DE102010014843A1 - Abgaskühlmodul für eine Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Häufig bestehen Probleme ausreichende Abgasmengen in großvolumigen aufgeladenen Motoren über einen Abgaswärmetauscher (5) und ein Abgasrückführventil (14) zurückzuführen. Um diese Probleme zu vermeiden, wird vorgeschlagen im Abgaskühlmodul zwei Abgaskanäle (20, 22) anzuordnen, die sich getrennt voneinander vom Eintritt (26) des Abgasrückführventilgehäuses (2) über den Abgaswärmetauscher (5) bis zum Abgasrückschlagventilgehäuse (10) erstrecken. Hinter diesen getrennten Abgaskanälen (20, 22) sind im Kühlmodul Abgasrückschlagklappen (68, 70, 72, 74) angeordnet, die ein Rückströmen des Abgases verhindern, so dass vorhandene Druckpulsationen genutzt werden können, um eine ausreichende Abgasrückführmenge sicher zu stellen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Abgaskühlmodul für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasrückführventil mit einem Abgasrückführventilgehäuse, einem Abgaswärmetauscher und einem Abgasrückschlagventil mit einem Abgasrückschlagventilgehäuse.
  • Derartige Abgaskühlmodule sind bekannt. Zur Schadstoffreduzierung wird ein Abgasstrom geregelt einem Abgaskühler zugeführt. Zur Verringerung der Schnittstellen, welche in den vergangenen über Schlauch- oder Leitungsverbindungen zwischen den einzelnen Aggregaten hergestellt wurden, wurden Module entwickelt, welche über einfache Flanschverbindungen stromführend aneinander befestigt wurden. So wird beispielsweise das Gehäuse eines Abgasrückführventils direkt mit einem Wärmetauscher verbunden. Auch Bypasskanäle und Bypassklappen wurden gegebenenfalls integriert.
  • Ein derartiges Modul ist beispielsweise aus der WO 2009/047278 A1 bekannt. Hier werden an einem Trageteil ein Abgaskühler, ein Abgasrückführventil, eine Bypassklappe mit Aktuator sowie ein Vakuumbehälter und ein Thermostatventil befestigt, ohne zusätzliche Verbindungsleitungen zu benötigen.
  • Zusätzlich ist aus der DE 10 2006 033 313 A1 ein Kühlmodul bekannt, bei dem hinter einem Abgaswärmetauscher, welcher über einen Bypasskanal umgehbar ist, ein Rückschlagventil mit zwei Rückschlagklappen angeordnet ist, wodurch ein Rückströmen des Abgases vom Bypasskanal in den Kühlkanal und umgekehrt verhindert wird.
  • Diese bekannten Abgasrückführsysteme eignen sich jedoch nur bedingt zur Verwendung in Nutzfahrzeugen, die üblicherweise einen Abgaskrümmer mit zwei getrennten Abgasfluten aufweisen, welche im Bereich der Abgasrückführung zumindest im Bereich des Kühlers häufig zusammengeführt werden. Dies führt zu einem deutlichen Abbau vorhandener Druckpulsationen. Da zusätzlich häufig aufgeladene Motoren verwendet werden, so dass im Bereich der Abgaseinleitung in die Verteilerleiste ein hoher Gegendruck vorhanden ist, reicht häufig das Druckgefälle nicht aus, um eine ausreichende rückgeführte Abgasmenge sicher zu stellen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, die Emissionswerte mittels eines Abgaskühlmoduls zu verringern, indem im Vergleich zu bekannten Ausführungen auch bei hohen Gegendrücken und vorhandener Abgaskühlung eine ausreichende Abgasrückführmenge sichergestellt wird. Ein möglichst einfacher Aufbau mit wenigen Schnittstellen soll dabei verwirklicht werden.
  • Diese Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs gelöst.
  • Dadurch, dass im Abgaskühlmodul zwei Abgaskanäle angeordnet sind, die sich getrennt voneinander vom Eintritt des Abgasrückführventilgehäuses über den Abgaswärmetauscher bis zum Abgasrückschlagventilgehäuse erstrecken, kann die erforderliche zurückzuführende Abgasmenge auch bei relativ hohem Gegendruck sichergestellt werden, da bis hinter die Rückschlagventile eine vollständige Trennung der Abgasfluten eines Motors eines Nutzfahrzeuges vorhanden ist. Dies führt dazu, dass die vorhandenen Pulsationen vollständig bis hinter die Rückschlagklappen übertragen werden, so dass die Pulsationen im Fluidstrom, die in den jeweiligen Zylinderreihen und zu den unterschiedlichen Zeitpunkten vom Verbrennungsmotor erzeugt werden, aufrechterhalten werden, da es aufgrund der separaten Führung zu einer deutlich verringerten Überlagerung der Pulsationswellen kommt. Somit bleiben die Spitzen der Pulsationswellen aufrechterhalten und führen zu einem zuverlässigen Öffnen der Rückschlagventile und somit zur Minderung der Schadstoffemissionen.
  • Vorzugsweise ist im Abgasrückführventilgehäuse in beiden Abgaskanälen jeweils eine Abgasrückführklappe angeordnet, über welche ein freier Durchströmungsquerschnitt des jeweiligen Abgaskanals regelbar ist. Die Verwendung von Klappen ermöglicht die Regelung größerer Durchströmungsquerschnitte. Des Weiteren wäre es mit dieser Anordnung möglich, die beiden Abgasfluten getrennt zu regeln, wenn zusätzlich zwei Steller verwendet würden. Eine Trennung beider Abgasfluten wird auch am Abgasrückführventil durch diese Ausführung sichergestellt.
  • In einer weiterführenden Ausführung ist der Abgaswärmetauscher stromabwärts des Abgasrückführventilgehäuses am Abgasrückführventilgehäuse befestigt und weist eine Trennwand auf, über die die beiden Abgaskanäle voneinander getrennt sind. So wird auf einfache Weise die Trennung der Kanäle fortgesetzt, ohne zwei getrennte Wärmetauscher verwenden zu müssen. Der Aufbau bleibt entsprechend einfach.
  • Vorteilhafterweise ist in beiden durch eine Trennwand voneinander getrennten Abgaskanälen stromabwärts des Abgaswärmetauschers jeweils eine Abgasrückschlagklappe angeordnet. Durch diese Maßnahme wird die Trennung der Abgasfluten bis zu einem Querschnitt sichergestellt, in dem ein Rückströmen des Abgases zuverlässig verhindert wird. Die direkte Verbindung des Abgasrückführventilgehäuses und des Abgasrückschlagventilgehäuses mit dem Wärmetauscher führt zu einem geringen Montageaufwand, ohne weitere Zwischenglieder und Leitungen verwenden zu müssen. Die Trennung der beiden Fluten erfolgt durch die in den jeweiligen Gehäusen ausgebildeten Trennwände beim Zusammenbau.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn stromabwärts des Rückschlagventils ein Abgasmassenstromsensor angeordnet ist. Es wird ein Modul geschaffen, mit dem die Motorsteuerung verbessert und somit die Emissionen weiter reduziert werden können, da eine direkte Abgasmengenmessung durchgeführt wird, während in bekannten Ausführungen die Abgasmenge üblicherweise fehlerbehaftet aus anderen Messwerten berechnet wird. Dabei ist die Position hinter den Rückschlagklappen besonders vorteilhaft, da die Druckpulsationen hier deutlich verringert sind.
  • Vorzugsweise weist das Abgaskühlmodul einen Kühlmittelkanal auf, der sich im Abgasrückführventilgehäuse und im Abgaswärmetauscher erstreckt, so dass das Abgasrückführventilgehäuse als Vorkühler dient und der Aktuator des Abgasrückführventils geringer thermisch belastet beziehungsweise thermisch entkoppelt wird. Ein gemeinsamer Kanal bewirkt wiederum eine einfachere Montage ohne weitere Anschlussleitungen.
  • In einer hierzu weiterführenden Ausführung ist ein Kühlmittelstrom im Kühlmittelkanal über ein Kühlmittelventil abschaltbar, welches am Kühlmittelmodul befestigt ist. Dieses Ventil ermöglicht die Abschaltung des Kühlmittelstroms zur schnelleren Aufheizung der Verbrennungskraftmaschine nach dem Kaltstart, da durch die nicht vorhandene Zirkulation des Kühlmittels das Abgas weitestgehend ungekühlt zum Zylinder zurückgeführt wird. Des Weiteren erfolgt eine schnelle Aufheizung des stehenden Kühlmittels.
  • Vorzugsweise sind die Abgasrückführklappen gemeinsam auf einer Welle angeordnet und über einen Aktuator betätigbar, so dass die Abgasströme beider Fluten mittels nur eines Aktuators geregelt werden. Dies verringert den Montageaufwand.
  • In einer hierzu alternativen Ausführung sind die beiden Abgasrückführklappen jeweils auf einer Welle angeordnet und die zwei Wellen über zwei Aktuatoren betätigbar. So wird eine getrennte Regelung der Abgasrückführmenge aus den beiden Fluten ermöglicht.
  • Es wird somit ein Kühlmodul geschaffen, welches einfach aufgebaut und montierbar ist. Eine Vormontage ist ebenfalls möglich. Die Anzahl der Schnittstellen ist minimiert. Dieses Modul eignet sich besonders zur Rückführung von Abgas in Verbrennungsmotoren mit hohem Gegendruck von der Lufteinlassseite, da auch bei diesen Bedingungen noch eine ausreichende Abgasmenge durch Nutzung der Druckspitzen der Abgasfluten zurückgeführt werden kann.
  • Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgaskühlmoduls ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
  • 1 zeigt eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Abgaskühlmoduls als Draufsicht.
  • 2 zeigt eine um 90° gedrehte Seitenansicht des erfindungsgemäßen Abgaskühlmoduls der 1 in geschnittener Darstellung.
  • Das erfindungsgemäße in den Figuren dargestellte Abgaskühlmodul besteht aus insgesamt vier äußeren Gehäuseteilen, wovon ein erstes Gehäuseteil ein Abgasrückführventilgehäuse 2 ist, ein zweites Gehäuseteil ein Außengehäuse 4 eines Abgaswärmetauschers 5 ist, ein drittes Gehäuseteil 6 den Auslass des Wärmetauschers 5 bildet und ein viertes Gehäuseteil 8 als Sammelrohr dient, über welches das Abgas zurück zur Verteilerleiste geführt wird. Zwischen dem dritten Gehäuseteil 6 und dem vierten Gehäuseteil 8 ist ein Abgasrückschlagventilgehäuse 10 über einen umlaufenden Flansch 12 geklemmt und somit befestigt.
  • Das Abgasrückführventilgehäuse 2 ist das kanalbildende Gehäuse eines Abgasrückführventils 14, welches im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei Abgasrückführklappen 16, 18 aufweist, welche jeweils einen Durchströmungsquerschnitt beherrschen, wobei jeder Durchströmungsquerschnitt einem Abgaskanal 20, 22 zugeordnet ist. Der erste Abgaskanal 20 ist vom zweiten Abgaskanal 22 durch eine im Abgasrückführventilgehäuse 2 ausgebildete Trennwand 24 getrennt. Diese Trennwand 24 erstreckt sich vom Eintritt 26 des Abgaskühlmoduls bis zum Austritt 28 des Abgasrückführventilgehäuses 2, welcher um 90° versetzt zum Eintritt 26 angeordnet ist, so dass auch ein Abgasstrom im Innern des Gehäuses 2 um 90° umgelenkt wird. Der Eintritt 26 ist als Flansch ausgeführt, über den das Modul direkt an einen nicht dargestellten Motorblock oder einen Abgaskrümmer angeflanscht werden kann, wobei im Motorblock beziehungsweise Abgaskrümmer zwei Abgasfluten getrennt voneinander ausgeführt sind, so dass eine Abgasflut mit dem ersten Abgaskanal 20 und die zweite Abgasflut mit dem zweiten Abgaskanal 22 verbunden wird.
  • Die Abgasrückführklappen 16, 18 sind auf einer gemeinsamen Welle 30 angeordnet, welche im Gehäuse gelagert und mittels eines elektromotorischen Aktuators 32 über ein Kopplungsgestänge 34 drehbar ist. Die Welle ist außerhalb des Gehäuses 2 von einer Rückstellfeder 36 umgeben, über welche bei Ausfall des Aktuators 32 die Abgasrückführklappen 16, 18 in ihre die beiden Abgaskanäle 20, 22 verschließende Stellung gedreht werden.
  • Im Abgasrückführventilgehäuse 2 sind zusätzlich Kühlmittelkanäle 38 ausgebildet, über welche das thermisch hochbelastete Gehäuse 2 gekühlt wird und insbesondere der Aktuator 32 vor thermischer Überlastung geschützt wird. Durch diese vorhandenen Kühlmittelkanäle 38 übernimmt das Abgasrückführventilgehäuse 2 die Funktion eines Vorkühlers. Um trotz der 90° Umlenkung eine möglichst lange Kühlstrecke zu erhalten, welche mit einem als Kühlmittelmantel ausgebildeten Kühlmittelkanal 40 des Abgaswärmetauschers 5 verbunden werden kann, befinden sich am Abgasrückführventilgehäuse 2 Kühlmittelrohre 42, die es ermöglichen, dass das Kühlmittel von der Seite des Austritts 28 zur zu den Abgasrückführklappen 16, 18 gegenüberliegenden Seite und wieder zurück zum Austritt 28 strömen kann, ohne eine derartige Umlenkung kostspielig im Abgasrückführventilgehäuse 2 selbst ausbilden zu müssen.
  • Das Abgasrückführventilgehäuse 2 ist über eine Flanschverbindung 44 am Abgaswärmetauscher 5 beispielsweise unter Zwischentage einer nicht dargestellten Dichtung befestigt. Neben dem bereits erwähnten Außengehäuse 4 weist der Abgaswärmetauscher 5 ein Innengehäuse 46 mit einer Trennwand 48 auf, welche in Verlängerung der Trennwand 24 des Abgasrückführventilgehäuses 2 angeordnet ist, so dass eine Trennung der beiden Abgaskanäle 20, 22 auch im Wärmetauscher 5 weiter fortgeführt wird. Über die Flanschverbindung wird auch die fluidische Verbindung zwischen den Kühlmittelkanälen 38 des Abgasrückführventilgehäuses 2 und dem Kühlmittelkanal 40 des Wärmetauschers 5 hergestellt.
  • Damit das Kühlmittel im Abgasrückführventilgehäuse 2 auch tatsächlich strömt, wird eine Druckdifferenz bereitgestellt, in dem ein Einlass 50 des Kühlmittels in das Abgasrückführventilgehäuse 2 mit einem Verbindungskanal 52 verbunden ist, der in der Nähe eines Zulaufs 54 des Kühlmittelkanals 40 mündet und ein Auslass 56 des Kühlmittels aus dem Abgasrückführventilgehäuse 2 über einen Verbindungskanal 58 mit einem Auslauf 60 des Kühlmittelkanals 40 des Abgaswärmetauschers 5 verbunden ist. Die beiden Verbindungskanäle 52, 58 sind separat im Außengehäuse 4 des Wärmetauschers 5 ausgebildet. Der als Kühlmittelmantel ausgebildete Kühlmittelkanal 40 ist zwischen dem Innengehäuse 46 und dem Außengehäuse 4 des Wärmetauschers 5 angeordnet und umgibt somit die Abgas führenden Kanäle 20, 22.
  • An der zum Abgasrückführventilgehäuse 2 entgegengesetzten Seite des Abgaswärmetauschers 5 ist das den Auslass des Wärmetauschers 5 bildende dritte Gehäuseteil 6 wiederum über eine Flanschverbindung 62 befestigt. Dieses dritte Gehäuseteil 6 weist ebenfalls eine Trennwand 64 auf, über welche die Trennwand 48 des Abgaswärmetauschers 5 verlängert wird, so dass eine Trennung der beiden Abgaskanäle 20, 22 weiter fortgesetzt wird.
  • Stromabwärtig zum dritten Gehäuseteil 6 ist, wie oben ausgeführt, ein Abgasrückschlagventil 66 angeordnet, welches im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus insgesamt vier Abgasrückschlagklappen 68, 70, 72, 74 besteht, die im Gehäuse 10 angeordnet sind. Die Abgasrückschlagklappen 68, 70, 72, 74 sind jeweils paarweise gegenüberliegend angeordnet, so dass die Klappen 68, 70 den Abgaskanal 20 verschließen oder öffnen und die Klappen 72, 74 den getrennten Abgaskanal 22 verschließen oder öffnen. Die Klappen 68, 70, 72, 74 bestehen aus Blattfedern, die an ihrer näher zum Gehäuseteil 6 angeordneten Seite im Gehäuse 10 eingespannt sind und sich schräg in Richtung des Gehäuseteils 8 erstrecken, wo sie mit ihrer entgegengesetzten Seite auf dem Abgasrückschlagventilgehäuse 10 aufliegen. Im Normalzustand wird durch jede der Klappen 68, 70, 72, 74 ein Fenster im Ventilgehäuse 10 verschlossen. Sobald der Druck auf der zum Gehäuseteil 6 gewandten Seite der Klappen 68, 70, 72, 74 größer wird als auf der gegenüberliegenden Seite heben sich die Klappen 68, 70, 72, 74 vom Ventilsitz und geben eine Öffnung frei. Entsprechend kann Abgas in diesem Zustand aus dem Gehäuse 10 in das vierte Gehäuseteil 8 strömen, welches sich stromabwärts anschließt. Dieses Gehäuseteil 8, in dem sich erstmals die beiden Abgasströme der Abgasfluten vereinigen können verengt sich im Folgenden zu einem Abgasrohr, in dem ein Abgasmassenstromsensor 76 angeordnet ist.
  • Strömt Abgas von den beiden Abgasfluten in die Abgaskanäle 20, 22, werden die beiden Abgasströme zunächst im Abgasrückführventilgehäuse 2 gekühlt und die Menge über die Öffnungsweite des Durchströmungsquerschnitts mittels der Abgasrückführklappen 16, 18 entsprechend eines Steuerbefehls am Aktuator 32 eingestellt. Das weiterströmende Abgas wird weiterhin getrennt im Abgaswärmetauscher 5 gekühlt und gelangt zu den Rückschlagklappen 68, 70, 72, 74. Da keine Mischung der beiden Abgasströme im Verlaufe des Kühlmoduls auftritt, weisen zu diesem Zeitpunkt die beiden Abgasströme weiterhin die Pulsationen des Ausstosses aus den Zylinderreihen der Verbrennungskraftmaschine auf, da die Abstände der einzelnen Pulse im Vergleich zu einem gemeinsamen Abgasstrang verdoppelt werden, wodurch Interferenzen deutlich reduziert werden. Dies führt jedoch zu Druckspitzen, die auch bei einem hohen auftretenden Gegendruck im Bereich des Gehäuseteils 8 dennoch zu einem Öffnen der zum jeweiligen Kanal 20, 22 gehörenden Abgasrückschlagklappen 68, 70, 72, 74 führen.
  • Somit wird sichergestellt, dass ausreichende Abgasmengen zur Schadstoffreduzierung zurückgeführt werden können, was sonst bei großvolumigen aufgeladenen Motoren gegebenenfalls Schwierigkeiten bereitet. Dieses Abgas wird gekühlt der Verteilerleiste und somit dem Verbrennungsmotor wieder zur Verfügung gestellt, was erneut zur Schadstoffreduzierung dient.
  • Eine zusätzliche Schadstoffreduzierung ist dadurch erreichbar, dass innerhalb des Kühlmittelkanals 40 oder im Zu- oder Ablauf des Kühlmittelkanals 40 ein nicht dargestelltes Kühlmittelventil angeordnet wird, über den der Durchströmungsquerschnitt des Kühlmittelkanals 38, 40 unterbrochen werden kann. Dadurch kann die Warmlaufphase der Verbrennungskraftmaschine, in der die meisten Schadstoffe entstehen, verkürzt werden, da kein Kühlmittel zirkuliert und somit das Abgas weitestgehend ungekühlt zur Verteilerleiste zurückgeführt wird.
  • Es sollte deutlich sein, dass innerhalb des Schutzbereiches des Hauptanspruchs im Vergleich zum beschriebenen Ausführungsbeispiel verschiedene Modifikationen möglich sind.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2009/047278 A1 [0003]
    • DE 102006033313 A1 [0004]

Claims (9)

  1. Abgaskühlmodul für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasrückführventil mit einem Abgasrückführventilgehäuse, einem Abgaswärmetauscher und einem Abgasrückschlagventil mit einem Abgasrückschlagventilgehäuse, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgaskühlmodul zwei Abgaskanäle (20, 22) angeordnet sind, die sich getrennt voneinander vom Eintritt (26) des Abgasrückführventilgehäuses (2) über den Abgaswärmetauscher (5) bis zum Abgasrückschlagventilgehäuse (10) erstrecken.
  2. Abgaskühlmodul für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasrückführventilgehäuse (2) in beiden Abgaskanälen (20, 22) jeweils eine Abgasrückführklappe (16, 18) angeordnet ist, über welche ein freier Durchströmungsquerschnitt des jeweiligen Abgaskanals (20, 22) regelbar ist.
  3. Abgaskühlmodul für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaswärmetauscher (5) stromabwärts des Abgasrückführventilgehäuses (2) am Abgasrückführventilgehäuse (2) befestigt ist und eine Trennwand (48) aufweist, über die die beiden Abgaskanäle (20, 22) voneinander getrennt sind.
  4. Abgaskühlmodul für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in beiden durch eine Trennwand (24, 48, 64) voneinander getrennten Abgaskanälen (20, 22) stromabwärts des Abgaswärmetauschers (5) jeweils zumindest eine Abgasrückschlagklappe (68, 70, 72, 74) angeordnet ist.
  5. Abgaskühlmodul für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Abgasrückschlagventils (66) ein Abgasmassenstromsensor (76) angeordnet ist.
  6. Abgaskühlmodul für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgaskühlmodul einen Kühlmittelkanal (38, 40) aufweist, der sich im Abgasrückführventilgehäuse (2) und im Abgaswärmetauscher (5) erstreckt.
  7. Abgaskühlmodul für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlmittelstrom im Kühlmittelkanal (40) über ein Kühlmittelventil abschaltbar ist, welches am Kühlmittelmodul befestigt ist.
  8. Abgaskühlmodul für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführklappen (16, 18) gemeinsam auf einer Welle (30) angeordnet sind und über einen Aktuator (32) betätigbar sind.
  9. Abgaskühlmodul für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Abgasrückführklappen (16, 18) jeweils auf einer Welle angeordnet sind und die zwei Wellen über zwei Aktuatoren betätigbar sind.
DE102010014843.1A 2010-04-13 2010-04-13 Abgaskühlmodul für eine Verbrennungskraftmaschine Active DE102010014843B4 (de)

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