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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung von rückgeführtem
Abgas eines Verbrennungsmotors nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1 sowie ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung.
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EP 1 091 113 B1 beschreibt
ein Abgas-Rückführsystem für einen Dieselmotor,
bei dem in einer Variante gemäß
2 ein
erster Abgaskühler und ein diesem nachfolgender, zweiter
Abgaskühler vorgesehen ist. Der erste Kühler ist
dabei an den Kühlkreislauf des Motors angeschlossen und
der zweite Kühler an einen Niedertemperaturkühlkreislauf
des Motors.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Kühlung
von rückgeführtem Abgas eines Verbrennungsmotors
anzugeben, bei der mit einfachen Mitteln eine Leistungsregelung
der Abgaskühlung zur Anpassung an unterschiedliche Betriebsbereiche
des Verbrennungsmotors erreicht wird.
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Diese
Aufgabe wird für eine eingangs genannte Vorrichtung erfindungsgemäß mit
den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Durch
die Möglichkeit der Leistungsregelung zumindest des zweiten
Wärmetauschers können besondere Anforderungen
an die Temperatur des dem Motor zugeführten Abgases erfüllt
werden. Diese können vor allem von dem Betriebszustand
des Motors abhängen und hier in besonderem Maß von
der anliegenden Last. Die Erfindung ist dabei nicht auf zwei nacheinander
angeordnete Wärmetauscher beschränkt, sondern
umfasst auch Anordnungen von mehr als zwei Wärmetauschern,
wobei auch mehr als einer der Wärmetauscher in seiner Leistung
geregelt sein kann.
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In
vorteilhafter Ausführungsform ist der Verbrennungsmotor
dabei als Ottomotor ausgebildet ist, insbesondere als Ottomotor
mit einer direkten Kraftstoffeinspritzung und/oder einem variablem
Ventiltrieb. Bei einem solchen Ottomotor kann eine Abgasrückführung
nicht nur zur Reduzierung von Schadstoffemissionen, insbesondere
Stickoxiden (NOx), sondern auch zur Verbrauchsoptimierung und somit Reduzierung
von Kohlendioxid sinnvoll sein. Dabei stellt sich die besondere
Problematik, dass eine möglichst weitgehende Kühlung
des rückgeführten Abgases nur bei hoher oder voller
Last gewünscht ist. Hierbei ist eine Absenkung der Verbrennungstemperatur
gewünscht, um aufgrund resultierender geringerer Klopfneigung
den Zündzeitpunkt verbrauchsgünstiger wählen
zu können. Bei sehr hohen Lasten kommt noch die Funktion
des Temperaturschutzes hinzu, der es ermöglicht, in weiten
Bereichen auf ein verbrauchsintensives Anfetten des Gemisches zu verzichten.
Da im Volllastbereich die höchsten Temperaturen in Verbindung
mit den höchsten Massenströmen auftreten, muss
die Abgaskühlung eine hohe maximale Leistung aufweisen.
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Im
unteren Lastbereich bzw. bei Teillast dient die Abgasrückführung
insbesondere beim aufgeladenen Ottomotor (Saugbetrieb bei Teillast)
in der Hauptsache einer Entdrosselung des Motors. Die Kühlung des
rückgeführten Abgases soll dabei nur ein Klopfen ausreichend
verhindern. Eine hierüber hinausgehende Kühlung
hätte wieder eine stärkere Drosselung und/oder
eine Verschlechterung der Gemischaufbereitung zur Folge. Ein weiterer
Nachteil einer zu starken Abgaskühlung im Teillastbereich
kann in anfallen dem Kondensat bestehen. Insgesamt ist somit bei der
Abgasrückführung insbesondere im Fall von aufgeladenen
Ottomotoren die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders
vorteilhaft, da sie eine hohe maximale Kühlleistung für
den Volllastbereich mit einstellbar niedriger Kühlleistung
im Teillastbereich zur Optimierung der Verbrauchsreduzierung ermöglicht.
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Im
Interesse einer kostengünstigen Vereinfachung der Vorrichtung
ist der erste Wärmetauscher nicht in seiner Kühlleistung
einstellbar regelbar. Dies hat zudem den Vorteil, dass eine Mindestkühlleistung aufgrund
der einfachen Konstruktion des ersten Wärmetauschers zuverlässig
zur Verfügung steht und nicht durch eine Fehlfunktion eines
Regelglieds beeinträchtigt werden kann.
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Bei
einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
umfasst das Regelglied ein Abgasventil zur Steuerung des Abgasstroms.
Vorteilhaft ist dabei ein von dem Regelglied ansteuerbarer Bypasskanal
zur zumindest teilweisen Umgehung des zweiten Wärmetauschers
vorgesehen. Hierdurch ist die Kühlung des Abgasstroms durch
teilweises oder vollständiges Umleiten auf den Bypasskanal
besonders schnell und in weitem Bereich veränderbar. Bei einer
bauraum- und kostenoptimierten Detailgestaltung kann das Regelglied
dabei so ausgelegt sein, dass mittels des Regelglieds sowohl eine
Führung des Abgasstroms durch den Bypasskanal einstellbar ist
als auch die gesamte Größe des rückgeführten Abgasstroms.
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Bei
einer alternativen oder ergänzenden Ausführungsform
umfasst das Regelglied ein Kühlmittelventil zur einstellbaren
Steuerung eines Kühlmittelstroms des zweiten Wärmetauschers.
Eine Kühlleistungsregelung durch Beeinflussung des Kühlmittelstroms
ermöglicht unter anderem eine besonders kompakte Bauweise
des Wärmetauschers und ist konstruktiv besonders einfach
und betriebssicher realisierbar. Auf einfache Weise kann das Regelglied
dabei ein Thermostatventil umfassen, wobei insbesondere bevorzugt das
Thermostatventil ein einstellbares Regelverhalten aufweist, insbesondere mittels
eines elektrischen Heizelements. Solche in ihrer Regelcharakteristik
beeinflussbaren Thermostatventile werden auch als Kennfeld-Thermostate
bezeichnet. In einer Detailgestaltung wird der zweite Wärmetauscher
in einem Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors im Wesentlichen
nicht von einem Kühlmittel durchströmt, so dass
gerade im Teillastbetrieb eine reduzierte Kühlleistung
des Gesamtsystems vorliegt. Eine für den Wärmetausch
vernachlässigbare Restströmung kann dabei durchaus
vorgesehen sein, um eine ständige Information über
die Temperatur im zweiten Wärmetauscher zu erhalten und
um ein schnelles Ansprechen des Thermostaten auf einen ansteigenden
Wärmeeintrag durch das Abgas zu ermöglichen.
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Allgemein
vorteilhaft kann zumindest einer der Wärmetauscher an einen
Hauptkühlkreislauf des Verbrennungsmotors angebunden sein,
wodurch auf einfache Weise ein strömendes Kühlmittel
zur indirekten Abgaskühlung bereitgestellt ist. In besonders einfacher
und zugleich effektiver Bauweise sind dabei sowohl der erste als
auch der zweite Wärmetauscher an einen Hauptkühlkreislauf
des Verbrennungsmotors angebunden.
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Alternativ
oder ergänzend hierzu kann auch zumindest einer der Wärmetauscher,
insbesondere der zweite Wärmetauscher, an einen Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf
angebunden sein. Ein solcher Niedertemperaturkreislauf ermöglicht
die Kühlung des rückgeführten Abgases
auf Temperaturen, die deutlich unter der typischen Temperatur des
Motor-Kühlkreislaufs liegen. Regelmäßig
ist in diesem Fall ein separater luftumströmter Kühler
des Niedertemperatur-Kühlkreislaufs vorgesehen.
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Bei
einer vorteilhaften Detailgestaltung der Erfindung wird der erste
Wärmetauscher bezüglich Abgasstrom und Kühlmittelstrom
im Gleichstrom betrieben. Hierdurch treten im Eintrittsbereich des
Abgases geringere Wandtem peraturen auf, was die Gefahr eines lokalen
Siedens des Kühlmittels verringert.
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Weiterhin
bevorzugt wird der zweite Wärmetauscher bezüglich
Abgasstrom und Kühlmittelstrom im Gegenstrom betrieben.
Da der Abgasstrom bei Eintritt in den zweiten Wärmetauscher
bereits vorgekühlt ist und keine extremen Temperaturen
mehr aufweist, besteht im zweiten Wärmetauscher kaum noch die
Gefahr eines Siedens des Kühlmittels, so dass die effektive
Variante einer Gegenstromkühlung für den zweiten
Wärmetauscher zur Verfügung steht.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung kann aufgrund der
eingangs genannten Problematik besonders vorteilhaft mit einem Verbrennungsmotor
eingesetzt werden, der eine Frischgasaufladung, insbesondere einen
Abgasturbolader, aufweist. Bei einer vorteilhaften Weiterbildung
der Erfindung können dabei ein Ladeluftkühler
der Frischgasaufladung und zumindest der zweite Wärmetauscher
einen gemeinsamen Kühlmittelkreislauf, insbesondere einen
Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf, aufweisen.
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Allgemein
vorteilhaft ist es im Interesse einer Minimierung von Bauteilen
und optimaler Nutzung von Bauraum vorgesehen, dass der erste Wärmetauscher
und der zweite Wärmetauscher als integrierte bauliche Einheit
ausgebildet sind.
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Die
Erfindung umfasst zudem ein Kraftfahrzeug, insbesondere Personenkraftwagen,
mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18.
Gerade bei Personenkraftwagen sind Ottomotoren weit verbreitet,
wobei zunehmende Anforderungen an die Schadstoffemission und die
Verbrauchsoptimierung gestellt werden.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend
beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie aus den abhängigen Ansprüchen.
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Nachfolgend
werden mehrere bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung des Kühlsystems eines Verbrennungsmotors
mit Abgasrückführung nach dem Stand der Technik.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung.
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3 zeigt
eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung aus 2.
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4 zeigt
eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung aus 2.
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5 zeigt
eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung aus 2.
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6 zeigt
das Diagramm einer Regelcharakteristik des Regelglieds der Vorrichtung
aus 5.
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In 1 ist
eine aus dem Stand der Technik bekannte Anordnung eines als Ottomotor 1 ausgebildeten
Verbrennungsmotors mit Abgas-Rückführung gezeigt.
Der Verbrennungsmotor 1 hat einlassseitig eine Gemischzuführung
mit einer Drosselklappe 2 und auslassseitig eine Abgasleitung
mit einem vor einem Abgasturbolader 3 angeordneten Abzweig 4. Der
am Abzweig 4 abgezweigte Abgasstrom durchströmt
einen indirekt gekühlten Abgaskühler 5 und
ist über ein einstellbares Abgasventil 6 in seiner
Größe regelbar. Einlassseitig ist zwischen dem
Abgasturbolader und der Drosselklappe auf bekannte Weise ein Ladeluftkühler 13 vorgesehen,
der vorliegend als direkter, luftstromgekühlter Wärmetauscher
ausgebildet ist.
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Mit
dem Begriff der indirekten Kühlung ist vorliegend gemeint,
dass der Abgaskühler 5 von einem flüssigen
Kühlmittel durchströmt ist. Dieses ist über
Abzweige 7, 8 mit einem Hauptkühlkreislauf
des Verbrennungsmotors 1 verbunden. Der Hauptkühlkreislauf
umfasst eine Wasserpumpe 9, einen Kühlmittelkühler 10 mit
Lüfter 10a sowie einen Motorbypass 11,
der über eine Thermostatregelung 12 zur Verkürzung
einer Warmlaufphase des Motors angebunden ist.
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Hinsichtlich
der zum Motor 1 parallelen Anordnung des Abgaskühlers 5 ist
die Darstellung nach 1 nur schematisch zu verstehen.
Es können zusätzliche Mittel zur Steuerung der
Kühlmittelzweige vorgesehen sein, wie etwa eine zweite
Wasserpumpe im Abgaskühlerzweig, Festdrosseln oder einstellbare
Drosselventile.
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Die
in 2 schematisch dargestellte erfindungsgemäße
Ausführungsform umfasst – bei sonst gleicher Konfiguration
des Verbrennungsmotors 1 – anstelle des einzelnen
Abgaskühlers 5 aus 1 eine Anordnung
von mehreren Wärmetauschern, wobei ein erster Wärmetauscher 14 und
hinsichtlich des Abgasstroms stromabwärts ein zweiter Wärmetauscher 15 in
Reihe nacheinander angeordnet sind.
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Jeder
der beiden Wärmetauscher 14, 15 ist als
indirekter Abgaskühler ausgebildet und hat Anschlüsse 14a, 14b bzw. 15a, 15b zur
jeweiligen Zuführung und Abführung eines flüssigen
Kühlmittels. Bei den gezeigten Ausführungsbeispielen
sind beide Wärmetauscher 14, 15 an den
Hauptkühlkreislauf des Motors 1 angebunden. Die
Anbindung kann je nach Anforderung für jeden der Kühler
separat erfolgen oder auch mittels Verzweigungen.
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Um
ein lokales Sieden bzw. Überhitzen des flüssigen
Kühlmittels im ersten Wärmetauscher 14 möglichst
zu verhindern, wird der erste Wärmetauscher im Gleichstrom
betrieben. Hierdurch trifft das eintretende, besonders heiße
Abgas auf das eintretende, besonders kalte Kühlmittel.
Austrittsseitig hat das Kühlmittel seine höchste
Temperatur, trifft aber nur noch auf teilweise gekühltes
Abgas, so dass die Gefahr einer lokalen Überhitzung gering
ist.
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Der
zweite Wärmetauscher 15 kann je nach Anforderungen
im Gleichstrom betrieben werden, so dass eintretendes Kühlmittel
auf austretendes Abgas trifft, oder auch im Gegenstrom (siehe Richtungspfeile
an den Anschlüssen 14a, 14b, 15a, 15b).
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In 2 ist
schematisch angedeutet, dass der erste Wärmetauscher 14 nicht
in seiner Kühlleistung regelbar ist und somit ständig
seine maximale Leistung bereitstellt. Diese kann zwar, zum Beispiel während
einer Warmlaufphase des Motors 1, schwanken, stellt aber
keine gezielt regelbare Größe dar.
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Dagegen
ist der nachfolgende zweite Wärmetauscher 15 in
seiner Kühlleistung mittels eines Regelglieds 16 (in 2 nur
schematisch dargestellt) einstellbar veränderbar. Hierdurch
kann auf verschiedene Betriebszustände des Motors reagiert werden,
etwa Teillast- oder Volllastbetrieb.
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Bei
Teillast befinden sich aufgeladene Ottomotoren meist im Saugbetrieb,
so dass durch einen rückgeführten Abgasstrom eine
Entdrosselung des Motors erfolgt. Die Temperatur des rückgeführten
Abgases sollte dabei nicht so niedrig sein, dass dem Effekt der
Entdrosselung entgegengewirkt wird oder sogar eine Kondensation
im Abgas auftritt. Vielmehr sollte die Temperatur gerade nur so
niedrig sein, dass ein Klopfen vermieden wird und ausreichende Freiheit
für die Einstellung des Zündzeitpunkts besteht.
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Bei
Volllast ist dagegen eine maximale Kühlung des rückgeführten
Abgases erwünscht, so dass der zweite Wärmetauscher 15 in
diesem Betriebsbereich meist seine maximale Kühlleistung
bereitstellen soll.
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3 zeigt
ein erstes konkretes Ausführungsbeispiel der in 2 nur
schematisch dargestellten Vorrichtung. Dabei umfasst der zweite
Wärmetauscher 15 einen Bypasskanal 15a, über
die der Abgasstrom einstellbar wählbar strömen
kann. Das Regelglied 16 ist als Abgasventil, vorliegend
in Form eines 3-Wege-Ventils, ausgebildet und vor dem zweiten Wärmetauscher 15 und
dem hierzu parallelen Bypasskanal angeordnet. Das Regelglied 16 ist
dem ersten Wärmetauscher nachgeordnet, so dass eingangsseitig
der gesamte im ersten Wärmetauscher gekühlte Abgasstrom
in das Regelglied 16 eintritt.
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Der über
das Regelglied 16 auf den Bypass 15a geleitete
Teilstrom des Abgases wird nicht oder nur unwesentlich gekühlt.
Je höher der Anteil des Bypassstroms, desto kleiner ist
die Kühlleistung, die der zweite Wärmetauscher
auf den rückgeführten Abgasstrom ausübt.
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Über
das 3-Wege-Ventil kann auch die Gesamtgröße des
rückgeführten Abgasstroms einstellbar sein, zum
Beispiel durch einstellbare Veränderung des minimalen Querschnitts
der Zuleitung vom ersten Wärmetauscher 14 zum
zweiten Wärmetauscher 15.
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Das
in 4 gezeigte Ausführungsbeispiel ist eine
Abwandlung der Ausführung aus 3. Das Regelglied 16 zur
Regelung der Kühlleistung des zweiten Wärmetauschers 15 ist
ebenfalls ein Abgasventil. Vorliegend ist das Abgasventil 16 konstruktiv so
ausgebildet, dass die Gesamtmenge des rückgeführten
Abgases sowie die Führung des Abgases entweder über
den zweiten Wärmetauscher oder den Bypasskanal mittels
eines einzigen Ventilschiebers 17 einstellbar ist. In der
gezeigten Anordnung erfolgt dies durch den Ventilschieber 17,
der je nach Auslenkung aus einer Mittelposition einen mehr oder
weniger großen Querschnitt einer aus dem ersten Wärmetauscher
kommenden Zuleitung 18 freigibt, wodurch der Gesamtstrom
geregelt wird. In der Mittelposition verschließt der Ventilschieber 17 die
Zuleitung 18. Eine Auslenkung zur einen Seite (Auslenkung
wie in 4 dargestellt nach links) leitet den so durchgelassenen
Abgasstrom durch den Bypasskanal und eine Auslenkung aus der Mittelposition
zur anderen Seite leitet den Abgasstrom zur Kühlung durch
den zweiten Wärmetauscher 15. Es versteht sich,
dass je nach Detailgestaltung auch andere Strömungswege eines
solchen konstruktiv optimierten Abgasventils möglich sind.
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Weiterhin
ist in dem Ausführungsbeispiel nach 4 der Bypasskanal 15a integriert
mit dem Wärmetauscher 15 ausgebildet. Solche integrierten Bauarten
von Bypasskanal und Abgas-Wärmetauscher sind aus dem Stand
der Technik bekannt.
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Wie
in 4 schematisch angedeutet, können erster
Wärmetauscher 14 und zweiter Wärmetauscher 15 eine
integrierte bauliche Einheit bilden, wobei im vorliegenden Beispiel
das Regelglied 16 mittels einer gehäuseartigen
Außenwand 19 ein Verbindungselement zwischen den
Wärmetauschern 14, 15 ausbildet.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 5 gezeigt.
Hierbei ist das Regelied 16 zur Einstellung der Kühlleistung
des zweiten Wärmetauschers als ausgangsseitiges, also im
Rücklauf angeordnetes Kühlmittelventil des zweiten
Wärmetauschers ausgebildet. Je nach hierdurch einstellbarem Kühlmitteldurchfluss
durch den zweiten Wärmetauscher wird somit eine variable
Kühlleistung für den Abgasstrom eingestellt.
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Das
Regelglied 16 ist als schneller Kennfeld-Thermostat ausgebildet.
Ein Kennfeld-Thermostat umfasst eine elektrische Heizung, mittels
derer die Regelcharakteristik je nach Anforderungen in gewissem
Rahmen beeinflussbar ist.
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Bei
niedrigen Lasten des Motors wird der zweite Wärmetauscher 15 nicht
oder nur wenig von Kühlmittel durchströmt und
bei hohen Lasten wird der Kühlmittelfluss durch das Thermostat 16 freigegeben.
Der Thermostat lässt auch im geschlossenen Zustand eine
kleine Leckageströmung durch, um ein schnelles Öffnen
zu ermöglichen und über die austrittsseitige Kühlmitteltemperatur
eine Information über den Lastzustand des Motors zu erhalten.
Dabei besteht ein monotoner Zusammenhang zwischen Last und Kühlmitteltemperatur.
Als Öffnungsbeginn für den Thermostat wird zweckmäßig
eine Temperatur gewählt, die oberhalb der für
den Teillastbetrieb zu erwartenden Kühlmitteltemperaturen
liegt.
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Typisch
regelt der Hauptthermostat 12 des Motorkühlkreislaufs
die Kühlmitteltemperatur auf minimal 85°C. Bei
Kennfeldregelung werden in Teillast bis zu 110°C zugelassen.
Hieraus ergibt sich für den Öffnungsbeginn des
Thermostats 16 des zweiten Wärmetauschers 15 eine
Temperatur zwischen etwa 90°C und 115°C. Um eine
gute Regelung zu gewährleisten, sollte der Durchfluss nach Öffnungsbeginn
in etwa linear mit der Temperatur ansteigen. Die maximale Öffnung
sollte bei einer Temperatur erfolgen, die noch eine weitere Temperaturerhöhung
durch den Wärmetauscher 15 zulässt.
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In 6 ist
der von dem Thermostat 16 temperaturabhängig geregelte
Kühlmittelfluss V/t über der Temperatur T aufgetragen.
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Bei
einer weiteren alternativen Ausführung, die ebenfalls mit
den Darstellungen 2 bis 5 konform
ist, ist der zweite Wärmetauschers 15 über seine
Anschlüsse 15a, 15b an einen separaten
Niedertemperatur-Kühlmittelkreis (nicht dargestellt) angebunden.
Zweckmäßig kühlt dieser Niedertemperatur-Kühlmittelkreis
zudem einen indirekten Ladeluftkühler. Ein Kühler
zur Wärmeabgabe des Niedertemperatur-Kühlmittels
an die Umgebung ist im Frontbereich des Fahrzeugs vor dem Kühlmittelkühler 10 angeordnet
(nicht dargestellt). Bei einer Ausführung mit einer Kühlmittelregelung wie
in 5 wäre eine entsprechend der niedrigeren
Temperaturen von 6 abweichende Regelcharakteristik
des Thermostaten vorgesehen.
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Es
versteht sich, dass die einzelnen Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele
sinnvoll miteinander kombiniert werden können. So kann es
zum Beispiel vorgesehen sein, dass eine erfindungsgemäße
Vorrichtung sowohl eine Leistungsregelung über ein Abgasventil
und einen Bypass als auch eine Leistungsregelung über ein
Kühlmittelventil aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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