DE102008020408A1

DE102008020408A1 - AGR-Kühler mit integrierter Abgaswärmetauscherfunktion

Info

Publication number: DE102008020408A1
Application number: DE102008020408A
Authority: DE
Inventors: Thomas Lorenz
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2008-04-24
Filing date: 2008-04-24
Publication date: 2009-10-29
Anticipated expiration: 2028-04-25
Also published as: CN201433815Y; DE102008020408B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor (1), der zumindest eine Einlassleitung (2), zumindest eine Abgasleitung (3), zumindest einen Turbolader (4), dessen Kompressor (7) in der Einlassleitung (2) und dessen Turbine (6) in der Abgasleitung (3) angeordnet ist, und ein Abgasrückführsystem (12) aufweist, wobei das Abgasrückführsystem (12) eine Abgasrückführleitung (13), ein Regelventil (17) und ein Kühlelement (14) aufweist. Um einen kostengünstigen Verbrennungsmotor (1) zur Verfügung zu stellen, bei dem auf einen separaten Abgaswärmetauscher verzichtet werden kann, ist vorteilhaft vorgesehen, dass in der Abgasleitung (3) stromabwärts der Turbine (6) ein Regelelement (18) angeordnet ist, und dass aus dem Regelventil (17) eine Bypassleitung (21) abzweigt, die stromabwärts des Regelelementes (18) in der Abgasleitung (3) mündet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor der zumindest eine Einlaßleitung und zumindest eine Abgasleitung, zumindest einen Turbolader, mit einem Kompressor, der in der Einlaßleitung angeordnet ist, und mit einer Turbine, welche in der Abgasleitung angeordnet ist, und ein Abgasrückführsystem aufweist, wobei das Abgasrückführsystem eine Abgasrückführleitung, zur Rückführung von Abgasen, ein Regelventil und ein Kühlelement aufweist.
Die EP 1 405 995 B1 offenbart ein Motorsystem mit einer Brennkraftmaschine, einem Abgasturbolader, dessen Turbine in der Abgasleitung und dessen Kompressor in der Einlaßleitung der Brennkraftmaschine angeordnet ist, einer Abgasrückführungsleitung, deren Einlaß stromaufwärts der Turbine in der Abgasleitung und deren Auslaß stromabwärts des Kompressors in der Einlaßleitung der Brennkraftmaschine angeordnet ist, und einer motornahen Abgasbehandlungseinrichtung, welche in der Abgasrückführungsleitung angeordnet ist. Dieses Motorsystem hat sich in der Praxis dahingehend bewährt als dieses dauerhaft mit geringstmöglichen Abgasemissionen und mit optimalem NVH verhalten betrieben werden kann, indem eine Bypaßleitung vorgesehen wird, deren Einlaß stromabwärts der motornahen Abgasbehandlungseinrichtung in der Abgasrückführungsleitung und deren Auslaß stromabwärts der Turbine in der Abgasleitung gelegen ist.
Die DE 102 59 702 A1 befaßt sich mit einem Abgassystem für einen Wärmemotor. Der Wärmemotor umfaßt eine Abgasleitung, in der ein Abgaswärmetauscher so angeordnet ist, dass das gesamte Abgas durch diesen hindurchströmt. Weiter ist eine AGR-Leitung zur Rückführung eines Teils der Abgase vorgesehen, wobei die AGR-Leitung an der bezogen auf das Abgas stromabwärtigen Seite des Wärmetauschers angeschlossen ist.
In dem SAE-Bericht 2003-01-0629 ist ein Verbrennungsmotor mit einer AGR-Leitung mit einem 3-Wege-Ventil offenbart, welche stromaufwärts der Turbine eines Turboladers abzweigt, und abhängig vom Betriebspunkt entweder vor oder hinter dem Kompressor in der Einlaßleitung mündet. In dem SAE-Bericht 2006-01-0047 ist ebenfalls ein Verbrennungsmotor mit einer AGR-Leitung offenbart. Die AGR-Leitung zweigt stromaufwärts der Turbine aus der Abgasleitung ab und mündet stromaufwärts des Kompressors in der Einlaßleitung. In der AGR-Leitung ist in Strömungsrichtung der rückzuführenden Abgase ein AGR-Kühler sowie darauf folgend ein AGR-Ventil vorgesehen. Der SAE-Bericht 2007-04-0034 beschäftigt sich mit einem Wärmetauscher, welcher Wärme aus dem Abgasen in ein Kühlmittel überträgt.
Turbogeladene Verbrennungsmotoren weisen hohe Abgastemperaturen auf, was notwendigerweise zu einer Kraftstoffanreicherung bei hohen Lasten und Drehzahlen des Verbrennungsmotors führt, um das Material des Abgasstranges und des Turboladergehäuses vor thermischen Schäden zu schützen. Um diesem Problem entgegenzutreten wurden Abgasrückführsysteme (AGR) entwickelt, welche die Abgastemperatur auf ein maximal Niveau von Dieselmotoren (ungefähr 870°C vor (stromaufwärts) der Turbine) reduzieren. Um die Abgastemperatur zu reduzieren wird ein relativ hoher Abgasbetrag (bis zu 25%) zu dem Verbrennungsmotor zurückgeführt. Allerdings wird das rückgeführte Abgas mittels eines AGR-Kühlers vor Eintritt in die Einlaßleitung gekühlt. Gleichzeitig wird in der Abgasleitung ein Wärmetauscher (Abgaswärmetauscher) vorgesehen, welcher das Warmlaufen des Verbrennungsmotors aus zwei beispielhaften Gründen beschleunigen soll:
Zum einen sollen die CO2-Emissionen reduziert werden. In dem Wärme aus dem Abgas in das Kühlmittel transferiert wird, und somit das Motoröl durch Aufnahme der aus dem Kühlmittel abgegebenen Wärme aufgewärmt wird, wird eine geringere Viskosität schon relativ schnell nach dem Kaltstart erreicht, so dass das Reibungsniveau aufgrund des schellen Aufwärmens des Motoröls reduziert wird.
Zum zweiten wird vorteilhaft ein nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors schnelleres Aufwärmen der Fahrzeugkabine erreicht, da die Abgaswärme über das Kühlmittel einer entsprechenden Kabinenheizung zugeführt wird.
Wie bereits beschrieben ist zum Abkühlen der rückgeführten Abgase ein AGR-Kühler erforderlich. Der Betrag des rückgeführten Abgases wird über ein Regelventil (AGR- Ventil) eingestellt, welches in Strömungsrichtung der rückgeführten Abgase gesehen vor oder hinter dem AGR-Kühler angeordnet ist.
Bekannt sind Hochdruck-Abgasrückführsystem und Niederdruck-Abgasrückführsysteme.
Bei den Niederdruck-Abgasrückführsystemen wird das Abgas stromabwärts der Turbine, also in Strömungsrichtung der Abgase gesehen hinter der Turbine aus der Abgasleitung entnommen und der Einlaßleitung stromaufwärts des Kompressors zugeführt, also in Strömungsrichtung der Abgase gesehen vor dem Kompressor.
Bei den Hochdruck-Abgasrückführsystemen wird das Abgas stromaufwärts der Turbine aus der Abgasleitung entnommen und der Einlaßleitung stromabwärts des Kompressors zugeführt.
Bekannte Verbrennungsmotoren weisen demnach zwei Wärmetauscher auf. Zum einen ist ein AGR-Kühler, zum Kühlen der rückgeführten Abgase, und zum anderen ein Abgaswärmetauscher, zum Reduzieren von CO2 Emissionen und zum schnelleren Aufwärmen der Fahrerkabine vorgesehen. Dies bedeutet einen hohen Aufwand beispielsweise hinsichtlich der Kosten für jeweils separate Systeme. Zudem erfordert jedes Kühlelement bzw. System (AGR-Kühler, Abgaswärmetauscher) jeweils separaten Bauraum, und bewirkt einen nicht unerheblichen Montageaufwand.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Verbrennungsmotor der Eingangs genannten Art mit einfachen Mitteln so zu verbessern, dass dieser kostengünstiger ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass in der Abgasleitung stromabwärts der Turbine ein Regelelement angeordnet ist, und dass aus dem Regelventil eine Bypaßleitung abzweigt, welche stromabwärts des Regelelementes in der Abgasleitung mündet.
Mittels des Regelelementes, welches in bevorzugter Ausgestaltung als einstellbare Klappe ausgeführt ist, wird stromaufwärts des Regelelementes ein Rückstau erzeugt, wodurch das Abgas gezwungen wird, durch die Abgasrückführleitung zu dem AGR-Kühler zu strömen. Das Regelelement kann auch als Schieber, Ventil oder dergleichen, bevorzugt einstellbares Bauelement ausgeführt sein In dem AGR-Kühler wird das Abgas gekühlt. Vorteilhaft vereinigt der AGR-Kühler aber nun auch die Funktion eines Abgaswärmetauschers, so dass auf einen separaten Abgaswärmetauscher in der Abgasleitung verzichtet werden kann. Hierdurch reduzieren sich die Kosten des Verbrennungsmotors erheblich, da der Montageaufwand für den bisher bekannten Abgaswärmetauscher entfällt. Lediglich Anschlußleitungen für das Kühlmittel zur Aufwärmung des Motoröls bzw. zur Versorgung der Kabinenheizung zum AGR-Kühler sind vorzusehen.
In bevorzugter Ausgestaltung ist das Regelventil als 3/2-Regelventil ausgeführt, welches sinnvoller Weise in Strömungsrichtung der Abgase gesehen hinter dem Kühlelement, bzw. hinter dem kombinierten AGR-Kühler/Abgaswärmetauscher angeordnet ist. Mittels des Regelventils und des Regelelementes ist der durch das Abgasrücksystem strömende Abgasbetrag einstellbar. Das Regelventil ist dabei so ausgeführt, dass ein gewünschter Teilbetrag des gekühlten Abgases dem Verbrennungsmotor zugeführt wird, also in die Einlaßleitung geführt wird. Ein anderer nicht erforderlicher, gekühlter Abgasstrom gelangt über das Regelventil in die Bypaßleitung und so in die Abgasleitung, und zwar bevorzugt stromabwärts des Regelelementes bzw. der Turbine.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung ist sowohl auf eine Niederdruck-Abgasrückführsystem, als auch bei einem Hochdruck-Abgasrückführsystem einsetzbar.
Bei dem Niederdruck-Abgasrückführsystem zweigt die Rückführleitung stromabwärts der Turbine aus der Abgasleitung ab. Das Regelelement, bzw. die Klappe ist günstiger Weise stromabwärts des Abzweiges angeordnet, so dass der Abgasstrom aufgrund des einstellbaren Rückstaus gezwungen wird durch das Abgasrückführsystem zu strömen, welches stromaufwärts des Kompressors in der Einlaßleitung mündet. Das Kühlelement bzw. der kombinierte AGR-Kühler/Abgaswärmetauscher ist in Strömungsrichtung der durch das Abgasrückführsystem strömenden Abgase vor dem Regelventil bzw. dem 3/2- Regelventil angeordnet, so dass die Abgase zunächst das Kühlelement durchströmen und hier gekühlt werden, bzw. die Wärme an das Kühlmittel übertragen, bevor der Abgasstrom aufgeteilt wird. Die Bypaßleitung mündet stromabwärts des Regelelementes in der Abgasleitung, so dass die hindurchströmenden Abgase in die Umwelt gelangen können.
Im Unterschied dazu wird der Abzweig der Abgasrückführleitung aus der Abgasleitung bei dem Hochdruck-Abgasrückführsystem stromaufwärts der Turbine angeordnet. Das Regelelement ist wie bei dem Niederdruck-Abgasrückführsystem stromabwärts der Turbine in der Abgasleitung angeordnet. Das Abgasrückführsystem mündet stromabwärts des Kompressors in der Einlaßleitung. Die Bypaßleitung mündet, ausgehend vom Regelventil stromabwärts des Regelelementes in der Abgasleitung.
Mit der Erfindung wird ein in Kostengründen verbesserter Verbrennungsmotor mit Abgasrückführung zur Verfügung gestellt, wobei das Kühlelement die Funktionen des AGR-Kühlers und des Abgaswärmetauschers vereinigt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen sowie in der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigen:
1 eine prinzipielle Darstellung eines Verbrennungsmotors mit einem Niederdruck-Abgasrückführsystem, und
2 eine prinzipielle Darstellung eines Verbrennungsmotors mit einem Hochdruck-Abgasrückführsystem.
In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
1 zeigt einen Verbrennungsmotor 1, der zumindest eine Einlaßleitung 2 und zumindest eine Abgasleitung 3 sowie einen Turbolader 4 aufweist. Der Turbolader 4 ist mit seiner Turbine 6 in der Abgasleitung 3 und mit seinem Kompressor 7 in der Einlaßleitung 2 angeordnet. Die Turbine 6 und der Kompressor 7 sind über eine Welle miteinander verbunden. In Strömungsrichtung der durch die Einlaßleitung 2 strömenden Gase ist stromabwärts des Kompressors ein Ladeluftkühler 8 angeordnet.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist beispielhaft ein Vierzylindermotor gezeigt, dessen jeder Zylinder 9 eine separate Abgasleitung 11 aufweist, welche zu der Abgasleitung 3 zusammengefaßt werden.
Der Verbrennungsmotor 1 weist ein Abgasrückführsystem 12 auf, welches in dem in 1 dargestellten Beispiel als Niederdruck-Abgasrückführsystem ausgeführt ist. Das Abgasrückführsystem 12 weist eine Abgasrückführleitung 13 auf, welche stromabwärts der Turbine 6 aus der Abgasleitung 3 abzweigt, und stromaufwärts des Kompressors 7 in der Einlaßleitung 2 mündet. Weiter weist das Abgasrückführsystem 12 ein Kühlelement 14 auf, dem in Strömungsrichtung der Abgase (Pfeil 16) ein Regelventil 17 folgt. Stromabwärts des Abzweiges der Abgasrückführleitung 13 aus der Abgasleitung 3 ist ein Regelelement 18 in der Abgasleitung 3 angeordnet.
Die Abgase des Verbrennungsmotors 1 strömen durch die Abgasleitung 3 (Pfeil 19) in Richtung zum Abzweig. Das Regelelement 18 ist als Klappe, bevorzugt als einstellbare Klappe ausgeführt, so dass ein Rückstau entsteht. Durch diesen Rückstau werden die Abgase gezwungen, durch das Abgasrückführsystem 12 zu strömen. Das Regelelement 18 kann aber auch als Schieber, Ventil oder dergleichen, bevorzugt einstellbares Bauelement ausgeführt sein. In dem Kühlelement 14 werden die Abgase gekühlt, wobei als das Kühlelement 14 vorteilhaft die Funktionen eines AGR-Kühlers und eines Abgaswärmetauschers in sich vereinigt. Dies bedeutet, dass mittels des Kühlelementes 14 zum einen eine notwendige Kühlung rückgeführter Abgase erreicht wird, wobei andererseits ein schnelleres Warmlaufen des Verbrennungsmotors 1 bzw. Aufwärmen beispielsweise von Motoröl ermöglicht wird. Zudem wird mittels des beide Funktionen vereinigenden Kühlelementes 14 ein schnelleres Aufwärmen einer Fahrzeugkabine erreicht, in dem das Kühlmittel entsprechend an eine Kabinenheizung angeschlossen wird.
Da möglicherweise ein höherer Abgasbetrag durch das Abgasrückführsystem 12 strömt, als für eine Abgasrückführung erforderlich ist, ist vorteilhaft vorgesehen, das Regelventil 17 als 3/2-Regelventil auszuführen, welches die Funktion eines AGR-Ventils übernimmt. Dies bedeutet, dass das Regelventil 17 den erforderlichen Abgasrückführbetrag steuert, also in Richtung zur Einlaßleitung 2 strömen läßt, wobei der nicht erforderliche Abgasbetrag durch eine Bypaßleitung 21 in Richtung zur Abgasleitung 3 strömend gesteuert wird. Die Bypaßleitung 21 ist vorteilhaft an dem Regelventil 17 angeschlossen und mündet stromabwärts des Regelelementes 18 in der Abgasleitung 3.
Selbstverständlich liegt es im Sinne der Erfindung die durch das Abgasrückführsystem 12 strömende Abgasmenge an die Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors 1 anzupassen, was zum Beispiel mittels des Regelementes 18 bzw. der einstellbaren Klappe erreicht wird, indem der Öffnungsbetrag des Regelelementes 18 bzw. der Klappe, des Schiebers, des Ventils oder dergleichen Bauelement relativ zum Innendurchmesser der Abgasleitung 3 verändert wird, wodurch natürlich auch der Rückstau verändert wird.
Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Hochdruck-Abgasrückführsystem dargestellt. Das Abgasrückführsystem 12 zweigt mit seiner Rückführleitung 13 stromaufwärts der Turbine 6 ab, und mündet stromabwärts des Kompressors 7 in der Einlaßleitung 2. Bei dem dargestellten Beispiel mündet die Rückführleitung 13 stromabwärts des Ladeluftkühlers 8 in einer Einlaßgalerie 22 des Verbrennungsmotors 1.
Die Bypaßleitung 21 ist wie bei dem Ausführungsbeispiel zu 1 an dem Regelventil 17 angeschlossen und mündet wie zuvor stromabwärts des Regelelementes 18 in der Abgasleitung 3.
Ansonsten entspricht das Ausführungsbeispiel zu 2, insbesondere in der Doppelfunktion des Kühlelementes 14 der Funktionsweise zu 1.
Sowohl bei dem Hochdruck-Abgasrückführsystem (2) als auch bei dem Niederdruck-Abgasrückführsystem (1) wird ein Kühlelement 14 mit einer Doppelfunktion bereitgestellt, welches die Funktion zur Kühlung der rückgeführten Abgase als für die Warmlaufeigenschaften und ein schnelleres Aufwärmen der Fahrzeugkabine in sich vereinigt. Mittels des Regelelementes 18 wird ein Rückstau erzeugt, durch welchen die Abgase gezwungen werden, durch das jeweilige Abgasrückführsystem 12 zu strömen. Das Regelventil 17 übernimmt nicht nur die Funktion eines AGR-Ventils, sondern steuert auch eine Einleitung der für eine Abgasrückführung nicht erforderlicher Abgasmenge in die Bypaßleitung 21 und somit in die Abgasleitung 3.
Natürlich liegt es im Sinne der Erfindung das Abgasrückführsystem 12 nicht auf ein Nieder- bzw. Hochdruck-Abgasrückführsystem zu beschränken. Denkbar ist zum Beispiel die Abgasrückführleitung 13 vor der hinter der Turbine 6 abzuzweigen und vor oder hinter dem Kompressor 7 in die Einlaßleitung 2 zu führen. Das Regelventil 17 ist günstiger Weise jeweils stromab des Kühlelementes 14 angeordnet, wobei bei möglichen Ausführungsvarianten gekühlte Abgase über die Bypaßleitung 21 zur Abgasleitung 3 geführt werden.
Der Trend bei aufgeladenen Verbrennungsmotoren, z. B. Ottomotoren, geht dahin, so genannte IEM (integrated exhaust manifolds) zu benutzen. Das bedeutet, dass die Abgasströme der einzelnen Zylinder bereits in dem Zylinderkopf zusammengefaßt werden, wobei lediglich eine Austrittsöffnung am Zylinderkopf vorgesehen ist, welche in der Abgasleitung 3 mündet. Selbstverständlich soll die Erfindung auch dieses, nicht dargestellte Ausführungsbeispiel umfassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1405995 B1 [0002]
- DE 10259702 A1 [0003]

Claims

Verbrennungsmotor, der zumindest eine Einlaßleitung (2), zumindest eine Abgasleitung (3), zumindest einen Turbolader (4), dessen Kompressor (7) in der Einlaßleitung (2) und dessen Turbine (6) in der Abgasleitung (3) angeordnet ist, und ein Abgasrückführsystem (12) aufweist, wobei das Abgasrückführsystem (12) eine Abgasrückführleitung (13), ein Regelventil (17) und ein Kühlelement (14) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasleitung (3) stromabwärts der Turbine (6) ein Regelement (18) angeordnet ist, und dass aus dem Regelventil (17) eine Bypaßleitung (21) abzweigt, die stromabwärts des Regelelementes (18) in der Abgasleitung (3) mündet.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelelement (18) als Klappe, bevorzugt als einstellbare Klappe ausgeführt ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelventil (17) als 3/2-Regelventil ausgeführt ist.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelventil (17) in Strömungsrichtung der durch das Abgasrückführsystem (12) strömenden Abgase stromabwärts des Kühlelementes (14) angeordnet ist.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (14) so ausgeführt ist, dass dieses die Funktion eines AGR-Kühlers und die Funktion eines Abgaswärmetauschers in sich vereinigt.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasrückführsystem (12) als Niederdruck-Abgasrückführsystem ausgeführt ist.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasrückführsystem (12) als Hochdruck-Abgasrückführsystem ausgeführt ist.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelelement (18) als Schieber, Ventil oder dergleichen, bevorzugt einstellbares Bauelement ausgeführt ist