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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Technik der Abgasrückführkühler, die
bei Verbrennungsmotoren mit Abgasrückführsystemen verwendet werden und
die dazu ausgelegt sind, Schadstoffe zu verringern und insbesondere,
die Ablagerung von Verunreinigungen in Abgasrückführkühlern kontrolliert zu beseitigen.
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Hintergrund der Erfindung
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Herkömmliche
Verbrennungsmotoren erzeugen beim Betrieb verschiedene Schadstoffe.
Die meisten Verbrennungsmotoren entwickeln ihre Leistung im Allgemeinen
durch Verbrennung eines Kohlenwasserstoff-Kraftstoffs bei Anwesenheit
von Luft, die ein Gemisch aus hauptsächlich Stickstoff und Sauerstoff
sowie anderen Bestandteilen mit geringem Anteil ist. Während der
Verbrennung werden etliche Abgasbestandteile erzeugt. Manche wie
Wasser gelten als ziemlich unschädlich.
Andere wie Stickoxide (NOx) unterliegen Vorschriften und die Erzeugung
dieses Schadstoffs muss gesteuert werden. Um die Erzeugung von Stickoxiden
zu verringern, ist häufig
ein Abgasrückführsystem
(exhaust recirculation system), vorgesehen, das im Folgenden als EGR-System
bezeichnet wird. Bei einem EGR-System, wird ein Teil des Abgases
von einem Verbrennungsmotor über
einen Weg in den Lufteinlass des Motors zurückgeführt. Die Rückführung des Abgases verringert
im Allgemeinen die zur Verbrennung zur Verfügung stehende relative Sauerstoffmenge
und damit die Flammentemperatur im Motor während der Verbrennung. Eine
niedrigere Flammentemperatur bewirkt eine deutlich geringere Erzeugung
von Stickoxiden. Eine andere Möglichkeit,
die Verbrennungstemperatur zu senken, ist eine niedrigere Temperatur des
rückgeführten Abgases.
Typischerweise ist ein Kühler
im Rückführweg installiert,
der dafür
sorgt, dass das rückgeführte Abgas
mit einer niedrigeren Temperatur in den Motor eintritt, wodurch
die Verbrennungstemperatur gesenkt wird. In der Tat müssen die
Abgase in gewissem Umfang gekühlt
werden, um bestimmte gesetzliche Richtlinien für Emissionspegel einzuhalten.
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EGR-Systeme
werden seit mindestens 30 Jahren in Benzinmotoren verwendet und
ihr Einsatz ist äußerst weit
verbreitet. EGR-Systeme in Dieselmotoren sind noch nicht so lang üblich. Dieselmotore lassen
einen höheren
EGR-Durchsatz zu als Benzinmotoren, weshalb der EGR-Kühlung in
einem Diesel-EGR-System Bedeutung zukommt. Die Kühler in solchen Systemen haben
normalerweise eine große Wärme übertragungsoberfläche, um
die Wärmeübertragung
vom rückgeführten Abgas
auf ein Kühlmittel zu
unterstützen.
Im Allgemeinen wird das Kühlmittel hinter
der Wärmeübertragungsoberfläche eingeleitet, damit
die Wärme
leicht vom rückgeführten Abgas zum
Kühlmittel übertragen
werden kann. Leider können
sich während
des Betriebs eines EGR-Systems verschiedene Ablagerungen aus Ruß und anderen Verunreinigungen
auf der Wärmeübertragungsoberfläche im Kühler und
an anderen Leitungsabschnitten des EGR-Systems ansammeln. Die Rußschicht
baut sich in nur 100 Betriebsstunden auf und verringert die Fähigkeit
des Kühlers,
die Wärme
aus dem rückgeführten Abgas
zu übertragen,
erheblich. Genauer gesagt verringert die Schicht aus Ruß und anderen
Verunreinigungen den Wirkungsgrad der Kühler in hohem Maße, was
in einem relativ heißen
rückgeführten Abgas
am Motoreinlass resultiert, wodurch die Fähigkeit des Motors, Leistung
zu erzeugen und gleichzeitig die Emissionsnormen einzuhalten, abnimmt.
Ein derartiges Problem ist in Zusammenhang mit einem Dieselmotor
besonders ausgeprägt.
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Ein
Ansatz, mit dem dieses Problem angegangen wurde, ist die Verwendung
großer
Kühler.
Allerdings hat sich die Verwendung großer Kühler wegen der hohen Kosten
und der großen
Baugröße als ungünstig erwiesen.
Andere Ansätze
richteten sich auf die Verringerung der Ablagerungsmengen. So lehrt
z. B. die U.S.-Patentanmeldung, Veröffentlichung Nr. 2007/0131207,
eingereicht von Nakamura, die Regelung des Kühlmitteldurchflusses durch
einen Kühler
auf Basis der erfassten Eintrittstemperatur zur Verringerung von
Ablagerungen. Ein derartiges System beruht jedoch leider auf dem
Prinzip, die Temperatur des rückgeführten Gases
zu erhöhen.
Das System ist deshalb nicht sinnvoll, da es dem Konzept der Senkung
der Temperatur des rückgeführten Abgases,
um dadurch die Verbrennungstemperatur und die Erzeugung von Stickoxid
zu verringern, direkt entgegengesetzt ist.
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Auf
Basis des oben Gesagten ergibt sich für die Technik die Notwendigkeit,
ein System bereitzustellen, um den Aufbau von Verunreinigungen in EGR-Kühlern zu überwachen,
bei dem die oben genannten Nachteile vermieden werden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist auf ein System zur kontrollierten Beseitigung
der Ablagerung von Verunreinigungen in einem in einem Fahrzeug eingebauten
Abgasrückführungskühler gerichtet.
Das Fahrzeug enthält
im Allgemeinen einen Fahrwerksrahmen, der einen Motor trägt, der
funktional mit einem Getriebe und Rädern zum Antrieb der Räder und
zur Bewegung des Fahrzeugs verbunden ist. Das System weist einen
Kühler
mit einem Gehäuse auf,
das einen Gaseinlass, der mit einer ersten Leitung in Verbindung
steht, sowie einen Gasauslass definiert, der mit einer zweiten Leitung
in Verbindung steht und mit dem Gaseinlass über einen Gaskühlkanal
verbunden ist, damit das Abgas von der Auspuffanlage des Motors
entlang dem Gasrückführweg zur Luftansaugbaugruppe
des Motors rückgeführt werden
kann. Das System weist außerdem
einen Kühlmittelauslass
auf, der über
einen Kanal mit einem Kühlmitteleinlass
verbunden ist, damit das Kühlmittel durch
den Kühler
fließen
kann. Der Kühlmittelkanal ist
so angeordnet, dass die Wärme
vom Abgas an das Kühlmittel
abgegeben werden kann, wodurch das Abgas abgekühlt wird. Ein Ventil ist im
Gasrückführweg angeordnet,
um den Abgasdurchsatz durch den Kühler zu steuern, und ein Sensor
ist zur Messung eines Abgasparameters im Rückführweg installiert. Eine Steuerung
empfängt
die Parametersignale vom Sensor und ist mit dem Ventil verbunden.
Genauer gesagt regelt die Steuerung das Öffnen und Schließen des
Ventils auf eine solche Weise, die sicherstellt, dass das Abgas
im Kühler
einen turbulenten Strömungszustand
hat, um die Ablagerungen aus dem Kühler zu entfernen.
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Optional
ist ein zusätzlicher
Kühler
mit einem Gehäuse,
das einen Gaseinlass, der mit der ersten Leitung in Verbindung steht,
sowie einen Gasauslass definiert, der mit der zweiten Leitung in
Verbindung steht und mit dem Gaseinlass über den Gaskühlkanal verbunden
ist, eingebaut. Außerdem
ist ein Kühlmittelauslass über einen
Kanal mit einem Einlass verbunden, damit das Kühlmittel durch den zusätzlichen Kühler fließen kann.
Der Kühlmittelkanal
ist so angeordnet, dass die Wärme
vom Abgas an das Kühlmittel
abgegeben werden kann, wodurch das Abgas abgekühlt wird. Ein Hauptventil kann
vorgesehen sein, um den Gesamtdurchsatz durch den Rückführweg zu steuern,
und ein zusätzliches
Ventil ist zur Steuerung des Durchsatzes durch den zusätzlichen
Kühler
bereitgestellt. Die Ventile befinden sich zwischen der Luftansauganordnung
und den Kühlern
oder zwischen der Auspuffanlage und den Kühlern.
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Die
vorliegende Erfindung ist auch auf ein Verfahren zur kontrollierten
Beseitigung der Verunreinigungsablagerung in Abgasrückführungskühlern gerichtet.
Die rückgeführte Abgasströmung wird
von der Auspuffanlage des Motors zur Luftansauganordnung des Motors
rückgeführt, um
die Schadstoffmenge im Abgas zu verringern. Das Steuermodul legt
den Durchsatz des Abgases im Kühler
fest und empfängt die
Messwerte der verschiedenen Abgasparameter. Schließlich stellt
das Steuermodul sicher, dass der Abgasdurchsatz im Kühler turbulent
ist, damit Ablagerungen aus dem Kühler entfernt werden. Vorzugsweise
werden mehrere Kühler
verwendet und das Steuermodul leitet den Abgasstrom durch die mehreren
Kühler.
Wahlweise bestimmt das Modul die Reynolds-Zahl des Gasdurchsatzes
durch den Kühler und
stellt sicher, dass die Reynolds-Zahl innerhalb eines der turbulenten
Strömung
zugeordneten Bereichs bleibt.
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Weitere
Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung erschließen sich
aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Aus führungsformen
in Zusammenhang mit den Zeichnungen, in denen identische Bezugszeichen entsprechende
Teile in den verschiedenen Ansichten kennzeichnen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Ansicht eines Fahrzeugs, in dem ein System zur
kontrollierten Beseitigung der Ablagerung von Verunreinigungen in Abgasrückführungskühlern, das
die Erfindung verwirklicht, installiert ist;
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2 ist
eine schematische Ansicht des Systems von 1 in vereinfachter
Form mit den Steuerventilen an der heißen Seite;
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3 ist
eine schematische Ansicht des Systems von 1 in vereinfachter
Form mit den Steuerventilen an der kalten Seite;
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4 ist
eine schematische Ansicht eines der Kühler in 1;
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5 ist
eine Schnittansicht des Kühlers
in 4 entlang der Linie V-V; und
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6 ist
ein Flussdiagramm eines Betriebsverfahrens für das System von 1.
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Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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Zunächst sei
auf 1 verwiesen, die eine schematische Ansicht eines
Fahrzeugs 10 zeigt, in dem ein System 20 zur kontrollierten
Beseitigung von Verunreinigungsablagerungen in einem Abgasrückführkühler, der
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung aufgebaut ist, eingebaut ist. Wie dargestellt ist
ein Motor 25 mit mehreren Zylindern 26 im Fahrzeug 10 eingebaut.
Der Motor 25 ist vorzugsweise ein Dieselmotor und bei dem
Fahrzeug 10 handelt es sich um einen Lastkraftwagen. Das Fahrzeug 10 kann
jedoch ein beliebiger Fahrzeugtyp sein und das System funktioniert
mit anderen Verbrennungsmotoren, die Verunreinigungsbeseitigungseinrichtungen
einschließlich
Abgasrückführkühlern verwenden.
Wie dargestellt ist ein Kühler 30 zur
Kühlung
des Motors 25 vorgesehen. Außerdem enthält das Fahrzeug 10 einen
Fahrwerksrahmen 32, der verschiedene Baugruppen wie den
Motor 25 trägt,
um Räder 36 über einen
Antriebsstrang 38 mit einem Getriebe und einer Antriebswelle
(nicht eigens gekennzeichnet) zu tragen.
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Wie
aus 2 ersichtlich ist, hat der Motor 25 sowohl
eine Luftansaugbaugruppe 39 als auch eine Auspuffbaugruppe 40.
Der Motor 25 ist mit einer Kraftstoffquelle 41 und
einem Luftverdichter 42 wie einem Turbolader 44 verbunden,
um den Durchsatz der Ansaugluft (mit dem Pfeil 45 gekennzeichnet) zum
Motor 25 zu erhöhen.
Genauer gesagt tritt Luft über
eine Airbox 47 in das System 20 ein und strömt durch
einen Kanal 50 zum Turbolader 44. Eine Luftdurchsatzmesseinheit 52 ist
im Kanal 50 installiert und enthält einen Sensor 55 zum
Messen der zum Turbolader 44 strömenden Luftmenge. Der Sensor 55 ist
mit einem elektronischen Steuermodul 57 verbunden. Der
Sensor 55 kann ein Signal (als Pfeil 60 dargestellt)
an das elektronische Steuermodul 57 liefern, das für die zum
Turbolader 44 strömende
Luftmenge repräsentativ
ist. Die Luftdurchsatzmesseinheit 52 außerdem ein Ventil 62,
das Signale vom elektronischen Steuermodul 57 empfängt, und
dessen Aufgabe die Regelung der durchströmenden Luftmenge ist.
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Auf
eine im Stand der Technik weitgehend bekannte Weise verdichtet der
Turbolader 44 die von der Airbox 47 erhaltene
Luft und liefert Ladeluft, die einen Ladungskühler 65 passiert.
Der Ladungskühler 65 kühlt die
Ladeluft und liefert sie an eine Verteilerleitung 67 zur
Verteilung an die Zylinder 26. Der Motor 25 erhält sowohl
die Ladeluft als auch den Brennstoff, die verbrannt werden, wodurch
die zum Antrieb des Fahrzeugs 10 dienende Leistung und
Verbrennungsprodukte erzeugt werden, die aus dem Auspuff 68 austreten.
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Weiterhin
zeigt 2 das System 20, das einen umgeleiteten
Abgasstrom, d. h. einen rückgeführten Abgasstrom
(EGR), der durch den Pfeil 70 angedeutet ist, des vom Motor 25 erzeugten
Abgases 68 durch eine erste Leitung 71 an ein
Kühlsystem 72 liefert
und dann einen gekühlten
Anteil 75 des durch 71 umgeleiteten Abgasstroms
durch eine zweite Leitung 77 an die Ladeluft-Verteilerleitung 67,
wodurch der Gasrückführweg 69 von
der Auspuffbaugruppe 40 zur Luftansaugbaugruppe 39 geschlossen
wird. Im Einzelnen enthält
das System 20 die erste Leitung 71, die mit der
Auspuffbaugruppe 40 verbunden ist. Die erste Leitung 71 ist
vorzugsweise mit einem mit einem Abgas-Gegendrucksensor 82 und
einem Abgastemperatursensor 85 ausgerüstet, die den Abgasgegendruck
bzw. die Temperatur messen. Die Sensoren 82 und 85 sind
mit dem elektronischen Steuermodul 57 durch Drähte 87 and 88 oder über andere
bekannte Typen von Kommunikationskanälen verbunden und können somit
Signale an das elektronische Steuermodul 57 liefern, die
für den
Abgasgegendruck und die Temperatur repräsentativ sind. Wahlweise ist
ein Hauptsteuerventil 90 in der ersten Leitung 71 installiert
und so angeordnet, dass es die Menge des durchströmenden umgeleiteten Abgasstroms 70 begrenzt.
Das Hauptventil 90 ist ebenfalls mit dem elektronischen
Steuermodul 57 über
einen Draht 91 oder einen anderen Typ Kommunikationskanal
verbunden, so dass das Steuermodul 57 die Menge des Abgases
im umgeleiteten Abgasstrom 70 steuern kann. Die erste Leitung 71 endet
an einer Verzweigung 92, die den umgeleiteten Abgasstrom 70 in
zwei oder mehr Wege teilt, wobei jeder Weg zu einem entsprechenden
Abgaskühler 22, 97 oder 98 führt.
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Wie
dargestellt gibt es drei Kühler 22, 97 und 98,
wobei der erste Kühler 22 mit
einem ersten Weg 100, der zweite oder zusätzliche
Kühler 97 mit
einem zweiten Weg 101 und der dritte Kühler 98 mit einem dritten
Weg 102 verbunden ist. Es versteht sich jedoch, dass die
Erfindung mit unterschiedlichen Anzahlen Kühler ausgeführt werden kann. Der erste
der Hauptkühler 22 kühlt einen
ersten Anteil des umge leiteten Abgasstroms 70. Ein erstes
EGR-Ventil 105 ist zwischen dem ersten Weg 100 und
dem ersten Kühler 22 angeordnet.
Das erste EGR-Ventil 105 steht außerdem über einen Kommunikationsweg 110 in Verbindung
mit dem elektronischen Steuermodul 57, so dass das elektronische
Steuermodul 57 die Menge des umgeleiteten passierenden
Abgases steuern kann. Eine erste Kühlmittelzufuhr 112 liefert
Kühlmittel
wie durch den Pfeil 113 gekennzeichnet vom Kühler 30 an
den ersten Kühler 22 und
ein Rücklauf 115 leitet
das Kühlmittel 113 zurück zum Kühler 30,
so dass sich das Kühlmittel
im Kreislauf bewegt. Das Kühlmittel 113 wird
vom ersten Kühler 22 zur
Kühlung des
umgeleiteten Abgases 70 verwendet.
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Auf ähnliche
Weise ist ein zweites EGR-Ventil 120 zwischen dem zweiten
Weg 101 und dem zweiten Kühler 97 angeordnet;
ein drittes EGR-Ventil 125 ist zwischen dem dritten Weg 102 und
dem dritten Kühler 98 angeordnet.
Sowohl das zweite als auch das dritte EGR-Ventil 120, 125 ist
auch mit dem elektronischen Steuermodul 57 verbunden. Dadurch kann
das Steuermodul 57 den Durchsatz einer Menge des umgeleiteten
Abgases 70 durch jeden der Kühler 22, 97 und 98 individuell
steuern. Wenn kein Hauptventil 90 vorgesehen ist, kann
das Steuermodul 57 die Ventile 105, 120, 125 zur
Steuerung der Gesamtmenge des die Kühler 22, 47, 98 passierenden
Abgasstroms 70 verwenden. Ebenso hat sowohl der zweite
als auch der dritte Kühler 97, 98 eine
entsprechende zweite und Kühlmittelzufuhr 130, 131 und
einen entsprechenden zweiten und dritten Kühlmittelrücklauf 133, 134,
die am Kühler 30 angebracht sind,
um Kühlmittel-Rückführwege bereitzustellen,
so dass der zweite und dritte Kühler 97, 98 das
Kühlmittel 113 zum
Kühlen
der passierenden zweiten und dritten umgeleiteten Abgasmengen verwenden
kann. Dabei sollte Klarheit darüber
bestehen, dass das elektronische Steuermodul 57 nicht auf
die Verwendung mit dem Auspuffsystem begrenzt ist, sondern vorzugsweise
eine elektronische Hauptsteuereinheit für das Fahrzeug 10 darstellt,
um die verschiedenen Motor-, Getriebe- und sonstigen Funktionen
zu steuern. Obwohl außerdem
eine bevorzugte Anordnung der Sensoren offenbart worden ist, können verschiedene
Sensoren zusammen mit dem elektronischen Steuermodul 57 verwendet
werden, um die gewünschten
Messwerte indirekt abzuleiten. Als Beispiel sind drei Kühler dargestellt,
aber diese Ausführungsform
soll nicht einschränkend
sein. Bei alternativen Ausführungsformen
werden zwei Kühler
verwendet.
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Bei
der in 2 dargestellten Ausführungsform sind die EGR-Ventile 90, 105, 120 und 125 vor den
EGR-Kühlern 22, 97 und 98 angeordnet.
Im Allgemeinen ist das durch die EGR-Ventile 90, 105, 120 und 125 strömende umgeleitete
Abgas relativ heiß. Diese
Anordnung hat den Vorteil, dass sich verhältnismäßig wenig Schlamm um die EGR-Ventile 90, 105, 120 und 125 ansammelt.
Die EGR-Ventile 90, 105, 120 und 125 müssen jedoch
für den
Betrieb in einer relativ heißen
Umgebung ausgelegt sein. Bei einer in 3 dargestellten
alternativen Ausführungsform
sind entsprechende EGR-Ventile 90', 105', 120' und 125' nach den EGR-Kühlern 22, 97 und 98 angeordnet.
In diesem Fall sind das ersten, zweite und dritte EGR-Ventil 105', 120' und 125' zwischen dem
jeweiligen ersten, zweiten und dritten Kühler 22, 97 und 98 und
dem jeweiligen ersten, zweiten und dritten Rückführweg 140, 141, 142 angeordnet,
die zur zweiten Leitung 77 führen. Diese alternative Ausführungsform
hat den Vorteil, dass das Hauptventil 90' sowie das erste, zweite und dritte EGR-Ventil 105', 120' und 125' unter relativ
kühlen Bedingungen
arbeiten. Allerdings ist dabei in Kauf zu nehmen, dass sich eine
größere Schlammmenge
ansammelt. In jeder anderen Hinsicht sind die beiden Ausführungsformen
gleich, so dass auf eine weitere Beschreibung verzichtet werden
kann.
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Nunmehr
sei auf 4 verwiesen, die eine detailliertere
Ansicht des ersten Kühlers 22 zeigt.
Es versteht sich, dass die Kühler 22, 97 und 98 vorzugsweise
im Wesentlichen identisch aufgebaut sind, obwohl die Größe jedes
Kühlers
vorzugsweise auf Basis der Anforderungen des Motors 25 gewählt wird, was
nachstehend ausführlicher
erläutert
wird. Vor diesem Hintergrund hat der Kühler 22 ein Gehäuse 143,
das einen Gaseinlass 144 definiert, der mit der ersten
Leitung 71 in Verbindung steht, und einen Gasauslass 145,
der mit der zweiten Leitung 72 in Verbindung steht. Das
Gehäuse 143 definiert
außerdem
einen Gaskühlkanal 146,
der den Gaseinlass 144 mit dem Gasauslass 145 verbindet.
Kühlmittel aus
der ersten Kühlmittelzufuhr 112 tritt
am Kühlmitteleinlass 147 in
den ersten Kühler 22 ein
und fließt durch
Kanäle 150 im
ersten Kühler 22 zu
einem Kühlmittelauslass 148,
der mit dem Kühlmittelrücklauf 115 verbunden
ist. Die Kanäle 150 erstrecken
sich in Längsrichtung
und bilden eine Wärmeübertragungsoberfläche 153 aus
einem Material, das gegen Beschädigung
durch korrosive Abgase beständig
ist und die Wärme
vom umgeleiteten Abgas 70 gut an eine mit 155 angedeutete
Kühlmittelströmung abgibt. Wie
aus 5 am deutlichsten zu ersehen ist, erstrecken sich
Rippen 160 vorzugsweise von den Kanälen 150, um die Wärmeübertragung
durch die Vergrößerung der
Wärmeübertragungsoberfläche 153 zu
verbessern. Bei einer anderen Ausführungsform bildet das Material
der Rippen 160 und der Kanäle 150 eine Struktur,
die die Turbulenz der Strömung
des umgeleiteten Abgases um die Rippen 160 verstärkt.
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6 ist
ein Flussdiagramm, das die Funktionsweise des Systems 20 zur
kontrollierten Beseitigung von Verunreinigungsablagerung in den EGR-Kühlern gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung darstellt. Wie Schritt 200 zeigt, wird während des
Betriebs des Motors 25 ein Anteil 70 der Abgasströmung von
der Auspuffbaugruppe 40 durch den ersten Kühler 22 umgeleitet
und dann zur Luftansaugbaugruppe 39 über den Gasrückführweg 69 zurückgeführt. Wie
oben erwähnt können sich
während
des Motorbetriebs Ruß und
andere Ablagerungen an den Innenoberflächen des Kühlers 22 ansammeln.
Die Kühlerrippen 160 neigen besonders
zur Ansammlung von Ruß.
Wenn eine Rußschicht
die Rippen 160 bedeckt, können sie ihre Aufgabe nicht
ordnungsgemäß erfüllen. Um
diesem potentiellen Problem entgegenzuwirken, wird beim Anlassen
des Motors 25 ein bestimmter Durchsatz durch den ersten
Kühler 22 festgelegt,
wie in Schritt 210 angegeben ist. Verschiedene Parameter
werden, wie nachstehend näher
erläutert
wird, in Schritt 220 gemessen, um zu berechnen, ob die
Strömung durch
den Kühler 22 laminar
oder turbulent ist. Das elektronische Steuermodul 57 stellt
dann die Ventile 90, 105 ein, um in Schritt 240 sicherzustellen,
dass die Abgasströmung
durch den ersten Kühler 22 im turbulenten
Bereich bleibt. Ein detaillierteres Beispiel, wie das elektrische
Steuermodul 57 eine turbulente Abgasströmung sicherstellt, findet sich
nachstehend in der Beschreibung von 7. Der Vorteil, die
Strömung
im turbulenten Bereich zu halten, besteht darin, dass eine solche
Strömung überraschend
Ablagerungen wirksam ablösen
kann, die sich auf der inneren Oberfläche des Kühlers 22 oder auf
den Rippen 160 gebildet haben. Sobald der Ruß oder andere
Ablagerungen vom Kühler 22 abgelöst worden
sind, wird der Ruß zurück durch
den Motorzylinder 26 geführt und schließlich ausgestoßen. Ohne
die Rußschicht
arbeitet der erste Kühler 22 mit einem
wesentlich höheren
Wirkungsgrad, wodurch die Verwendung einer kleineren leichteren
und kostengünstigeren
Einheit möglich
wird, als dies in der Vergangenheit der Fall war.
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Einer
der gesteuerten Parameter ist die Reynolds-Zahl. Die Reynolds-Zahl
basiert u. a. auf der Geschwindigkeit, der Temperatur, dem Gasdurchsatz und
dem Strömungsquerschnitt
eines Kanals. Wie in den 2 und 3 dargestellt
ist, werden der Abgasgegendruck und die Temperatur von den Sensoren 82, 85 gemessen.
Das elektronische Steuermodul 57 berechnet die Reynolds-Zahl
auf Basis der gemessenen Parameter und stellt sicher, dass die Strömung turbulent
bleibt, indem die Reynolds-Zahl in einem geeigneten Bereich gehalten
wird. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass auch andere Sensoren verwendet
werden können,
um die erforderlichen Parameter zur Berechnung der Reynolds-Zahl
zu erhalten. Solche Parameter können
auch auf Basis des Luftdurchsatzes, der Kraftstoff-Einspritzparameter und
anderer bekannter oder gemessener Motorparameter hergeleitet werden,
wenn die Leistungskennwerte des Motors 26 bekannt sind.
So könnte
z. B. der Abgas-Gegendruck auf Basis des gemessenen Ansaugluftdurchsatzes
und der Kennwerte des Motors 25 hergeleitet werden, statt
ihn direkt zu messen. Die Bestimmung, ob die Strömung durch den Kühler 22 turbulent
oder laminar ist, erfolgt vorzugsweise experimentell, um zu bestimmen,
welche Durchsätze eine
turbulente Strömung
erzeugen, und damit eine Nachschlagtabelle für das Steuermodul 57 zu
erzeugen. Wenn das Steuermodul 57 bestimmt hat, welcher
EGR-Durchsatz für
den Motor 25 erforderlich ist, wird das Ventil 105 zum
Kühler 22 eingestellt,
um eine möglichst
turbulente Strömung
zu erhalten.
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Die
Verwendung mehrerer Kühler 22, 97 und 98 kann
erforderlich oder wünschenswert
sein. In einem solchen Fall wird jeder Kühler 22, 97 und 98 so gesteuert,
dass er mit der optimalen Reynolds-Zahl arbeitet, damit die jeweilige
Strömung
turbulent ist. Der erste und zweite Kühler 22, 97 haben
z. B. vorzugsweise unterschiedliche Baugrößen, wobei der erste Kühler 22 ein
kleiner und der zweite Kühler 97 ein
größerer Kühler ist.
Wenn der Motor 26 mit niedriger Drehzahl läuft, wird
der kleine Kühler 22 eingesetzt.
Wenn Motor 25 mit mittlerer Drehzahl läuft, wird der große Kühler 97 eingesetzt,
und wenn der Motor 25 mit hoher Drehzahl läuft, werden
beide Kühler 22, 97 eingesetzt.
Mit unterschiedlich dimensionierten Kühlern 22, 97 kann
ein größerer Durchsatzbereich
im turbulenten Zustand gehalten werden, wenn die Strömung 70 die
Kühler 22, 97 passiert.
Je nach den besonderen Betriebskennwerten des Motors können drei
oder mehr Kühler 22, 97 und 98 verwendet
werden. Wenn mehrere Kühler 22, 97 und 98 verwendet
werden, regelt in jedem Fall die elektronische Steuereinheit 57 die
Strömung
durch die Kühler wie
erforderlich, um jede der zugehörigen
Reynolds-Zahlen durch Öffnen
und Schließen
der entsprechenden EGR-Ventile 105, 105', 120, 120', 125 und 125' im vorgegebenen
Bereich zu halten. Da die Steuerung 57 mehrere Optionen
für die
Steuerung der Durchsätze
durch die Kühler 22, 97, 98 hat,
wenn mehrere Kühler
verwendet werden, kann die Strömung
durch die Kühler 22, 97, 98 über einen
großen Bereich
turbulent gehalten werden. Das Steuermodul 57 bestimmt,
wie viele Kühler
für einen
vom Motor 25 geforderten gegebenen EGR-Durchsatz zu verwenden
sind.
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Nunmehr
sei auf 7 verwiesen, die ein Flussdiagramm
einer beispielhaften Steuerlogik zeigt, die vom Steuermodul 57 zur
Steuerung der beiden Kühler 22, 97 verwendet
werden kann. In Schritt 300 beginnt der Prozess und bestimmt
zunächst
in Schritt 310, ob eine Abgasrückführströmung erforderlich ist oder
nicht. Wenn eine EGR-Strömung
erforderlich ist, geht das Steuermodul 57 zu Schritt 320 weiter
und bestimmt den gewünschten
EGR-Durchsatz, der zur Steuerung der NOx-Emissionen erforderlich ist. Da der
Motor 25 je nach Betriebsbedingung, etwa der Geschwindigkeit
des Fahrzeugs, unterschiedliche EGR-Durchsätze fordert, kann sich der
erforderliche Durchsatz ändern.
Nachdem der erforderliche Durchsatz bestimmt worden ist, bestimmt das
Steuermodul 57 in Schritt 330, ob der EGR-Durchsatz
in einem ersten, zweiten oder dritten Bereich liegt. Wenn die Gasströmung im
relativ niedrigen ersten Bereich liegt, sendet das Steuermodul 57 ein
Signal zum Öffnen
des Ventils 105, um den gewünschten EGR-Durchsatz für den Motor 25 bereitzustellen
und um außerdem
sicherzustellen, dass im Kühler 22 eine
turbulente Strömung
herrscht. Wenn der Durchsatz jedoch in einem zweiten höheren Bereich
liegt, öffnet
das Steuermodul 57 das Ventil 120 und schließt 105,
damit die EGR-Strömung durch den
größeren Kühler 97 geführt wird,
um die gewünschte
EGR-Strömung bereitzustellen
und immer noch eine turbulente Strömung durch den Kühler 97 zu
gewährleisten.
Wenn der Durchsatz im dritten hohen Bereich liegt, werden beide
Ventile 105 und 120 in Schritt 360 geöffnet, um
die gewünschte EGR-Kühlströmung bereitzustellen und zu
gewährleisten,
dass in beiden Kühlern 22 und 97 eine
turbulente Strömung
herrscht. In jedem der drei Wege geht der Prozess in Schritt 370 zu
Schritt 300 zurück, wenn
sich die erforderlichen EGR-Durchsätze ändern. Die obige Erläuterung
geht natürlich
von der Verwendung von nur zwei Kühlern, nämlich den Kühlern 22 und 97,
aus. Wenn ein dritter Kühler 98 verwendet
wird, wird die Suchlogik etwas komplizierter, da drei Ventile vorgesehen
sein sollten und sechs verschiedene Durchsatzbereiche möglich sind.
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Auf
Basis der obigen Beschreibung ergibt sich eindeutig, dass die vorliegende
Erfindung ein System bereitstellt, das die Ansammlung von Verunreinigungen
in EGR-Kühlern
steuert, während
es die im Stand der Technik beschriebenen Nachteile vermeidet. Trotz
der Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung,
versteht es sich, dass verschiedene Änderungen und/oder Modifikationen der
Erfindung möglich
sind, ohne von ihrem Geist abzuweichen. So können z. B. zahlreiche weitere EGR-Kühler im
System hinzugefügt
werden und das System kann an jeden Motor mit oder ohne Ladeluftverdichter
angepasst werden, der ein EGR-System enthält. Die Erfindung soll allgemein
nur durch den Gültigkeitsbereich
der nachfolgenden Ansprüche
begrenzt werden.