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Die
Erfindung betrifft ein Abgasrückführsystem
für einen
Verbrennungsmotor, wobei das Abgasrückführsystem eine Abgasrückführleitung
aufweist, welche Abgase von einer Abgasleitung des Verbrennungsmotors
zu seinem Frischlufttrakt zurückführt, wobei
das Abgasrückführsystem
zumindest einen Abgaswärmetauscher
aufweist.
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Verbrennungsmotoren
sind zum Beispiel als Ottomotoren oder Dieselmotoren bekannt, bei
denen ein Anteil des Abgases dem Frischlufttrakt bzw. der Frischluftleitung über die
Abgasrückführleitung
erneut zugeführt
wird, um die Sauerstoffkonzentration zu reduzieren, was sich vorteilhaft
auf eine Verringerung von Stickoxidanteilen in den Abgasen auswirkt. Verbrennungsmotoren
können
aufgeladen sein, also zum Beispiel einen Turbolader mit einem in
der Frischluftleitung angeordneten Verdichter und einer in der Abgasleitung
angeordneten Turbine aufweisen. Je nach dem, an welchem Ort die
Abgasrückführleitung
aus der Abgasleitung abzweigt, wird auch von einer Niederdruck-Abgasrückführung (ND-AGR) oder
von einer Hochdruck-Abgasrückführung (HD-AGR)
gesprochen. Bei Niederdrucksystemen werden die Abgase stromabwärts des
Turboladers, also stromabwärts
der Turbine entnommen und stromaufwärts des Verdichters der Frischluftleitung zugeführt. Wegen
des geringen Druckgefälles
nach der Turbine ist es bei derzeit bekannten Systemen notwendig
eine Abgasklappe einzusetzen, welche einen Staudruck der Abgasanlage
entsprechend erhöht,
so dass eine erforderliche Abgasrückführrate aufrechterhalten werden
kann. Bei einer Hochdruck-Abgasrückführung werden
die Abgase stromaufwärts
der Turbine aus der Abgasleitung entnommen und der Frischluftleitung
bzw. dem Frischlufttrakt stromabwärts des Verdichters zugeführt. Zum Kühlen der
rückgeführten Abgase
ist der Abgaswärmetauscher
(AGR-Kühler)
vorgesehen.
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Bekannt
ist, den rückzuführenden
Abgasvolumenstrom zumeist über
Abgasrückführventile (AGR-Ventil)
am Einlas in den Frischlufttrakt zu regeln, wobei die AGR-Kühler als
passive Systeme ausgeführt
sind. Das AGR-Ventil kann auch direkt an dem AGR-Kühler angeordnet
sein.
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Der
AGR-Kühler
selbst ist dabei auf eine maximal zulässige Abgasmenge ausgelegt,
was bedeutet, dass seine Wärmetauschereigenschaften
auf genau diesen Punkt hin optimiert sind. Wird nun aber die Abgasrückführrate begrenzt,
so dass unterschiedliche Abgasrückführraten
vorliegen, verringert sich letztendlich auch die Fließ- bzw.
Strömungsgeschwindigkeit
der Abgase durch den AGR-Kühler,
da dieser einen gleich bleibenden (Strömungs-)Widerstand hat. Dies
führt aber
nachteiliger Weise zu einer geringeren Ausbildung von Turbulenzen,
wodurch die Kühlleistung
des AGR-Kühlers
verringert wird.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Abgasrückführsystem
so zu verbessern, dass der AGR-Kühler
seine optimale Kühlleistung auch
bei unterschiedlichen Abgasrückführraten
erreichen kann.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe mit einem Abgasrückführsystem
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei der Abgaswärmetauscher zumindest
ein Verschliesselement aufweist, welches den Abgaswärmetauscher
zumindest bereichsweise verschliesst, wobei einzelne Kanäle des Abgaswärmetauschers
mittels des zumindest einen Verschließelementes je nach erforderlicher
Abgasrückführrate zumindest
teilweise verschließbar
sind.
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Mit
der Erfindung wird vorteilhaft erreicht, dass der AGR-Kühler die
rückgeführten Abgase
auch bei einer geringeren Abgasrückführrate,
bezogen auf die maximal mögliche
Abgasrückführrate auf
welche der AGR-Kühler
zum Erreichen seiner optimalen Kühlleistung
ausgelegt ist, optimal kühlt.
Dies wird erreicht, indem der AGR-Kühler bzw. einzelne Kanäle des Abaswärmetauschers
entsprechend der Abgasrückführrate mittels
des zumindest einen Verschliesselementes bereichsweise bzw. teilweise
so verschlossen bzw. abgedeckt wird, dass die Strömungsgeschwindigkeit
der durch den AGR-Kühler
strömenden
Abgase auch bei unterschiedlichen Abgasrückführraten konstant ist.
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Üblicherweise
weist der AGR-Kühler
ein mehrkammeriges Profil mit Strömungskanälen auf. Im Querschnitt gesehen,
können
die Strömungskanäle in Querreihen
bzw. Zeilen übereinander
angeordnet sein, wobei in den einzelnen Querreihen bzw. Zeilen noch
Trennwände
angeordnet sein können,
so dass eine Vielzahl von Strömungskanälen sowohl
in Querrichtung als auch in Hochrichtung des AGR-Kühlers gebildet
sind. Mittels des Verschliesselementes können nun die einzelnen Kanäle verschlossen
bzw. abgedeckt werden, so dass die Strömungsgeschwindigkeit in den
Kanälen
nicht unter einen Mindestwert sinkt.
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In
einer ersten Ausgestaltung ist das Verschliesselement als axial
verschiebbare, also bevorzugt in einer Hochrichtung linear verschiebbare
Verschlussplatte bzw. Blende ausgeführt. Die Verschlussplatte kann
je nach Abgasrückführrate aus
einer Verschliessposition in eine öffnende Position überführt werden.
In einer der Verschliessposition werden die betreffenden Strömungskanäle abgedeckt.
Natürlich
kann die Verschlussplatte auch umgekehrt bewegt werden. Die Verschlussplatte
ist bevorzugt stufenlos in die jeweils erforderliche Position bewegbar.
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Die
Verschlussplatte kann auch als Blende bezeichnet werden, welche
in unterschiedlichen Geometrien ausgeführt sein kann, um ein optimales
Verhältnis
zwischen geschlossenen und geöffneten
Kanälen
bzw. Kammern zu erreichen. Weiter ist dadurch ein definiertes zeitabhängiges Schliessprofil
erreichbar. In einfachster Ausgestaltung kann die Blende rechteckig
ausgeführt
sein. Zur Verbesserung des Schliessprofils kann eine Kante der Blende
schräg abgetrennt
sein, so dass die Kammern quasi diagonal geschnitten werden, wenn
die Blende verlagert wird. Denkbar ist auch statt eines einfachen
geraden bzw. schrägen
Schnittes eine konkave oder konvexe Ausgestaltung der betreffenden
Kante der Blende vorzusehen, ohne dass mögliche Ausführungen auf die beispielhaft
genannten beschränkt
sein sollen. Natürlich
können
auch zusammengesetzte Schnittformen an der betreffenden Kante der
Blende vorgesehen sein. Durch diese einfache Ausgestaltung der Blende
an der betreffenden Kante können
nicht nur einzelne Reihen bzw. Zeilen der Luftkanäle verschlossen
werden. Vielmehr kann ein Teil der Kanäle der betreffenden Reihe oder
Zeile abgedeckt sein, während
ein anderer Teil vollständig
oder teilweise geöffnet
ist.
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Durch
das vollständige
oder teilweise Abdecken der Kanäle
wird mit der Erfindung primär
die durchströmbare
Querschnittsfläche
gemäß dem vorhandenen,
rückzuführenden
Abgasvolumenstrom geregelt. Dadurch wird vorteilhaft sichergestellt,
dass für
die eingestellte Abgasmenge stets der erforderliche Querschnitt
zur Verfügung
steht, wobei der erforderliche, freie Querschnitt letztendlich die
Strömungsgeschwindigkeit
bzw. Fließgeschwindigkeit des
Abgases innerhalb des AGR-Kühlers
bestimmt. Mittels des erfindungsgemäßen, zumindest bereichsweise
bzw. teilweise Abdeckens des AGR-Kühlers bzw. aufgrund der konstanten
Fließ-
bzw. Strömungsgeschwindigkeit
wird also immer, auch bei einer reduzierten Abgasrückführrate,
die erforderliche turbulente Strömung
erreicht, welche für
eine optimale Kühlung
der Abgase erforderlich ist.
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Günstiger
Weise ist das zumindest eine Verschliesselement an einer zur Abgasleitung
orientierten Seite des AGR-Kühlers
angeordnet, um Versottungstendenzen durch Kondensate zu verringern
Natürlich
kann das zumindest eine Verschliesselement an der gegenüberliegenden
Seite angeordnet sein.
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Zweckmäßiger Weise
kann mit dem zumindest einen Verschliesselement, also dem zumindest teilweisen
Abdecken der Kanäle,
auch die Abgasrückführrate geregelt
werden, da sich ein Druckgefälle,
bezogen auf die Strömungsrichtung
der Abgase vor (stromauf) und hinter (stromab) dem AGR-Kühler einstellen
lässt.
Insofern kommt dem erfindungsgemäßen Verschliesselement
eine Doppelfunktion zu. Zum einen wird eine konstante Strömungsgeschwindigkeit
erreicht, so dass die Abgase stets optimal gekühlt werden. Zum anderen kann
das zumindest eine Verschliesselement die Funktion eines AGR-Ventils übernehmen,
oder dessen Funktion zumindest unterstützen. Insofern kann ein strömungs- und
kühlungsoptimiertes
Abgasrückführsystem
für eine
geregelte Abgasrückführung erreicht
werden, was direkt mit dem AGR-Kühler
realisierbar ist.
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Natürlich kann
das Abgasrückführsystem
als Hochdrucksystem oder als Niederdrucksystem ausgeführt sein.
Bei einem Niederdrucksystem kann mittels einer Abgasklappe (Stauklappe)
ein Abgasgegendruck bzw. Staudruck erzeugt werden, um eine erforderliche
Abgasrückführrate zu
erreichen.
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Günstig ist
insbesondere, wenn das zumindest eine Verschliesselement an der
zur Abgasleitung orientierten bzw. an der Eingangsseite des AGR-Kühlers angeordnet
ist, da das zumindest eine Verschliesselement durch den vorhandenen
Abgasdruck direkt auf die Kammer- bzw. Kanalöffnungen gedrückt wird,
so dass sich automatisch eine Abdichtung einstellt. Durch die lineare
Bewegung des zumindest einen Verschliesselementes bzw. der Blende muss
diese bei der Überführung in
eine ihrer Positionen auch nicht gegen den Abgasdruck anarbeiten, sondern
lediglich gegen Reibkräfte.
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Das
zumindest eine Verschliesselement ist bevorzugt über einen Aktor steuerbar,
welches seine Verstellsignale über
geeignete Steuervorrichtungen erhält.
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Um
ein passives System bereitzustellen, kann das zumindest eine Verschliesselement über eine
Druckdose gesteuert werden, welche einen Gegendruck vorzugsweise
im Bereich des höchsten Druckbetrages
innerhalb der Abgasleitung ausnutzt. Die Druckdose ist mit ihrem
Wirkende dabei bei einem Hochdrucksystem bevorzugt in dem Abgasleitungszweig
zwischen dem Abgasrückführleitungsabzweig
und der Turbine angeordnet. Bei einem Niederdrucksystem ist das
Wirkende der Druckdose vorzugsweise in dem Abgasleitungszweig zwischen dem
Abgasrückführleitungsabzweig
und der Stauklappe angeordnet. Gegenüberliegend zum Wirkende der
Druckdose ist diese mit dem zumindest einen Verschliesselement verbunden,
so dass dieses linear in die jeweiligen Positionen verstellbar ist.
Die entsprechenden Rückstellkräfte könnten beispielsweise durch
Federsteifigkeiten bzw. Federn realisiert werden.
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Das
passive System hat den Vorteil, dass diese ohne Steuerelektronik
steuerbar ist, und zudem dynamischer reagieren kann. Das passive
System nutz dabei aus, dass für
eine gegebene Drehzahl des Verbrennungsmotors und/oder Abgasmenge stets
eine definierte Abgasmenge rückzuführen ist.
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In
weiter bevorzugter Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass jede
Kammer bzw. jeder Kanal ein einzelnes Verschliesselement aufweist,
so dass ein Verschliesssystem gebildet ist. Dadurch kann die Regelung
im Vergleich zur Ausgestaltung als aktive Blende dynamischer ermöglicht werden.
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Bei
dieser vorteilhaften Ausgestaltung weist das Verschliesssystem zumindest
eine Klappe an jeder Querreihe bzw. Zeile auf. Die jeweilige Klappe kann
durch einen angesteuerten Aktor in ihre jeweilige Position überführt werden.
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Bevorzugt
ist ein passives Verschliesssystem vorgesehen, welches durch Steifigkeiten öffnet, die
zum Beispiel durch ein Federsystem einstellbar sind, oder sich beispielsweise
durch Materialeigenschaften (reversible Deformation, z. B. Superelastizität bei Formgedächtniswerkstoffen)
ergeben. Durch unterschiedliche Steifigkeiten kann vorteilhaft erreicht
werden, dass sich nicht alle Verschliesselemente bzw. Klappen des
Verschliesssystems nur zum Teil öffnen,
sondern sich kaskadiert zum aufgebauten Abgasgegendruck öffnen. Dieser
Gegendruck kann zum Beispiel durch die Abgasstauklappe bei dem Niederdrucksystem
oder durch den Turbolader bei Hochdrucksystemen erreicht werden.
Das passive System nutzt dabei aus, dass für eine gegebene Drehzahl des
Verbrennungsmotors und/oder Abgasmenge stets eine definierte Abgasmenge
rückzuführen ist.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Zeichnungen
dargestellten Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
Abgasrückführsystem
als Hochdrucksystem in prinzipieller Ansicht,
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2 einen
AGR-Kühler
in einer beispielhaften Ansicht auf eine Eingangsseite,
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3 den
AGR-Kühler
aus 2 mit einem beispielhaften Verschliesselement,
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4 das
Hochdrucksystem aus 1 mit einem passiven Verschliesselement,
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5 ein
Abgasrückführsystem
als Niederdrucksystem in prinzipieller Ansicht mit einem passiven
Verschliesselement, und
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6 einen
AGR-Kühler
in einer beispielhaften Ansicht auf eine Eingangsseite mit einem
Verschliesssystem.
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1 zeigt
in prinzipieller Ansicht ein Abgasrückführsystem 1 eines Verbrennungsmotors 15.
Das Abgasrückführsystem 1 weist
eine Abgasrückführleitung 2 auf,
welche Abgase aus einer Abgasleitung 3 in einen Frischlufttrakt
bzw. in eine Frischluftleitung 4 des Verbrennungsmotors 15 zurückführt. In
der Abgasleitung 3 ist zumindest ein Abgaswärmetauscher bzw.
AGR-Kühler 5 angeordnet.
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Der
Verbrennungsmotor 15 weist weiter einen Turbolader 6 auf.
Eine Turbine 7 des Turboladers 6 ist in der Abgasleitung 3 angeordnet,
wobei ein Verdichter 8 des Turboladers 6 in der
Frischluftleitung 4 angeordnet ist.
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Bei
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel zweigt die Abgasleitung 3 stromaufwärts der Turbine 7 aus
der Abgasleitung 3 ab, und mündet stromabwärts des
Verdichters 8 in der Frischluftleitung 4. Insofern
zeigt 1 beispielhaft ein Hochdrucksystem. Natürlich können in
dem Abgasrückführsystem 1 zusätzlich zu
dem AGR-Kühler 5 noch weitere
Komponenten wie z. B. ein AGR-Bypass, Wastegate oder Kondensatabscheider
angeordnet sein, auf deren Darstellung bei den Ausführungsbeispielen
verzichtet wurde.
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Der
AGR-Kühler 5 weist
an seiner zur Abgasleitung 3 orientierten Eingangsseite 9 ein
Verschliesselement 10 auf.
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Das
Verschliesselement 10 ist als Blende 11 ausgeführt und
linear, also entlang einer Achse X beweglich geführt.
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Wie
der 2 entnehmbar ist, weist der AGR-Kühler 5 eine
Vielzahl von Kanälen 12 auf, durch
welche die rückgeführten Abgase
strömen können. Die
Kanäle 12 sind
in Querreihen 13 bzw. Zeilen 13 nebeneinander
angeordnet. Zwischen den einzelnen Kanälen 12 einer jeweiligen
Zeile 13 sind Trennwände
angeordnet. Der AGR-Kühler 5 weist
in X-Richtung gesehen mehrere übereinander
angeordnete Zeilen 13 auf.
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In 3 ist
eine beispielhafte Ausgestaltung der Blende 11 dargestellt.
In diesem Ausführungsbeispiel
ist die Blende 11 als Verschlussplatte mit einer angeschrägten Kante 14 ausgeführt. Die
schräge Kante 14 erstreckt
sich wie dargestellt bereichsweise über die Breite der Blende 11 bzw.
der Verschlussplatte, wobei an der in der Zeichnungsebene rechten Seite
ein ungeschnittener Bereich stehen geblieben ist. Die Blende 11 kann
natürlich
auch eine konkav oder konvex ausgeführte Kante 14 aufweisen.
Denkbar sind auch zusammengesetzte Schnittformen als Ausgestaltung
der Kante 14.
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In
der in Figur dargestellten Position der Blende 11 verdeckt
diese etwas mehr als 50% des Gesamtöffnungsbetrages der Kanäle 12.
Durch das vollständige Öffnen bzw.
Abdecken oder teilweise Abdecken der Kanäle 12 wird mit der
Erfindung primär
die durchströmbare
Querschnittsfläche
gemäß dem vorhandenen,
rückzuführenden
Abgasvolumenstrom geregelt. Dadurch wird vorteilhaft sichergestellt,
dass für
die eingestellte Abgasmenge stets der erforderliche Querschnitt
zur Verfügung
steht, wobei der erforderliche, freie Querschnitt letztendlich die Strömungsgeschwindigkeit
bzw. Fließgeschwindigkeit
des Abgases innerhalb des AGR-Kühlers 5 bestimmt.
Mittels des erfindungsgemäßen, zumindest bereichsweise
bzw. teilweise Abdeckens des AGR-Kühlers 5 bzw. aufgrund
der konstanten Fließ- bzw.
Strömungsgeschwindigkeit
wird also immer, auch bei einer reduzierten Abgasrückführrate,
die erforderliche turbulente Strömung
erreicht, welche für eine
optimale Kühlung
der Abgase erforderlich ist.
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Die
Blende 11 ist über
einen Aktor steuerbar, so dass die Blende entsprechend der erforderlichen Abgasrückführrate bevorzugt
stufenlos in eine jeweils unterschiedliche Position bewegbar ist,
in welcher mehr oder weniger Kanäle 12 abgedeckt
sind. Wird die maximale Abgasrückführrate angefordert, ist
der AGR-Kühler 5 vorzugsweise
vollständig
geöffnet.
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Befindet
sich die Blende 11 in einer der abdeckenden Positionen
wird diese Abgasdruckbedingt dichtend gegen den AGR-Kühler 5 gedrückt. Bei
der linearen Überführung der
Blende 11 in die einzelnen Positionen muss diese lediglich
gegen mögliche Reibkräfte bewegt
werden.
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In 4 ist
ein Ausführungsbeispiel
für ein passives
Verschliesselement 16 dargestellt. Auch 4 zeigt
ein Hochdrucksystem, weswegen auf eine Beschreibung gleicher Teile,
welches dieselben Bezugszeichen haben verzichtet wird.
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In
einem Abgasleitungszweig 17 zwischen dem Abzweig zur Abgasrückführleitung 2 und
der Turbine 7 ist eine Druckdose 18 mit ihrem
Wirkende 19 angeordnet. Gegenüberliegend zum Wirkende 19 ist
die Druckdose 18 über
einen beispielhaften Seilzug 20 mit der Blende 11 verbunden.
Natürlich
kann die Druckdose 18 auch in anderer geeigneter Weise mit
der Blende 11 verbunden sein. Die Druckdose 18 weist
weiter ein Federelement 21 auf. Weiter ist der Blende 11 gegenüberliegend
zur Anbindung des mechanischen Systems bzw. des Seilzuges 20 ein
weiteres Federelement 22 zugeordnet, welches als Rückstellfeder
dient.
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Die
Druckdose 18 nutzt vorteilhaft den Abgasgegendruck in dem
Abgasleitungszweig 17 aus, so dass der Abgasgegendruck
selbst über
die Druckdose 18 und den beispielhaften Seilzug 20 als
mechanisches System auf die Blende 11 wirkt. Das passive
System nutzt dabei aus, dass sich für eine gegebene Drehzahl und/oder
Abgasmenge stets eine definierte Abgasmenge rückzuführen ist. Mit anderen Worten
wirkt die erforderliche Abgasrückführrate direkt
so auf die Blende 11, dass sich diese in die erforderliche
Position verstellt, um zumindest eine optimale Kühlleistung des AGR-Kühlers 5 zu
erreichen.
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Im
Unterschied zu 4 ist in 5 ein Niederdrucksystem
dargestellt. Der Turbolader ist in 5 nicht
dargestellt. Zum Erzeugen eines für die Abgasrückführung notwendigen
Abgasgegendrucks bzw. Abgasstaudrucks ist in der Abgasleitung 3 eine Stauklappe 23 angeordnet.
Ansonsten entspricht das Ausführungsbeispiel
zu 5 dem des Ausführungsbeispiels
zu 4.
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Alternativ
zum Anordnen eines einzelnen Verschliesselementes an dem AGR-Kühler 5 zeigt 6 ein
Verschliesssystem 24, bei welchem jede Zeile 13 bzw.
jede Kammer ein Verschliesselement 25 aufweist. Auch bei
einer aktiven Steuerung der Verschliesselemente 25 mittels
eines Aktors kann so im Vergleich zur aktiven Blende eine dynamische
Regelung erreicht werden.
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In
bevorzugter Ausführung
sind die Verschliesselemente 25 als passive Klappen 26 ausgeführt, welche
sich durch die Steifigkeit der Anbindung öffnen. Eine derartige Steifigkeit
kann z. B. durch ein Federsystem oder beispielsweise durch bestimmte Materialeigenschaften
(reversible Deformation, z. B. Superelastizität bei Formgedächtniswerkstoffen)
eingestellt sein. Durch unterschiedliche Steifigkeiten können sich
die einzelnen Klappen 26, wie in 6 beispielhaft
dargestellt, kaskadiert zum aufgebauten Abgasgegendruck öffnen. Der
Abgasgegendruck kann wie zu den Ausführungsbeispielen zu 5 (Niederdrucksystem)
mittels einer Stauklappe oder wie zu 4 (Hochdrucksystem)
beschrieben mittels des Turboladers erzeugt werden.
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Mit
den beispielhaften Ausführungen
wird ein Abgasrückführsystem
mit einem AGR-Kühler
mit idealen Kühleigenschaften
zur Verfügung
gestellt, wobei das zumindest eine Verschliesselement bzw. das Verschliesssystem
gleichzeitig als Regeleinrichtung der Abgasrückführrate dienen kann. Die rein
passiven Ausführungen
benötigen
zudem keinerlei Steuerelektronik und können dynamischer auf unterschiedliche
Abgasrückführraten
reagieren.
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- 1
- Abgasrückführsystem
- 2
- Abgasrückführleitung
- 3
- Abgasleitung
- 4
- Frischlufttrakt/Frischluftleitung
- 5
- AGR-Kühler
- 6
- Turbolader
- 7
- Turbine
- 8
- Verdichter
- 9
- Eingangsseite
von 5
- 10
- Verschliesselement
- 11
- Blende
- 12
- Kanäle in 5
- 13
- Querreihen/Zeilen
- 14
- Kante
von 11
- 15
- Verbrennungsmotor
- 16
- Verschliesselement
passiv
- 17
- Abgasleitungszweig
- 18
- Druckdose
- 19
- Wirkende
- 20
- Seilzug
- 21
- Federelement
- 22
- Federelement
- 23
- Stauklappe
- 24
- Verschliesssystem
- 25
- Verschliesselemente
von 24
- 26
- passive
Klappen