DE102008027883A1 - Vorrichtung zur Abgasrückführung an einer Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgasrückführung an einer Brennkraftmaschine, insbesondere für Nutz- und/oder Kraftfahrzeuge, mit einem Ansaugsystem für Verbrennungsluft, einem Abgassystem zum Abführen der Abgase, einer Abgasrückführleitung zwischen dem Abgassystem, bevorzugt wenigstens einem Abgasturbolader zur Aufladung der Verbrennungsluft, und einem in die Abgasrückführleitung eingeschalteten Abgas-Luft-Wärmetauscher als Kühleinrichtung, der über einen Kühlluft-Verdichter mit Kühlluft beaufschlagt ist. Erfindungsgemäß ist der Kühlluft-Verdichter (27) mittels einer in der Abgasrückführleitung (20) angeordneten Kühlluft-Turbine (22) angetrieben.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgasrückführung an einer Brennkraftmaschine, insbesondere für Nutz- und/oder Kraftfahrzeuge, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Eine derartige Vorrichtung beschreibt die DE 10 028 608 A1 , bei der bei einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader im Abgassystem ein weiterer, in den gesamten Abgasstrom eingeschalteter Abgasturbolader nachgeschaltet ist, dessen Verdichter neben seiner eigentlichen Aufladefunktion gleichzeitig auch als Kühlluft-Verdichter fungiert und Kühlluft für einen in eine Abgasrückführleitung eingeschalteten Abgas-Luft-Wärmetauscher fördert. Da eine effiziente Abgasrückführung nicht in allen Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine erforderlich ist, erfolgt eine Kühlluftförderung auch dann, wenn das Steuerventil für die Abgasrückführung geschlossen ist; ferner ist das Schluckvermögen der Abgasturbine auf den gesamten Abgasstrom auszulegen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Abgasrückführung an einer Brennkraftmaschine für Nutz- und/oder Kraftfahrzeuge zu schaffen, mit der bei einer baulich günstigen Auslegung eine noch wirkungsvollere Kühlung des rückgeführten Abgases erzielt wird.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte und besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die den Kühlluft-Verdichter antreibende Kühlluft-Turbine in die Abgasrückführleitung, bevorzugt stromauf des Abgas-Luft- Wärmetauschers, in die Abgasrückführleitung eingeschaltet ist. Der Kühlluft-Verdichter ist hier durch einen separaten Verdichter gebildet, der insbesondere nicht Bestandteil der gegebenenfalls eine bevorzugt versehene Aufladung verwendeten Abgasturbolader ist. Diese Kühlluft-Turbine kann insbesondere dann beaufschlagt werden, wenn in nennenswertem Umfang Abgas rückgeführt wird und kann somit strömungstechnisch optimal auf die maximal auftretende Rückführmenge ausgelegt werden. Dies kann mittels einer Steuereinrichtung gesteuert und/oder geregelt werden. Insbesondere entzieht die Kühlluft-Turbine dem rückgeführten Abgas jedoch bereits Wärmeenergie und wirkt somit quasi als dem Abgas-Luft-Wärmetauscher vorgeschalteter Kühler.
  • Bevorzugt kann die Kühlluft-Turbine zudem stromab des Steuerventiles in der Abgasrückführleitung angeordnet sein, wodurch z. B. störende Druckschwankungen stromab der Kühlluft-Turbine die Funktion des Steuerventiles nicht beeinträchtigen können.
  • Besonders bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei der der Kühlluft-Verdichter und die Kühlluft-Turbine zu einem Kühlluft-Turbolader, insbesondere als zusätzlich zu den Auflader-Abgasturboladereinrichtungen vorgesehener Turboladereinrichtung zusammengebaut sind.
  • Des weiteren kann die aus dem Wärmetauscher abströmende, erwärmte bzw. heiße Kühlluft in vorteilhafter Weise in das Abgassystem der Brennkraftmaschine, bevorzugt stromauf einer Abgasreinigungsvorrichtung eingeleitet werden und somit durch entsprechende Wärme- und Sauerstoffzufuhr ggf. ablaufende katalytische Prozesse unterstützen.
  • Dabei kann bevorzugt die von dem Verdichter angesaugte Kühlluft einer Verbrennungsluft führenden Leitung insbesondere stromab eines Filtersystems entnommen werden, wodurch in baulich einfacher Weise eine Filterung der angesaugten Kühlluft erfolgen kann.
  • Zur Erzielung einer noch wirksameren Kühlung des rückgeführten Abgases kann dem Abgas-Luft-Wärmetauscher ein weiterer Wärmetauscher, insbesondere ein Abgas-Kühlwasser-Wärmetauscher nachgeschaltet sein, der in bevorzugter Weise an ein Niedertemperatur-Kühlsystem der Brennkraftmaschine angeschlossen ist. Dabei kann das Kühlwasser entweder an einer besonders kühlen Stelle des regulären Kühlsystems abgezweigt oder es kann ein zweiter Niedertemperatur-Kühlkreislauf vorgesehen sein.
  • Insbesondere kann des weiteren die Einleitung des rückgeführten Abgases aus der Abgasrückführleitung über eine in dem Ansaugsystem vorgesehene Venturieinrichtung erfolgen, die in an sich bekannter Weise eine Druckabsenkung und damit verbunden eine noch wirksamere Abgaseinleitung in das Ansaugsystem ermöglicht.
  • Schließlich können in dem Abgassystem der Brennkraftmaschine auch mehrere, z. B. zwei in Reihe geschaltete Abgasturbolader zur Erzielung einer zweistufigen Aufladung vorgesehen sein.
  • Die Abgasrückführleitung zweigt ebenfalls bevorzugt stromauf des wenigstens einen Abgasturboladers von dem Abgassystem ab. Damit kann auch der von den z. B. zwei in Reihe geschalteten Abgasturbinen erzeugte Abgasgegendruck zu einer wirkungsvollen Abgasrückführung in definierten Lastfällen der Brennkraftmaschine verstärkt genutzt werden.
  • Ferner wird eine Verfahrensführung beansprucht, die in Verbindung mit der zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung durchführbar ist.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt als Blockschaltbild eine Brennkraftmaschine mit einem Ansaugstrang bzw. Ansaugsystem für Verbrennungsluft, einem Abgasstrang bzw. Abgassystem und einer Abgasturboaufladung, sowie mit einer Vorrichtung zur Abgasrückführung.
  • In der 1 ist mit 1 eine Mehrzylinder-Hubkolben-Brennkraftmaschine bezeichnet, die soweit nicht beschrieben bekannter Bauart sein kann.
  • Die Brennkraftmaschine 1 weist ein Ansaugsystem für Verbrennungsluft auf, das sich im wesentlichen aus einer Ansaugleitung 2 mit einem Luftfilter 3, einer ersten und einer zweiten Ladedruckleitung 4, 5 und einem Saugrohrverteiler 6 zusammensetzt.
  • Die Verbrennungsluft wird dabei über einen ersten Verdichter 7 eines Abgasturboladers 8 vorverdichtet und mittels eines zweiten, in Reihe geschalteten Verdichters 9 eines zweiten Abgasturboladers 10 zum Ansaugverteiler 6 gefördert.
  • In die Ladedruckleitungen 4, 5 ist jeweils ein Ladeluftkühler 11, 12 eingeschaltet. Die Ladeluftkühler 11, 12 können in bekannter Weise Luft-Luft- oder Luft-Wasser-Wärmetauscher und dementsprechend wie mit den Pfeilen angedeutet mit Kühlmedium beaufschlagt sein.
  • Die Brennstoffversorgung der Brennkraftmaschine 1 ist der besseren Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt und kann bekannter Art sein.
  • Das Abgassystem der Brennkraftmaschine 1 weist einen Abgaskrümmer 13 auf, von dem zumindest eine Abgassammelleitung 14 abzweigt. An die Abgassammelleitung 14 sind ebenfalls hintereinander geschaltet die Abgasturbine 15 und über eine weiterführende Abgasleitung 16 die Abgasturbine 17 der beiden Abgasturbolader 8, 10 angeschlossen.
  • Sodann wird das Abgas dem weiteren Abgassystem mit einer Leitung 18 und einer ersten Abgasreinigungseinrichtung 19, z. B. einem Katalysator, einer Nachbrennvorrichtung, etc. des nicht weiter dargestellten Abgassystems des Nutz- bzw. Kraftfahrzeuges zugeführt.
  • Von der Abgassammelleitung 14 zweigt stromauf der beiden Abgasturbolader 8, 10 eine allgemein mit 20 bezeichnete Abgasrückführleitung ab, in die in Strömungsrichtung betrachtet ein Abgasrückführ-Steuerventil 21, eine Kühlluft-Turbine 22 eines zusätzlichen Kühlluft-Turboladers 23, ein Abgas-Luft-Wärmetauscher 24 und ein zweiter Abgas-Kühlwasser-Wärmetauscher 25 eingeschaltet sind.
  • Die Abgasrückführleitung 20 mündet zur Rückführung des gekühlten Abgases der Brennkraftmaschine 1 in die Ladedruckleitung 5 des Ansaugsystems, wobei an der Einlassstelle bevorzugt eine Venturieinrichtung 26 vorgesehen ist. Die Venturieinrichtung 26 weist in bekannter Weise einen Venturikanal auf, in dessen engster Stelle die Abgasrückführleitung 20 einmündet.
  • Die Kühlluft-Turbine 22 des Kühlluft-Turboladers 23 treibt einen Kühlluft-Verdichter 27 des Kühlluft-Turboladers 23 an, der Kühlluft aus der Ansaugleitung 2 stromab des Luftfilters 3 über eine Leitung 28 ansaugt und unter einem definierten Förderdruck über eine weitere Leitung 29 dem ersten Wärmetauscher 24 zuführt.
  • Die im Wärmetauscher 24 sich erwärmende Kühlluft wird sodann über eine Leitung 30 einer Abgasreinigungsvorrichtung 31 des Abgassystems der Brennkraftmaschine 1 bzw. des Nutzfahrzeuges zugeführt. Der Wärmetauscher 24 kann sowohl ein Gegenstrom- als auch ein Gleichstrom-Wärmetauscher sein.
  • Es sei bemerkt, dass das Abgassystem mit den Leitungen 14, 16, 18 einflutig oder zweiflutig sein kann, mit entsprechender, getrennter Leitungsführung z. B. zwischen den beiden Abgasturbinen 15, 17 und der nachgeschalteten Abgasleitungen und Abgasreinigungsvorrichtungen. Die über die Leitung 30 zugeführte Kühlluft kann der Abgasreinigungsvorrichtung 19 oder einer zweiten Abgasreinigungsvorrichtung 31 oder beiden zugeführt werden.
  • Der Abgas-Kühlwasser-Wärmetauscher 25 ist in nicht dargestellter Weise an ein Niedertemperatur-Kühlsystem der wassergekühlten Brennkraftmaschine 1 angeschlossen. Dies kann ein separater Kühlkreislauf mit einer Förderpumpe und einem Nebenkühler und mit entsprechenden Kühlmittelleitungen sein.
  • Der Wärmetauscher 25 kann aber auch in das reguläre Kühlsystem der Brennkraftmaschine 1 eingeschaltet sein, wobei die nur angedeutete Zuführleitung 32 zum Wärmetauscher 25 an einer möglichst kühlen Stelle des Kühlsystems (z. B. unmittelbar am Austritt des Kühlwassers aus dem Wasserkühler) abzweigen sollte.
  • Wird über die nicht dargestellte Motorsteuerung (z. B. mittels eines elektronischen Motorsteuergerätes) z. B. bei Volllast der Brennkraftmaschine 1 das Abgasrückführ-Steuerventil 21 geöffnet, so strömt Abgas aus der Abgassammelleitung 14 in die Abgasrückführleitung 20, wobei durch den anliegenden Abgasgegendruck die Kühlluft-Turbine 22 des Kühlluft-Turboladers 23 angetrieben wird.
  • Von der Abgasturbine 22 strömt das bereits etwas entspannte bzw. in der Temperatur abgesenkte Abgas im Gegenstromprinzip durch die beiden Wärmetauscher 24, 25 und wird in diesen weiter wirksam abgekühlt. Durch die Venturieinrichtung 26 wird schließlich das Abgas in der über das Steuerventil 21 eingesteuerten Menge angesaugt und der Verbrennungsluft der Brennkraftmaschine 1 zugemischt.
  • Die von dem Wärmetauscher 24 abströmende, erwärmte Kühlluft wird der Abgasreinigungsvorrichtung 31 (oder 19) zugeführt und trägt u. a. durch deren Wärmeenergie und Sauerstoffzufuhr dazu bei, die ablaufenden thermodynamischen und/oder katalytischen Prozesse in der Abgasreinigungsvorrichtung zu unterstützen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 10028608 A1 [0002]

Claims (12)

  1. Vorrichtung zur Abgasrückführung an einer Brennkraftmaschine, insbesondere für Nutz- und/oder Kraftfahrzeuge, mit einem Ansaugsystem für Verbrennungsluft, einem Abgassystem zum Abführen der Abgase, einer Abgasrückführleitung zwischen dem Abgassystem und dem Ansaugsystem, bevorzugt wenigstens einem Abgasturbolader zur Aufladung der Verbrennungsluft, und einem in die Abgasrückführleitung eingeschalteten Abgas-Luft-Wärmetauscher als Kühleinrichtung, der über einen Kühlluft-Verdichter mit Kühlluft beaufschlagt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlluft-Verdichter (27) mittels einer in der Abgasrückführleitung (20) angeordneten Kühlluft-Turbine (22) angetrieben ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluft-Turbine (22) stromauf des Abgas-Luft-Wärmetauschers (24) in der Abgasrückführleitung (29) angeordnet ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (22) stromab einer Steuereinrichtung, insbesondere eines Steuerventiles (21) in der Abgasrückführleitung (20) angeordnet ist.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluft-Turbine (22) und der Kühlluft-Verdichter (27) zu einem Kühlluft-Turbolader (23), insbesondere als zusätzliche Turboladeeinrichtung zu wenigstens einem Abgasturbolader, zusammengefasst wird
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Abgas-Luft-Wärmetauscher (24) abströmende, er wärmte Kühlluft dem Abgassystem, insbesondere stromauf einer Abgasreinigungsvorrichtung (31) zugeführt wird.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Verdichter (27) angesaugte Kühlluft einer Verbrennungsluft führenden Leitung (2), insbesondere stromab eines Filtersystems (3) entnommen wird.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Abgas-Luft-Wärmetauscher (24) ein weiterer Wärmetauscher, insbesondere ein Abgas-Kühlwasser-Wärmetauscher (25) nachgeschaltet ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Wärmetauscher (25) an ein Niedertemperatur-Kühlsystem der Brennkraftmaschine (1) angeschlossen ist.
  9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einleitung des rückgeführten Abgases aus der Abgasrückführleitung (20) über eine in dem Ansaugsystem (5) vorgesehene Venturieinrichtung (26) erfolgt.
  10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführleitung (20) stromauf des wenigstens einen Abgasturboladers (8, 10) von dem Abgassystem (14) abzweigt.
  11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Abgassystem der Brennkraftmaschine (1) zwei in Reihe geschaltete Abgasturbolader (8, 10) zur Erzielung eier zweistufigen Aufladung vorgesehen sind.
  12. Verfahren zur Abgasrückführung, insbesondere mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
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