DE102005048911A1 - Anordnung zur Rückführung und Kühlung von Abgas einer Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Rückführung und Kühlung von Abgas einer Brennkraftmaschine (2), insbesondere eines Dieselmotors in einem Kraftfahrzeug, wobei die Brennkraftmaschine (2) eine Abgasleitung (3) mit einer Abgasturbine (6) sowie eine Ansaugleitung (4) mit einem von der Abgasturbine (6) angetriebenen Ladeluftverdichter (8) aufweist, wobei stromabwärts der Turbine (6) eine Entnahmestelle (11) zur Abzweigung einer Abgasrückführleitung (AGR-Leitung 5) und stromaufwärts des Verdichters (8) eine Rückführstelle (12) zur Rückführung der AGR-Leitung (5) angeordnet und wobei in der AGR-Leitung (5) mindestens ein Abgaswärmeübertrager (13) und ein AGR-Ventil (14) angeordnet sind. DOLLAR A Es wird vorgeschlagen, dass in der Ansaugleitung (4) ein Ladeluftdrosselorgan (17) angeordnet ist und dass das AGR-Ventil (14), die Rückführstelle (12) und das Drosselorgan (17) als ein integriertes Bauteil (19) ausgebildet sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Rückführung und Kühlung von Abgas einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • 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. Bekannt sind AGR-Systeme, bei denen das Abgas auf der Hochdruckseite einer Abgasturbine oder auf der Niederdruckseite der Abgasturbine entnommen wird – man spricht daher von Hochdruck- oder Niederdruck-Abgasrückführung. Durch die DE 102 03 003 A1 der Anmelderin wurde ein Hochdruck-AGR-System bekannt, bei welchem das rückzuführende Abgas zwischen Motor und Abgasturbine der Abgasleitung entnommen und dem Ansaugtrakt des Motor zugeführt wird. Die erzielbare Abgasrückführrate hängt dabei von dem Differenzdruck zwischen Entnahme- und Rückführstelle in der AGR-Leitung ab, in welcher ein AGR-Ventil und ein Abgaskühler angeordnet sind.
  • Durch die EP 0 916 837 B1 der Anmelderin wurde für ein AGR-System eine Vorrichtung bekannt, bei welcher ein AGR-Ventil und ein Abgaskühler zu einer Baueinheit integriert sind. Durch die EP 1 030 050 B1 wurde ein weiterer Abgaskühler mit Bypass und Bypassventil für ein Hochdruck-AGR-System bekannt.
  • Durch die EP 1 203 148 B1 wurde ein Niederdruck-AGR-System für eine Brennkraftmaschine, d. h. einen Dieselmotor bekannt, in dessen Abgas strang eine Abgasturbine angeordnet ist, welche einen Ladeluftverdichter antreibt. Ferner ist im Abgasstrang, stromabwärts der Turbine eine Katalysator/Filtereinheit angeordnet, in deren Bereich Abgas entnommen, durch einen Abgaskühler gekühlt und dem Ansaugtrakt des Motors stromaufwärts des Verdichters zugeführt wird. In der AGR-Leitung befindet sich stromabwärts des Abgaskühlers ein AGR-Ventil, welches den Durchsatz in der AGR-Leitung regelt. Vorteilhaft bei dem bekannten Niederdruck-AGR-System ist, dass höhere Abgasrückführraten als beim Hochdrucksystem erzielt werden können, da das rückgeführte Abgas vom Verdichter angesaugt wird. Nachteilig bei dem bekannten AGR-System ist, dass jede Komponente einzeln hergestellt und montiert werden muss, was die Kosten des AGR-Systems erhöht.
    •
  • Ausgehend von einem Niederdruck-AGR-System, ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung zur Rückführung und Kühlung von Abgas der eingangs genannten Art zu schaffen, welche das Gesamtsystem vereinfacht, die Herstellungskosten senkt und den Wirkungsgrad des Systems erhöht.
  • Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Erfindungsgemäß ist eine erste Integrationslösung vorgesehen, welche die Integration des AGR-Ventils, der AGR-Rückführstelle und eines Ladeluftdrosselorgans in der Ansaugleitung des Motors beinhaltet. Durch die bauliche Integration dieser drei Komponenten zu einem Bauteil werden die Vorteile erreicht, dass der Bauraum reduziert, die Montage vereinfacht sowie Kosten und Gewicht gesenkt werden. Durch die Anordnung des integrierten Bauteiles stromab vom Abgaskühler ergibt sich ferner der Vorteil, dass die thermische Belastung, insbesondere während der Regenerationsphase des Partikelfilters verringert wird. Ferner wird das dynamische Verhalten des Systems dadurch verbessert, dass die Regelorgane für Frischluft und Abgaszumischung unmittelbar stromaufwärts des Verdichters angeordnet sind. Damit ergibt sich auch eine Verkürzung der Ansprechzeit bei geändertem Lastzu stand im Vergleich zu einer Anordnung vor dem Abgaskühler. Schließlich wird durch die erfindungsgemäße Integrationslösung der Vorteil erreicht, dass die Gesamtlänge der Leitungen im AGR-Strang reduziert wird, was zu einer Verringerung der Druckverluste und einer Vergrößerung der maximal möglichen AGR-Raten führt.
  • Das aus der Integration der genannten Komponenten entstandene Bauteil weist zwei Eingänge, einen abgasseitigen und einen frischluftseitigen, sowie einen Ausgang zur Verdichtersaugseite hin auf. Der abgasseitige Eingang regelt die Abgasrückführrate, während der frischluftseitige Eingang die dem Verdichter zuzuführende Ladeluft drosselt. Hierbei ist von Bedeutung, dass eine ausreichender Pumpgrenzenabstand für den Verdichter durch eine Beschränkung der saugseitigen Androsselung gewährleistet ist. Letzteres ist bei einer unabhängigen Verstellbarkeit beider Eingänge einfacher – dadurch wird die Reglung der AGR-Rückführrate weitgehend entkoppelt. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung sind daher die beiden Alternativen vorgesehen, dass die Eingänge einerseits unabhängig voneinander und andererseits abhängig voneinander verstellbar sind, was wiederum die Kosten senkt. Vorteilhaft bei einer unabhängigen Verstellbarkeit der beiden Eingänge (Drosselorgane) ist, dass sich der Regelbereich des Gesamtsystems vergrößert.
  • Nach einer weiteren Variante ist vorgesehen, dass ein in der Ansaugleitung angeordnetes Luftfilter zusätzlich in das Bauteil integriert und damit Bestandteil einer erweiterten Integrationslösung wird. Damit kommen die vorgenannten Vorteile, nämlich Reduktion des Bauraumes, Vereinfachung der Montage und Reduktion von Kosten und Gewicht verstärkt zum Tragen.
  • Nach einer weiteren Variante ist vorgesehen, dass ein in der AGR-Leitung angeordneter Kondensatabscheider (zur Abscheidung von durch die Abgaskühlung anfallendem korrosivem Kondensat) ebenfalls Bestandteil der Integrationslösung ist. Damit wird ein noch höherer Integrationsgrad mit einer Verstärkung der vorgenannten Vorteile erreicht. Diese Integrationslösung mit integriertem Kondensatabscheider ist mit integriertem Luftfilter oder ohne Luftfilter möglich.
  • In weiterer Erhöhung des Integrationsgrades wird auch der Abgaskühler in der AGR-Leitung Bestandteil einer Integrationslösung, so dass ein Bauteil, bestehend aus Abgaskühler mit Kondensatabscheider, AGR-Ventil, Ladeluftdrossel und/oder Luftfilter möglich wird.
  • Eine weitere Variante der Integration sieht vor, dass der Verdichter zusätzlich mit der ersten Integrationslösung, insbesondere auch mit Kondensatabscheider und Luftfilter integrierbar ist.
    •
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen
  • 1 ein Niederdruck-AGR-System (ND-AGR-System) mit einzelnen Komponenten,
  • 2 das ND-AGR-System mit einer ersten integrierten Baueinheit,
  • 3 das ND-AGR-System mit einer zweiten integrierten Baueinheit,
  • 4 das ND-AGR-System mit einer dritten integrierten Baueinheit,
  • 5 das ND-AGR-System mit einer vierten integrierten Baueinheit,
  • 6 das ND-AGR-System mit einer fünften integrierten Baueinheit und
  • 7 das ND-AGR-System mit einer sechsten integrierten Baueinheit.
  • 1 zeigt ein Niederdruck-Abgasrückführ-System, im Folgenden abgekürzt ND-AGR-System 1 genannt in schematischer Darstellung. Eine Brennkraftmaschine 2, vorzugsweise ein Dieselmotor 2 weist eine Abgasleitung 3, eine Ansaugleitung 4 für Vebrennungs- bzw. Ladeluft sowie eine zwischen Abgasleitung 3 und Ansaugleitung 4 angeordnete Abgasrückführleitung, im Folgenden AGR-Leitung 5 genannt , auf. In der Abgasleitung 3 ist eine Abgasturbine 6 angeordnet, welche über eine Welle 7 einen in der Ansaugleitung 4 angeordneten Ladeluftverdichter 8 antreibt. Turbine 6, Welle 7 und Verdichter 8 bilden somit eine Abgasturboladereinheit. In Strömungsrichtung hinter dem Ladeluftverdichter 8 ist ein Ladeluftkühler 9 angeordnet, welcher die komprimierte und erhitzte Ladeluft abkühlt, bevor sie der Brennkraftmaschine 2 zugeführt wird. In Abgasströmungsrichtung hinter der Turbine 6 ist ein kombinierter Partikelfilter und Oxidationskatalysator 10 angeordnet. Stromabwärts des Oxidationskatalysators 10 ist eine Verzweigungs- oder Entnahmestelle 11 in der Abgasleitung 3 angeordnet, von welcher die AGR-Leitung 5 abzweigt. Analog ist in der Ansaugleitung 4 auf der Saugseite des Verdichters 8 eine Rückführstelle 12 angeordnet, wo das rückzuführende Abgas in die Ansaugleitung 4 eingespeist wird. In der AGR-Leitung 5 sind ein Abgaskühler 13, ein AGR-Ventil 14 sowie ein Kondensatabscheider 15 vorgesehen. Der Abgaskühler 13 kann luft- oder wassergekühlt sein. Die Abgaskühlung kann auch in zwei Stufen in einem oder zwei Abgaskühlern erfolgen. Das AGR-Ventil 14 regelt über den Durchtrittsquerschnitt die Abgasrückführrate, während der Kondensatabscheider 15 das im Abgaskühler 13 entstehende korrosive Kondensat auffängt und abführt. In der Abgasleitung 3 ist stromabwärts von der Entnahmestelle 11 ein Abgasgegendruckventil 16 angeordnet, durch welches der Abgasgegendruck in der Abgasleitung 8 eingestellt werden kann. In der Ansaugleitung 4 sind stromaufwärts von der Rückführstelle 12 eine Ladeluftdrossel 17 sowie ein Luftfilter 18 angeordnet. Aus der Zeichnung ist ersichtlich, dass die Abgasrückführung, d. h. die Entnahme auf der Niederdruckseite der Turbine 6 und die Rückführung auf der Saugseite des Verdichters 8 erfolgt. Von einem derartigen Niederdruck-AGR-System geht die Erfindung aus.
  • 2 zeigt das ND-AGR-System gemäß 1 in einer ersten abgewandelten Form, wobei für gleiche Teile gleiche Bezugszahlen verwendet werden. Abweichend von 1 ist ein integriertes Bauteil 19 vorgesehen, in welchem drei Komponenten aus 1, nämlich das AGR-Ventil 14, die Ladeluftdrossel 17 und die Rückführstelle 12 baulich zusammengefasst sind. Die drei Komponenten sind schematisch durch drei Dreiecke, gekennzeichnet durch die Buchstaben E, E, A dargestellt, wobei E jeweils Eingang und A Ausgang bedeutet. Der abgasseitige Eingang E und der frischluftseitige Eingang E sind Drosselstellen, welche einerseits den Durchsatz des rückgeführten Abgases und andererseits der Frischluft kontrollieren. Die Verstellbarkeit kann in einer ersten Variante gemeinsam bzw. voneinander abhängig erfolgen oder in einer zweiten Variante unabhängig voneinander. Bei einer unabhängigen Verstellbarkeit lässt sich ein größerer Regelbereich für das Gesamtsystem erreichen.
  • 3 zeigt eine zweite Abwandlung des ND-AGR-Systems gemäß 1, und zwar mit einem integrierten Bauteil 20, welches einerseits die Komponenten gemäß Bauteil 19 in 2 (AGR-Ventil, Ladeluftdrossel, Rückführstelle) und zusätzlich ein integriertes Luftfilter 18' aufweist. Somit sind in dem Bauteil 20 vier Komponenten baulich vereinigt, was eine vereinfachte Montage und einen reduzierten Bauraum bedeutet.
  • 4 zeigt das ND-AGR-System in einer dritten Abwandlung, d. h. mit einem integrierten Bauteil 21, welches zusätzlich zu den Komponenten des Bauteiles 19 in 2 einen integrierten Kondensatabscheider 15' aufweist. Somit sind vier Komponenten im Bauteil 21 integriert. Das Luftfilter 18 ist in dieser Darstellung separat angeordnet.
  • 5 zeigt eine vierte Abwandlung des ND-AGR-Systems gemäß 1, und zwar mit einem integrierten Bauteil 22, welches zusätzlich zu dem Bauteil 19 gemäß 1 einen integrierten Kondensatabscheider 15' sowie einen integrierten Luftfilter 18' aufweist; somit enthält die integrierte Baueinheit 22 fünf miteinander integrierte Komponenten.
  • 6 zeigt eine fünfte Abwandlung des ND-AGR-Systems, und zwar mit einem integrierten Bauteil 23, welches zusätzlich zu dem Bauteil 19 gemäß 2 einen integrierten Abgaskühler 13', einen integrierten Kondensatabscheider 15' sowie einen integrierten Luftfilter 18' aufweist. Somit enthält das integrierte Bauteil 23 sechs miteinander integrierte Komponenten.
  • 7 zeigt eine sechste Abwandlung des ND-AGR-Systems gemäß 1, und zwar mit einem integrierten Bauteil 24, welches zusätzlich zu dem integrierten Bauteil 19 gemäß 1 einen integrierten Ladeluftverdichter 8', einen Kondensatabscheider 15' und ein integriertes Luftfilter 18' aufweist. Das integrierte Bauteil 24 besteht somit aus sechs integrierten Komponenten bzw. aus dem Bauteil 22 gemäß 5, in welches zusätzlich der Verdichter 8' integriert wurde. Damit wird ebenfalls ein hoher Integrationsgrad, verbunden mit Bauraum- und Kostenreduzierung, erreicht.

Claims (8)

  1. Anordnung zur Rückführung und Kühlung von Abgas einer Brennkraftmaschine (2), insbesondere eines Dieselmotors in einem Kraftfahrzeug, wobei die Brennkraftmaschine (2) eine Abgasleitung (3) mit einer Abgasturbine (6) sowie eine Ansaugleitung (4) mit einem von der Abgasturbine (6) angetriebenen Ladeluftverdichter (8) aufweist, wobei stromabwärts der Turbine (6) eine Entnahmestelle (11) zur Abzweigung einer Abgasrückführleitung (AGR-Leitung 5) und stromaufwärts des Verdichters (8) eine Rückführstelle (12) zur Rückführung der AGR-Leitung (5) angeordnet und wobei in der AGR-Leitung (5) mindestens ein Abgaswärmeübertrager (13) und ein AGR-Ventil (14) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ansaugleitung (4) ein Ladeluftdrosselorgan (17) angeordnet ist und dass das AGR-Ventil (14), die Rückführstelle (12) und das Drosselorgan (17) als ein integriertes Bauteil (19) ausgebildet sind.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (19) einen abgasseitigen Eingang E und einen frischluftseitigen Eingang E aufweist, die bezüglich ihres Durchtrittsquerschnittes verstellbar sind.
  3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingänge E unabhängig voneinander verstellbar sind.
  4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingänge E abhängig voneinander verstellbar sind.
  5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Luftfilter (18) in der Ansaugleitung (4) angeordnet ist und dass das Luftfilter (18') zusätzlich in das Bauteil (19) integrierbar ist.
  6. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der AGR-Leitung (5) ein Kondensatabscheider (15) angeordnet und dass der Kondensatabscheider (15') zusätzlich in das Bauteil (19) integrierbar ist.
  7. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaswärmeübertrager (13') zusätzlich in das Bauteil (19) integrierbar ist.
  8. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (8') zusätzlich in das Bauteil (19) integrierbar ist.
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