DE102005029322A1

DE102005029322A1 - Vorrichtung zur Rückführung und Kühlung von Abgas für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102005029322A1
Application number: DE102005029322A
Authority: DE
Inventors: Jochen Dipl.-Ing. Eitel; Markus Dr. Flik; Peter Dr. Geskes; Thomas Dr.-Ing. Heckenberger; Dieter Dipl.-Ing. Heinle; Jens Dipl.-Ing. Ruckwied; Andreas Dr. Thumm
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 2005-06-24
Filing date: 2005-06-24
Publication date: 2006-12-28
Also published as: EP1899595B1; US8061334B2; US20090044789A1; WO2006136372A1; EP1899595A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Rückführung und Kühlung von Abgas einer Brennkraftmaschine (1), insbesondere eines Dieselmotors in einem Kraftfahrzeug mittels einer Abgasrückführ(AGR)-Leitung (8), mindestens einem Abgaswärmeübertrager (11), einem Abgasrückführ(AGR)-Ventil (16). DOLLAR A Es wird vorgeschlagen, dass ein erster und ein zweiter Abgaswärmeübertrager (11, 12) zu einer Baueinheit zusammengefasst sind und ein Modul (10) bilden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Rückführung und Kühlung von Abgas einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie eine Anordnung zur Rückführung und Kühlung von Abgas nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 10, jeweils bekannt durch die US 6,244,256 B1 .

Die Abgasrückführung (Abkürzung: AGR), insbesondere die gekühlte Abgasrückführung wird in heutigen Fahrzeugen aufgrund gesetzlicher Bestimmungen eingesetzt, um die Partikel- und Schadstoff-, insbesondere Stickoxidemissionen zu senken. Da die Anforderungen an die Abgasreinhaltung strenger werden, sind größere Abgasmassenströme erforderlich, die mit den bekannten AGR-Systemen nur bedingt zu beherrschen sind.

Bekannte AGR-Systeme sind auf der Hochdruckseite des Verbrennungsmotors angeordnet, wie in der eingangs genannten US 6,244,256 B1 beschrieben. Das bekannte AGR-System weist einen Abgasturbolader für einen Dieselmotor und eine AGR-Leitung mit einem AGR-Ventil auf, welches zwischen Motor und Abgasturbine angeordnet ist. Das rückgeführte Abgas wird vorzugsweise in zwei Stufen, d. h. in zwei Abgaswärmeübertragern gekühlt, welche jeweils durch einen gesonderten Kühlmittelkreislauf gekühlt werden und als Hochtemperatur- und Niedertemperatur-Abgaskühler ausgebildet sind. Das gekühlte, rückgeführte Abgas wird mit verdichteter und gekühlter Ladeluft zusammengeführt und dem Ansaugtrakt des Motors zugeführt.

Abgaswärmeübertrager, insbesondere Abgaskühler sind in verschiedenen Ausführungsformen bekannt: Durch die DE 199 07 163 A1 der Anmelderin wurde eine Schweißkonstruktion für einen Abgaswärmeübertrager bekannt, welcher aus einem Bündel von Abgasrohren besteht, die auf ihrer Außenseite von Kühlmittel umströmt werden, welches dem Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine entnommen wird.

Abgaswärmeübertrager sind vielfach auch mit einem Bypasskanal für das Abgas ausgestattet, d. h. für den Fall, dass eine Kühlung des Abgases oder – bei Heizzwecken – eine Erwärmung des Kühlmittels nicht erforderlich oder nicht vorteilhaft ist. In der DE 199 62 863 A1 der Anmelderin und in der DE 102 03 003 A1 sind derartige Abgaswärmeübertrager mit einem integrierten Bypass offenbart, wobei in einem Eintrittsdiffusor oder im Austrittsbereich des Abgaswärmeübertragers ein Bypassventil, vorzugsweise in Form einer Bypassklappe angeordnet ist, welche als Weiche für den Abgasstrom wirkt und diesen entweder durch das von Kühlmittel umspülte Rohrbündel oder durch den Bypasskanal leitet.

Wie durch die EP 1 030 050 A1 bekannt, kann der Bypasskanal für den Abgaswärmeübertrager auch separat, d. h. außerhalb des Wärmeübertragers angeordnet sein. Bei diesem bekannten AGR-System ist das AGR-Ventil im Übrigen im Rücklauf der AGR-Leitung, d. h. in Abgasströmungsrichtung hinter dem Abgaskühler angeordnet.

Durch die DE 198 41 927 A1 wurde eine Vorrichtung zur Abgasrückführung mit einer Ventileinrichtung bekannt, in welche ein Bypasskanal mit einer Bypassklappe integriert ist. Der Abgaswärmeübertrager weist ein Bündel von U-förmig geformten Abgasrohren auf, welche durch ein flüssiges Kühlmittel gekühlt werden.

Durch die DE 197 50 588 A1 wurde eine Vorrichtung zur Abgasrückführung bekannt, bei welcher ein Abgaswärmeübertrager mit einem Abgasrückführ ventil (AGR-Ventil) zu einer Baueinheit integriert ist. Damit lässt sich eine vereinfachte und damit verbilligte Herstellung durchführen, da auf einzelne Teile verzichtet werden kann.

Nachteilig bei den bekannten AGR-Systemen ist, dass diese aus einer Vielzahl von Einzelteilen bestehen, die separat gefertigt und einzeln montiert werden, was die Kosten erhöht. Darüber hinaus ist bei den bekannten AGR-Systemen von Nachteil, dass größere Abgasmassenströme nicht rückgeführt werden können, da die Druckdifferenz – aufgrund der Anordnung des AGR-Systems auf der Hochdruckseite des Motors – zwischen Abgas- und Ansaugseite des Motors nicht ausreicht, um größere Massenströme zu fördern.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Abgasrückführung der eingangs genannten Art einfacher und kostengünstiger zu gestalten. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zur Abgasrückführung zu schaffen, welche die Rückführung und Kühlung größerer Abgasmassenströme ermöglicht.

Diese Aufgabe wird zunächst durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist die Integration eines ersten und eines zweiten Abgaswänrmeübertragers zu einer Baueinheit bzw. einem Modul vorgesehen. Vorzugsweise sind die beiden Abgaswärmeübertrager als Hochtemperatur- und Niedertemperatur-Abgaskühler ausgebildet, welche jeweils durch einen separaten Kühlkreis gekühlt werden, vorzugsweise durch den Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine und durch einen Niedertemperaturkühlkreislauf. Beide Wärmeübertrager können vorzugsweise mechanisch oder stoffschlüssig, d. h. durch Verschraubung, Schweißen oder Löten miteinander zu einer Baueinheit verbunden werden. Vorteilhaft hierbei ist, dass ein solches Modul in einem Fertigungsprozess hergestellt und als Einheit im Fahrzeug montiert werden kann, wobei auch die Montage von Zwischenleitungen entfällt. Dies reduziert die Kosten. Vorteilhaft ist ferner eine Reduzierung des Bauraumes, da die Komponenten des Moduls kompakt und ohne Zwischenleitungen angeordnet sind. Die Kühlung des Abgases ist nicht auf eine Flüssigkeitskühlung beschränkt, eine Luftkühlung oder eine Flüssigkeits- und Luftkühlung sind ebenfalls möglich.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist mindestens einer der beiden Abgaskühler einen Bypasskanal auf, der entweder integriert oder separat angeordnet sein kann. Dem Bypasskanal ist jeweils ein Bypassventil zugeordnet, welches eintritts- oder austrittsseitig am Abgaskühler angeordnet ist. Auch diese Komponenten, Bypass und Bypassventil, sind somit Bestandteil des erfindungsgemäßen Moduls.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist auch das AGR-Ventil in das Modul integriert, wobei auch hier eine Anordnung auf der Abgaseintritts- oder Abgasaustrittsseite möglich ist. Das AGR-Ventil kann entweder als reines Absperrventil oder als Mengenregelventil, insbesondere Drei-Wege-Ventil ausgebildet sein, um den rückgeführten Massenstrom zu regeln.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist der Hochtemperaturkühler einen Eintrittsdiffusor auf, in welchem ein Partikelfilter und/oder ein Oxidationskatalysator angeordnet ist, was insbesondere für die Abgasreinigung von Dieselmotoren von Vorteil ist und eine Rußablagerung in den Abgasrohren des Kühlers verhindert. Diese Komponenten werden also auch in das Modul integriert und bedürfen keiner zusätzlichen Montage.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird das Abgas im ersten oder zweiten Kühler mit Luft gekühlt, wobei die jeweils andere Kühlstufe mit Kühlmittel gekühlt wird.

Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch eine Anordnung zur Rückführung und Kühlung von Abgas mit den Merkmalen des Patentanspruches 10 gelöst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die AGR-Leitung mit mindestens einem Abgaskühler auf der Niederdruckseite des Motors, d. h. auf der Abströmseite der Abgasturbine und auf der Ansaugseite des Verdichters (Turbolader) angeordnet ist. Durch diese Anordnung lassen sich größere Abgasmassenströme fördern, da die zur Verfügung stehende Druckdifferenz durch den von der Abgasturbine angetriebenen Verdichter bestimmt wird. Das rückgeführte Abgas wird somit zusammen mit der angesaugten Ladeluft dem Verdichter zugeführt. Damit kann den steigenden Anforderungen an die Abgasreinhaltung, insbesondere für größere Abgasmassenströme, wie sie insbesondere bei Nutzfahrzeugen auftreten, Rechnung getragen werden.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist in der AGR-Leitung auf der Niederdruckseite ein Modul angeordnet, welches die Merkmale der oben genannten Vorrichtung zur Abgasführung aufweist. Insbesondere sind dabei zwei Abgaskühler zu einer Einheit integriert, optional mit einem Bypass und Bypassventil ausgestattet und ferner mit einem AGR-Ventil versehen. Schließlich weist dieses Modul auch ein Partikelfilter und/oder einen Oxidationskatalysator für Dieselabgase auf. Damit wird ein hoher Integrationsgrad sämtlicher AGR-Komponenten auf der Niederdruckseite erreicht und zusätzlich zu dem Vorteil eines erhöhten Massenstromes ein erheblicher Kostenvorteil erreicht, der sowohl auf der Herstellungsseite als auch auf der Montageseite erzielt wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist schließlich vorgesehen, dass der oder die Abgaskühler auch als Zusatzheizeinrichtung verwendbar sind, d. h. die von den Abgasen an das Kühlmittel abgegebene Wärme kann einem Heizkreislauf des Kraftfahrzeuges zugeführt werden, wodurch eine zusätzliche Heizung des Fahrgastinnenraumes, beispielsweise während der Warmlaufphase und bei Verbrennungsmotoren mit hohem thermischen Wirkungsgrad möglich ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform können der erste Kühler aus Edelstahl und der zweite Kühler aus Aluminium bestehen. Das Aluminium kann gegen Korrosion geschützt sein. Dabei kann vorzugsweise im ersten Kühler die hohe Abgastemperatur abgesenkt werden, so dass die Eintrittstemperatur in den zweiten Kühler einer für Aluminium vorteilhaften Betriebstemperatur entspricht. Die erste Kühlstufe kann dabei sehr klein und kompakt ausgeführt sein. Als vorteilhafte Ausführungsform ist die erste Kühlstufe als kurzes Kühlrohr ausführbar, in dem vorzugsweise eine Kühlschlange eingebracht ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Abgasturbine als mehrstufiges Turbinensystem und der Verdichter als mehrstufiges Verdichtungssystem ausgebildet sein. Vorzugsweise sind das mehrstufige Turbinensystem als 2-stufige Turbineneinheit und das mehrstufige Verdichtungssystem als 2-stufige Verdichtungseinheit ausgebildet, so dass die Aufladung mittels zweier Verdichtungsstufen erfolgen kann. Diese zweistufige Aufladung ermöglicht in vorteilhafter Weise einen höheren Ladedruck der Ladeluft, die aus gekühltem Abgas und Frischluft in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen zusammengemischt sein kann. Zur Temperaturbegrenzung kann vorzugsweise zwischen der ersten und der zweiten Verdichtungsstufe ein Zwischenwärmetauscher angeordnet werden, so dass sich die Temperatur der zweiten Verdichtungsstufe begrenzen lässt. Darüber hinaus kann ein Kühlen des Abgas-/Frischluftstroms mit einem Zwischenwärmetauscher den Wirkungsgrad der zweiten Verdichtungsstufe in vorteilhafter Weise erhöhen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann auch bei dem in das Modul integrierten AGR-Ventil, das sich sowohl auf der Abgaseintritts- als auch auf der Abgasaustrittsseite befinden kann und das entweder als reines Absperrventil oder als Mengenregelventil, insbesondere Drei-Wege-Ventil ausgebildet sein kann, um den rückgeführten Massenstrom zu regeln, das Entspannen des Abgases mehrstufig, vorzugsweise zweistufig, und das Verdichten des Abgas-/Frischluftgemisches ebenfalls mehrstufig und vorzugsweise zweistufig erfolgen In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können das AGR-Ventil und das Bypass-Ventil in einer Baueinheit als Multifunktionsventil ausgebildet sein. Vorzugsweise kann auch hierbei die Turbine und der Verdichter einstufig oder mehrstufig, insbesondere zweistufig, ausgeführt sein.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein modulares System aus dem Modul (10, 18) und mindestens einem weiteren Modul, vorzugsweise mehreren Modulen, gebildet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschreiben. Es zeigen
1a ein AGR-System mit Abgaskühler auf der Niederruckseite,
1b ein AGR-System mit Abgaskühler auf der Niederruckseite und einem zweistufigen Turbinen-/Verdichtersystem mit Zwischenkühlung,
2a ein AGR-System mit zweistufiger Abgaskühlung und Abgaskühlermodul auf der Niederdruckseite, wobei das AGR-Ventil auf der heißen Abgasseite, d.h. vor der zweistufigen Abgaskühlung angeordnet ist,
2b ein AGR-System mit zweistufiger Abgaskühlung und Abgaskühlermodul auf der Niederdruckseite, wobei das AGR-Ventil auf der heißen Abgasseite, d.h. vor der zweistufigen Abgaskühlung angeordnet ist und das Turbinen-/Verdichtersystem zweistufig ist sowie über eine Zwischenkühlung verfügt,
2c ein AGR-System mit zweistufiger Abgaskühlung und Abgaskühlermodul auf der Niederdruckseite, wobei das AGR-Ventil auf der kalten Abgasseite, d.h. nach der zweistufigen Abgaskühlung angeordnet ist,
2d ein AGR-System mit zweistufiger Abgaskühlung und Abgaskühlermodul auf der Niederdruckseite, wobei das AGR-Ventil auf der kalten Abgasseite, d.h. nach der zweistufigen Abgaskühlung angeordnet ist und das Turbinen-/Verdichtersystem zweistufig ist sowie über eine Zwischenkühlung verfügt,
3a ein AGR-System mit Abgaskühlermodul und integriertem AGR-Ventil sowie Partikelfilter und/oder Oxidationskatalysator,
3b ein AGR-System mit Abgaskühlermodul und integriertem AGR-Ventil sowie Partikelfilter und/oder Oxidationskatalysator sowie einem zweistufigen Turbinen-/Verdichtersystem mit Zwischenkühlung,
4a ein AGR-System mit Abgaskühlermodul und integriertem AGR-Ventil, Bypass-Ventil sowie Partikelfilter und/oder Oxidationskatalysator, wobei das AGR-Ventil und das Bypass-Ventil in einem Multifunktionsventil zu einer Baueinheit zusammengefasst sind und
4b ein AGR-System mit Abgaskühlermodul und integriertem AGR-Ventil, Bypass-Ventil sowie Partikelfilter und/oder Oxidationskatalysator, wobei das AGR-Ventil und das Bypass-Ventil in einem Multifunktionsventil zu einer Baueinheit zusammengefasst sind sowie einem zweistufigen Turbinen-/Verdichtersystem mit Zwischenkühlung.
1a zeigt ein Abgasrückführsystem (AGR-System) für eine aufgeladene, als Dieselmotor ausgebildete Brennkraftmaschine 1 eines nicht dargestellten Kraftfahrzeuges. Der Dieselmotor 1 weist eine Ansaugleitung 2 und eine Abgasleitung 3 auf, wobei in der Abgasleitung 3 eine Abgasturbine 4 und in der Ansaugleitung 2 ein von der Abgasturbine 4 angetriebener Verdichter 5 (so genannter Abgasturbolader) angeordnet sind. Zwischen Verdichter 5 und dem nicht näher dargestellten Ansaugtrakt des Motors 1 ist ein Ladeluftkühler 6 angeordnet, welcher, was nicht dargestellt ist, durch ein flüssiges Kühlmittel oder durch Luft gekühlt wird. Stromabwärts von der Abgasturbine 4 sind ein Partikelfilter und ein Oxidationskatalysator, dargestellt durch ein Rechteck 7, angeordnet. Der stromabwärts der Abgasturbine 4 befindliche Bereich 3a der Abgasleitung 3 und der stromaufwärts vom Verdichter 5 befindliche Abschnitt 2a der Ansauleitung 2 werden als Niederdruckseite bezeichnet. Zwischen den Leitungsabschnitten 2a, 3a sind eine Abgasrückführleitung (AGR-Leitung) 8 sowie ein Abgaskühler 9 angeordnet, welcher über zwei Stutzen 9a, 9b an einen nicht dargestellten Kühlmittelkreislauf des Motors 1 anschließbar ist.
Die Funktion des dargestellten AGR-Systems ist folgende: Frischluft wird über den Niederdruckabschnitt 2a angesaugt, vom Verdichter 5 auf einen erhöhten Druck, den Ladedruck, gebracht, über die Ansaugleitung 2 dem Ladeluftkühler 6 zugeführt, dort zwecks Erhöhung des Liefergrades gekühlt und dem Motor 1 zugeführt. Die den Motor verlassenden Abgase treiben die Abgasturbine 4 an, die ihrerseits den Verdichter 5 antreibt. Hinter der Abgasturbine 4 werden die Dieselabgase durch den Partikelfilter und den Oxidationskatalysator 7 gereinigt. Bevor die Abgase ins Freie treten, wird ein Teilstrom über die AGR-Leitung 8 abgezweigt, im Abgaskühler 9 gekühlt und dem Niederdruckabschnitt 2a zugeführt, wo eine Vermischung der rückgeführten Abgase mit der angesaugten Frischluft erfolgt. Die Leistung bzw. die Druckdifferenz am Verdichter 5 ist somit maßgebend für die über den Abgaskühler 9 rückgeführte Abgasmenge (Massenstrom) und kann somit beträchtlich gesteigert werden, bezogen auf ein bekanntes AGR-System auf der Hochdruckseite, wo nur die Druckdifferenz zwischen Motorabgasseite und Motoransaugseite für den Förderstrom zur Verfügung steht.
1b zeigt ein Abgasrückführsystem (AGR-System) wie es in 1a beschrieben ist. Im Unterschied zu 1a ist die Tubine (4) als zweistufiges Turbinensystem und der Verdichter (5) als zweistufiges Verdichtungssystem mit Zwischenkühlung ausgeführt.
Die Funktion des dargestellten AGR-Systems ist folgende: Frischluft wird über den Niederdruckabschnitt 2a angesaugt, von der ersten Verdichterstufe 5a auf einen höheren Druck, den Zwischendruck gebracht und über einen Zwischendruckabschnitt 2b einem Zwischenwärmetauscher 25 zugeführt. In dem Zwischenwärmetauscher wird das Abgas-/Luftgemisch zur Temperaturbegrenzung gekühlt und anschließend in einer zweiten Verdichterstufe 5b auf einen gegenüber dem Zwischendruck erhöhten Druck, den Ladedruck, gebracht, über die Ansaugleitung 2 dem Ladeluftkühler 6 zugeführt, dort zwecks Erhöhung des Liefergrades gekühlt und dem Motor 1 zugeführt.
Die den Motor verlassenden Abgase treiben eine erste Abgasturbinen 4a an, die ihrerseits die zweite Verdichterstufe 5b antreibt. Über eine Abgaszwischenleitung 3b wird das entspannte Abgas einer zweiten Abgasturbine 4b zugeführt, die ihrerseits die erste Verdichterstufe 5a antreibt. Hinter der Abgasturbine 4 werden die Dieselabgase durch den Partikelfilter und den Oxidationskatalysator 7 gereinigt. Bevor die Abgase ins Freie treten, wird ein Teilstrom über die AGR-Leitung 8 abgezweigt, im Abgaskühler 9 gekühlt und dem Niederdruckabschnitt 2a zugeführt, wo eine Vermischung der rückgeführten Abgase mit der angesaugten Frischluft erfolgt.
2a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, d. h. ein AGR-System auf der Niederdruckseite des Motors 1 – für gleiche Teile werden gleiche Bezugszahlen wie in 1a verwendet. Das AGR-System gemäß 2a entspricht auf der Hochdruckseite dem von 1a; auf der Niederdruckseite, d. h. zwischen den Leitungsabschnitten 2a, 3a ist ebenfalls eine AGR-Leitung 8 vorgesehen, welche zu einem Modul 10 führt, d. h. einer aus verschiedenen Komponenten aufgebauten Baueinheit, welche primär zwei abgasseitig hintereinander geschaltete Abgaskühler 11, 12 umfasst, die mechanisch, d. h. z. B. durch Verschraubung oder stoffschlüssig, d. h. durch Verlöten oder Verschweißen fest miteinander verbunden sind. Der abgasseitig stromaufwärts gelegene Abgaskühler 11 ist als Hochtemperaturkühler ausgebildet und an den nicht dargestellten Kühlkreislauf des Motors 1 angeschlossen. Der abgasseitig stromabwärts gelegene Kühler 12 ist als Niedertemperaturkühler ausgelegt und an einen nicht dargestellten Niedertemperaturkühlkreis angeschlossen. Stromaufwärts vom Hochtemperaturkühler 11 ist eine Ventileinrchtung 13 mit einer Bypassklappe 14 und einer die Abgaskühler 11, 12 umgehenden Bypassleitung 15 vorgesehen. Letztere kann in die Abgaskühler 11, 12 integriert oder als separate Leitung ausgebildet sein. Die Ventileinrichtung 13 mit Bypassklappe 14 kann – entgegen der zeichnerischen Darstellung – auch stromabwärts der Abgaskühler 11, 12 angeordnet sein. Vor der Ventileinrichtung 13, d. h. hier stromaufwärts gelegen, ist ein als Absperrventil ausgebildetes AGR-Ventil 16 vorgesehen, welches ebenfalls in das Modul 10 integriert, d. h. mit den übrigen Teilen zu einer Baueinheit verbunden ist. Schließlich kann in einem nicht dargestellten Eintrittsdiffusor des Abgaskühlers 11, also des Hochtemperaturkühlers, ein Partikelfilter und/oder ein Oxidationskatalysator 17 vorgesehen werden, der ebenfalls baulich integriert wird. Somit sind die Komponenten 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 zu einem Modul 10 integriert, welches als eine Einheit herstellbar und lieferbar ist und somit auch als Einheit oder Baugruppe im Fahrzeug mit relativ wenigen Handgriffen montierbar ist. Das Modul 10 wird bei der Montage in die AGR-Leitung 8 eingesetzt, die Abgaskühler 11, 12 werden an die jeweiligen Kühlkreisläufe angeschlossen, und die Ventileinrichtung 13 sowie das Regelventil 16 werden mit nicht dargestellten Steuereinrichtungen verbunden. Die Befestigung des Moduls 10 kann an geeigneter Stelle im Kraftfahrzeug erfolgen.
Die Funktion des dargestellten AGR-Systems ist ähnlich wie bei 1a, zunächst mit dem Unterschied, dass hier eine zweistufige Abkühlung des über die AGR-Leitung 8 rückgeführten Abgasstromes erfolgt. Sofern keine Abkühlung erforderlich oder vorteilhaft ist, können beide Abgaskühler 11, 12 durch die Bypassleitung 15 umgangen werden. Die Menge des rückgeführten Abgases 8 wird über das Absperrventil 16 geregelt, wobei in den einfachsten Fällen eine Schwarz-Weiß-Regelung (auf oder zu) ausreichend ist. Der Partikelfilter 17, der zusätzlich zu dem Partikelfilter 7 in der Abgasleitung 3a vorgesehen ist, verhindert eine Rußablagerung in den nicht dargestellten Abgasrohren der beiden Abgaskühler 11, 12. Da das Abgaskühlermodul 10 auf der Niederdruckseite (2a, 3a) angeordnet ist, steht auch hier eine beliebig hohe Druckdifferenz zur Förderung des Abgasstromes am Verdichter 5 zur Verfügung, was aufgrund der Vielzahl von Komponenten in der AGR-Leitung 8 und hohen Abgasmassenströmen von Vorteil ist.
2b zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, d. h. ein AGR-System auf der Niederdruckseite des Motors 1 – für gleiche Teile werden gleiche Bezugszahlen wie in 1b und 2a verwendet. Im Unterschied zu 2a ist die Tubine (4) als zweistufiges Turbinensystem und der Verdichter (5) als zweistufiges Verdichtungssystem mit Zwischenkühlung ausgeführt, wie dieses in 1b beschrieben ist.
2c zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, d. h. ein AGR-System auf der Niederdruckseite des Motors 1 – für gleiche Teile werden gleiche Bezugszahlen wie in 2a verwendet. Im Unterschied zu 2a ist das als Absperrventil ausgebildete AGR-Ventil 16, welches ebenfalls in das Modul 10 integriert ist, d. h. mit den übrigen Teilen zu einer Baueinheit verbunden ist, stromabwärts der Abgaskühler 11, 12 und der Einmündungsstelle des Bypasskanals 15 angeordnet.
2d zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, d. h. ein AGR-System auf der Niederdruckseite des Motors 1 – für gleiche Teile werden gleiche Bezugszahlen wie in 2a und 2c verwendet. Im Unterschied zu 2c ist die Tubine (4) als zweistufiges Turbinensystem und der Verdichter (5) als zweistufiges Verdichtungssystem mit Zwischenkühlung ausgeführt, wie dieses in 1b beschrieben ist.
3a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung für ein AGR-System auf der Niederdruckseite des Motors 1, wobei wiederum gleiche Be zugszahlen für gleiche Teile verwendet werden. Auf der Niederdruckseite, d. h. zwischen dem Ansaugleitungsabschnitt 2a und dem Abgasleitungsabschnitt 3a ist eine Abgasrückführleitung 8 angeordnet, die weitestgehend in ein Modul 18 integriert ist. Das Modul 18 weist wie das Modul 10 in 2a ebenfalls die Abgaskühler 11, 12, die Ventileinrichtung 13 mit Bypassklappe 14 sowie Bypasskanal 15 auf, und enthält ferner das Partikelfilter und/oder den Oxidationskatalysator 17. Abweichend gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist ein als Drei-Wege-Ventil ausgebildetes Mengenregelventil 19 (AGR-Ventil), welches an der Abzweigungsstelle von Abgasleitung 3a und AGR-Leitung 8 angeordnet ist. Durch das Regelventil 19 kann der Anteil an Abgas, welcher dem Gesamtabgasstrom entnommen wird, eingestellt werden. Dadurch ist eine genauere Regelung des rückgeführten Abgasmassenstromes möglich. Im Übrigen sind die Funktionen des Moduls 18 gleich gegenüber dem Modul 10 in 2a.
Die Darstellungen der Module 10, 18 und ihrer Komponenten sind schematischer Art, d. h. es sind viele konstruktive Varianten möglich. Dies gilt zunächst für die Abgaskühler 11, 12, welche als Rohrbündel Wärmeübertrager mit geraden oder U-förmig gebogenen Rohren mit kreisförmigen, rechteckförmigen oder sonstigen Querschnitten ausgebildet sein können. Ebenso sind für die Bypasseinrichtung verschiedene Varianten bezüglich des Ventilschließgliedes, des zugehörigen Stellantriebes und des Bypasskanals (integriert oder separat) möglich. Entscheidend ist, dass die genannten Komponenten weitestgehend zu einer transportfähigen vorgefertigten Baueinheit zusammengefasst sind, die am Fahrzeug mit geringem Montage- und Zeitaufwand in das gesamte AGR-System einsetzbar und anschließbar ist. Daraus ergibt sich schließlich auch ein entscheidender Bauraumvorteil, da die Komponenten eine kompakte Multifunktionseinheit bilden.
3b zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung für ein AGR-System auf der Niederdruckseite des Motors 1, wobei wiederum gleiche Bezugszahlen für gleiche Teile wie in 3a verwendet werden. Im Unterschied zu 3a ist die Tubine (4) als zweistufiges Turbinensystem und der Verdichter (5) als zweistufiges Verdichtungssystem mit Zwischenkühlung ausgeführt, wie dieses in 1b beschrieben ist.
4a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung für ein AGR-System auf der Niederdruckseite des Motors 1, wobei wiederum gleiche Bezugszahlen für gleiche verwendet werden.
Im Unterschied zu den vorhergehenden Ausführungsformen sind das AGR-Ventil 19, die Ventileinrichtung 13 und die Bypassklappe 14 zu einer Baueinheit zusammengefasst, die ein Multifunktionsventil 26 bilden.
4b zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung für ein AGR-System auf der Niederdruckseite des Motors 1, wobei wiederum gleiche Bezugszahlen für gleiche verwendet werden.
Im Unterschied zu 4a ist die Tubine (4) als zweistufiges Turbinensystem und der Verdichter (5) als zweistufiges Verdichtungssystem mit Zwischenkühlung ausgeführt, wie dieses in 1b beschrieben ist.

Claims

Vorrichtung zur Rückführung und Kühlung von Abgas einer Brennkraftmaschine (1), insbesondere eines Dieselmotors in einem Kraftfahrzeug mit einer Abgasrückführ(AGR)-Leitung (8), mindestens einem Abgaswärmeübertrager (11) und einem Abgasrückführ(AGR)-Ventil (19), dadurch gekennzeichnet, dass ein erster und ein zweiter Abgaswärmeübertrager (11, 12) zu einer Baueinheit zusammengefasst sind und ein Modul (10, 18) bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Abgaswärmeübertrager abgasseitig hintereinander geschaltet und als Hochtemperaturkühler (11) und als Niedertemperaturkühler (12) ausgelegt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperaturkühler (11) von einem ersten Kühlkreis, vorzugsweise dem Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine (1) und der Niedertemperaturkühler (12) von einem zweiten Kühlkreis kühlbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperatur- und der Niedertemperaturkühler (11, 12) mechanisch oder stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperaturkühler (11) aus einem anderen Material besteht als der Niedertemperaturkühler (12).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperaturkühler (11) aus einem korrosionsbeständigen Material, insbesondere Edelstahl, und der Niedertemperaturkühler (12) aus einem Material, vorzugsweise Aluminium, besteht, das durch geeignete Art und Weise vor Korrosion geschützt ist bzw. vorzugsweise korrosionsbeständig ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Kühlmedium des ersten Kühlkreises von dem Kühlmedium des zweiten Kühlkreises unterscheidet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium des ersten Kühlkreises gasförmig und das Kühlmedium des zweiten Kühlkreises flüssig ist oder umgekehrt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium des ersten Kühlkreises vorzugsweise Luft ist und das Kühlmedium des zweiten Kühlkreises vorzugsweise ein Kühlmittel ist oder umgekehrt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Abgaswärmeübertrager im Gleich- oder Gegenstrom betrieben werden
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperatur- und/oder der Niedertemperaturkühler (11, 12) einen Bypasskanal (15) für das Abgas aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Bypasskanal (15) ein Bypassventil (13, 14) zugeordnet ist, durch welches der Abgasstrom entweder durch den/die Kühler (11, 12) oder durch den Bypasskanal (15) lenkbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das AGR-Ventil (16, 19) in das Modul (10, 18) integriert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das AGR-Ventil (16, 19) vor dem/den Kühler(n) (11, 12) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das AGR-Ventil (16, 19) nach dem/den Kühler(n) (11, 12) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter mit dem AGR-Ventil (16) eine Baueinheit bildet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das AGR-Ventil als Absperrventil (16) oder als Mengenregelventil (19), insbesondere als Drei-Wege-Ventil ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Multifunktionsventil (26) das AGR-Ventil (16, 19) und das Bypassventil (13, 14) umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperaturkühler (11) einen Einlassdiffusor aufweist, in dem ein Partikelfilter und/oder ein Oxidationskatalysator (17) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine erste Verdichterstufe (5a) und mindestens eine weitere Verdichterstufe (5b) umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine erste Abgasturbine (4a) und mindestens eine zweite Abgasturbine (4b) umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens einen Zwischenwärmetauscher (25) umfasst, der vorzugsweise abströmseitig der ersten Verdichterstufe (5a) und zuströmseitig der zweiten Verdichterstufe (5b) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Abgasturbine (4a) mit der zweiten Verdichterstufe (5b) gekoppelt ist und die zweite Abgasturbine (4b) mit der ersten Verdichterstufe (5b) gekoppelt ist
Anordnung zur Rückführung und Kühlung von Abgas einer Brennkraftmaschine (1), insbesondere eines Dieselmotors, wobei die Brennkraftmaschine (1) eine Ansaugleitung (2), eine Abgasleitung (3) und eine von der Abgasleitung (3) zur Ansaugleitung (2) führende AGR-Leitung (8) aufweist, wobei in der Abgasleitung (3) eine Abgasturbine (4), in der Ansaugleitung (2) ein Verdichter (5) und ein Ladeluftkühler (6) und in der AGR-Leitung (8) ein AGR-Ventil sowie mindestens ein Abgaswärmeübertrager (9) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die AGR-Leitung (8) und der mindestens eine Abgaswärmeübertrager (9) auf der Niederdruckseite (2a, 3a) der Brennkraftmaschine (1) angeordnet sind, wobei das Abgas stromabwärts der Abgasturbine (4) der Abgasleitung (3a) entnehmbar, dem mindestens einen Abgaswärmeübertrager (9) zuführbar und stromaufwärts des Verdichters (5) in die Ansaugleitung (2a) einspeisbar ist.
Anordnung nach Anspruch 24 dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Abgaswärmeübertrager (11, 12) Teil eines Moduls (10, 18) ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul (10, 18) als Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 23, ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens eine erste Verdichterstufe (5a), vorzugsweise eine zweite Verdichterstufe (5b), und mindestens eine erste Abgasturbine (4a), vorzugsweise eine zweite Abgasturbine (4b), umfasst.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens einen Zwischenwärmetauscher (25) umfasst, der sich vorzugsweise abströmseitig der ersten Verdichterstufe (5a) und zuströmseitig der zweiten Verdichterstufe (5b) befindet.
Verwendung eines Abgaswärmeübertragers (9, 11, 12) nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche als Zusatzheizvorrichtung zur Beheizung eines Innenraumes des Kraftfahrzeuges.
Modulares System, dadurch gekennzeichnet, dass ein das Modul (10, 18) umfassendes modulares System mindestens ein weiteres Modul, insbesondere mehrere weitere Module, aufweist.