-
Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor, der zumindest einen Turbolader und ein Abgasrückführsystem aufweist.
-
Die
DE 697 20 661 T2 offenbart eine Abgasrückführung, bei welcher ein Kühlelement zur Kühlung der rückgeführten Abgase vorhanden ist. Das Kühlelement ist in mehrere Teilsätze unterteilt. In diesen Teilsätzen ist eine Vielzahl von EGR Gas-Strömungskanälen angeordnet. So wird die Kühlelementoberfläche des Kühlelementes vergrößert. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist in einem Teilsatz kein EGR Gas-Strömungskanal angeordnet. Der Bypasskanal bildet einen EGR Gas-Kühlweg mit sehr geringer Wirksamkeit. Insofern offenbart die
DE 697 20 661 T2 dass immer eine Kühlung des rückgeführten Abgases, welches durch die Teilsätze des Kühlelementes hindurch strömt, erreicht wird. Die
DE 697 20 661 T2 offenbart demnach keine eigenständigen Teilleitungen, die aus einer Gesamtabgasleitung abzweigen und Abgase zur Frischluftleitung führen und in denen jeweils ein an die bestimmte Abgastemperatur angepasstes Kühlelement angeordnet ist. Vielmehr offenbart die
DE 697 20 661 T2 ein Kühlelement, welches in eine Mehrzahl von Teilsätzen unterteilt ist.
-
Die
DE 600 24 390 T2 geht von einem bekannten Abgasrückführsystem (AGR-System) aus. Hierbei hat ein Dieselmotor mit Turbolader einen Abgaskühler, einen Kühler und einen Ladeluftkühler. Außenluft wird in das Einlasssystem durch den Kompressor des abgasgetriebenen Turboladers mit einer Turbine angesaugt. Vom Dieselmotor abgegebenes Abgas durchläuft ein Ventil, das die Abgasmenge steuert, die durch die Turbine in die Umgebung strömt. Das Ventil steuert auch die Abgasmenge, die rückgeführt und mit der Ladeluft gemischt wird. Mit der
DE 600 24 390 T2 soll ein effektives und rationelles System zur Kühlung der Abgase in dem AGR-System bereitgestellt werden. Dazu schlägt die
DE 600 24 390 T2 vor, einen sekundären Kühlkreislauf vorzusehen.
-
Die
WO 01/ 07 774 A1 beschäftigt sich ebenfalls mit einem Dieselmotor, der einen Turbolader und ein Abgasrückführsystem aufweist. Das AGR-System ist bezogen auf den Turbolader bzw. seiner Turbine niederdruckseitig in der Abgasleitung angeordnet und mündet bezogen auf den Kompressor des Turboladers stromaufwärts, also in Strömungsrichtung der Frischluft gesehen vor dem Kompressor in der Einlassleitung. Zur Kühlung der rückgeführten Abgase ist ein Kühlelement vorgesehen. Die niederdruckseitige Anordnung des AGR-Systems hat gemäß der
WO 01/ 07 774 A1 unter anderem den Vorteil, dass die Abgase in ihrer Temperatur reduziert sind.
-
Die
WO 2007/ 108 761 A1 beschäftigt sich hauptsächlich mit einer Kühlanordnung für einen Verbrennungsmotor. Auch bei diesem werden Abgase zurückgeführt, wobei in der Rückführleitung zwei aufeinander folgende Kühlelemente zum Kühlen der rückzuführenden Abgase vorgesehen sind.
-
In der Zusammenfassung der
JP 2002 -
21 625 A wird eine AGR-Vorrichtung offenbart, welche bezogen auf einen Turbolader niederdruckseitig angeordnet ist.
-
Mit einer Abgasrückführung eines Verbrennungsmotors mit Turbolader beschäftigt sich auch die
EP 1 420 159 A2 . Um eine Abgasrückführung auch bei hohen Lasten des Verbrennungsmotors gewährleisten zu können, ist ein zweiter Rückführstrang so angeordnet, dass dieser auf jeden Fall auf der Niederdruckseite des Kompressors in der Saugleitung mündet, so dass die Saugkraft des Kompressors ausreichen soll, um die Abgase durch diesen Strang zurückzuführen.
-
Die
EP 1 464 823 A1 beschäftigt sich ebenfalls mit einem turbogeladenen Verbrennungsmotor, welcher als Sechszylindermotor ausgeführt ist, wobei jeweils drei Zylindern eine gemeinsame Abgasleitung zugeordnet ist, die vor einem Turbolader zusammengeführt werden. Vor dem Zusammenschluss der beiden Abgasleitungen zweigt jeweils eine Abgasrückführleitung ab, in denen jeweils ein Steuerventil, ein Kühlelement und ein Einwegventil angeordnet ist. Beide Abgasrückführleitungen können so zusammengeführt werden, dass die Sammelleitung in Strömungsrichtung der Gase in einer Frischluftleitung vor einem Ladeluftkühler münden.
-
-
Beispielsweise um die Stickstoffemission von Verbrennungsmotoren, z.B. von Dieselmotoren zu reduzieren, ist eine Kühlung der rückgeführten Abgase notwendig. Bekannt ist, jeder Abgasleitung einer jeden Zylinderbank ein eigenes Abgasrückführsystem zuzuordnen. Dies ist aber nur ein Auslegungskompromiss, da das jeweilige Abgasrückführsystem nur in einem bestimmten Bereich akzeptable funktioniert, da der relative Motordruck und die Abgastemperatur erheblich über den Betriebsbereich der Abgasrückführung variiert. Bei geringen Motordrehzahlen und geringen Motorlasten ist nicht genügend Differenzdruck vorhanden, um eine genügende Abgasrückführrate zu erreichen. Hierbei ist zu großer Druckabfall zu beobachten, wenn das Kühlelement in der Abgasrückführleitung zu groß dimensioniert ist, was ja sinnvoll ist, da das Kühlelement auch bei großen Motordrehzahlen und Motorlasten funktionieren muss. Bei großen Motordrehzahlen bzw. Motorlasten dagegen, kann es sein, dass das Kühlelement bezüglich seiner Kühlkapazität zu klein ausgelegt ist, so dass die in die Frischluftleitung eintretenden, rückgeführten Abgase zu heiß sind. Dies kann beispielsweise zu einer Reduzierung des Antriebsmomentes führen. Möglich ist auch, dass die Einlassleitung aufgrund der zu heißen Abgase zu heiß wird, und im extremsten Fall sogar schmelzen kann.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor der Eingangs genannten Art mit einfachen Mitteln so verbessern, dass eine genügende Abgasrückführrate sowohl bei geringen als auch bei hohen Motordrehzahlen bzw. Motorlasten ohne Auslegungskompromisse erreichbar ist, was bedeutet, dass eine höhere Abgasrückführrate über einen größeren Drehzahl/Lastbereich des Verbrennungsmotors erreicht werden soll.
-
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei das Abgasrückführsystem drei Teilleitungen aufweist, über die rückzuführende Abgase aus einer Gesamtabgasleitung zu einer Frischluftleitung führbar sind, wobei die zweite Teilleitung in der ersten Teilleitung mündet, welche in der dritten Teilleitung mündet, die stromabwärts des Turboladers in der Frischluftleitung mündet, und wobei in der ersten Teilleitung ein erstes Steuerventil und ein erstes in seiner Kühlleistung an eine Abgastemperatur im Teillastbereich angepasstes Kühlelement angeordnet sind, und wobei in der zweiten Teilleitung ein zweites Steuerventil und ein zweites in seiner Kühlleistung an eine Abgastemperatur im Vollastbereich angepasstes Kühlelement angeordnet sind, und wobei in der dritten, kühlelementfreien Teilleitung ein drittes Steuerventil angeordnet ist und, wobei entweder das erste, zweite oder das dritte Steuerventil geöffnet ist, während das jeweils andere geschlossen ist, so dass entweder das erste Kühlelement oder das zweite Kühlelement oder gar kein Kühlelement von rückzuführenden Abgas durchströmt wird, und wobei die erste und zweite Teilleitung bzw. deren Kühlelemente parallel geschaltet sind.
-
Vorteilhaft wird somit eine höhere Abgasrückführrate über einen größeren Drehzahl/Lastbereich des Verbrennungsmotors erreicht, indem die zumindest beiden Teilleitungen bzw. deren Kühlelemente parallel geschaltet sind. In bevorzugter Ausgestaltung ist das Abgasrückführsystem bezogen auf den Turbolader hochdruckseitig angeordnet.
-
Das zumindest erste Steuerventil ist für Teillastzustände des Verbrennungsmotors so ausgelegt, dass die zumindest erste Teilleitung bzw. deren Kühlelement bei niedrigen bis mittleren Drehzahlen des Verbrennungsmotors durchströmt wird. Da die Abgase bzw. die rückzuführenden Abgase in diesem Teillastbereich nicht so heiß sind, wie im Volllastbereich, wird auch nur ein in seiner Kühlleistung entsprechend klein ausgelegtes Kühlelement erforderlich sein, da nur ein relativ geringer Kühlbedarf erforderlich ist, dadurch kann im Teillastbereich eine höhere Abgasrückführrate erreichet werden, um zum Beispiel Stickstoffemissionen zu reduzieren. Im Teillastbereich ist die zumindest zweite Teilleitung über deren Steuerventil geschlossen.
-
Im Volllastbereich, also bei mittleren bis hohen Drehzahlen des Verbrennungsmotors öffnet das Steuerventil in der zumindest zweiten Teilleitung, während die zumindest erste Teilleitung über ihr Steuerventil geschlossen wird. Naturgemäß sind die Abgase im Volllastbereich heißer als im Teillastbereich, weswegen das Kühlelement in der zumindest zweiten Teilleitung günstiger Weise mit entsprechend groß ausgelegter Kühlleistung ausgeführt ist.
-
Zur Steuerung der beiden Steuerventile ist es zweckmäßig im Sinne der Erfindung, wenn die Steuerventile entsprechend an die Schaltzustände (Teillast, Volllast) angepasst ausgeführt sind, wobei ein Steuersystem basierend auf Standardparameter des Verbrennungsmotors die entsprechenden Signale zur Entscheidung, welches Kühlelement von den rückzuführenden Abgasen durchströmt werden soll ausgibt. Die Standardparameter (Drehzahl, Last) sind über eine ohnehin vorhandene elektrische Steuereinheit (ECU) erhältlich.
-
Die zweite Teilleitung mündet stromabwärts des ersten Steuerventils in der ersten Teilleitung. Bevorzugt mündet die zweite Teilleitung in Strömungsrichtung gesehen hinter dem Kühlelement der zumindest ersten Teilleitung. Denkbar ist, dass die zweite Teilleitung in dem ersten Kühlelement mündet.
-
Die dritte Teilleitung weist nur ein Steuerventil und kein Kühlelement auf. Das Steuerventil kann dann geöffnet werden, wenn keine Kühlung der rückgeführten Abgase notwendig ist. Die anderen beiden Steuerventile sind geschlossen, wenn das Steuerventil in der dritten Teilleitung geöffnet ist. Die erste Teilleitung mündet stromabwärts des in der dritten Teilleitung angeordneten Steuerventils in der dritten Teilleitung. Die dritte Teilleitung mündet stromabwärts des Kompressors in der Frischluftleitung.
-
In einer ersten Ausgestaltung zweigen die zumindest die erste und zweite Teilleitung sowie die dritte Teilleitung stromaufwärts des Turboladers bzw. seiner Turbine direkt aus einer Abgasleitung ab. Insofern wird ein Hochdrucksystem zur Verfügung gestellt. Die Abgasleitung kann als Gesamtabgasleitung ausgeführt sein, in welche Abgasleitungen von mehreren Zylinderbänken münden.
-
Es liegt durchaus im Sinne der Erfindung, das erste, zweite oder das dritte Steuerventil stufenlos einstellbar auszuführen, so dass nur ein gewünschter Abgasbetrag zurückgeführt wird. Wesentlich ist jedoch, dass bei Öffnung eines der Steuerventile die jeweils anderen geschlossen sind. Sind alle Steuerventile geschlossen, strömt der gesamte Abgasstrom zum Turbolader bzw. zu seiner Turbine.
-
Es liegt durchaus im Sinne der Erfindung, aus der Abgasleitung bzw. aus der Gesamtabgasleitung eine Rückführleitung abzuzweigen, in welcher optional ein Hauptsteuerventil angeordnet sein kann, wobei die zumindest erste und zweite Teilleitung sowie die dritte Teilleitung aus der Rückführleitung abzweigen können. Das optionale Hauptsteuerventil ist so steuerbar, dass rückzuführende Abgase mit einem bestimmten bzw. gewünschten Betrag durch die Rückführleitung strömen können, und entweder je nach dem welcher Lastzustand des Verbrennungsmotors vorliegt durch die erste, die zweite oder die dritte Teilleitung der Frischluftleitung zugeführt werden. Bei dieser Ausgestaltung kann das erste, zweite und/oder das dritte Steuerventil lediglich zwischen Auf- oder Zustellung steuerbar sein, da die gewünschte rückzuführende Abgasrate über das optionale Hauptsteuerventil einstellbar ist. Ist das optionale Hauptsteuerventil vollständig geschlossen, werden keine Abgase zurückgeführt, wobei der gesamte Abgasstrom zum Turbolader bzw. zu seiner Turbine strömt. Ist das optionale Hauptsteuerventil geöffnet, wird ein Teil der Abgase der Rückführleitung zugeführt, wobei der andere Teil zum Turbolader bzw. zu seiner Turbine strömt. Grundsätzlich kann auf das optionale Hauptsteuerventil verzichtet werden, ist aber z.B. bei einer Fehlfunktion des ersten, zweiten oder optionalen dritten Steuerventils durchaus sinnvoll, um noch eine entsprechende Regelung gewährleisten zu können.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigen:
- 1 einen Verbrennungsmotor mit einem Abgasrückführsystem in einer prinzipiellen Darstellung,
- 2 einen Ausschnitt aus einer Abgasleitung mit einem weiteren Ausführungsbeispiel des Abgasrückführsystems aus 1, und
- 3 eine Tabelle zur Darstellung des Abgasrückführsystemeffektes.
-
In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
-
1 zeigt einen Verbrennungsmotor 1, in der Ausgestaltung als Dieselmotor. Der Verbrennungsmotor 1 ist beispielhaft als V-Motor (V6/V8) mit zwei Zylinderbänken 2 ausgeführt. Den beiden Zylinderbänken 2 sind jeweils Abgasleitungen 3 bzw. 4 zugeordnet, die in einer Gesamtabgasleitung 6 münden. Der Verbrennungsmotor 1 weist einen Turbolader 7 auf, der eine Turbine 8 und einen Kompressor 9 hat. Die Turbine 8 ist über eine Welle 11 mit dem Kompressor 9 verbunden. Die Turbine ist in der Gesamtabgasleitung 6 angeordnet, wobei der Kompressor 9 in einer Frischluftleitung 12 angeordnet ist.
-
In Strömungsrichtung der mittels des Kompressors 9 verdichteten Frischluft ist stromabwärts, also hinter dem Kompressor 9 ein Ladeluftkühler 13 angeordnet, hinter dem in Strömungsrichtung gesehen ein Drosselventil 14 angeordnet ist. Die Frischluftleitung 12 mündet im Verbrennungsmotor 1.
-
Der Verbrennungsmotor 1 weist ein Abgasrückführsystem 16 auf. Das Abgasrückführsystem 16 ist bezogen auf den Turbolader 7 hochdruckseitig angeordnet. Das bedeutet, dass Abgase aus der Gesamtabgasleitung 6 in Strömungsrichtung der Abgase gesehen stromaufwärts, also vor dem Turbolader 7 bzw. seiner Turbine 8 entnommen werden, und der Frischluftleitung 12 stromabwärts, also in Strömungsrichtung der Frischluft gesehen hinter dem Turbolader 7 bzw. seines Kompressors 9 zugeführt werden.
-
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel mündet das Abgasrückführsystem 16 stromabwärts des Ladeluftkühlers 13 bzw. des Drosselventils 14 in der Frischluftleitung 12.
-
Das Abgasrückführsystem 16 weist zumindest eine erste Teilleitung 17, zumindest eine zweite Teilleitung 18 und eine dritte Teilleitung 19 auf. In der ersten Teilleitung 17 ist ein erstes Steuerventil 21 und ein erstes Kühlelement 22 angeordnet. In der zweiten Teilleitung 18 ist ein zweites Steuerventil 23 und ein zweites Kühlelement 24 angeordnet. In der dritten Teilleitung 19 ist nur ein drittes Steuerventil 26 angeordnet. Ein Kühlelement ist in der dritten Teilleitung 19 nicht vorgesehen.
-
Alle drei Teilleitungen 17, 18 und 19 des Abgasrückführsystems 16 sind direkt an die Gesamtabgasleitung 6 angeschlossen.
-
In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel mündet die dritte Teilleitung 19 stromabwärts des Turboladers 7 in der Frischluftleitung 12. Die erste Teilleitung 17 mündet hinter dem dritten Steuerventil 26 in der dritten Teilleitung 19, wobei die zweite Teilleitung 18 stromabwärts des ersten Steuerventils 21 in der ersten Teilleitung 17, bevorzugt hinter dem ersten Kühlelement 22 mündet. Die beiden Kühlelemente 22 und 24 sind parallel geschaltet, so dass immer nur eines durchströmt wird. Denkbar ist aber auch, dass die zweite Teilleitung 18 stromabwärts des ersten Steuerventils 21 in der ersten Teilleitung 17, bevorzugt in dem ersten Kühlelement 22 mündet.
-
Die jeweiligen Steuerventile 21, 23 und 26 sind so schaltbar, dass nur jeweils eines geöffnet ist, während die anderen geschlossen sind. Ist zum Beispiel das dritte Steuerventil 26 geöffnet, sind die anderen beiden Steuerventile 21 und 23 geschlossen. Die aus der Gesamtabgasleitung 6 entnommenen Abgase werden ohne Kühlung der Frischluftleitung 12 zugeführt.
-
Ist das erste Steuerventil 21 geöffnet, sind die beiden anderen Steuerventile 23 und 26 geschlossen. Das erste Steuerventil 21 wird geöffnet, wenn der Verbrennungsmotor 1 in einem Teillastbereich, also bei geringer bis mittlerer Drehzahl bzw. Last betrieben wird. In diesem Teillastbereich sind die Abgase nicht so heiß wie zum Beispiel in einem Volllastbereich, so dass das erste Kühlelement 22 in seiner Kühlleistung entsprechend klein dimensioniert werden kann. Die aus der Gesamtabgasleitung 6 entnommenen Abgase, also die rückzuführenden Abgase strömen durch das erste Steuerventil 21 und dem ersten Kühlelement 22 in die dritte Teilleitung 19 und von dort in die Frischluftleitung 12. Aufgrund der an die geringe Abgastemperatur angepassten Kühlleistung des ersten Kühlelementes 22 kann ein größerer Abgasbetrag rückgeführt werden, da die Druckdifferenz des Verbrennungsmotors 1 und des Abgasrückführsystems 16 geringer ist. Mit erhöhter Abgasrückführrate können vorteilhaft Stickstoffemissionen verringert werden.
-
Ist das zweite Steuerventil 23 geöffnet, sind die anderen beiden Steuerventile 21 und 26 geschlossen. Das zweite Steuerventil 23 wird geöffnet, wenn der Verbrennungsmotor 1 in einem Volllastbereich, also bei mittlerer bis hoher Drehzahl bzw. Last betrieben wird. Im Volllastbereich sind die Abgase heißer als im Teillastbereich, so dass das zweite Kühlelement 24 in seiner Kühlleistung entsprechend groß dimensioniert an die Abgastemperaturen im Teil- bis Volllastbereich ausgeführt werden kann. Die aus der Gesamtabgasleitung 6 entnommenen Abgase, also die rückzuführenden Abgase strömen durch das zweite Steuerventil 23 und dem zweiten Kühlelement 24 stromabwärts des ersten Kühlelementes 22 in die erste Teilleitung 17, von dort in die dritte Teilleitung 19 und von dort in die Frischluftleitung 12.
-
Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Rückführleitung 27 vorgesehen, welche aus der Gesamtabgasleitung 6 abzweigt. In der Rückführleitung ist optional ein Hauptsteuerventil 28 angeordnet. Die drei Teilleitungen 17,18 und 19 zweigen im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel zu 1 nicht aus der Gesamtabgasleitung 6 ab, sondern aus der Rückführleitung 27. Ansonsten entspricht das Ausführungsbeispiel zu 2 dem des Beispiels aus 1, weswegen in 2 auch nur der betreffende Bereich dargestellt ist. Mittels des Hauptsteuerventils 28 kann die Abgasrückführung geschlossen werden, was natürlich auch durch schließen der drei Steuerventile 21, 23 und 26 möglich ist. Gleichwohl kann eine Fehlfunktion eines der Steuerventile 21, 23 oder 26 mittels des optionalen Hauptsteuerventils 28 kompensiert werden.
-
Wie beispielhaft 3 darstellt wird bei dem Ausführungsbeispiel zu 2 folgender Systemeffekt erreicht:
- Das Hauptsteuerventil 28 ist geschlossen; Die Steuerventile 21,23 und 26 können geschlossen oder geöffnet sein; Es findet keine Abgasrückführung statt.
- Das Hauptsteuerventil 28 ist geöffnet; Das dritte Steuerventil 26 ist geöffnet und die anderen beiden Steuerventile 21 und 23 sind geschlossen; das rückgeführte Abgas wird nicht gekühlt.
- Das Hauptsteuerventil 28 ist geöffnet; Das erste Steuerventil 21 ist geöffnet und die anderen beiden Steuerventile 23 und 26 sind geschlossen; das rückgeführte Abgas wird entsprechend der geringen bis mittleren Kühlleistung des ersten Kühlelementes 22 gering bis mittel gekühlt.
- Das Hauptsteuerventil 28 ist geöffnet; Das zweite Steuerventil 23 ist geöffnet und die anderen beiden Steuerventile 21 und 23 sind geschlossen; das rückgeführte Abgas wird entsprechend der mittleren bis hohen Kühlleistung des zweiten Kühlelementes 24 mittel bis hoch gekühlt.
-
Insgesamt wird mittels des erfindungsgemäßen Abgasrückführsystems 16 eine höhere Abgasrückführrate über einen größeren Drehzahl- bzw. Lastbereich des Verbrennungsmotors 1 erreicht.
