückführsystem nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruck-Abgasrückführleitung (7) einen zweiten Bypass (10) aufweist.
  4. Abgasrückführsystem nach Patentanspruch 3, wobei die Hochdruck-Abgasrückführleitung (7) einen ersten Wärmetauscher und der Ansaugtrakt (3) auf der Hochdruckseite (3') einen zweiten Wärmetauscher aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Wärmetauscher gemeinsam als ein einziger Wärmetauscher (11) ausgebildet sind.
  5. Abgasrückführsystem nach Patentanspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Bypass (10) durch den dritten Wärmetauscher (11) geführt ist.
  6. Abgasrückführsystem nach einem der zuvor genannten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Hochdruckseite (3') im Ansaugtrakt (3) ein zweiter Verdichter (12) angeordnet ist, der von einer auf der Hochdruckseite (4') des Abgastrakts (4) angeordneten zweiten Turbine (13) angetrieben ist.
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