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Technisches Gebiet
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Stand der Technik
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Abgasrückführungssystem für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1.
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In der
EP 1 672 208 A2 wird ein Abgasrückführungssystem für eine aufgeladene Brennkraftmaschine beschrieben. Die Brennkraftmaschine weist einen Abgasturbolader auf, der eine Abgasturbine im Abgasstrang und einen Verdichter im Ansaugtrakt umfasst, wobei der Abgasturbolader von den unter Druck stehenden Abgasen der Brennkraftmaschine angetrieben und die Drehbewegung des Turboladers über eine Welle auf den Verdichter übertragen wird, der daraufhin Verbrennungsluft ansaugt und auf einen erhöhten Ladedruck verdichtet.
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Zur Verbesserung des Abgasverhaltens ist die Brennkraftmaschine mit einem Abgasrückführungssystem ausgestattet, das auf der Niederdruckseite des Abgasturboladers angeordnet ist und eine Rückführleitung stromab der Abgasturbine aufweist, welche stromauf des Verdichters in den Ansaugtrakt mündet. Um eine Abgasrückführung in einem großen Betriebsbereich zu ermöglichen, befindet sich in der Rückführleitung eine Niederdruckpumpe, die entweder mechanisch oder elektrisch betrieben wird, wofür jedoch ein zusätzlicher Energieaufwand erforderlich ist.
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Aus der
EP 1672208 A2 ist ein Abgasrückführsystem mit einer Niederdruck- und einer Hochdruckabgasrückführung bekannt. Im Niederdruckrückführstrang ist eine Pumpe angeordnet.
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Die
JP-H06-08852A beschreibt ein Abgasrückführsystem mit einer Turbinenanordnung in einer Bypassleitung zur Ansaugleitung. Die Bypassleitung dient der Entnahme verdichteter Luft und mündet stromab eines Ladeluftkühlers wieder in die Ansaugleitung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Maßnahmen ein Abgasrückführungssystem für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, das in einem weiten Betriebsbereich und mit hohem Wirkungsgrad betrieben werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Das erfindungsgemäße Abgasrückführungssystem kann für Brennkraftmaschinen - Dieselmotoren oder Ottomotoren - eingesetzt werden, die mit einem Abgasturbolader versehen sind, welcher eine Abgasturbine im Abgasstrang und einen Hauptverdichter im Ansaugtrakt aufweist. Die Abgasturbine wird von den unter Druck stehenden Abgasen der Brennkraftmaschine angetrieben, die Drehbewegung der Turbine wird über eine Welle auf den Verdichter übertragen, der angesaugte Verbrennungsluft im Ansaugtrakt auf einen erhöhten Ladedruck verdichtet, unter dem die Verbrennungsluft den Zylindereinlässen der Brennkraftmaschine zugeführt wird.
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Das Abgasrückführungssystem befindet sich auf der Niederdruckseite des Abgasturboladers und umfasst eine Rückführleitung, welche stromab der Abgasturbine vom Abgasstrang verzweigt und stromauf des Verdichters in den Ansaugtrakt einmündet. Das Abgasrückführungssystem ist mit einer Pumpe versehen, die Bestandteil eines Niederdruckturboladers ist, der eine Niederdruckturbine und einen Niederdruckverdichter umfasst. Die Niederdruckturbine wird vom Luftmassenstrom in Ansaugtrakt angetrieben, wobei die Drehbewegung der Niederdruckturbine über eine Welle auf den Niederdruckverdichter übertragen wird, der die Pumpe in der Rückführleitung bildet, so dass stromab des Niederdruckverdichters das rückgeführte Abgas unter einen erhöhten Druck gesetzt wird. Dies ermöglicht es, eine Abgasrückführung auch in Betriebsbereichen durchzuführen, in denen kein oder nur ein sehr geringes Druckgefälle zwischen Abgasstrang stromab der Abgasturbine und Ansaugtrakt stromauf des Hauptverdichters zukommt. Aber auch bei einem bestehenden Druckgefälle zwischen Abgasstrang und Ansaugtrakt bringt die Verdichterpumpe in der Abgasrückführungseinrichtung Vorteile, da die Verdichterpumpe den Druck stromauf des Hauptverdichters erhöht und somit über den Hauptverdichter nur eine geringe Druckdifferenz zur Erzielung eines gewünschten Ladedrucks erzeugt werden muss.
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Vorteilhaft ist des Weiteren, dass keine zusätzliche Arbeit für den Antrieb der Verdichterpumpe in der Abgasrückführungseinrichtung über eine externe Antriebsquelle oder von der Brennkraftmaschine bereitgestellt werden muss. Genutzt wird vielmehr das vorhandene Energiepotenzial im Ansaugtrakt für den Antrieb des Niederdruckturboladers. Um auch kleine Druckdifferenzen mit einer entsprechend geringen Enthalpie für den Antrieb nutzen zu können, ist es vorteilhaft, einen kleinen, leicht bauenden Niederdruckturbolader zu verwenden.
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Für den Antrieb des Niederdruckturboladers können Druckgefälle an verschiedenen Positionen des Ansaugtrakts genutzt werden. In Betracht kommt beispielsweise das Druckgefälle über einer Drosseleinrichtung, welches sich im Ansaugtrakt stromab des Abgasturboladers befindet, wobei die Drosseleinrichtung insbesondere als einstellbare Drosselklappe ausgebildet ist, über die die Luftzufuhr zur Brennkraftmaschine zu regulieren ist. Diese Variante ist nicht von den vorliegenden Ansprüchen umfasst. Im niederen Lastbereich steht die Drosselklappe in einer die Luftzufuhr reduzierenden Sperrstellung, so dass stromab der Drosselklappe ein Niederdruck herrscht und die Druckdifferenz zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Drosseleinrichtung für den Antrieb der Niederdruckturbine herangezogen werden kann. Zu diesem Zweck ist die Niederdruckturbine in einer Überbrückungsleitung zur Drosseleinrichtung angeordnet, wobei die Überbrückungsleitung vom Ansaugtrakt stromauf der Drosseleinrichtung abzweigt und stromab der Drosseleinrichtung wieder in den Ansaugtrakt einmündet. Zweckmäßigerweise befindet sich in der Überbrückungsleitung ein einstellbares Sperrventil, über das die Funktion des Niederdruckladers reguliert und ebenfalls abgestellt werden kann.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zum Antrieb des Niederdruckturboladers die Niederdruckturbine in einer Überbrückungsleitung zum Hauptverdichter im Ansaugtrakt angeordnet ist. Hierbei wird die Druckdifferenz, welche im Hauptverdichter erzeugt wird, für den Antrieb der parallel geschalteten Niederdruckturbine genutzt. Da stromab des Hauptverdichters ein höherer Druck herrscht als stromauf, erfolgt über die Überbrückungsleitung mit der darin angeordneten Niederdruckturbine eine Rückführung eines Teilluftmassenstroms entgegen der Hauptströmungsrichtung.
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Die Verzweigung der Überbrückungsleitung kann hierbei entweder stromauf oder stromab eines dem Hauptverdichter nachgeschalteten Ladeluftkühlers erfolgen. Die Verzweigung zwischen Hauptverdichter und Ladeluftkühler hat den Vorteil, dass eine höhere Enthalpie für den Antrieb der Niederdruckturbine zur Verfügung steht. Die Verzweigung stromab des Ladeluftkühlers hat dagegen den Vorteil, dass niedrigere Temperaturen herrschen.
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Auch in der den Hauptverdichter überbrückenden Ausführungsvariante ist es zweckmäßig, in die Überbrückungsleitung ein einstellbares Sperrventil zu integrieren.
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Es kann zweckmäßig sein, in der Rückführleitung der Abgasrückführungseinrichtung einen Abgaskühler anzuordnen, welcher entweder stromauf oder stromab des Niederdruckverdichters platziert ist. Die Position stromauf des Niederdruckverdichters hat den Vorteil, dass dem Niederdruckverdichter bereits gekühltes Abgas zugeführt wird, so dass die thermische Belastung des Niederdruckverdichters geringer ist. Die Position stromab des Niederdruckverdichters hat dagegen den Vorteil, dass der Niederdruckverdichter gegen den erhöhten Widerstand des Abgaskühlers fördert und nicht gegen einen erhöhten Widerstand ansaugen muss.
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Figurenliste
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
- 1 in schematischer Darstellung eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit einem Niederdruck-Abgasrückführungssystem, das einen Niederdruckturbolader umfasst, dessen Turbine von der Druckdifferenz über eine Drosseleinrichtung im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine angetrieben wird; diese Ausführungsform ist von den Ansprüchen nicht umfasst,
- 2 eine Ausführungsvariante, bei der die Niederdruckturbine von der Druckdifferenz über den Hauptverdichter im Ansaugtrakt angetrieben wird,
- 3 eine 2 entsprechende Ausführung, jedoch mit einem Abgaskühler stromab des Niederdruckverdichters in der Rückführleitung der Abgasrückführungseinrichtung.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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Der in 1 dargestellten Brennkraftmaschine 1 wird über den Ansaugtrakt 2 Verbrennungsluft zugeführt, die Abgase der Brennkraftmaschine werden über den Abgasstrang 3 abgeleitet. Der Brennkraftmaschine 1 ist ein Abgasturbolader 4 zugeordnet, der im Abgasstrang 3 eine Abgasturbine 5 und im Ansaugtrakt 2 einen Hauptverdichter 6 umfasst. Die Abgasturbine 5 wird von den unter Druck stehenden Abgasen der Brennkraftmaschine angetrieben, wobei die Drehbewegung über eine Welle 7 von der Abgasturbine 5 auf den Hauptverdichter 6 im Ansaugtrakt 2 übertragen wird, der angesaugte Verbrennungsluft auf einen erhöhten Ladedruck verdichtet.
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Im Ansaugtrakt 2 wird die herangeführte Verbrennungsluft zunächst in einem Motorluftfilter 8 einer Filtration unterzogen. Stromab des Motorluftfilters 8 befindet sich ein Luftmassenmesser 9 zum Messen des Luftstroms, auf den der Hauptverdichter 6 folgt. Unmittelbar im Anschluss auf den Hauptverdichter 6 ist ein Ladeluftkühler 10 im Ansaugtrakt angeordnet, im weiteren Verlauf befindet sich eine Drosselklappe 11 zur Regulierung des Luftstroms im Ansaugtrakt 2.
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Im Abgasstrang 3 ist stromab der Abgasturbine 5 eine Filtereinrichtung 12, beispielsweise ein Partikelfilter angeordnet sowie stromab der Filtereinrichtung eine Abgasdrossel 13.
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Die Brennkraftmaschine 1 ist mit einer Abgasrückführungseinrichtung 14 ausgestattet, die eine Rückführleitung 15 zur Rückführung von Abgas vom Abgasstrang 3 in den Ansaugtrakt 2 umfasst. Die Rückführleitung 15 befindet sich auf der Niederdruckseite des Abgasturboladers 4 und verzweigt stromab des Partikelfilters 12 vom Abgasstrang 3 und mündet stromauf des Hauptverdichters 6 in den Ansaugtrakt 2.
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In die Rückführleitung 15 ist ein Niederdruckverdichter 18 integriert, der die Funktion einer Pumpe hat und Bestandteil eines Niederdruckturboladers 16 ist, welcher zusätzlich zum Niederdruckverdichter 18 eine Niederdruckturbine 17 umfasst. Die Niederdruckturbine 17 befindet sich in einer Überbrückungsleitung 19 zur Drosselklappe 11 im Ansaugtrakt 2, die Überbrückungsleitung 19 verzweigt unmittelbar stromauf der Drosselklappe 11 und mündet unmittelbar stromab der Drosselklappe 11 wieder in den Ansaugtrakt 2. Zur Regulierung des über die Überbrückungsleitung 19 geführten Teilluftmassenstroms befindet sich in der Überbrückungsleitung ein einstellbares Sperrventil 20. Der durch die Überbrückungsleitung 19 geführte Teilluftmassenstrom in Richtung der Hauptströmungsrichtung durch den Ansaugtrakt wird vom Druckgefälle über der Drosselklappe 11 bewegt und treibt die Niederdruckturbine 17 an, die über eine Welle mit dem Niederdruckverdichter 18 gekoppelt ist, der als Pumpe fungiert und das Abgas über die Rückführleitung 15 vom Abgasstrang 3 zurück in den Ansaugtrakt 2 fördert.
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In der Rückführleitung 15 befinden sich stromauf des Niederdruckverdichters 18 ein einstellbares Abgasrückführventil 21 sowie ein Abgaskühler 22.
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Der Niederdruckturbolader 16 in der Abgasrückführungseinrichtung 14 fungiert als Turbopumpe und kann entweder als Radialmaschine oder als Axialmaschine ausgeführt sein. Auf Grund des relativ niedrigen Temperaturniveaus, das in der Niederdruck-Abgasrückführung herrscht, kann die Turbopumpe ggf. aus Kunststoff gefertigt sein, was neben den geringeren Herstellungskosten auch den Vorteil einer hohen Medienbeständigkeit gegenüber aggressiven Säuren in der Abgasrückführung bietet.
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Auch in 2 ist eine Brennkraftmaschine 1 mit einem Abgasturbolader 4 sowie einer Abgasrückführungseinrichtung 14 dargestellt, wobei in der Abgasrückführungseinrichtung 14 ein Niederdruckturbolader 16 mit einer Niederdruckturbine 17 und einem Niederdruckverdichter 18 in der Rückführleitung 15 angeordnet ist. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel befindet sich die Niederdruckturbine 17 in einer Überbrückungsleitung 19, welche den Hauptverdichter 6 im Ansaugtrakt 2 überbrückt. Dargestellt sind zwei verschiedene Ausführungsvarianten, denen gemeinsam ist, dass über die Überbrückungsleitung 19 ein Teilluftmassenstrom stromab des Hauptverdichters 6 gegen die Hauptströmungsrichtung zurückgeführt und stromauf des Hauptverdichters 6 wieder in den Ansaugtrakt 2 eingespeist wird. Gemäß der ersten Ausführungsvariante verzweigt die Überbrückungsleitung 19 stromab des Ladeluftkühlers 10, was den Vorteil hat, dass niedrigere Temperaturen an der Niederdruckturbine 17 anliegen. Gemäß der zweiten Ausführungsvariante verzweigt die Überbrückungsleitung 19 zwischen dem Hauptverdichter 6 und dem Ladeluftkühler 10, was den Vorteil hat, dass eine höhere Enthalpie für den Antrieb der Niederdruckturbine 17 zur Verfügung steht.
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Als weiteren Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist gemäß 2 die Reihenfolge des Abgaskühlers 22 und des Abgasrückführventils 21 vertauscht. Gemäß 2 befindet sich der Abgaskühler 22 in der Rückführleitung 15 in Strömungsrichtung gesehen vor dem Abgasrückführventil 21. Beide Bauteile 21, 22 liegen stromauf des Niederdruckverdichters 18.
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Des Weiteren ist im Ausführungsbeispiel gemäß 2 im Ansaugtrakt zwischen dem Motorluftfilter 8 und dem Luftmassenmesser 9 eine Ansaugluftdrossel 23 angeordnet.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 3 entspricht weitgehend der Variante aus 2, bei der die Überbrückungsleitung 19 der Abgasrückführungseinrichtung stromab des Ladeluftkühlers 10 vom Ansaugtrakt verzweigt und stromauf des Hauptverdichters 6 in den Ansaugtrakt wieder einmündet. Unterschiedlich ist jedoch die Anordnung des Abgaskühlers 22 und des Abgasrückführventils 21: Bei 3 ist der Abgaskühler 22 stromab des Niederdruckverdichters 18 in der Rückführleitung 15 angeordnet. Das Abgasrückführventil 21 befindet sich ebenfalls in der Rückführleitung 15, und zwar stromab des Abgaskühlers 22. Der Niederdruckverdichter 18 kann gegen den Widerstand des Abgaskühlers 22 fördern, was gegenüber der Variante vorteilhaft ist, dass der Niederdruckverdichter gegen einen erhöhten Widerstand ansaugen muss.
