DE102010045503B4 - Vorrichtung zur Abgasrückführung an einer Brennkraftmaschine mit kombinierter Stauklappe und Bypassventil - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung zur Abgasrückführung an einer Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einer Abgasturbine im Abgasstrang und einem Verdichter im Ansaugstrang der Brennkraftmaschine und mit einer stromab der Turbine und eines Partikelfilters abzweigenden und stromauf des Verdichters mündenden Rückführleitung, wobei in der Rückführleitung ein Abgaskühler und ein Abgasrückführventil angeordnet sind und ferner im Abgasstrang stromab des Partikelfilters und der Abzweigung der Rückführleitung eine steuerbare Stauklappe angeordnet ist, sowie mit einer den Abgaskühler umgehenden Bypassleitung, deren Öffnungsquerschnitt über ein Bypassventil gesteuert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Stauklappe und das Bypassventil durch ein gemeinsames, den Öffnungsquerschnitt der abzweigenden Rückführleitung (48a) und den Abströmquerschnitt der Abgasleitung (40) des Abgasstranges (12) steuerndes Ventil (46) gebildet sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgasrückführung an einer Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Eine derartige Vorrichtung beschreibt die US 2007/0144501 A1 anhand einer sogenannten Niederdruck-Abgasrückführung, bei der das Abgas stromab der Turbine des Abgasturboladers entnommen und stromauf des Verdichters in den Ansaugstrang der Brennkraftmaschine eingeleitet wird. Zur Erzielung eines ausreichenden Druckgefälles in der Rückführleitung ist im Abgasstrang eine Stauklappe vorgesehen, die bei definierten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine einen ausreichenden Abgasgegendruck erzeugt. Ferner ist eine den Abgaskühler in der Rückführleitung umgehende Bypassleitung mit einem Bypassventil vorgesehen, die temporär den Abgaskühler zur Konditionierung der Ansaugluft der Brennkraftmaschine kurzschließt. Eine genaue Dosierung der Abgasrückführrate wird über ein Abgasrückführventil gesteuert. Neben der separaten Steuerung der Bypassleitung über ein Bypassventil wird in der genannten Druckschrift auch vorgeschlagen, das Bypassventil und das Abgasrückführventil durch ein gemeinsames Ventil zu ersetzen.
  • Aus der WO 2008/143670 A1 ist eine Vorrichtung zur Abgasrückführung an einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei ein Vier-Wege-Ventil in dem Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Mit dem Vier-Wege-Ventil ist der Abgasstrom über die herkömmliche Abgasleitung, eine Abgasrückführleitung und über eine separate Bypassleitung steuerbar. Dabei ist ein Kühler in die Abgasrückführleitung integriert.
  • Die US 2007/0068500 A1 beschreibt ein Ventil, das eine mehrflügelige Klappe aufweist. Die mehrflügelige Klappe ist dabei schwenkbar in einem Ventilgehäuse aufgenommen und kann in unterschiedlichen Stellungen verschiedene Durchströmöffnungen öffnen bzw. schließen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art vorzuschlagen, die baulich einfacher und funktionell verbessert ist und die eine genaue Dosierung der Abgasrückführrate sicherstellt.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte und besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Stauklappe und das Bypassventil durch ein gemeinsames, den Öffnungsquerschnitt der abzweigenden Rückführleitung und den Abströmquerschnitt der Abgasleitung des Abgasstranges steuerndes Ventil gebildet sind. Es hat sich gezeigt, dass die Funktionen Abgasdrosselung und Bypasssteuerung einfach und zuverlässig durch ein kombiniertes Ventil steuerbar sind, während das Abgasrückführventil ein separates, vielfach bewährtes Ventil bleibt, das eine genaue Dosierung der Abgasrückführrate steuern kann.
  • Das gemeinsame Ventil kann baulich und fertigungstechnisch besonders vorteilhaft eine mehrflügelige, zum Beispiel bevorzugt eine dreiflügelige, schwenkbar in einem Ventilgehäuse angeordnete Klappe aufweisen, die in eine den Abströmquerschnitt der Abgasleitung freigebende und die Rückführleitung schließende Position, eine den Abströmquerschnitt der Abgasleitung drosselnde Position und eine zusätzlich den Öffnungsquerschnitt der Rückführleitung aufsteuernde Position verstellbar ist. Das Ventil kann beispielsweise aber auch ein Drehschieberventil gleicher Funktion sein.
  • Das gemeinsame Ventil kann besonders bevorzugt stromab des Abgaskühlers und geodätisch unterhalb der anschließenden Rückführleitung in der Abgasleitung angeordnet sein. Daraus resultiert der besondere Vorteil, dass gegebenenfalls im Abgaskühler sich bildendes Kondensat in die Abgasleitung abfließt und somit verhindert ist, dass gegebenenfalls Wassertröpfchen in der Rückführströmung in stromab des Ventils liegende Bauteile (zum Beispiel den Verdichter des Abgasturboladers) eingetragen werden. Eine separate Bypassleitung kann durch den inneren Bypass im gemeinsamen Ventil vorteilhaft entfallen.
  • Dazu kann des Weiteren oberhalb des gemeinsamen Ventils in der Rückführleitung oder im Ventilgehäuse ein feinmaschiges Sieb vorgesehen sein, das tröpfchenförmiges Kondensat im Abgasrückführstrom separiert und gezielt in die Abgasleitung ableitet.
  • In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann der Abgaskühler in Nähe des Partikelfilters angeordnet und mittelbar oder unmittelbar an das Ventilgehäuse des gemeinsamen Ventils angeschlossen sein. Damit kann durch die kurzen Leitungswege eine bei ungünstigen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine (zum Beispiel Kurzstreckenverkehr) auftretende Kondensatbildung verringert werden. Zudem können gegebenenfalls der Abgaskühler und das gemeinsame Ventil als eine Montageeinheit ausgeführt sein.
  • Besonders bevorzugt kann der Abgaskühler unmittelbar an den Partikelfilter anschließend und im Wesentlichen parallel zur abgehenden Abgasleitung angeordnet und an das Ventilgehäuse des gemeinsamen Ventils direkt angeschlossen sein.
  • Das Abgasrückführventil hingegen kann besonders zweckmäßig stromab des gemeinsamen Ventils in der Rückführleitung angeordnet sein.
  • Schließlich können das Abgasrückführventil und ein Stellmotor des gemeinsamen Ventils an ein elektronisches Motorsteuergerät angeschlossen und nach Maßgabe motorspezifischer und fahrspezifischer Parameter entsprechend gesteuert sein.
  • Ferner wird auch ein Verfahren beansprucht, mittels dem die Abgasrückführung in der vorstehend beschriebenen Weise vorteilhaft durchgeführt werden kann.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Die schematische Zeichnung zeigt in:
  • 1 als Blockschaltbild eine Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung und Niederdruck-Abgasrückführung, bei der ein den Abgaskühler in der Rückführleitung kurzschließendes Bypassventil und eine Stauklappe in der Abgasleitung durch ein gemeinsames Ventil gebildet sind;
  • 2 das gemeinsame Ventil und den Abgaskühler als eine an den Partikelfilter des Abgasstranges der Brennkraftmaschine angebaute Montageeinheit, mit einer die Abgasleitung freigebenden Stellung der dreiflügeligen Klappe; und
  • 3 das gemeinsame Ventil gemäß 2 in einer die Abgasleitung drosselnden Position (ausgezogene Linien) und in einer zusätzlich die Abgasrückführleitung stromab des Abgaskühlers öffnenden Position (gestrichelte Linien).
  • In der 1 ist eine Sechszylinder-V-Brennkraftmaschine mit zwei Zylindergruppen 10 angedeutet, mit einem Abgasstrang 12 und einem Ansaugstrang 14 für den Gaswechsel.
  • Der Ansaugstrang 14 weist eine Ansaugleitung 16 mit einem Luftfilter 18 und einem Luftmassenmesssystem 20 auf, die an einen Verdichter 22 eines Abgasturboladers 24 angeschlossen ist.
  • Stromab des Verdichters 22 ist eine Ladedruckleitung 26 angeordnet, in der ein Bypassventil 28, ein Ladeluftkühler 30 und eine Drosselklappe 32 zur Leistungssteuerung der Brennkraftmaschine 10 vorgesehen sind und die in einen Saugrohrverteiler 34 mündet. Mittels einer Bypassleitung 36 und dem Bypassventil 28 kann der Ladeluftkühler 30 zur Konditionierung der Verbrennungsluft bei Bedarf umgangen werden.
  • Der Abgasstrang 12 der Brennkraftmaschine weist zwei an die Zylindergruppen 10 angeschlossene Abgaskrümmer 38 auf, die mit einer gemeinsamen Abgasleitung 40 verbunden sind.
  • In die Abgasleitung 40 ist die Abgasturbine 42 des Abgasturboladers 24 und daran anschließend ein Oxidationskatalysator 43 und ein Partikelfilter (DPF) 44 eingeschaltet.
  • Stromab des Partikelfilters 44 mündet die Abgasleitung 40 in ein gemeinsames, noch zu beschreibendes Ventil 46 und von diesem in das weitere, hier nicht dargestellte Abgasleitungssystem der Brennkraftmaschine bis zur Ableitung der Abgase in die Atmosphäre.
  • Vom Partikelfilter 44 geht ferner eine Abgasrückführleitung 48 ab, die ebenfalls in das gemeinsame Ventil 46 einmündet und mit einem abgehenden Leitungsabschnitt 48a vom Ventil 46 zur Ansaugleitung 16 stromauf des Verdichters 22 geführt ist.
  • In den Leitungsabschnitt 48a ist ein Abgasrückführventil 50 eingeschaltet. Ferner ist in die Rückführleitung 48 stromauf des Ventils 46 und in unmittelbarer Nähe des Partikelfilters 44 ein Abgaskühler 52 integriert.
  • Der Abgaskühler 52 sowie der Ladeluftkühler 30 sind in bekannter Weise an das Kühlsystem der Brennkraftmaschine angeschlossen.
  • Das Abgasrückführventil 50 und ein elektrischer Aktuator bzw. Stellmotor 54 des Ventils 46 sind an ein elektronisches Motorsteuergerät 56 angeschlossen, in dem motor- und fahrspezifische Daten wie Lastzustand α, Motordrehzahl n, Ansaug- und Abgasdrücke p, Motortemperatur T, etc. in an sich bekannter Weise verarbeitet werden und das u. a. über das Abgasrückführventil 50 die Abgasrückführrate und über das gemeinsame Ventil 46 den Abgasgegendruck und/oder die Umgehung des Abgaskühlers 52 entsprechend steuert.
  • Die 2 zeigt eine bevorzugte, gegenständliche Anordnung und Ausgestaltung des gemeinsamen Ventils 46 und des Abgaskühlers 52, der unmittelbar in die Rückführleitung 48 integriert ist bzw. mit dieser eine Baueinheit bildet. Der Abgaskühler 52 kann im übrigen bekannter Bauart sein und ist deshalb nicht weiter dargestellt.
  • Der Abgaskühler 52 ist wie ersichtlich unmittelbar an den Auslasstrichter 44a des Partikelfilters 44 angebaut, von dem auch parallel dazu und geodätisch darunter liegend die Abgasleitung 40 weitergeführt ist. Der Abgaskühler 52 mündet in ein die Abgasleitung 40 mit der Rückführleitung 48a verbindendes Gehäuse 46a, in dem eine hier dreiflügelige Klappe 46b über eine Schwenkachse 46c schwenkbar gelagert ist. Die Schwenkachse 46c ist mit dem Stellmotor 54 (1) gekoppelt. Ferner ist in dem Gehäuse 46 eine die steuerbaren Öffnungsquerschnitte beeinflussende, mit den Klappenflügeln zusammenwirkende, hier bogenförmig ausgeführte Gehäusewand 46d integriert.
  • Die Klappe 46b mit deren drei radial abragenden Flügeln ist derart im Gehäuse 46a und zur Abgasleitung 40 angeordnet, dass sie in einer Grundstellung (2) die Abgasleitung 40 voll öffnet und den inneren Bypass zur Rückführleitung 48a verschließt. Die beiden zueinander parallelen Klappenflügel liegen dabei in einer Flucht mit dem in der Bildebene oberen Wandabschnitt der Abgasleitung 40.
  • In einer zweiten Stellung (3, gestrichelte Linien) ragt der eine Klappenflügel in die Abgasleitung 40 ein und vermindert deren Abströmquerschnitt, während der diametral gegenüberliegende Flügel noch der Gehäusewand 46d benachbart ist und somit keine Strömungsverbindung zur Rückführleitung 48a freigibt. Der dadurch stromauf des Ventils 46 bzw. der Klappe 46b erzeugte Abgasgegendruck bewirkt eine Durchströmung des Abgaskühlers 52 und eine Abgasrückführung in die Rückführleitung 48a.
  • In einer dritten Stellung der Klappe 46b (3, ausgezogene Linien) ist die Verbindung (innerer Bypass) zwischen der Abgasleitung 40 und der Rückführleitung 48a durch eine in der Gehäusewand 46d vorgesehene Öffnung 46e offen und es kann bei gleichzeitiger Anstauung des Abgases in der Abgasleitung 40 Abgas von der Abgasleitung 40 unmittelbar bzw. unter Umgehung des einen höheren Durchströmwiderstand aufweisenden Abgaskühlers 52 in die Rückführleitung 48a gesteuert werden.
  • In dem Gehäuse 46a des Ventils 46 ist in dem zur Rückführleitung 48a führenden Leitungsstutzen oberhalb der Einmündung des Abgaskühlers 52 oder der Rückführleitung 48 ein feinmaschiges Sieb 58 eingesetzt, das gegebenenfalls im Abgasstrom zur Rückführleitung 48a mitgeführte Kondensattröpfchen separiert und nach unten in die Abgasleitung 40 abströmen lässt. Das Sieb 58 ist dazu wie ersichtlich derart schräg ausgerichtet, dass das separierte Kondensat an der der Einmündung des Abgaskühlers 52 in das Ventilgehäuse 46a gegenüberliegenden Gehäusewand des Ventils 46 nach unten abströmt.
  • Das gemeinsame Ventil 46 kann mit dem an den Partikelfilter 44 angebauten Abgaskühler 52 und gegebenenfalls einem Abschnitt der Abgasleitung 44 eine Montageeinheit bilden, die entsprechend an den angrenzenden Bauteilen des Abgasstranges 12 befestigt sind.
  • Der Abgaskühler 52 kann des Weiteren gegebenenfalls mit einem definierten Gefälle zum gemeinsamen Ventil 46 angeordnet sein, um gegebenenfalls im Abgaskühler 52 niedergeschlagenes Kondensat wirksamer in die geodätisch darunter liegende Abgasleitung 40 abzuführen.

Claims (10)

  1. Vorrichtung zur Abgasrückführung an einer Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einer Abgasturbine im Abgasstrang und einem Verdichter im Ansaugstrang der Brennkraftmaschine und mit einer stromab der Turbine und eines Partikelfilters abzweigenden und stromauf des Verdichters mündenden Rückführleitung, wobei in der Rückführleitung ein Abgaskühler und ein Abgasrückführventil angeordnet sind und ferner im Abgasstrang stromab des Partikelfilters und der Abzweigung der Rückführleitung eine steuerbare Stauklappe angeordnet ist, sowie mit einer den Abgaskühler umgehenden Bypassleitung, deren Öffnungsquerschnitt über ein Bypassventil gesteuert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Stauklappe und das Bypassventil durch ein gemeinsames, den Öffnungsquerschnitt der abzweigenden Rückführleitung (48a) und den Abströmquerschnitt der Abgasleitung (40) des Abgasstranges (12) steuerndes Ventil (46) gebildet sind.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das gemeinsame Ventil (46) eine mehrflügelige, schwenkbar in einem Ventilgehäuse (46a) angeordnete Klappe (46b) aufweist, die in eine den Abströmquerschnitt der Abgasleitung (40) freigebende und die Rückführleitung (48a) schließende Position, eine den Abströmquerschnitt der Abgasleitung (40) drosselnde Position und eine zusätzlich den Öffnungsquerschnitt der Rückführleitung (48a) aufsteuernde Position verstellbar ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das gemeinsame Ventil (46) stromab des Abgaskühlers (52) und geodätisch unterhalb der anschließenden Rückführleitung (48a) an der Abgasleitung (40) angeordnet ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb des gemeinsamen Ventils (46) in der Rückführleitung (48a) oder im Ventilgehäuse (46a) ein feinmaschiges Sieb (58) vorgesehen ist, das gegebenenfalls auftretendes Kondensat separiert und in die Abgasleitung (40) ableitet.
  5. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskühler (52) in Nähe des Partikelfilters (44) angeordnet und mittelbar oder unmittelbar an das Ventilgehäuse (46a) des gemeinsamen Ventils (46) angeschlossen ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskühler (52) unmittelbar an den Partikelfilter (44) anschließend und im Wesentlichen parallel zur abgehenden Abgasleitung (40) angeordnet und an das Ventilgehäuse (46a) des gemeinsamen Ventils (46) angeschlossen ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskühler (52) mit einem leichten Gefälle vom Partikelfilter (44) zum Ventilgehäuse (46a) des gemeinsamen Ventils (46) geführt ist.
  8. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasrückführventil (50) stromab des gemeinsamen Ventils (46) in der Rückführleitung (48a) angeordnet ist.
  9. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasrückführventil (50) und ein Stellmotor (54) des gemeinsamen Ventils (46) an ein elektronisches Motorsteuergerät (56) angeschlossen und nach Maßgabe motorspezifischer und fahrspezifischer Parameter entsprechend gesteuert sind.
  10. Verfahren zur Steuerung oder Regelung einer Abgasrückführung an einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasturboaufladung mittels einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem das gemeinsame Ventil (46) derart angeordnet ist, dass es in einer Grundstellung (2) die Abgasleitung (40) voll öffnet und den inneren Bypass zur Rückführleitung (48a) verschließt, dass es in einer zweiten Stellung (3, gestrichelte Linien) in die Abgasleitung (40) einragt und deren Abströmquerschnitt vermindert, ohne die Strömungsverbindung zur Rückführleitung (48a) freizugeben, so dass der dadurch stromauf des Ventils (46) erzeugte Abgasgegendruck eine Durchströmung des Abgaskühlers (52) und eine Abgasrückführung in die Rückführleitung (48a) bewirkt, und dass es in einer dritten Stellung (3, ausgezogene Linien) die Verbindung zwischen der Abgasleitung (40) und der Rückführleitung (48a) freigibt, so dass bei gleichzeitiger Anstauung des Abgases in der Abgasleitung (40) Abgas von der Abgasleitung (40) unmittelbar oder unter Umgehung des einen höheren Durchströmwiderstand aufweisenden Abgaskühlers (52) in die Rückführleitung (48a) gesteuert wird.
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