DE102010048050A1

DE102010048050A1 - Mischermodul zur Mischung von Gasströmen in einem Niederdruckabgasrückführsystem eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102010048050A1
Application number: DE102010048050A
Authority: DE
Inventors: Uwe Münkel
Original assignee: APC ADVANCED PROPULSION CONCEPTS MANNHEIM GmbH
Current assignee: APC ADVANCED PROPULSION CONCEPTS MANNHEIM GmbH
Priority date: 2010-10-12
Filing date: 2010-10-12
Publication date: 2012-04-12

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Mischermodul (1) zur Mischung eines ersten Gasstroms (2) und eines zweiten Gasstroms (3) in einem Niederdruckabgasrückführsystem eines Verbrennungsmotors, wobei das Mischermodul (1) eine Leitung (4) zum Durchführen eines ersten Gasstroms (2) wie beispielsweise eines Luftstroms sowie ein Zuführelement (5) zum Zuführen eines zweiten Gasstroms, wie beispielsweise eines Abgasrückführstroms in das Leitungselement zu dem ersten Gasstrom (2) umfasst, und wobei ein Gasfluss des zweiten Gasstroms (3) stromabwärts des Zuführelementes (5) ein Spalt (7) angeordnet ist, durch welchen der zweite Gasstrom (3) in das Leitungselement einführbar ist, wobei sich das erfindungsgemäße Mischermodul (1) dadurch auszeichnet, dass der Spalt (7) als variabler Spalt (7) ausgebildet ist, derart, dass die Öffnungsfläche (8) des Spaltes (7) während des Betriebes des Verbrennungsmotors veränderbar ist, dass in dem Leitungselement im Stromfluss des ersten Gasstroms (2) stromaufwärts des Spaltes (7) in einem Abstand von maximal 2D, vorzugsweise 1D, höchst vorzugsweise 1/2D, wobei D der engste Durchmesser im Bereich des Spaltes (7) des Leitungselementes ist, zu dem Spalt (7) eine Drossel angeordnet ist, welche mindestens ein Drosselelement (13, 22) umfasst, das derart drehbar in der Leitung (4) angeordnet ist, dass die Querschnittsfläche des Drosselelementes (13, 22) senkrecht zur Strömungsrichtung des ersten Gasstromes (2) während des Betriebes des Verbrennungsmotors durch Drehung des Drosselelementes (13, 22) variabel ist, so dass eine Drosselung des ersten Gasstromes (2) mittels Drehung des Drosselelementes (13, 22) änderbar ist, und dass das Mischermodul (1) ein oder mehrere Betätigungsmittel zum wahlweisen Verändern der Öffnungsfläche (8) des Spaltes (7) und zum Drehen des Drosselelementes (13, 22) umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mischermodul nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zur Mischung eines ersten Gasstroms und eines zweiten Gasstroms in einem Niederdruckabgasrückführsystem eines Verbrennungsmotors, wobei das Mischermodul eine Leitung zum Durchführen eines ersten Gasstroms, wie beispielsweise eines Luftstroms, sowie ein Zuführelement zum Zuführen eines zweiten Gasstroms, wie beispielsweise eines Abgasrückführstroms, in das Leitungselement zu dem ersten Gasstrom umfasst, und wobei im Gasfluss des zweiten Gasstroms stromabwärts des Zuführelementes ein Spalt angeordnet ist, durch den der zweite Gasstrom in das Leitungselement einführbar ist.
Im Zuge von sich stetig verschärfenden Richtlinien, wie beispielsweise die Euro 6-Norm, zur Reduzierung der Emissionen in Verbrennungsmotoren werden flächendeckend Abgasrückführsysteme – insbesondere bei Dieselmotoren – eingesetzt. Das Ziel des Einsatzes von Abgasrückführsystemen in Verbrennungsmotoren ist die Verringerung von Stickoxiden (NO_x) im Abgas. Durch die Rückführung von Abgas und dessen Mischung mit Frischluft sinkt zunächst die Verbrennungstemperatur und damit wiederum reduziert sich die Stickoxidkonzentration im Abgas. Durch das Zumischen von Abgas zur Frischluft wird außerdem ein geringerer Luftüberschuss bei der Verbrennung erzeugt und damit reduziert sich die Stickoxidkonzentration ebenfalls.
Aus dem Stand der Technik sind zwei Rückführkreise für die Abgasrückführung bekannt, die Hochdruckabgasrückführung und die Niederdruckabgasrückführung. Bei der Hochdruckabgasrückführung wird das Abgas im Krümmer entnommen und erst kurz vor dem Luftsammler zugemischt. Bei der Niederdruckabgasrückführung wird das Abgas nach der Turbine entnommen und vor dem Verdichter der Frischluft zugeführt.
Von besonderer Bedeutung für eine vollständige Verbrennung und für geringe Emissionswerte ist eine möglichst homogene Durchmischung von Frischluft und Abgas. Bei der Hochdruckabgasrückführung wird das Abgas erst kurz vor dem Luftsammler zugemischt und demzufolge erweist sich das Erreichen einer homogenen Mischung als problematisch. Bei der Niederdruckabgasrückführung hingegen kann aufgrund der längeren Wegstrecke über den Verdichterladeluftkühler bis zum Zylinder eine im Vergleich dazu bessere und homogenere Durchmischung von Frischluft und Abgas gewährleistet werden.
Die DE 601 20 721 T2 offenbart eine Vorrichtung zum Mischen zweier Gasströme in einem Dieselmotor, bestehend aus einer Leitung für einen ersten Gasstrom und einem Einlass in die Leitung für einen zweiten Gasstrom sowie einem stromlinienförmigen Körper, der in Längsrichtung der Leitung am Einlass verschoben werden kann, um einen regelbaren Venturieffekt zu erzeugen und die Druckverluste beim Drosseln zu minimieren. Der Einlass des zweiten Gasstroms ist spaltförmig ausgebildet, wobei die Breite des Spaltes durch Einlegen eines Dichtelementes definiert wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mischermodul zur Mischung eines ersten Gasstroms und eines zweiten Gasstroms dahingehend weiterzuentwickeln, dass bei Verwendung des Mischermoduls in einem Niederdruckabgasrückführsystem eines Verbrennungsmotors weitere Optimierungsmöglichkeiten hinsichtlich der Abgasrückführung geschaffen werden und insbesondere eine bessere Durchmischung der Gasströme ermöglicht wird.
Gelöst ist diese Aufgabe durch ein Mischermodul zur Mischung eines ersten Gasstroms und eines zweiten Gasstroms in einem Niederdruckabgasrückführsystem eines Verbrennungsmotors gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Mischermoduls finden sich in den Unteransprüchen 2 bis 19. Hiermit wird der Wortlaut dieser Unteransprüche durch ausdrückliche Bezugnahme in die Beschreibung aufgenommen, um unnötige Textwiederholungen zu vermeiden.
Das erfindungsgemäße Mischermodul ist zum Mischen von Gasströmen in einen Niederdruckabgasrückführsystem eines Verbrennungsmotors geeignet. Das Mischermodul umfasst eine Leitung zum Durchführen eines ersten Gasstroms, wie beispielsweise eines Luftstroms sowie ein Zuführelement zum Zuführen eines zweiten Gasstroms, wie beispielsweise eines Abgasrückführstroms in das Leitungselement zu dem ersten Gasstrom. Im Gasfluss des zweiten Gasstroms stromabwärts des Zuführelements ist ein Spalt angeordnet, durch den der zweite Gasstrom in das Leitungselement eingeführt wird. Das erfindungsgemäße Mischermodul ist dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt als variabler Spalt ausgebildet ist, derart, dass die Öffnungsfläche des Spaltes während des Betriebes des Verbrennungsmotors veränderbar ist, dass in dem Leitungselement im Stromfluss des ersten Gasstroms stromaufwärts des Spaltes in einem Abstand von maximal 2D (d. h. des Zweifachen von D) zu dem Spalt, vorzugsweise 1D, höchst vorzugsweise 1/2D, wobei D der engste Durchmesser im Bereich des Spaltes des Leitungselementes ist, eine Drossel angeordnet ist, welche mindestens ein Drosselelement umfasst, das derart drehbar in der Leitung angeordnet ist, dass die Querschnittsfläche des Drosselelementes senkrecht zur Strömungsrichtung des ersten Gasstromes während des Betriebes des Verbrennungsmotors durch Drehung des Drosselelementes variabel ist, so dass eine Drosselung des ersten Gasstroms mittels Drehung des Drosselelementes änderbar ist und dass das Mischermodul ein oder mehrere Betätigungsmittel zum wahlweise verändern der Öffnungsfläche des Spaltes und zum Drehen des Drosselelementes umfasst.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Mischermoduls liegt in der Zumischung des Abgases über den während des Betriebs des Verbrennungsmotors veränderbaren Spalt in Kombination mit dem niederen Druckniveau, so dass sich optimale Mischergebnisse erzielen lassen.
Ein grundlegendes Merkmal des erfindungsgemäßen Mischermoduls sieht es vor, die Komponenten der Abgasrückführung auf die kalte Seite, demzufolge in die Ansaugstrecke, zu verlagern. Auf der Seite des Abgases sind keine beweglichen Teile erforderlich, was wiederum zu geringeren Anforderungen an die Materialien führt, da auf der heißen Seite nur beispielsweise warmfeste Stähle verwendet werden könnten. Es können hinsichtlich der verwendeten Werkstoffe kostengünstige sowie temperaturunbeständige Materialien eingesetzt werden. Hierzu zählt beispielsweise Kunststoff oder Aluminium.
Ein weiterer Vorteil der Verlegung der Komponenten der Abgasrückführung auf die kalte Seite, liegt darin, dass hierdurch eine Verbesserung des Regelverhaltens im instationären Motorbetrieb erzielt werden kann. Dies liegt daran, da hierbei das Aufstauen der Gassäule zum Einstellen des Druckgefälles im Abgasstrang entfällt.
Die vorgeschaltete Drossel setzt sich aus mindestens einem Drosselelement zusammen, dessen Querschnittsfläche während des Betriebs des Verbrennungsmotors senkrecht zur Strömungsrichtung des ersten Gasstroms drehbar ist. Die Drossel dient grundsätzlich zum Bereitstellen des erforderlichen Druckverhältnisses und ermöglicht es die Drosselwirkung während des Betriebs des Verbrennungsmotors beliebig zu variieren.
Das erfindungsgemäße Mischmodul weist somit den Vorteil auf, dass einerseits mittels des variablen Spalts die Zuführmenge des zweiten Gasstroms unmittelbar regelbar ist und zusätzlich über die Drossel der erste Gasstrom regelbar ist, so dass eine hohe Variabilität und damit Optimierungsmöglichkeit bei der Abgasrückführung gegeben ist und darüber hinaus eine kompakte Bauweise vorliegt, da variabler Spalt und Drossel im Mischermodul integriert sind. Insbesondere ist es im Gegensatz zu dem vorbekannten Stand der Technik nicht notwendig, weitere bewegte Elemente wie Ventile oder zusätzliche Drosselklappen in anderen Bereichen der Abgasrückführung anzuordnen und insbesondere ist es nicht notwendig, bewegte Elemente oder Ventile im so genanntem heißem Abgasbereich anzuordnen. Darüber hinaus wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Mischermoduls eine verbesserte und homogenere Durchmischung erzielt, dadurch die Mischgüte verbessert, die zu einer weiteren Optimierung des Verbrennungsmotors mit Abgasrückführung führt.
Der Durchmesser D zeichnet sich dadurch aus, dass er den engsten Querschnitt beschreibt, der im Mischermodul im Stromfluss des ersten Gasstroms zwischen der Leitung zur Zufuhr der Frischluft und dem Anschlussbereich an den Kompressor vorhanden ist. Bevorzugt ist er als engster Querschnitt innerhalb eines vorgegebenen Bereiches stromauf- und stromabwärts im Stromfluss der ersten Gasstroms zu dem Spalt in dem Mischermodul definiert, wobei der vorgegebene Bereich vorzugsweise durch einen Abstand kleiner 10 cm, bevorzugt kleiner 8 cm, weiter bevorzugt kleiner 5 cm sowohl stromauf- als auch stromabwärts zu dem Spalt definiert ist.
Vorteilhafterweise ist die Drossel des erfindungsgemäßen Mischermoduls zur Erzeugung eines Dralls in dem ersten Gasstrom ausgebildet, derart, dass der Drall während des Betriebs des Verbrennungsmotors änderbar ist. Die Erzeugung eines Dralls durch die vorgeschaltete Drossel wirkt sich vorteilhaft auf das Mischergebnis aus, da eine im Vergleich zu einer Ausgestaltung eines Mischermoduls ohne Drallerzeuger homogenere Mischung erzielt wird. Die Drosselung und damit der Drall ist während des Betriebs des Verbrennungsmotors individuell auf den optimalen Betriebspunkt anpassbar.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Mischermoduls umfasst eine Drossel bestehend aus mehreren drehbaren Drosselelementen, deren Drehachsen vorzugsweise jeweils senkrecht zur Strömungsrichtung des ersten Gasstroms angeordnet sind. Durch die Anordnung mehrerer drehbarer Drosselelemente wird eine optimale Einstellung des Dralls der Strömung, welcher während des Betriebs des Verbrennungsmotors individuell regelbar ist, und damit eine möglichst optimale Durchmischung von Frischluft und Abgas erzielt. Eine homogene Durchmischung von Frischluft und Abgas bewirkt eine konstante Druck- und Temperaturverteilung am Eintrittsquerschnitt des Verdichters. Es wird dadurch verhindert, dass Schwingungen angeregt werden, die zu einer Ermüdung des Materials und somit zu Schaufelschwingungsbrüchen insbesondere der Drosselelemente wie beispielsweise Drallschaufeln führen können.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Mischermoduls umfasst Drosselelemente, die umfangsseitig an der Leitung angeordnet und vorzugsweise gleichartig gestaltet sind. Durch die gleichartige Ausgestaltung der Drosselelemente ergibt sich die Möglichkeit, die Kosten für die Fertigung zu reduzieren sowie den Aufwand bei dem Montageprozess zu verringern.
Vorteilhafterweise sind die Drosselelemente flächig ausgebildet, vorzugsweise sind die Drosselelemente derart ausgebildet und angeordnet, dass sie in einer Stellung quer zur Strömungsrichtung des ersten Gasflusses einen geschlossenen Ring bilden, dessen Mittelachse parallel zur Strömungsrichtung des ersten Gasflusses ist. Es bietet sich folglich die Möglichkeit die äußere Durchflussfläche des ersten Gasstroms durch die Stellung der Drosselelemente beliebig zu variieren. Durch die flächeneinheitliche Ausbildung der Drosselelemente werden sowohl die Fertigungs- als auch die Montageprozesse vereinfacht, wodurch sich die Kosten verringern. Bilden die Drosselelemente einen geschlossenen Ring und ist der variable Spalt gleichzeitig maximal geöffnet, bedeutet dies, dass dem Leitungselement eine maximale Abgasrate zugeführt wird. Wenn die Drosselelemente vollständig geöffnet sind, wirken sich die ringförmige Ausgestaltung und die über den kompletten Umfang erfolgende Zufuhr des ersten Gasstroms vorteilhaft auf die Mischgüte aus. Es wird in diesem Fall eine homogenere Mischung erzeugt als bei Mischermodulen, welche aus einem herkömmlichen Rohrleitungselement, das keine ringförmige Ausgestaltung aufweist, zusammengesetzt sind.
Eine vorteilhafte Ausführungsform umfasst neben den Drosselelementen Betätigungsmittel, welche mit den Drosselelementen derart zusammenwirkend ausgebildet sind, dass sie mittels des Betätigungsmittels gleichsinnig drehbar sind. Der einheitliche, gleichgerichtete Drehsinn der einzelnen Drosselelemente bewirkt eine weitere Optimierung des erzeugten Dralls aus strömungsmechanischen Gesichtspunkten. Die Betätigungsmittel dienen dazu die Stellung der Drosselelemente während des Betriebs des Verbrennungsmotors individuell und auf den jeweiligen Betriebspunkt abgestimmt zu variieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Drosselelemente als Drallschaufeln ausgebildet und weisen hierbei bevorzugt ein Tragflächenprofil auf. Die Drosselelemente sind folglich so geformt, dass ein optimaler Drall in der Strömung erzeugt und eine optimale Durchmischung von den beiden Gasströmen gewährleistet wird. Bei einer Ausgestaltung der Drossel mit Drallschaufeln oder Drallklappen, liegt der zusätzliche Vorteil darin, dass das Mischergebnis gesteigert wird. Eine homogene Verteilung des Gemisches bewirkt gleichmäßige Temperatur- und Druckverteilungen über dem Eintrittsquerschnitt des Verdichters. Hierdurch wird die Anregung einer Schwingung vermieden, die schädliche Auswirkungen auf die Verdichterbeschaufelung hat. Durch die schwingende Beanspruchung des Werkstoffs ermüdet das Material und kann, falls die Belastung über einen längeren Zeitraum auftritt, zum Ermüdungsbruch, genauer zum Schaufelschwingungsbruch, des Bauteils führen. Ein zusätzlicher Vorteil der Ausgestaltung mit Drallschaufeln entsteht an einem Betriebspunkt, an dem die Schaufeln komplett geöffnet sind, woraus es sich ergibt, dass der Spalt vollständig geschlossen ist, und sich der Strömungswiderstand hierbei, verglichen mit einer Ausgestaltung mit einer Drosselklappe, als deutlich geringer erweist.
Ein weiterer Vorteil der Ausgestaltung der Drossel mit Drallschaufeln oder Drallklappen, liegt in deren Funktion das Kennfeld zu stabilisieren und demzufolge den Verdichterbetriebspunkt in einer positiven Weise zu beeinflussen, wenn das Abgasrückführventil direkt vor dem Verdichter angeordnet ist.
Durch das zusätzlich vorgeschaltete Drosselelement, bestehend aus Drosselklappe oder Drallschaufeln bzw. -klappen, durch Betätigungsmittel, die die Stellung der Klappe(n) während des Betriebs des Verbrennungsmotors variieren, kann die Drosselung individuell auf den Betriebspunkt des Motors angepasst werden. Die Drossel dient grundsätzlich zum Bereitstellen des erforderlichen Druckverhältnisses. Falls eine Drossel in Form von Drallschaufeln oder -klappen verwendet wird, wird zusätzlich zum Bereitstellen des erforderlichen Druckverhältnisses ein Drall in einem ersten Gasstrom erzeugt, wodurch eine bessere Durchmischung von dem ersten und zweiten Gasstrom gewährleistet sowie eine Stabilisierung des Verdichterbetriebspunktes erzielt wird. Zusätzlich wirkt sich diese Ausgestaltung bei einem Betriebspunkt, an dem die Drallschaufeln oder -klappen vollständig geöffnet und der Spalt demzufolge vollständig geschlossen ist, vorteilhaft auf den Strömungswiderstand aus, der in diesem Fall deutlich geringer ist im Vergleich zu einer Ausgestaltung mit einer Drosselklappe.
Der variable Spalt des erfindungsgemäßen Mischermoduls ist vorteilhafterweise hinsichtlich einer Spaltbreite parallel zur Strömungsrichtung des ersten Gasstroms variabel ausgebildet. Dies führt dazu, dass die rückgeführte Menge an Abgas während des Betriebs des Verbrennungsmotors zu jeder Zeit und abhängig vom jeweiligen Betriebspunkt zu verändern ist. Durch die Variation der Spaltbreite ist also eine individuelle Regelung der rückgeführten Abgasrate möglich, und somit ist ein optimaler Betriebspunkt des Verbrennungsmotors mit einem geringen Ausstoß an Stickoxiden zu erreichen. Falls die Drossel vollständig geöffnet ist und der variable Spalt schlossen ist, wird der Frischluft kein Abgas zugemischt.
Vorzugsweise weist der variable Spalt mindestens ein in Umfangsrichtung verlaufendes Segment auf. Die Segmente können gleichartig gestaltet sein sowie unterschiedliche Ausgestaltungen aufweisen. Durch die Unterteilung in Segmente wird eine Vereinfachung bei dem Montageprozess erzielt.
Der Spalt ist in Umfangsrichtung vorzugsweise ringförmig ausgebildet, gegebenenfalls mit einer oder mehreren Unterbrechungen. Der Spalt kann einfach oder auch mehrfach unterbrochen ausgebildet sein. Der Vorteil liegt in der Option die exakte Zuführposition des rückgeführten Abgases durch die Ausgestaltung des Spaltes festzulegen. Falls der variable Spalt mehrfach unterbrochen ausgebildet ist, gibt es mehrere über den Umfang verteilte Zuführspalte, durch die das rückgeführte Abgas dem Leitungselement zugeführt wird. Es kann hierbei gezielt festgelegt werden, an welcher Stelle das Abgas zugeführt werden soll, um gegebenenfalls eine homogenere Durchmischung von dem ersten und dem zweiten Gasstrom zu erhalten. Durch einen umlaufenden vollvariablen Mischspalt in Kombination mit dem niederen Druckniveau ergeben sich Untersuchungen der Anmelderin zufolge optimale Mischergebnisse.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Mischermoduls umfasst die Leitung zwei axial hintereinander angeordnete Rohrelemente, wobei die Rohrelemente zueinander axial verschiebbar angeordnet sind, zur Ausbildung des variablen Spaltes. Je nachdem mit welchem Ausmaß die beiden Rohrelemente zueinander axial verschoben werden, wird die Spaltbreite definiert. Die Spaltbreite ist folglich individuell während des Betriebs des Verbrennungsmotors einstellbar und reicht von einer vollständigen Überlappung bzw. einem vollständigen aneinander Anliegen der beiden Rohrelemente, was einer Spaltbreite von 0 mm entspricht, bis zur maximalen axialen Verschiebung der beiden Rohrelemente, vorzugsweise entsprechend maximal 1/8D, höchst vorzugsweise 1/10D, wobei D wie zuvor beschrieben definiert ist.
Die Leitung im Inneren des Mischermoduls weist vorzugsweise eine Querschnittsverjüngung auf, zur Ausbildung eines Venturieffektes. Durch die Verjüngung des Querschnittes des Leitungselementes wird der Venturieffekt ausgeprägt. In dieser vorteilhaften Ausführungsform wird somit mittels des Venturieffekts eine Ansaugung des zweiten Gasstroms erzielt, so dass eine Erhöhung der maximal zuführbaren Gasmenge des zweiten Gasstroms, insbesondere eine Erhöhung des maximal zuführbaren Abgasanteils, erwirkt wird.
Der variable Spalt ist vorteilhafterweise am engsten Querschnitt der Leitung angeordnet, vorzugsweise derart, dass Spalt und Drossel am engsten Querschnitt der Leitung angeordnet sind. Dies führt Untersuchungen der Anmelderin zufolge aus strömungsmechanischer Sicht zu günstigen Ergebnissen.
Vorteilhafterweise ist ergänzend zu der Drossel sowie dem Spalt ein stromlinienförmiger Körper in der Leitung im Gasfluss des ersten Gasstroms stromabwärts der Drossel zur Verstärkung des Venturieffektes angeordnet. Dieser stromlinienförmige Körper wirkt sich verstärkend auf den Venturieffekt aus und verbessert aus strömungsmechanischer Sicht die Wirkung des erfindungsgemäßen Mischermoduls.
Der stromlinienförmige Körper des erfindungsgemäßen Mischermoduls ist vorteilhafterweise parallel zur Strömungsrichtung des ersten Gasstroms verschiebbar angeordnet, vorzugsweise mittels eines Betätigungsmittels. Der stromlinienförmige Körper lässt sich während des Betriebs des Verbrennungsmotors individuell verschieben, wobei die Verschiebung vorzugsweise mittels eines Betätigungsmittels erfolgt. Der Antrieb des Venturikörpers ist durch einen innenliegenden Antrieb, durch Spindelsysteme von außen, oder Ähnlichem durchführbar. Im Idealfall sind die beiden hintereinander angeordneten Rohrelemente zum Definieren der Spaltbreite und der zusätzlich angeordnete stromlinienförmige Körper miteinander verbunden. Dies kann auf mechanische oder elektrische Weise erfolgen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Mischermoduls zeichnet sich dadurch aus, dass die Leitung und die Drossel derart mechanisch gekoppelt und in Wirkverbindung mit einem Betätigungsmittel ausgebildet sind, dass mittels des Betätigungsmittels aufgrund der mechanischen Kopplung sowohl Spaltbreite als auch Drosselung wahlweise änderbar ist. Die Betätigungsmittel, die vorzugsweise Leitung und Drossel miteinander mechanisch koppeln, bewirken, dass sowohl die Spaltbreite als auch die Drosselung wahlweise zu verändern ist. Durch die mechanische Kopplung beider Funktionen, kann auf ein zweites Betätigungsmittel verzichtet werden, was wiederum geringere Kosten sowie einen geringeren konstruktiven Aufwand bedeutet. Vorzugsweise wird der Antrieb zum Einstellen der Spaltbreite und der Drosselung außenliegend realisiert.
Das Zusammenwirken von Drosselquerschnittsfläche und Spaltbreite erfolgt vorteilhafter Weise derart, dass eine Verringerung der Drosselquerschnittsfläche eine Vergrößerung der Spaltfläche bewirkt und umgekehrt. Bei einer Verringerung der Drosselquerschnittsfläche wird demzufolge eine Vergrößerung der Spaltfläche bewirkt und damit die Zumischrate an Abgas erhöht. Die Regelung erfolgt kennfeldgesteuert und legt damit die jeweilige Drosselquerschnittsfläche und die Spaltbreite fest.
Wenn die Drosselelemente wie beispielsweise Drallklappen parallel zur Strömungsrichtung ausgerichtet sind, weisen sie einen geringeren Strömungswiderstand auf. Die Drosselelemente sind vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie in Parallelausrichtung einen möglichst kleinen Strömungswiderstand hinsichtlich des ersten Gasflusses aufweist, bevorzugt sind sie mit einer Fase versehen und/oder möglichst dünn.
Vorteilhafterweise umfasst das Abgassystem das erfindungsgemäße Mischermodul und zeichnet sich dadurch aus, dass sich stromaufwärts des Mischermoduls im Gasfluss des zweiten Gasstroms keine beweglichen Bauteile befinden. Vorteilig wirken sich der Verzicht von bewegten Bauteilen zur Gasdurchflussregulierung insbesondere von Ventilen und die kompakte Einheit aller erforderlichen Komponenten innerhalb des Mischermoduls auf die Fertigungs- und Montagekosten aus. Es ergibt sich durch das Zusammenfassen aller erforderlichen Bauteilkomponenten zu einem Modul bzw. einer Einheit und der damit verbundenen kompakten Bauweise ein maßgebliches Kosteneinsparungspotential verglichen mit herkömmlichen Niederdruckabgasrückführsystemen.
Zusätzlich und alternativ ist es vorteilhaft, dass sich in dem Abgassystem bei der Luftzufuhr im ersten Gasstrom stromaufwärts des Drosselelementes keine bewegten Bauteile zur Strömungsregelung oder Ventile befinden. Auch dies bewirkt eine Konzentration der strömungsregulierenden Bauteile in kompakter Weise in dem erfindungsgemäßen Mischermodul und führt zu den vorgenannten Vorteilen.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels und den Figuren erläutert. Dabei zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels erfindungsgemäßen Mischermoduls zur Mischung eines ersten und eines zweiten Gasstroms in einem Niederdruckabgasrückführsystem eines Verbrennungsmotors mit einem Drosselelement in Form einer Drosselklappe im Längsschnitt;
2 das Ausführungsbeispiel aus 1, wobei die Drosselklappe unter einem Winkel von 60° geöffnet ist, im Längsschnitt;
3 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mischermoduls nach dem Prinzip von 1, jedoch ohne Querschnittsverjüngung im Längsschnitt;
4 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Mischermoduls nach dem Prinzip von 1, als Explosionszeichnung;
5 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mischermoduls zur Mischung eines ersten und eines zweiten Gasstroms in einem Niederdruckabgasrückführsystem eines Verbrennungsmotors mit einem Drosselelement in Form von Drallklappen im Längsschnitt;
6 das Ausführungsbeispiel nach dem Prinzip von 5 ohne Verjüngung des Querschnitts im Längsschnitt;
7 das Ausführungsbeispiel nach dem Prinzip von 5 als Explosionszeichnung;
8 das Ausführungsbeispiel nach dem Prinzip von 5 mit einem Anschlussbereich an einen Kompressor in Längsschnittdarstellung;
9 das Ausführungsbeispiel nach dem Prinzip von 5 mit zusätzlich angeordnetem stromlinienförmigen Körper im Längsschnitt;
10 die schematische Darstellung eines Abgassystems, das das erfindungsgemäße Mischermodul umfasst.
1 zeigt anhand einer schematischen Darstellung ein Mischermodul 1 zur Mischung eines ersten Gasstroms 2 und eines zweiten Gasstroms 3, das in einem Niederdruckabgasrückführsystem eines Verbrennungsmotors eingesetzt ist. Das Mischermodul 1 umfasst eine Leitung 4 zum Durchführen des ersten Gasstroms 2 sowie ein Zuführelement 5 zum Zuführen eines zweiten Gasstroms 3. Der erste Gasstrom 2 kann beispielsweise ein Luftstrom sein, der zweite Gasstrom 3 rückgeführtes Abgas. Die Leitung 4 zum Durchführen eines ersten Gasstroms 2 befindet sich auf der Frischluftseite 6. Stromabwärts des Zuführelements 5 im Gasfluss des zweiten Gasstroms 2 ist ein Spalt 7 angeordnet, durch den der zweite Gasstrom 3 dem Leitungselement zugeführt wird. Der Spalt 7 ist in seiner Öffnungsfläche 8 während des Betriebs des Verbrennungsmotors variabel und die Öffnungsfläche 8 wird mithilfe von Betätigungsmitteln variiert. Diese Betätigungsmittel umfassen in diesem ersten Ausführungsbeispiel Nocken für die Betätigung des inneren Rohrelementes 9, eine Wellenlagerung für die Drosselklappe 10, eine Rückholfeder für das innere Rohrelement 11 sowie eine Lauffläche der Nockenbetätigung des inneren Rohrelementes 12. In dem Leitungselement 4 im Stromfluss des ersten Gasstroms 2 stromaufwärts zu dem variablen Spalt 7 ist ein Drosselelement 13 angebracht, dessen Drehachse 14 senkrecht zu dem Gasfluss des ersten Gasstroms 2 orientiert ist. Der Abstand zwischen der Drehachse 14 des Drosselelementes 13 und dem variablen Spalt 7 beträgt maximal 2D, vorzugsweise 1D, höchst vorzugsweise 1/2D. D bezeichnet den Durchmesser am engsten Querschnitt im Bereich des Spaltes des inneren Rohrelements und beträgt in einer bevorzugten Ausführungsform zwischen 30 und 100 mm. Das Drosselelement 13 ist während des Betriebes des Verbrennungsmotors drehbar, so dass eine beliebige Drosselung des ersten Gasstroms 2 erfolgen kann. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Drosselelement 13 als flächiges, scheibenartiges Element ausgebildet, es kann jedoch in seiner Form beliebig ausgestaltet sein. Stromabwärts des Drosselelementes 13 ist ein bewegliches hier als Venturikörper ausgebildetes inneres Rohrelement 15 angeordnet, das innerhalb eines äußeren Rohrelementes 16 axial verschiebbar ist und die Öffnungsfläche 8 des variablen Spaltes 7 festlegt. Zusätzlich sind Betätigungsmittel zum wahlweise Verändern der Öffnungsfläche 8 des variablen Spaltes 7 und zum Drehen des Drosselelementes 13 vorhanden. Im Ausführungsbeispiel wird zwischen den Betätigungsmitteln umfassend die Bezugszeichen 9, 10, 11 und 12 zur Variation der Öffnungsfläche 8 des Spaltes 7 und zwischen den Betätigungsmitteln bezeichnet mit den Bezugszeichen 17, 18, 19, 20 und 21 zum Drehen der Stellung des Drosselelementes 13 unterschieden. Im Detail umfassen die Bezugszeichen 17–21 eine Wellenlagerung für den Antrieb 17, eine Verzahnung 18, eine Abdeckung des Antriebs bei der Drosselklappenausführung 19, eine Antriebsschnecke 20, sowie einen Antriebsmotor der Drosselklappenausführung 21.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Mischermoduls 1 nach der Ausgestaltung aus 1 bei geöffnetem Drosselelement 13. Im Ausführungsbeispiel ist das Drosselelement 13 um einen Winkel von 60° um dessen Drehachse 14 ausgelenkt. Der Drehwinkel α von 60° stellt allerdings nur eine Variante dar, es ist jedoch jeder Auslenkungswinkel α während des Betriebs des Verbrennungsmotors einstellbar.
3 entspricht der Ausgestaltung des Mischermoduls 1 aus 1, der Unterschied besteht lediglich in der Ausgestaltung der Querschnittsfläche der Leitung 4, in die ein Gasstrom, wie beispielsweise Luft, eingeleitet wird. Diese Leitung 4 weist hier einen kontinuierlichen Querschnitt ohne Verjüngung auf, wie hingegen in den 1 und 2 abgebildet.
4 stellt eine Explosionszeichnung des erfindungsgemäßen Mischermoduls nach dem Prinzip von 1 dar. Das Drosselelement 13 ist über die Drehachse 14 schwenkbar. Über die Verzahnung 18 wird die Schwenkposition des Drosselelementes 13 festgelegt.
5 zeigt ein Mischermodul 1 zur Mischung eines ersten Gasstroms 2 und eines zweiten Gasstroms 3, dass ebenfalls in einem Niederdruckabgasrückführsystem eines Verbrennungsmotors eingesetzt wird. Der erste Gasstrom 2 kann beispielsweise einen Luftstrom sein, der zweite Gasstrom 3 beispielsweise ein rückgeführter Abgasstrom. Die Leitung 4 zum Durchführen eines ersten Gasstroms 2 befindet sich auf der Frischluftseite 6. Der zweite Gasstrom 3 wird durch ein Zuführelement 5 dem Leitungselement des ersten Gasstroms 2 zugeführt. Stromaufwärts von diesem Zuführelement 5 aus gesehen ist ein Spalt 7 angeordnet, der während des Betriebs des Verbrennungsmotors in seiner Öffnungsfläche 8 variabel ist. Dies geschieht über zwei axial hintereinander angeordnete Elemente, ein bewegliches als Venturikörper ausgebildetes inneres Rohrelement 15 und ein äußeres Rohrelement 16, die zueinander axial verschiebbar angeordnet sind. Im Gasfluss des ersten Gasstroms 2 stromaufwärts befindet sich in einem bestimmten Abstand zu dem Spalt 7 eine Drossel, bestehend aus mehreren drehbaren Drosselelementen 22, deren Drehachsen 23 senkrecht zur Strömungsrichtung des ersten Gasstroms 2 ausgerichtet sind. Die während des Betriebs des Verbrennungsmotors einstellbaren Drosselelemente 22 sind im Ausführungsbeispiel um 90° gedreht, das heißt sie sind komplett geöffnet. Durch diese drehbaren Drosselelemente 22, lässt sich ein Drall in dem ersten Gasstrom 2 erzeugen, der während des Betriebs des Verbrennungsmotors durch die individuelle Einstellung der Stellung der Drosselelemente 22 variabel ist. Zusätzlich sind Betätigungsmittel in Form von einer Abdeckung des Antriebs 24 und 31, einer Verzahnung der Drallkappenausführung 25, einem Zahnkranz 26, einer Wellenlagerung 27, einem Getriebe 28, einer Welle 29 und einem Antriebsmotor 30 vorhanden. um die Drosselelemente 22 zu drehen und um die Öffnungsfläche 8 des Spaltes 7 zu variieren. Es ist möglich ein gemeinsames Betätigungsmittel anzuordnen, das beide Funktionen regelt und die Funktionen vorzugsweise mechanisch miteinander koppelt. Die Drosselelemente sind in einer bevorzugten Ausführungsform zwischen 0,5–1 mm dick und weisen vorteilhafterweise im Randbereich an den Kanten eine Fase auf. Dies stellt eine aus strömungsmechanischen Aspekten vorteilhafte Ausgestaltung dar.
6 entspricht dem Mischermodul 1 zur Mischung eines ersten Gasstroms 2 und eines zweiten Gasstroms 3 aus 5, und weist im Gegensatz hierzu keine Verjüngung des Querschnitts des Leitungselements auf, sondern der Durchmesser des Leitungselements ist an allen Stellen stromaufwärts der Drosselelemente 22 gleich groß.
In 7 ist das erfindungsgemäße Mischermodul 1 nach dem Prinzip von 5 in einer Explosionszeichnung dargestellt. Die Wellen 36 der drehbaren Drosselelemente 25 sind umfangsseitig an einer Hülse angeordnet. Durch diese gleichmäßige Anordnung wird wie in der Beschreibung bereits erwähnt eine vergleichsweise homogene Durchmischung der beiden Gasströme erzielt. Die Drosselelemente 25 sind über Verzahnungen 26 in ihrer Stellung während des Betriebs des Verbrennungsmotors variabel. Die Drosselelemente 25 sind auf die Wellen 36 aufgesetzt, welche bevorzugt außerhalb der Strömung liegen, wodurch der Strömungswiderstand gering ist, d. h. nicht durch die Wellen 36 erhöht wird.
8 zeigt das erfindungsgemäße Mischermodul 1 nach dem Prinzip von 5, welches mit dem Kompressor 40 über einen Anschlussbereich 39 verbunden ist. Der Anschluss zwischen Mischermodul 1 und Kompressor 40 sieht gleichermaßen aus für Drosselelemente 13 in Form von einer Drosselklappe.
9 stellt das erfindungsgemäße Mischermodul 1 nach dem Prinzip von 5 dar, bei dem zusätzlich zu der oben erläuterten Ausführungsform schematisch ein stromlinienförmiger Körper 41 angeordnet ist. Der stromlinienförmige Körper verstärkt den Venturieffekt zusätzlich. Der stromlinienförmige Körper 41 ist in Zigarrenform abgebildet und ist mithilfe von Betätigungsmitteln in seiner Länge veränderbar. Der vordere Teil des stromlinienförmigen Körpers 41 ist mit dem vorderen Teil des Mischermoduls 1 verbunden, der hintere Teil mit dem inneren Rohrelement 15. Durch Betätigungsmittel wird die Länge des stromlinienförmigen Körpers 41 verändert und damit verändert sich gleichermaßen die Öffnungsfläche 8 des Spaltes 7.
10 zeigt ein Abgassystem, umfassend ein Mischermodul 1 nach den vorangegangenen Figuren, das bei Niederdruck arbeitet. Durch das erfindungsgemäße Mischermodul 1, das alle zur Funktionserfüllung des Verfahrens erforderlichen Bauteile zusammenfasst, sind keine beweglichen Bauteile stromaufwärts des Mischermoduls im Gasfluss des zweiten Gasstroms 3 angeordnet. Das Abgas wird durch die Turbine 32 geleitet und über einen Abgasrückführfilter 33 sowie einen Abgasrückführkühler 34 unter Verringerung der Temperatur dem Mischermodul 1 zugeführt. Zusätzlich wird ein Frischluftstrom über den Luftfilter 35 angesaugt und ebenfalls dem Mischermodul 1 zugeführt. Das Mischermodul 1 umfasst die Funktionen wie in den vorangegangenen Figuren beschrieben.
Bezugszeichenliste

1: Mischermodul
2: Erster Gasstrom
3: Zweiter Gasstrom
4: Leitung
5: Zuführelement
6: Frischluftseite
7: Spalt
8: Öffnungsfläche des Spaltes
9: Nocken (für Betätigung inneres Rohrelement (15))
10: Wellenlagerung Drosselklappe
11: Rückholfeder (für inneres Rohrelement (15))
12: Lauffläche der Nockenbetätigung (des inneren Rohrelementes (15))
13: Drosselelement (Drosselklappe)
14: Drehachse (Drosselklappe)
15: Rohrelement
16: Rohrelement
17: Wellenlagerung Antrieb
18: Verzahnung (Drosselklappe)
19: Abdeckung Antrieb (Drosselklappe)
20: Antriebsschnecke (Drosselklappe)
21: Antriebsmotor (Drosselklappe)
22: Drosselelement (Drallschaufel)
23: Drehachse (Drallschaufel)
24: Abdeckung Antrieb
25: Verzahnung (Drallklappen)
26: Zahnkranz (Drallklappen)
27: Wellenlagerung
28: Getriebe
29: Welle
30: Antriebsmotor
31: Abdeckung Antrieb
32: Turbine
33: Abgasrückführfilter
34: Abgasrückführkühler
35: Luftfilter
α: Auslenkungswinkel des Drosselelementes
36: Wellen (Drosselelemente)
39: Anschlussbereich
40: Kompressor
41: Stromlinienförmiger Körper

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 60120721 T2 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Euro 6-Norm [0002]

Claims

Mischermodul (1) zur Mischung eines ersten Gasstroms (2) und eines zweiten Gasstroms (3) in einem Niederdruckabgasrückführsystem eines Verbrennungsmotors, wobei das Mischermodul (1) eine Leitung (4) zum Durchführen eines ersten Gasstroms (2), wie beispielsweise eines Luftstromes sowie ein Zuführelement (5) zum Zuführen eines zweiten Gasstroms (3) wie beispielsweise eines Abgasrückführstroms in das Leitungselement zu dem ersten Gasstrom (2) umfasst, und wobei im Gasfluss des zweiten Gasstroms (3) stromabwärts des Zuführelements (5) ein Spalt (7) angeordnet ist, durch welchen der zweite Gasstrom (3) in das Leitungselement einführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (7) als variabler Spalt (7) ausgebildet ist, derart, dass die Öffnungsfläche (8) des Spaltes (7) während des Betriebes des Verbrennungsmotors veränderbar ist, dass in dem Leitungselement im Stromfluss des ersten Gasstroms (2) stromaufwärts des Spaltes (7) in einem Abstand von maximal 2D zu dem Spalt, wobei D der engste Durchmesser im Bereich des Spaltes (7) des Leitungselementes ist, eine Drossel angeordnet ist, welche mindestens ein Drosselelement (13, 22) umfasst, das derart drehbar in der Leitung angeordnet ist, dass die Querschnittsfläche (8) des Drosselelementes (13, 22) senkrecht zur Strömungsrichtung des ersten Gasstroms (2) während des Betriebes des Verbrennungsmotors durch Drehung des Drosselelementes (13, 22) variabel ist, so dass eine Drosselung des ersten Gasstromes (2) mittels Drehung des Drosselelementes (13, 22) änderbar ist, und dass das Mischermodul (1) ein oder mehrere Betätigungsmittel zum wahlweisen Verändern der Öffnungsfläche (8) des Spaltes (7) und zum Drehen des Drosselelementes (13, 22) umfasst.
Mischermodul (1) Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel zur Erzeugung eines Dralls in dem ersten Gasstrom (2) ausgebildet ist, derart, dass der Drall während des Betriebs des Verbrennungsmotors änderbar ist.
Mischermodul (1) nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel mehrere drehbare Drosselelemente (22) aufweist, deren Drehachsen (23) vorzugsweise jeweils senkrecht zur Strömungsrichtung des ersten Gasstromes (2) angeordnet sind.
Mischermodul (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Drosselelemente (22) umfangsseitig an der Leitung (4) angeordnet sind und vorzugsweise gleichartig gestaltet sind.
Mischermodul (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselelemente (22) flächig ausgebildet sind, vorzugsweise, dass die Drosselelemente (22) derart ausgebildet und angeordnet sind, dass sie in einer Stellung quer zur Strömungsrichtung des ersten Gasflusses einen geschlossenen Ring bilden, dessen Mittelachse parallel zur Strömungsrichtung des ersten Gasflusses ist.
Mischermodul (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselelemente (22) mit dem Betätigungsmittel derart zusammenwirkend ausgebildet sind, dass sie mittels des Betätigungsmittels gleichsinnig drehbar sind.
Mischermodul (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselelemente (22) als Drallschaufeln ausgebildet sind.
Mischermodul (1) nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der variable Spalt (7) hinsichtlich einer Spaltbreite parallel zu der Strömungsrichtung des ersten Gasflusses änderbar ausgebildet ist.
Mischermodul (1) nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der variable Spalt (7) mindestens ein in Umfangsrichtung verlaufendes Segment aufweist.
Mischermodul (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der variable Spalt (7) in Umfangsrichtung ringförmig ausgebildet ist, gegebenenfalls mit einer oder mehreren Unterbrechungen.
Mischermodul (1) nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung zwei axial hintereinander angeordnete Rohrelemente (15, 16) umfasst, wobei die Rohrelemente (15, 16) zueinander in Axialrichtung verschiebbar angeordnet sind, zur Ausbildung des variablen Spaltes (7).
Mischermodul (1) nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung eine Querschnittsverjüngung zur Ausbildung eines Venturieffektes aufweist.
Mischermodul (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der variable Spalt (7) an dem engsten Querschnitt der Leitung angeordnet ist, vorzugsweise, dass Spalt (7) und Drossel an dem engsten Querschnitt der Leitung angeordnet sind.
Mischermodul (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in der Leitung im Gasfluss des ersten Gasstroms (2) stromabwärts der Drossel ein stromlinienförmiger Körper zur Verstärkung des Venturieffektes angeordnet ist.
Mischermodul (1) nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der stromlinienförmige Körper parallel zur Strömungsrichtung des ersten Gasflusses verschiebbar angeordnet ist, vorzugsweise mittels eines Betätigungsmittels.
Mischermodul (1) nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (4) und die Drossel derart mechanisch gekoppelt und in Wirkverbindung mit einem Betätigungsmittel ausgebildet sind, dass mittels des Betätigungsmittels aufgrund der mechanischen Kopplung sowohl Spaltbreite als auch Drosselung wahlweise änderbar ist.
Mischermodul (1) nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselquerschnittsfläche und die Spaltbreite derart zusammenwirkend ausgebildet sind, dass eine Verringerung der Drosselquerschnittsfläche eine Vergrößerung der Spaltfläche bewirkt und umgekehrt.
Mischermodul (1) nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel in dem Leitungselement im Stromfluss des ersten Gasstroms (2) stromaufwärts des Spaltes (7) in einem Abstand von 1D, vorzugsweise 1/2D angeordnet ist.
Abgassystem umfassend ein Mischermodul (1) gemäß der Ansprüche 1–18, dadurch gekennzeichnet, dass sich stromaufwärts des Mischermoduls (1) im Gasfluss des zweiten Gasstroms (3) keine beweglichen Bauteile befinden.