DE102006024784B4 - Abgasrückführsystem für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Abgasrückführsystem (1) für eine Brennkraftmaschine (11) mit einem Abgasstrang (2) undeinem Ansaugstrang (3) und einem Abgasturbolader (4), dessen Turbine (4') im Abgasstrang (2) und dessen Verdichter (4") in dem Ansaugstrang (3) angeordnet ist, wobei der Abgasstrang (2) in Strömungsrichtung eines Abgases nach der Turbine (4') mit dem Ansaugstrang (3) in Strömungsrichtung einer Ansaugluft vor dem Verdichter (4") gasführend durch eine Abgasrückführleitung (5) verbunden ist und eine Abgasmenge durch die Abgasrückführleitung (5) mit einem ersten Drosselorgan (6) und einem zweiten Drosselorgan (7) einstellbar ist, wobei das erste Drosselorgan (6) in Strömungsrichtung des Abgases hinter der Abgasrückführleitung (5) im Abgasstrang (2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Drosselorgan (6) ein von einem Federelement (8) entgegen der Strömungsrichtung des Abgases gedrücktes Klappenventil ist, wobei der Abgasstrang (2) im Bereich des ersten Drosselorgans (6) eine Hinterschneidung (9) aufweist, in die das erste Drosselorgan (6) in geöffnetem Zustand versenkbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Abgasrückführsystem für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Zum technischen Umfeld wird beispielsweise auf die europäische Patentanmeldung EP 1 455 078 A1 hingewiesen. In dieser ist eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader und einer Niederdruckabgasrückführleitung beschrieben, welche vom Abgasstrom abwärts eines Katalysators zum Frischluftweg oberhalb des Kompressors des Abgasturboladers verläuft. Weiter ist eine Hochdruckabgasrückführleitung vorgesehen, die von einem Punkt vor dem Katalysator bzw. vor der Turbine des Abgasturboladers zum Ansaugkrümmer führt. Der Frischluftweg vom Kompressor zum Ansaugkrümmer wird vorzugsweise durch zwei parallele Zweige gebildet, wobei in einem der Zweige ein Zwischenkühler angeordnet ist. Durch Einstellung von Regelungs- und Mischventilen kann die Gastemperatur im Ansaugkrümmer kontrolliert werden. Während des Betriebes der Brennkraftmaschine wird Frischluft aus dem Luftfilter mit Abgas aus der Niederdruckabgasrückführleitung gemischt, wobei das Mischungsverhältnis von Frischluft zu rückgeführtem Abgas durch das Abgasrückführregelventil und das Abgasdruckregelventil eingestellt werden kann.
    Die DE 10 2004 040 893 A1 offenbart ein Abgasrückführsystem für eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasstrang und einem Ansaugstrang und einem Abgasturbolader, dessen Turbine im Abgasstrang und dessen Verdichter in dem Ansaugstrang angeordnet ist, wobei der Abgasstrang in Strömungsrichtung eines Abgases nach der Turbine mit dem Ansaugstrang in Strömungsrichtung einer Ansaugluft vor dem Verdichter gasführend durch eine Abgasrückführleitung verbunden ist und eine Abgasmenge durch die Abgasrückführleitung mit einem ersten Drosselorgan und einem zweiten Drosselorgan einstellbar ist, wobei das erste Drosselorgan in Strömungsrichtung des Abgases hinter der Abgasrückführleitung im Abgasstrang angeordnet ist.
  • Aus der DE 10 2004 021 496 A1 ist eine Schwenklageranordnung für ein Stellglied einer Abgasanlage, insbesondere für eine Drosselklappe oder eine Ventilklappe in einem Abgasrohr einer Abgasanlage, mit einer Lagerstelle und mindestens einem in der Lagerstelle schwenkbar gelagerten Lagerzapfen bekannt, welcher sich mit seiner Außenumfangsfläche bei einer Schwenkbewegung abschnittsweise an einer Lagerfläche der Lagerstelle abstützt, wobei der Lagerzapfen an seiner Außenumfangsfläche und die Lagerstelle an ihrer Lagerfläche jeweils einen definierten Flächenabschnitt aufweisen, mit dem die beiden Flächen während der Schwenkbewegung aneinander zur Anlage kommen, wobei einer der Flächenabschnitte im Schnitt quer zur Schwenkachse gesehen plan oder nach außen gewölbt verläuft, während der andere der beiden Flächenabschnitte im Schnitt quer zur Schwenkachse gesehen nach außen gewölbt verläuft und sich bei einer Schwenkbewegung an dem anderen Flächenabschnitt abwälzt.
  • Aus der DE 44 39 432 C1 ist ein Verbrennungsmotor mit einer Abgasleitung bekannt, die durch eine Absperrklappe absperrbar ist, insbesondere eine Abgasleitung vor einem Katalysator wobei die Absperrklappe gegen die Dichtfläche in der Abgasleitung gedrückt ist, wobei die Absperrklappe einen Deckel aufweist, welcher mittels eines Hebels gegen die Dichtfläche in der Abgasleitung gedrückt ist, wobei zwischen dem Deckel und dem Hebel eine sphärische Berührungsfläche vorhanden ist und Deckel und Hebel relativ zueinander bewegbar sind. Bei freigegebenem Gasstrom wird der Deckel zurück geklappt, der erhabene Bereich des Deckels ragt jedoch in das Rohr und verkleinert in negativer Weise den Strömungsquerschnitt des Rohres.
  • Aus der DE 103 04 364 A1 ist Drosselanordnung in einer Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor bekannt, mit einer Drosselklappe zum Drosseln des Volumenstroms eines durch ein Rohr strömenden Fluides, wobei die Drosselklappe zwischen einer geschlossenen Stellung, in die sie vorgespannt ist, um einen vorgegebenen Querschnittsbereich des Rohres zumindest teilweise zu verschließen, und einer offenen Stellung, in der die Drosselklappe den Querschnittsbereich des Rohres durch die Wirkung des Fluiddrucks gegen die Vorspannkraft freigibt, um eine Schwenkachse in das Rohr schwenkbar ist, wobei die Schwenkachse seitlich versetzt zu dem von der Drosselklappe zu verschließenden Querschnittsbereich des Rohres angeordnet ist und dass an der Drosselklappe mindestens ein Abstandshalter vorgesehen ist, mit dem die Drosselklappe in einem vorgegebenen Abstand zur Schwenkachse an der Schwenkachse derart gelagert ist, dass die Drosselklappe in ihrer offenen Stellung vom Fluid beidseitig umströmt ist.
  • Eine mechanisch gekoppelte Ausgestaltung eines Abgasrückführregelventils und eines Abgasdruckregelventils ist in der noch nicht veröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2005 002 266 beschrieben, von der die vorliegende Erfindung ausgeht. In dieser Patentanmeldung wird vorgeschlagen, dass dem Abgasrückführregelventil und dem Abgasdruckregelventil ein gemeinsames Stellelement zugeordnet ist. Durch die gemeinsame Betätigung wird eine einfachere und kostengünstigere Ventilsteuerung für ein gattungsgemäßes Abgasrückführsystem geschaffen.
  • Die kombinierte mechanisch gekoppelte Ausführung ist, insbesondere wegen der hohen Abgastemperaturen, welche auch in Betriebspunkten ohne Abgasrückführung auslegungsrelevant sind, immer noch relativ teuer.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein noch kostengünstigeres Abgasdruckregelventil für ein gattungsgemäßes Abgasrückführsystem aufzuzeigen.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
    Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird in vorteilhafter Weise der Selbstregelungseffekt durch die kraftgesteuerte Betätigung des Abgasgegendruckes ausgenutzt. Aufwendige mechanische Stellgetriebe, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, können entfallen und Stellelemente können auf Grund des Selbstregelungseffektes schwächer ausgelegt werden. Eine deutliche Kostenreduzierung ist somit möglich. Weiter wird der Abgasmassenstrom der Abgasanlage im unbetätigten Zustand, d. h. im geöffneten Zustand des ersten Drosselorgans, dem Abgasdruckregelventil, nicht gestört, da sich keine Störkontur im freien Querschnitt der Abgasleitung befindet.
  • Die zwei Ausgestaltungen gemäß Patentanspruch 2 sind zwei besonders bevorzugte Ausführungsvarianten für ein erfindungsgemäßes erstes Drosselorgan, dem Abgasdruckregelventil, da die Fertigung einfach und kostengünstig ist.
  • Durch die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 3 ist in vorteilhafter Weise zusätzlich zur Selbstregelung des Abgasdruckregelventils eine aktive Betätigung möglich. Auch ist durch das Stellelement ein vollständiges Öffnen des Abgasdruckregelventils in einfacher Weise möglich.
  • Die Ausgestaltungen gemäß Patentanspruch 4 sind zwei bevorzugte Ausführungsvarianten, wobei die schaltbare Variante aufgrund der einfachen Ausführung besonders bevorzugt ist.
  • Gemäß Patentanspruch 5 kann das Stellelement elektrisch und/oder pneumatisch oder hydraulisch betätigt werden. Hierbei handelt es sich um bewährte Stellmöglichkeiten.
  • Besonders bevorzugt wird das Stellelement gemäß Patentanspruch 6 von einem Steuergerät mittels einer Kennfeldsteuerung gesteuert. Auch die Regelung des Stellelementes ist möglich, jedoch in der Realisierung etwas aufwendiger.
  • Die metallischen Werkstoffe gemäß Patentanspruch 7 sind besonders bevorzugte Werkstoffe für ein erfindungsgemäßes erstes Drosselorgan, dem Abgasdruckregelventil, da sie eine ausgezeichnete Temperaturfestigkeit aufweisen.
  • Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles in zwei Figuren näher erläutert.
    • 1 zeigt schematisch ein gattungsgemäßes Abgasrückführsystem;
    • 2 zeigt schematisch ein erfindungsgemäß ausgestaltetes erstes Drosselorgan.
  • Für gleiche Bauteile oder Bauelemente gelten in beiden Figuren die gleichen Bezugsziffern.
  • 1 zeigt schematisch ein gattungsgemäßes Abgasrückführsystem 1 für eine Brennkraftmaschine 11. Beim Betrieb der Brennkraftmaschine 11 wird Ansaugluft durch einen Ansaugstrang 3 zuerst durch einen Ansauggeräuschdämpfer 13 gefördert, anschließend über einen Verdichter 4" eines Abgasturboladers 4 und weiter durch einen Ladeluftkühler 14 zu einem Mischventil 16 eines Hochdruckabgasrückführsystems 12 und weiter in einen Luftsammler 3' des Ansaugstranges 3, wo die Ansaugluft auf sechs Zylinder 11' der Brennkraftmaschine 11 verteilt werden. Die mit einem Brennstoff verbrannte Frischluft wird durch einen Abgaskrümmer 2' eines Abgasstranges 2 ausgeschoben und weiter durch den Abgasstrang 2 in eine Turbine 4' des Abgasturboladers 4 gefördert. Nach der Turbine 4', die den Verdichter 4" antreibt, durchströmt das Abgas eine erste Abgasreinigungsanlage 17, z. B. ein Partikelfilter, dann ein erstes Drosselorgan 6, ein Abgasdruckregelventil und anschließend eine zweite Abgasreinigungsanlage 18, z. B. ein Drei-Wege-Katalysator. Anschließend verlässt das Abgas den Abgasstrang 2. Eine Strömungsrichtung der Frischluft und des Abgases ist symbolisch mit Pfeilen dargestellt.
  • Für die Brennkraftmaschine 11 ist ein Hochdruckabgasrückführsystem 12 vorgesehen, welches den Abgaskrümmer 2' abgasführend mit dem Ansaugstrang 3 verbindet. Eine Einmündestelle, entsprechend dem Mischventil 16, des rückgeführten Abgases des Hochdruckabgasrückführsystems 12 befindet sich zwischen dem Ladeluftkühler 14 und dem Luftsammler 3'. Um den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine 11 zu erhöhen, ist im Hochdruckabgasrückführsystem 12 ein Hochdruckabgaskühler 15 vorgesehen, der zwischen dem Abgaskrümmer 2' und dem Mischventil 16 angeordnet ist.
  • Neben dem Hochdruckabgasrückführsystem 12 verfügt die Brennkraftmaschine auch über ein Niederdruckabgasrückführsystem 1. Dieses verbindet den Abgasstrang 2 abgasführend mit dem Ansaugstrang 3 in Strömungsrichtung der Frischluft vor dem Verdichter 4" des Abgasturboladers 4. Das Abgas strömt nach der ersten Abgasreinigungsanlage 17 und vor dem ersten Drosselorgan 6 durch eine Abgasrückführleitung 5, in der ein zweites Drosselorgan 7 angeordnet ist, weiter durch einen Niederdruckabgaskühler 19 und anschließend in den Ansaugstrang 3 in einen Bereich nach dem Ansauggeräuschdämpfer 13 und vor dem Verdichter 4". Das zweite Drosselorgan 7 kann alternativ auch zwischen dem Niederdruckabgaskühler 19 und dem Verdichter 4" angeordnet sein. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass das Abgas nach dem Abgaskühler 19 kälter ist und somit für das zweite Drosselorgan 7' kostengünstigere Materialien verwendet werden können, wie z. B. Kunststoffe. Wie in 1 schematisch dargestellt, werden das erste Drosselorgan 6 und das zweite Drosselorgan 7, wie aus dem Stand der Technik bekannt, gegenphasig geöffnet bzw. geschlossen.
  • 2 zeigt schematisch ein erstes Drosselorgan 6, das erfindungsgemäß ausgestaltete Abgasdruckregelventil, für das Abgasrückführsystem 1. Das erste Drosselorgan 6 ist hinter der ersten Abgasreinigungsanlage 17 angeordnet. Die Strömungsrichtung des Abgases ist durch Pfeile schematisch dargestellt. Das erste Drosselorgan 6 ist in Strömungsrichtung des Abgases hinter der Abzweigstelle der Abgasrückführleitung 5 in dem Abgasstrang 2 angeordnet. Die Strömungsrichtung des Abgases ist wiederum durch einen Pfeil in Richtung des Niederdruckabgaskühlers 19 angedeutet.
  • Erfindungsgemäß ist das erste Drosselorgan 6 ein von einem Federelement 8 entgegen der Strömungsrichtung des Abgases gedrücktes Klappenventil. Eine Klappe 6' des ersten Drosselorgans 6 ist in geöffnetem Zustand in einer Ausnehmung 9 in dem ersten Drosselorgan 6 vollständig versenkbar, so dass keine störenden, den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine 11 negativ beeinflussenden Strömungswiderstände im Abgasstrang 2 vorhanden sind.
  • Vorzugsweise weist der Abgasstrang 2 im Bereich des ersten Drosselorgans 6 einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt auf. Dies vereinfacht und verbilligt somit zum einen die Herstellung des ersten Drosselorgans 6, und erhöht dessen Funktionssicherheit.
  • Zusätzlich zum Federelement 8, welches eine Spiralfeder, Druckfeder oder sonstiges Federelement sein kann, ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel zur Betätigung der Klappe 6' zusätzlich ein Stellelement 10 vorgesehen. Das Stellelement 10 kann entweder geschalten oder kontinuierlich betätigt werden. Die Betätigung erfolgt hierbei elektrisch und/oder pneumatisch oder hydraulisch. Vorzugsweise wird die Betätigung des Stellelementes 10 von einem nicht dargestellten Steuergerät über eine Kennfeldsteuerung gesteuert. In diesem Kennfeld kann eine betriebspunktabhängige Steuerstrategie abgelegt sein. Auch eine aufwendigere Regelung des Öffnens und Schließens der Klappe 6' ist möglich.
  • Bevorzugt wird das erste Drosselorgan 6 aus einem metallischen Werkstoff, beispielsweise einem eisenmetallischen Werkstoff oder einem nicht rostenden Stahlblech hergestellt. Das zweite Drosselorgan 7' kann darüber hinaus auch aus einem Kunststoff, z. B. einem PA-Werkstoff (Polyamid) gefertigt werden.
  • Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des ersten Drosselorgans 6 ist einfach und daher kostengünstiger zu fertigen als die kombinierte mechanisch gekoppelte Ausführung, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des ersten Drosselelementes 6 kann der Einsatz eines teuren Stellers mit Lageregelung bzw. Wegrückmeldung entfallen. Somit kann das Abgasrückführsystem 1, die Niederdruckabgasrückführung, in einem weiten Kennfeldbereich eingesetzt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1.
    Abgasrückführsystem
    2.
    Abgasstrang
    2'
    Abgaskrümmer
    3.
    Ansaugstrang
    3'
    Luftsammler
    4.
    Abgasturbolader
    4'
    Turbine
    4"
    Verdichter
    5.
    Abgasrückführleitung
    6.
    Erstes Drosselorgan
    6'
    Klappe
    7.
    Zweites Drosselorgan
    7'
    Alternatives zweites Drosselorgan
    8.
    Federelement
    9.
    Hinterschneidung
    10.
    Stellelement
    11.
    Brennkraftmaschine
    11'
    Zylinder
    12.
    Hochdruckabgasrückführsystem
    13.
    Ansauggeräuschdämpfer
    14.
    Ladeluftkühler
    15.
    Hochdruck-Abgaskühler
    16.
    Mischventil
    17.
    Erste Abgasreinigungsanlage
    18.
    Zweite Abgasreinigungsanlage
    19.
    Niederdruckabgaskühler

Claims (7)

  1. Abgasrückführsystem (1) für eine Brennkraftmaschine (11) mit einem Abgasstrang (2) undeinem Ansaugstrang (3) und einem Abgasturbolader (4), dessen Turbine (4') im Abgasstrang (2) und dessen Verdichter (4") in dem Ansaugstrang (3) angeordnet ist, wobei der Abgasstrang (2) in Strömungsrichtung eines Abgases nach der Turbine (4') mit dem Ansaugstrang (3) in Strömungsrichtung einer Ansaugluft vor dem Verdichter (4") gasführend durch eine Abgasrückführleitung (5) verbunden ist und eine Abgasmenge durch die Abgasrückführleitung (5) mit einem ersten Drosselorgan (6) und einem zweiten Drosselorgan (7) einstellbar ist, wobei das erste Drosselorgan (6) in Strömungsrichtung des Abgases hinter der Abgasrückführleitung (5) im Abgasstrang (2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Drosselorgan (6) ein von einem Federelement (8) entgegen der Strömungsrichtung des Abgases gedrücktes Klappenventil ist, wobei der Abgasstrang (2) im Bereich des ersten Drosselorgans (6) eine Hinterschneidung (9) aufweist, in die das erste Drosselorgan (6) in geöffnetem Zustand versenkbar ist.
  2. Abgasrückführsystem nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasstrang (2) im Bereich des ersten Drosselorgans (6) einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt aufweist.
  3. Abgasrückführsystem nach einem der Patentansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Betätigung des ersten Drosselorgans (6) zusätzlich ein Stellelement (10) vorgesehen ist.
  4. Abgasrückführsystem nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (10) schaltbar oder kontinuierlich betätigbar ist.
  5. Abgasrückführsystem nach Patentanspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet; dass das Stellelement (10) elektrisch und/oder pneumatisch oder hydraulisch betätigbar ist.
  6. Abgasrückführsystem nach einem der Patentansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (10) von einem elektronischen Steuergerät gesteuert oder geregelt ist.
  7. Abgasrückführsystem nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Drosselorgan (6) aus einem metallischen Werkstoff ist.
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