DE102009048568B4

DE102009048568B4 - Verbrennungsmotor mit einem Turbolader

Info

Publication number: DE102009048568B4
Application number: DE102009048568.6A
Authority: DE
Inventors: Jan Bolda; Dietmar Talmon-Gros
Original assignee: Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Moldtecs 01 2022 GmbH
Priority date: 2008-10-21
Filing date: 2009-10-07
Publication date: 2021-01-28
Anticipated expiration: 2029-10-08
Also published as: DE102009048568A1; DE202008014030U1

Abstract

Verbrennungsmotor (10) mit einem Turbolader (11), wobei ein Abgasauslass (15) des Verbrennungsmotors (10) mittels einer Abgasleitung (19) mit einer Turbine (12) des Turboladers (11) und ein Verdichter (13) für die Verbrennungsluft mittels einer Druckleitung (16) mit mindestens einem Lufteinlass (14) des Verbrennungsmotors (10) verbunden sind, und mit einer Abgasrückführleitung (22), durch die ein Anteil des Abgases der Druckleitung (16) zugeführt wird, wobei in der Abgasleitung (19) ein Wirbelrohr (1) angeordnet ist, das eine an den Abgasauslass (15) angeschlossene Eingangsöffnung (9), einen Heißgasaustritt (H) und einen den Beginn der Abgasrückführleitung (22) bildenden Kaltgasaustritt (K) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Wirbelrohr (1) aus einem Rohrkörper (2), einer stirnseitigen Platte (3) mit einer den Kaltgasaustritt (K) bildenden zentrischen axialen Öffnung (4) und einem an der anderen Stirnseite angeordneten Verschlussstopfen (5) besteht, wobei der Verschlussstopfen (5) einen in den Rohrkörper (2) ragenden zentrischen Kegel (6) aufweist, zu dem benachbart im Rohrkörper (2) den Heißgasaustritt (H) bildende radiale Öffnungen (7) angeordnet sind.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit einem Turbolader der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.
Stand der Technik
In Abgasanlagen von Verbrennungsmotoren ist bei bestimmten Betriebszuständen eine höhere Abgastemperatur wünschenswert. Außerdem werden Bauteile der Abgasanlage durch die im Abgas mitgeführten Partikel belastet.
Aus der US 2008/0022980 A1 ist ein Verbrennungsmotor mit Abgasrückführung und Turbolader bekannt, wobei das aus einem Zylinder austretende Abgas über eine Abgasleitung einer rotationssymmetrischen Zentrifugenkammer zugeführt wird. Hierbei erfolgt die Einleitung in die Kammer über Expansionsdüse tangential zu einer Umfangswand und senkrecht zur Hauptachse der Kammer. Die Zentrifugenkammer kommuniziert mit einer Zuleitung zu den Turbinen des Turboladers über einen Radialdiffusor.
Die Offenlegungsschrift DE 3731319 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Entfernung von Partikeln aus Auspuffgasen in einem Motorsystem mit Turbolader. Zwischen Motorauspuffkrümmer und Turbolader ist eine Trenneinrichtung vorgesehen, in welcher sich Feststoffe aus dem Abgas absetzen oder mit Zentrifugalkrafteinwirkung abgetrennt werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Verbrennungsmotor mit einem Turbolader der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei dem mit einfachen Mitteln eine Anhebung der Abgastemperatur und eine Abscheidung von Partikeln im Abgasstrom möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Offenbarung der Erfindung
Besonders zweckmäßig ist die Anhebung der Eintrittstemperatur vor der Turbine des Abgasturboladers sowie die Abscheidung von Partikeln vor der Turbine. Zu diesem Zweck wird vorgeschlagen, dass der Heißgasaustritt des Wirbelrohres mit der Turbine verbunden ist. Besonders bei geringen Abgasmassenströmen wirkt sich eine höhere Eintrittstemperatur der Turbine günstig auf den Wirkungsgrad aus. Es ist jedoch auch möglich, dass der Heißgasaustritt mit einer nachgeschalteten Reinigungsstufe einer Abgasanlage verbunden ist. Dabei kann es sich um einen Katalysator handeln, der zur Reinigung eine bestimmte Temperatur des Abgases benötigt. Die Reinigungsstufe kann auch ein Partikelfilter sein, der in bestimmten Abständen oder je nach Belastung freigebrannt werden muss. Durch die Vorabscheidung von Partikeln im Wirbelrohr wird die Belastung des Partikelfilters reduziert.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist vor dem Eingang des Wirbelrohres eine Bypassleitung angeschlossen, die stromab des Heißgasaustritts in die Abgasleitung mündet. Dies hat den Vorteil, dass im Volllastfall das Wirbelrohr durch den Bypass überbrückt wird, da es sonst zu Drosselverlusten vor der Turbine des Abgasturboladers kommt bzw. eine Erhöhung der Ausschiebearbeit des Kolbens die Folge ist. Um eine Rückströmung in Richtung auf den Verbrennungsmotor zu vermeiden, ist in der Bypassleitung ein Schaltventil oder unter Umständen auch ein Rückschlagventil zweckmäßig.
Vorzugsweise ist in der Druckleitung stromab des Verdichters ein Ladeluftkühler angeordnet und die Abgasrückführleitung mündet stromab des Ladeluftkühlers in die Druckleitung. Damit wird der Druckluft ein Abgasanteil mit reduzierter Temperatur zugeführt. Zur weiteren Absenkung der Temperatur des zugeführten Abgases kann ein Wärmetauscher in der Abgasrückführleitung vorgesehen sein. Um eine Rückströmung in Richtung auf den Abgasauslass des Verbrennungsmotors zu vermeiden, wird in der Abgasrückführleitung ein Rückschlagventil angeordnet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.
Figurenliste
In der Zeichnung zeigt:

1 einen Längsschnitt durch ein Wirbelrohr,
2 einen Schnitt entlang der Linie II-II in 1,
3 einen Schnitt entlang der Linie III-III in 1,
4 eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors mit Turbolader und Wirbelrohr in der Abgasleitung.

Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist der Längsschnitt durch ein Wirbelrohr 1 gezeigt, das aus einem Rohrkörper 2, einer stirnseitigen Platte 3 mit einer zentrischen axialen Öffnung 4 und einem an der anderen Stirnseite angeordneten Verschlussstopfen 5 besteht. Der Verschlussstopfen 5 weist einen in den Rohrkörper 2 ragenden zentrischen Kegel 6 auf, zu dem benachbart im Rohrkörper 2 radiale Öffnungen 7 angeordnet sind. Wie in der Zusammenschau der 1 und 2 ersichtlich ist, ist am Rohrkörper 2 nahe der Platte 3 ein tangential zum Querschnitt und senkrecht zu einer Längsachse L verlaufender Einlassstutzen 8 mit einer Einlassöffnung 9 vorgesehen. Die zentrische Öffnung 4 wird als Kaltgasaustritt K und die radialen Öffnungen 7 werden als Heißgasaustritt H bezeichnet. Aus 3 wird deutlich, dass über den Umfang des Rohrkörpers 2 gleichmäßig verteilt vier radiale Öffnungen 7 vorgesehen sind, die den Heißgasaustritt H bilden.
Das Wirkprinzip des Wirbelrohres 1 wird anhand der 1 bis 3 wie folgt beschrieben. Der tangential zum Querschnitt und senkrecht zur Längsachse L in den Rohrkörper 2 eingeblasene Luftstrom wird in zwei Luftströme zerlegt, von denen einer durch die axiale Öffnung 4 und der andere durch die Öffnungen 7 austritt. Die Temperatur des durch die Öffnung 4 bzw. den Kaltgasaustritt K aus dem Wirbelrohr 1 austretenden Teilstromes liegt niedriger als die Temperatur des Eingangsstromes an der Einlassöffnung 9 und die Temperatur des durch die Öffnungen 7 bzw. den Heißgasaustritt H austretenden Teilstromes liegt höher als die Temperatur des Eingangsstromes.
Die 4 zeigt schematisch einen Verbrennungsmotor 10 mit einem Turbolader 11, der eine Turbine 12 und einen Verdichter 13 umfasst. Am Verbrennungsmotor 10 sind Lufteinlässe 14 und Abgasauslässe 15 vorgesehen, und zwar je Zylinder ein Lufteinlass 14 und ein Abgasauslass 15. In einer aus mehreren Abschnitten bestehenden Druckleitung 16 befindet sich ein Luftfilter 17. Der Verdichter 13 und ein Ladeluftkühler 18 sind stromab des Ladeluftkühlers 18 mit der Druckleitung 16 an die Lufteinlässe 14 angeschlossen.
Von den Abgasauslässen 15 führt eine aus mehreren Abschnitten bestehende Abgasleitung 19 zu der Turbine 12. In der Abgasleitung 19 ist das Wirbelrohr 1 gemäß Darstellung in 1 bis 3 angeordnet, wobei der Einlassstutzen mit den Abgasauslässen 15 verbunden ist. Von dem Heißgasaustritt H führt die Abgasleitung 19 zur Turbine 12. Vor dem Einlassstutzen kann von der Abgasleitung 19 eine Bypassleitung 20 abzweigen, in der ein Rückschlagventil 21 angeordnet ist. Die Bypassleitung 20 mündet stromab des Heißgasaustritts H in die Abgasleitung 19.
An den Kaltgasaustritt K des Wirbelrohres 1 kann eine Abgasrückführleitung 22 angeschlossen sein, in der ein Rückschlagventil 23 und ein Wärmetauscher 24 angeordnet sind und die stromab des Ladeluftkühlers 18 in die Druckleitung 16 mündet. Der Wärmetauscher 24 dient zur weiteren Reduzierung der Temperatur des rückgeführten Abgases.
Wesentlich ist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung die Anordnung des Wirbelrohres 1 in der Abgasleitung 19 vor der Turbine 12, wobei die Turbine 12 an den Heißgasaustritt H angeschlossen ist. Dadurch wird die Eintrittstemperatur vor der Turbine 12 erhöht und es werden mögliche Partikel abgeschieden, da auf Grund der im Rohrkörper 2 in Umfangsrichtung geführten Luftströmung die Partikel durch Zentrifugalkraft abgeschieden werden. Die Partikel werden mittels Austrag abgeführt.
Besonders bei geringen Abgasmassenströmen wirkt sich eine höhere Eintrittstemperatur der Turbine 12 günstig auf den Wirkungsgrad aus. Deshalb führt diese Maßnahme vor allem im Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors 10 zu deutlichen Verbesserungen. Die durch den geringeren Massenstrom abnehmende Abgasenthalpie wird durch Temperaturanhebung kompensiert oder erhöht. Im Volllastfall kann das Wirbelrohr 1 durch den Bypass 20 überbrückt werden, um Drosselverluste vor der Turbine 12 des Abgasturboladers 11 zu vermeiden und weil es zur Erhöhung der Ausschiebearbeit des Kolbens und damit zu Verlusten kommen könnte.
Der Kaltluftstrom wird im Beispiel der 4 in den Abgasrückführungskreislauf eingeleitet. Das rückgeführte Abgas kommt bereits abgekühlt vom Wirbelrohr 1, wodurch der Wärmetauscher 24 in der Abgasrückführleitung 22 entlastet wird bzw. für eine geringere Leistung ausgelegt sein kann.
Gemäß einer Ausführungsvariante kann der Abgasstrom so aufgeteilt werden, dass bereits vor dem Wirbelrohr eine Abgasleitung zu der Turbine abzweigt und an den Heißgasaustritt eine weitere Abgasleitung angeschlossen ist, die zu einer Reinigungsstufe einer Abgasanlage, beispielsweise einem Partikelfilter oder Katalysator führt.

Claims

Verbrennungsmotor (10) mit einem Turbolader (11), wobei ein Abgasauslass (15) des Verbrennungsmotors (10) mittels einer Abgasleitung (19) mit einer Turbine (12) des Turboladers (11) und ein Verdichter (13) für die Verbrennungsluft mittels einer Druckleitung (16) mit mindestens einem Lufteinlass (14) des Verbrennungsmotors (10) verbunden sind, und mit einer Abgasrückführleitung (22), durch die ein Anteil des Abgases der Druckleitung (16) zugeführt wird, wobei in der Abgasleitung (19) ein Wirbelrohr (1) angeordnet ist, das eine an den Abgasauslass (15) angeschlossene Eingangsöffnung (9), einen Heißgasaustritt (H) und einen den Beginn der Abgasrückführleitung (22) bildenden Kaltgasaustritt (K) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Wirbelrohr (1) aus einem Rohrkörper (2), einer stirnseitigen Platte (3) mit einer den Kaltgasaustritt (K) bildenden zentrischen axialen Öffnung (4) und einem an der anderen Stirnseite angeordneten Verschlussstopfen (5) besteht, wobei der Verschlussstopfen (5) einen in den Rohrkörper (2) ragenden zentrischen Kegel (6) aufweist, zu dem benachbart im Rohrkörper (2) den Heißgasaustritt (H) bildende radiale Öffnungen (7) angeordnet sind.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Heißgasaustritt (H) mit der Turbine (12) verbunden ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Heißgasaustritt (H) mit einer nachgeschalteten Reinigungsstufe einer Abgasanlage verbunden ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungsstufe ein Partikelfilter ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Eingangsöffnung (9) des Wirbelrohres (1) eine Bypassleitung (20) angeschlossen ist, die stromab des Heißgasaustritts (H) in die Abgasleitung (19) mündet.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Bypassleitung (20) ein Ventil, insbesondere ein Schaltventil oder ein Rückschlagventil (21), angeordnet ist.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Druckleitung (16) stromab des Verdichters (13) ein Ladeluftkühler (18) angeordnet ist und die Abgasrückführleitung (22) stromab des Ladeluftkühlers (18) in die Druckleitung (16) mündet.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasrückführleitung (22) ein Wärmetauscher (24) zur Reduzierung der Temperatur des rückgeführten Abgases vorgesehen ist.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasrückführleitung (22) ein Rückschlagventil (23) angeordnet ist.
Wirbelrohr (1) zum Einbringen in eine Abgasleitung eines Verbrennungsmotors mit Turbolader (11) und Abgasrückführleitung (22), bestehend aus einem Rohrkörper (2) mit einer Eingangsöffnung (9) zum Anschließen an einen Abgasauslass (15) des Verbrennungsmotors, einer stirnseitigen Platte (3) mit einer zentrischen axialen Öffnung (4), welche einen Kaltgasaustritt (K) und einen Beginn der Abgasrückführleitung (22) bildet, und einem an der anderen Stirnseite angeordneten Verschlussstopfen (5), wobei der Verschlussstopfen (5) einen in den Rohrkörper (2) ragenden zentrischen Kegel (6) aufweist, zu dem benachbart im Rohrkörper (2) radiale Öffnungen (7) angeordnet sind, welche einen Heißgasaustritt (H) bilden.